材料科学基础——塑性变形.ppt

1、,第六章金属的塑性变形,Plasticdeformationofthemetalmaterials,6.1金属变形的三个阶段6.2单晶体的塑性变形6.3多晶体的塑性变形6.4合金的塑性变形6.5塑性变形对组织与性能的影响,章节内容,碳钢标准试样,弹性变形,Elasticdeformation,6.1.1,6.1金属变形的三个阶段,低碳钢拉伸曲线的4个阶段、3个特征点,OB：弹性阶段（卸载可逆）,A：比例极限PB：弹性极限e,BC：屈服阶段（出现塑性变形）,（两者很接近）,=E,C：屈服极限s,CD:强化阶段,D：强度极限b,DE：缩颈阶段（局部收缩阶段）,e:弹性应变，p:塑性应变（不可逆的残

2、余应变）,P,e,s,b,A,B,C,C,D,E,O,=E,卸载曲线,卸载后再加载曲线,屈服极限提高：冷作硬化,，在CD段内卸载曲线为弹性直线,E：断裂点,试件在弹性极限(Elasticlimit)范围内的变形将完全恢复到原来的形状。,弹性变形,Elasticdeformation,6.1.1,对超过弹性极限载荷的金属金属试件卸载，卸载曲线近似于弹性曲线。,弹性变形,Elasticdeformation,6.1.1,弹性变形,Elasticdeformation,弹性变形(Elasticdeformation),金属的晶格结构在外力作用下产生的弹性畸变。,6.1.1,弹性变形阶段应力与应变呈线

3、性关系，服从虎克定律。,金属的变形特性,Characteristicsofmetaldeformation,E正变弹性模量G切变弹性模量表征金属材料对弹性变形的抗力。,6.1.1,滞弹性,弹性变形,Elasticdeformation,现象：弹性范围内加载或去载，非瞬时达到，通过一种驰豫过程来完成。,6.1.1,重要效应：内耗应力-应变关系的不可逆性导致损耗。即：材料发生循环应力-弹性应变过程中，要消耗能量（主要转换成热能而散失掉）的现象。面积=内耗,弹性变形,Elasticdeformation,6.1.1,弹性变形,Elasticdeformation,现象：一根固溶有少量碳的纯铁丝，使其

4、扭摆，即使完全消除装置的各种阻力其摆动振幅也会逐渐减小，并最终停止下来。该过程中，开始存储于铁丝中的弹性能在扭摆过程中被不断消耗掉了。能量消耗于材料的内部，这就是内耗现象。（葛氏摆内耗实验）,6.1.1,弹性变形,Elasticdeformation,实际：发条钟表：希望弹簧本身的内耗越低越好。机床底座：采用灰口铸铁，因为灰口铸铁属于高内耗材料，可以将震动能量尽量多的转换消耗掉，达到降噪效果。,6.1.1,金属在外力作用下发生不可恢复的变形而保持其完整性不被破坏的性质称为金属的塑性(Plasticity)。,塑性变形,Plasticdeformation,6.1.2,试件变形达到其弹性极限后，

5、如果继续加载，将发生不可恢复的变形，称为塑性变形(Plasticdeformation)。,塑性变形,Plasticdeformation,6.1.2,试件完全卸载后，残留部分不可恢复的变形P，即塑性变形。,塑性变形,Plasticdeformation,6.1.2,衡量金属材料塑性好坏的数量指标，称为塑性指标，一般以材料开始破坏时的塑性变形量来表示。,塑性变形,Plasticdeformation,6.1.2,电子拉伸试验机,试件断口,塑性变形,Plasticdeformation,6.1.2,拉伸试验后可确定以下强性指标：,塑性变形,Plasticdeformation,6.1.2,OB：

6、弹性阶段（卸载可逆）,A：比例极限PB：弹性极限e,BC：屈服阶段（出现塑性变形）,（两者很接近）,=E,C：屈服极限s,CD:强化阶段,D：强度极限b,拉伸试验后可确定以下塑性指标：,(Elongationpercentage),(Reductionofarea),塑性性能与之成正比,塑性变形,Plasticdeformation,6.1.2,断裂的基本类型1）根据断裂前塑性变形大小分类脆性断裂；韧性断裂,断裂（fracture）,6.1.3,2）根据断裂面的取向分类正断；切断,3）根据裂纹扩展的途径分类穿晶断裂；沿晶断裂；,4）根据断裂机理分类解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂,断裂（f

