第六章-金属的塑性变形和断裂分析.ppt

1、第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,引言： 金属材料的铸态组织存在：晶粒粗大；组织不均匀；成分不均匀（偏析）；材质不致密； 金属材料经压力加工（塑变）后：改变外形尺寸；组织变化、性能变化；,塑性加工（压力加工）：利用金属在外力下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法。 塑性加工包括锻造、轧制、 挤压、拉拔、冲压等方法。,研究意义： 通过分析金属在外力作用下的变形过程和机理： 了解金属材料强度和塑性的实质，探索金属强化的途径和方法； 为制定压加工艺、分析、控制加工件的质量打下基础；,本章重点： （1）拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指标； （2）塑性变

2、形的宏观变形规律与微观机制； （3）加工硬化的本质及实际意义； （4）塑性变形对金属与合金组织、性能的影响： （5）金属材料的强化机制。,第一节 金属的变形特性,1、应力应变曲线： 公式：,式中：载荷； 0：试样的原始截面积； ：试样变形后的长度； 0：试样的原始标距长度；,低碳钢的应力应变曲线：如图61所示；,其中：e：弹性极限； e： s：屈服极限（屈服强度）（金属开始产生屈服现象时的应力） 0.2：条件屈服强度（金属的残余应变量达到0.2时的应力）； s： b：强度极限（抗拉强度）； b： k：断裂强度； k：,强度指标： e、 s（ 0.2 ）、 b、 k； 塑性指标：延伸率、断面收缩

3、率,其中：断裂时试样的标距长度；,其中：断裂处试样横截面积；,工程应力应变曲线中“颈缩”现象掩盖了 “加工硬化”,3、弹性变形： 定义：金属受力发生变形，当外力去除，立即恢复原状的变形，叫做弹性变形； 实质：利用双原子作用力模型解释： 仅原子间距发生微小的弹性变化，无显微组织的变化； 特点：变形是可逆的； 弹性应变很小； 应力与应变成正比：符合虎克定律： 正应力：,切应力：,则有：,其中：发生单位变形时所需的应力。反映了材料对弹性变形的抗力，代表了材料的刚度。 刚度：零件或构件保持原形状、尺寸的能力； 主要取决于：金属的本性、晶格类型、晶格常数等（原子间的结合力）；对组织不敏感； 书表61，一

4、些金属材料的弹性模量；,：正弹性模量； ：切弹性模量；,第二节 单晶体的塑性变形,塑性变形：物体的外形尺寸发生了永久变化的变形； 塑性变形的方式：滑移、孪生、扭折等； 1、滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作相对的滑动；,2.滑移特点：,由图可知： 外力P在一定的晶面上分解为两种应力，一为平行于该晶面的切应力，另一为垂直于该晶面的正应力，如图（a）所示； 只能引起晶格的弹性伸长，（由cc，aa） ，或进一步把晶体拉断，如图（b）所示； 可使晶格发生弹性扭曲后，进一步造成滑移，如图（c）所示； 通过大量晶面的滑移，最终使试样被拉长变细，如图（d）所示；,这样产生的变形叫做滑移变

5、形； 特点：不改变晶体的点阵类型； 在晶体表面产生台阶； 滑移在切应力的作用下发生。,2.1滑移带：,高锰钢中的滑移带，500X,2.2滑移的晶体学特征：滑移系； 滑移面：能够发生滑移的晶面； 滑移方向：在滑移面上能够进行滑移的方向； 滑移系：晶体中一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系；（表示金属晶体发生滑移时滑移动作可能采取的空间位向）,特点：滑移面总是原子最密排面，滑移方向总是原子的最密排方向； 在晶体的原子密度最大的晶面上，原子间的结合力最强，而面与面之间的距离却最大，所以密排晶面之间的原子间结合力最弱，滑移的阻力最小，最易于滑移； 同理，沿原子密度最大的晶向滑动时，阻力最小；,

6、几种常见金属的滑移面与滑移方向如表62所示；,说明：滑移系越多，滑移时可供采用的空间位向也越多，所以该金属的塑性也越好，而且滑移方向的作用大于滑移面的作用； 所以，fcc的塑性最好，bcc次之，hcp最差；,2.3滑移的临界分切应力： 临界分切应力：使滑移系开动的最小分切应力； 如图所示；,以圆柱形金属单晶体试样为例： 试样的横截面积为； 轴向拉力为； 滑移面的法线与的夹角为；滑移方向与的夹角为；,外力在滑移方向分切应力为：,其中coscos：取向因子（），叫做 Schmidt因子； 取向因子的变化范围： （滑移面法线、滑移方向和外力轴三者在同一平面上，则 90 ，当外力与截面积一定时） 45