7、racture）,断裂形式,微孔聚集型断裂（塑性）,断裂（fracture）,微孔聚集型断裂夹杂物、第二相粒子的作用,断裂（fracture）,解理断裂（脆性）,以极快速率沿一定晶体学平面，产生的穿晶断裂。解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。fcc金属一般不发生解理断裂。解理断裂总是脆性断裂。,断裂（fracture）,沿晶断裂,碳钢标准试样,内容回顾,工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。而用试样缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即ak=Ak/F，其单位为kJ/m2或J/c

8、m2。,冲击功Ak冲击韧性ak,20世纪30-40年代，碳钢，工程结构和部件1.断裂都发生在很低的应力下2.断裂往往发生在严寒的冬天3.都是大型焊接件4.都是脆性断裂,断裂（fracture）,实际中，部件断裂时，所承受的外力往往远低于材料的屈服强度或弹性极限。即使是“塑性”材料，断裂前也没有明显的塑性变形。,20世纪60年代提高了钢种的屈服强度高强钢然而断裂事故反而增多了，低应力下发生断裂（只有屈服强度的一半）断裂力学,断裂（fracture）,原因：1.低温下特别脆，对缺陷十分敏感2.焊缝质量有问题，本身成了缺陷,断裂（fracture）,理论断裂强度,断裂（fracture）,断裂（fr

9、acture）,WHY？,断裂（fracture）,Griffith理论与断裂韧性,材料中本身存在有裂纹：结晶中的热应力所致；应力集中所致；焊接裂纹；烧结裂纹等等。,实际强度不是两相邻原子面的分离应力，而是现成微裂纹的扩展应力。,断裂（fracture）,Griffith理论与断裂韧性,断裂（fracture）,Griffith理论与断裂韧性,Orowan修正,断裂（fracture）,裂纹的萌生,微裂纹优先在微小的氧化物、碳化物等颗粒上形成。,断裂（fracture）,裂纹的萌生,断裂（fracture）,裂纹的萌生,断裂（fracture）,影响材料断裂的因素,内因：晶体结构：fcc塑性好

10、、bcc、hcp塑性差成分和组织：金属越纯，塑性越好晶粒度：晶粒细小，强度、塑韧性均好,外因：温度：低温易脆断应力状态和裂纹：微裂纹大，拉应力状态，易脆断应变速率：应变速率大，易发生脆性断裂,滑移(Slip),单晶体的塑性变形,6.2,Plasticdeformationofsinglecrystals,孪生(Twin),扭折(Kink),单晶体的塑性变形,6.2,Plasticdeformationofsinglecrystals,单晶体的塑性变形,6.2,6.2.2滑移(Slip),Plasticdeformationofsinglecrystals,滑移：外力作用下晶体的一部分相对于另一

11、部分沿一定晶面和晶向发生滑动位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑性变形机制。,单晶体的塑性变形,6.2,Plasticdeformationofsinglecrystals,单晶体的塑性变形,6.2,滑移发生在晶体中的什么位置？滑移过后会在晶体上产生什么样的现象？启动滑移需要多大的外力？滑移过程中会出现哪些附加现象？,Plasticdeformationofsinglecrystals,单晶体的塑性变形,6.2,1.滑移系(Slipsystem),滑移发生的晶面称为滑移面(slipplane)，滑移发生的晶向称为滑移方向(slipdirection)，滑移面和滑移方向合称为滑移系。,Pla

12、sticdeformationofsinglecrystals,单晶体的塑性变形,6.2,滑移系,Plasticdeformationofsinglecrystals,余永宁，金属学原理，冶金工业出版社，2000,单晶体的塑性变形,6.2,滑移面密排面，滑移方向密排方向,为什么面心立方晶体的滑移比体心和密排六方晶体的滑移更容易？,Plasticdeformationofsinglecrystals,单晶体的塑性变形,6.2,2.滑移带与滑移线(SlipbandandSlipline),Plasticdeformationofsinglecrystals,Al单晶,单晶体的塑性变形,6.2,滑移

13、线Slipline,Plasticdeformationofsinglecrystals,滑移带Slipband,单晶体的塑性变形,6.2,Plasticdeformationofsinglecrystals,3.临界分切应力(Criticalresolvingshearstress),单晶体的塑性变形,6.2,临界分切应力(Criticalresolvingshearstress),F,N,F,滑移方向,滑移面法向,A/cos,圆柱的底面积为AF与滑移面法向夹角为；F与滑移方向夹角为,Plasticdeformationofsinglecrystals,单晶体的塑性变形,6.2,F,N,F,

14、滑移方向,滑移面法向,A/cos,Plasticdeformationofsinglecrystals,把滑移系开动所需要的最小分切应力称为临界分切应力（CRSS）。,单晶体的塑性变形,6.2,称为取向因子，或Schmid因子。,Plasticdeformationofsinglecrystals,单晶体的塑性变形,6.2,Plasticdeformationofsinglecrystals,软取向,硬取向,硬取向,试件断口,单晶体的塑性变形,6.2,4.滑移时晶体的转动,Plasticdeformationofsinglecrystals,拉伸,滑移方向/拉伸轴,单晶体的塑性变形,6.2,滑

15、移时晶体的转动,Plasticdeformationofsinglecrystals,压缩,滑移面压缩轴,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,6.2,滑移发生在晶体中的什么位置？滑移发生在固定的滑移系上。滑移过后会在晶体上产生什么样的现象？试样表面会产生滑移线和滑移带。启动滑移需要多大的外力？滑移过程中会出现哪些附加现象？晶体会发生转动。,单晶体的塑性变形,6.2,单晶体的塑性变形,6.2,单晶体的塑性变形,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,补充：多滑移和交滑移(Polyslipa

16、ndCross-slip),当外力的取向使2个或多个滑移系上的分切应力均达到临界分切应力值时，这些滑移系可以同时开动而发生多系滑移。,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,几何硬化：如果晶体滑移面原来处于其法线与外力轴夹角接近45的位向，经滑移和转动后，就会转到此夹角越来越远离45的位向，从而使滑移变得越来越困难。几何软化：经滑移和转动后，一些原来角度远离45的晶面将转到接近45，使滑移变得容易进行。,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,6.2,单晶体的塑性变形,Plastic

17、deformationofsinglecrystals,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,以面心立方为例讨论多滑移,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,开动的具体滑移系及数目与力轴的关系：三角形内：1个；边上：2个；2次轴上：4个；三次轴上：6个；4次轴上：8个,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,发生多系滑移时，在抛光表面看到不止一组的滑移线，而是两组或多组交叉的滑移线。由于多个滑移系开动，位错交截产生割阶及位错

18、带着割阶运动等原因使位错运动阻力增加，因而强度增大。,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,交滑移(Cross-slip)：两个或多个滑移面共同按1个滑移方向滑移称交滑移。,交滑移不是几个面“同时”，而是“顺序”滑移。,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,6.2,课堂练习,课堂练习,2.面心立方单晶以131为力轴，进行拉伸。当拉应力为10MPa的时候，确定(111)0-11，(111)10-1，(111)1-10滑移系上的分切应力。,作业：,单晶体的塑性变形,Plasticde

19、formationofsinglecrystals,6.2.5孪生(twinning),孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向产生一定角度的均匀切变过程。,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,孪生(twinning),研究意义：形变的另一种机制，HCP金属中尤其重要现象：产生孪晶对称特点：原子排列以某一晶面成镜面对称形成过程：形变、晶体生长、退火及相变,形变孪晶、生长孪晶、退火孪晶,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,孪生(twinning),宏观外

20、形看不出孪生或对称关系微观原子排列显示出孪生关系,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,孪生往往在滑移困难时出现，六方晶系的滑移系很少，所以容易出现孪晶；又因六方晶系的孪生应变比较低，孪生引起的应变能和应变的平方成正比，所以六方晶系孪生比较容易。,常见的孪生面是10-12,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsingl

21、ecrystals,孪生形核长大(滑移位错源开动)“形核”极快速度爆发出薄片挛晶，常在高应力集中处形核，出现孪生时应力-应变曲线有突然下降的现象。“长大”薄片沿孪晶界面扩展开，使孪晶加宽孪生激发晶体进一步滑移对h.c.p晶体很重要，改变晶体取向硬软软硬,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,孪生的一般特点：1.出现的频率和尺寸取决于晶体结构和层错能的大小。2.常在高应力集中处形核，出现孪生时应力-应变曲线有突然下降。3.根据孪晶几何的分析，孪生区域应由2个与基体共格的孪晶面为边界。4.由孪生提供的形变量是很小的，特别是在六方结构晶体中。