7、时， 0.5（最大）， 最大，最有利于滑移，称为软取向；,当0或90时， 0，则0，滑移面与外力方向垂直或平行时，无论施加多大的外力，也不能发生滑移，这种取向叫做硬取向； 小于或大于45都属于不利于滑移的取向；,临界切分应力 k：当滑移开始时，在宏观上金属开始屈服，则：P/A=s，则,2.4滑移时晶体的转动：,当滑移面上同时存在分切应力、分正应力时，晶体在滑移的同时，还将发生转动，角和角发生变化，如图69所示；,几何软化：由于滑移和转动，使原来不利于滑移的晶面转到有利于滑移的方向上，（滑移面的法向与外力轴的夹角接近45），从而有利于滑移的现象； 几何硬化：由于滑移和转动，使原来有利于滑移的晶面

8、转到不利于滑移的方向上，（滑移面的法向与外力轴的夹角远离45），从而不利于滑移的现象；,2.5多滑移：,2.5.1单系滑移：在一个滑移系上进行的滑移； 2.5.2多系滑移：在两个或更多的滑移系上同时进行的滑移；,2.6滑移的位错机制： 2.6.1位错的运动与晶体的滑移： 问题：实际金属晶体滑移所需的力仅是理想晶体的百分之一到千分之一，为什么？ 回答：位错的运动使滑移进行，如图616所示；,位错虽然移动了一个原子间距，但位错中心附近的少数原子只作远小于一个原子间距的弹性偏移，而其他区域的原子仍处于正常位置，所以这样的位错运动只需一个很小的切应力即可实现，故，实测的K 远小于理论的K 。,滑移的实

9、质：位错中心的原子逐一递进，由一个平衡位置转移到另一个平衡位置，通过一根位错线从滑移面的一侧到另一侧的运动便造成一个原子间距的滑移，如图615所示；,2.6.2位错的增殖： 问题： 如图66所示；晶体变形时产生大量滑移带就需要为数极多的位错，晶体中有如此大量的位错吗？ 随着变形的进行，晶体中的位错数目越来越少，最终导致形成无位错的理想晶体？ 回答： 晶体通过形变，位错数目会显著增多，原因位错的增殖；,位错的增殖：弗兰克瑞德位错源，如图611所示；,位错分为,封闭的位错环,重结的 DD段,晶体滑移的实质：不断的消耗位错，不断产生新位错的过程；,2.6.3位错的交割与塞积： 交割：位错线相交再通过

10、的过程；例如，图612；,交割的结果产生割阶； 形成割阶：,增加了位错线的长度； 还可能形成一种位错难以运动的固定割阶，造成位错缠结；,位错的塞积：当位错运动遇到障碍物（固定位错、杂质粒子、晶界等）的阻碍时，领先的位错在障碍物前被阻止，后续的位错被堵塞，这种现象叫做塞积； 后果：在障碍物的前端形成高度应力集中，如图613）所示；,塞积处产生的应力集中为： 0 其中， ：塞积在障碍处产生的应力集中； 0：一个位错产生的应力集中在滑移方向的分切应力； ：位错塞积数；（n与成正比，是障碍物至位错源的距离）； 所以， ；,图619）合金中的位错塞积；,2、孪生： 定义：在切应力的作用下，晶体的一部分以

11、一定的晶面（孪晶面）为对称面与晶体的另一部分发生对称性移动而进行的剪切变形，叫做孪生； 孪晶：以孪晶面为对称面而处于镜面对称位置的一对晶体叫做孪晶（双晶），如图620所示；,说明： 孪生是晶体塑变的另一种方式； 孪生经常发生在：不易产生滑移的金属中、某些金属滑移困难时、变形速度大时； 孪生面和孪生方向： 例如：fcc：孪生面111，孪生方向为112； bcc: 孪生面112，孪生方向为111 fcc晶体孪生变形的示意过程，如图621所示； 孪生时可听到声音； 孪生对总变形量贡献不大；,孪生的特点： 使一部分晶体发生了均匀的切变； 引起了晶体取向的变化； 不会改变晶体的点阵类型； 所需的切应力比

12、滑移大许多倍； 在光学显微镜下观察到的是条带状；,第三节 多晶体的塑性变形 多晶体金属的塑性变形与单晶体的本质是一致的，即每个晶粒的塑性变形仍以滑移、孪生等方式进行； 但多晶体与单晶体相比有两点不同：相邻的晶粒位向不同；各晶粒之间存在晶界；,所以，多晶体的塑变过程又比单晶体的相对复杂许多。 首先：多晶体的塑变受到晶界的阻碍和位向不同的晶粒的影响； 其次：任一个晶粒的塑变都需周围的晶粒同时发生相适应的变形来配合，以保持晶粒之间的结合和整个物体的连续性。,1、多晶体的塑性变形特点：,1.1各晶粒变形不同时发生：,1.2晶界阻碍滑移进行：位错在晶界处受阻，形成位错的平面塞积群，造成很大的应力集中；