22、,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,体心立方晶体：,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,锌,镁,由孪生提供的形变量是很小的，特别是在六方结构晶体中。,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,滑移与孪生的差别：1.滑移使滑移面两侧相对滑移一个完整的平移矢量（柏氏矢量），而孪生则在孪晶内所有的面都滑动，滑动的距离并非是完整的平移矢量，每个面的滑移量和距孪生面的距离成正比。2.滑移后整个晶体的位向没有改变，而孪生则使孪晶部分

23、的位向与基体成对称。3.滑移使表面出现台阶（滑移线），表面重新抛光后，滑移线消失；孪生则使表面出现浮凸，重新抛光并侵蚀后仍能看到。,6.2,单晶体的塑性变形,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,3.扭折(kink),6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,6.2,滑移(Slip),单晶体的塑

24、性变形,6.2,Plasticdeformationofsinglecrystals,孪生(Twin),扭折(Kink),单晶体的塑性变形,6.2,Plasticdeformationofsinglecrystals,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,补充：单晶体的应力-应变曲线(stress-straincurve),加工硬化：材料加工时强度和硬度随应变加大而增加的现象。应力-应变曲线：是定量描述加工硬化性质的依据。,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,单晶体的应力-应变曲线(s

25、tress-straincurve),前提：初始取向下只有1个滑移系开动。,f.c.c.，b.c.c.三个阶段h.c.p.两个阶段,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,I阶段易滑移阶段,大量塑变硬化系数很小10-4G一个滑移系的开动滑移线均匀分布，间距小,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,II阶段线性硬化阶段,30倍第二滑移系开动与第一交割短、点线状滑移带,与试样相对于力轴的取向、温度甚至合金度等关系不大。,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationof

26、singlecrystals,III阶段抛物线硬化阶段,抛物线关系kq冲破了位错交割的障碍,在应变0.3-0.5处开始，与试验温度有关。,6.2,单晶体的应力-应变曲线(stress-straincurve),前提：初始取向下只有1个滑移系开动。,f.c.c.，b.c.c.三个阶段h.c.p.两个阶段,I阶段易滑移阶段,II阶段线性硬化阶段,III阶段抛物线硬化阶段,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,应力-应变曲线的影响因素：温度低时，第III阶

27、段会消失。金属越纯，第I阶段越短，但I变化不大。力轴相对于晶体是软取向时（单滑移时），第I阶段比较长，并且I较小；力轴为硬取向时，I较大。力轴取向对II也有类似影响，但不如对I的影响大。,6.2,单晶体的塑性变形,Plasticdeformationofsinglecrystals,应力-应变曲线的影响因素：形变温度越低，第I、II阶段越长，但I和II与温度无关。第III阶段开始时的应力III对温度非常敏感，温度越高，III越小。形变速率的影响和温度的影响相反，降低温度的影响相当于增加形变速率的影响。,6.2,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,

28、6.3,6.3.1多晶体形变的特点：不同于单晶；每一晶粒的取向“软”和“硬”不同，形变先后及形变量也不同。为保持整体的连续性，每个晶粒的形变必受相邻晶粒所制约。,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,6.3,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,多晶体塑性变形涉及的两个方面：,a.变形在晶粒间的传递,6.3,位错塞积作用于障碍的应力：,位错源与障碍之间长度为L这段距离内塞积的位错数目,外加应力,多晶体的塑性变形,6.3,位错塞积对P点的作用力：,与取向有关的因子，接近于1,6.3,（1）原因：各晶粒之间

29、变形具有非同时性。（2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）（3）条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变化）,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,b.晶粒间变形的协调,6.3,例：f.c.c.和b.c.c.滑移系多，晶粒协调性好，,h.c.p.滑移系少，晶粒协调性差，,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,6.3,a.晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。b.晶界对变形的影响：滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。,晶界对塑性变形的影响：,多晶体的塑性变形,Plasticd