13、1.3晶粒之间要相互协调变形：相邻的晶粒必须是多系滑移； 所以，fcc、bcc的滑移系多，各个晶粒变形协调性好，所以它们的多晶体金属表现出良好的塑性；hcp的滑移系少，所以塑性差；,1.4多晶体变形的不均匀性： 由于晶界及相邻晶粒位向的影响：有的晶粒变形大，有的晶粒变形小；一个晶粒内部变形也不均匀，呈现“竹节形”变形，如图622所示；,2、晶粒大小对塑性变形的影响：,2.1多晶体的变形抗力大于单晶体： 原因：晶界和相邻晶粒位向差阻碍了位错的运动，如图616所示；,2.2晶粒越细小，强度越高；,晶粒平均直径d与屈服强度s的关系（Hall-Petch 公式）如图619所示： 可知：d s ,式中：

14、0：常数；表示晶内对变形的抗力（相当于单晶体金属的屈服强度）； k：常数；表示晶界对变形的影响；,原因：,多晶体先在取向最有利的晶粒中发生滑移，产生位错塞积，位错塞积群应力：,晶粒越小L越小n越小越小,所以，在同样的外加应力下，小晶粒的应力集中小，则需要在较大的外加应力下才能使相邻的晶粒发生塑变，所以，d s ,晶界强化：这种用细化晶粒增加晶界提高金属强度的方法叫做晶界强化；,2.3细晶粒在强度高的同时，塑、韧性也较好；,原因： 晶粒细小，单位面积的晶粒数目多，有利于变形的取向多； 晶粒细小，晶内和晶界的变形差异小，变形均匀，引起的应力集中小，不易开裂，在断裂前可以承受较大的形变量； 晶粒细小

15、，晶界多，且曲折，不利于裂纹的传播； 所以，细小的晶粒具有强度高，塑、韧性好的综合机械性能；,第四节 合金的塑性变形,合金,单相固溶体合金,以基体金属为基的固溶体,多相合金,第二相,固溶体,化合物,1、单相固溶体的塑性变形：,塑变方式基本上与纯金属多晶体的变形相同，但： 1.1产生固溶强化：由于溶质原子存在使强度、硬度增高，塑性、韧性下降的现象； 原因： 发生晶格畸变； 形成柯氏气团：溶质原子在位错线附近的偏聚，如图626所示；柯氏气团对位错有钉扎作用，使位错运动的阻力增大；,a)溶质原子大于溶剂原子的置换固溶体； b)溶质原子小于溶剂原子的置换固溶体； c)间隙固溶体；,1.2强化效果规律：

16、,在固溶体溶解度范围内，浓度越大则强化效果越大； 溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，则造成的晶格畸变越大，因而强化效果越大； 形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的溶质元素； 溶质原子与溶剂原子的价电子数相差越大，则强化作用越大.,2、多相合金的塑变：,2.1合金中两相的性能相接近： 合金的变形能力为两相的平均值：,式中， 和是 两相的强度极限； 和是两相的体积分数；,2.2两相的性能差别较大：硬、脆的第二相分布对塑变影响较大；,2.2.1硬而脆的第二相呈连续网状分布在塑性相的晶界上： 此种情况最为恶劣，使合金的脆性增加，塑性和强度下降；,珠光体+二次渗碳体,2.2.2脆性的第

17、二相呈片状或层状分布在塑性相的基体上： 如图627所示； 强度、硬度比纯金属高得多，塑、韧性有所下降，但不致使之脆化； 可以用Hall-Petch 公式表示：,S0：片间距,2.2.3脆性的第二相呈颗粒分布在基体上： 第二相是较为粗大的颗粒：对位错的阻碍作用小于片状，所以强度、硬度降低，塑性、韧性升高；,第二相呈细小、弥散分布：阻碍位错运动，显著提高强度； A：位错绕过机制：硬质点，如图628所示； 位错绕过时，所需的切应力：,弥散强化：,B：位错切过机制：软质点；如图629所示； 沉淀强化：,第五节 塑变对金属组织和性能的影响,1、组织、结构、能量的变化： 1.1组织上： 晶粒外形变化：如图

18、630所示； 纤维组织：性能呈现各向异性； 出现滑移带、孪晶；,1.2亚结构： 位错密度增加： 亚结构的细化：如图6.31所示； 胞状亚结构： 形变量越大，胞块数量越多，尺寸越小，胞块的位向差越大； 胞状亚结构对滑移过程的进行有巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著增高；,1.3形变织构： 形变的择优取向： 择优取向后的晶体结构，称为织构，由于它是在形变过程中产生的，故称为“变形织构”； 分类： 丝织构：在拉拔时形成，其特征是各晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行； 板织构：在轧制时形成，其特征是各晶粒的某一晶面平行于轧制平面，而某一晶向平行于轧制方向；,一些金属常见的形变织构见表63； 织构的优缺点：使材料出现各向异性； 优点：变压器的硅钢片； 缺点：“制耳”现象；如图632所示；,2、性能上的变化： 2.1加工硬化： 定义：随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象；,原因： 位错密度的增加； 位错之间交互作用，产生割阶，缠结等；,使位错进一步运动阻力增大,优点： 提高材料的强度： 、对不能通过热处理提高强度的材料，可利用此方法； 、提高零件在使用中的安全性； 、某些工件或半成品成型的重要因素； 使材料变形均匀；