30、eformationofpoly-crystal,6.3,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,6.3.2晶粒大小对塑性变形和性能的影响,s：晶内阻力或晶格摩擦力K：与晶格类型、弹性模量、位错分布及位错被钉札程度有关的常数。,除屈服强度外，流变应力、断裂强度等与晶粒尺寸间也有H-P关系，但参数的意义及数值不同。,6.3,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,6.3,多晶体的塑性变形,6.3,晶界存在引起强度增加的原因：双晶试验表明：试样的屈服强度随2个晶粒取向差加大而加大，把取向差与强度的关系外推到取向

31、差为零时，屈服强度大体和单晶的各种取向的屈服强度的平均值接近。说明晶界本身对强度的贡献不是主要的，对强度的贡献主要来自晶粒间的取向差。因相邻晶粒的取向不同，为保持形变时应变连续，各晶粒形变要协调，在晶界附近会出现多系滑移。正是这些多系滑移增加了形变阻力，从而增加强度。,多晶体的塑性变形,6.3,晶粒越细，晶界的总面积就越大，每个晶粒周围不同位向的晶粒越多，对滑移产生的抗力就越大，金属的强度就越高。,分析：,晶粒越细，单位体积中的晶粒就越多，同样的塑性变形量可以分散在更多的晶粒中发生，使金属产生较为均匀的塑性变形，不致造成局部应力集中，引起断裂，所以金属的塑性、韧性也会提高。,多晶体的塑性变形,

32、6.3,晶粒越细，裂纹传播（扩展）所消耗的能量越多，裂纹在不同位向的晶粒中传播越困难，金属的断裂韧性越好。,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,6.3,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,6.3,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,6.3.3多晶体的应力-应变曲线,6.3,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,多晶体塑性变形涉及的两个方面：,a.变形在晶粒间的传递,6.3,位错塞积对P点的作用力：,与取向有

33、关的因子，接近于1,6.3,独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变化）,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,b.晶粒间变形的协调,6.3,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,晶粒大小对塑性变形和性能的影响,s：晶内阻力或晶格摩擦力K：与晶格类型、弹性模量、位错分布及位错被钉札程度有关的常数。,除屈服强度外，流变应力、断裂强度等与晶粒尺寸间也有H-P关系，但参数的意义及数值不同。,6.3,多晶体的塑性变形,Plasticdeformationofpoly-crystal,6.3,合金的塑性变形,Pla

34、sticdeformationofalloys,6.4,1.固溶体的塑性变形：,溶质原子引起点阵畸变，并产生应力场。,强度极限、硬度、加工硬化指数均升高固溶强化。延伸率降低。,合金的塑性变形,Plasticdeformationofalloys,6.4,2.复相合金的塑性变形：,基体+第二相,聚合型,分散分布型,强度低和塑性高的第二相使合金易于变形，强度降低而塑性提高,一般都会使合金强度提高，塑性下降。析出强化,塑性变形对金属组织与性能的影响,6.5,6.5.1显微组织与性能的变化,1.显微组织的变化,晶粒变化：等轴晶粒拉长晶粒纤维组织,塑性变形对金属组织与性能的影响,6.4,6.4,6.4,

35、6.4,6.4,6.4,塑性变形对金属组织与性能的影响,6.4,亚结构(substructure)的细化,a、随着变形的增大，晶界出现位错堆积。,b、随着变形的增大，晶粒破碎成细碎的亚晶粒，位错密度明显增大。,6.4,亚结构(substructure)的细化,塑性变形对金属组织与性能的影响,6.4,塑性变形对金属组织与性能的影响,6.4,2.对性能的影响,力学性能,强度、硬度,塑性、韧性,加工硬化,利：提高材料强度,弊：增加变形抗力，不利于进一步加工,塑性变形对金属组织与性能的影响,6.4,加工硬化指数：,物理化学性能：导电性降低，抗蚀性降低。,塑性变形对金属组织与性能的影响,6.4,1.显微组织的变化,晶粒变化：等轴晶粒拉长晶粒纤维组织,塑性变形对金属组织与性能的影响,6.4,亚结构(substructure)的细化,a、随着变形的增大，晶界出现位错堆积。,b、随着变形的增大，晶粒破碎成细碎的亚晶粒，位错密度明显增大。,塑性变形对金属组织与性能的影响,6.4,塑性变形对金属组织与性能的影响,6.4,2.对性能的影响,力学性能,强度、硬度,塑性、韧性,加工硬化,利：提高材