工程材料及应用第六章塑性变形ppt课件

1、第六章，金属材料的塑性变形，综述了单晶和多晶塑性变形对材料组织和性能的影响。金属变形后的加热变化，金属的热塑性变形，第1节概述。首先，名词概念在变形过程中，变形物体在外力作用下的形状和大小的变化。受力物体中任何横截面单位面积的相互作用力。垂直于截面的称为“正应力”或“正应力”，与截面相切的称为“剪应力”或“剪应力”。应变对象的形状和大小的相对变化。变形后线应变物体内部某处线段长度的变化值与线段原始长度的比值；剪切应变(角应变):物体变形后两个垂直平面之间夹角的变化值；体积应变变形后物体中任何微小单位体积的变化与原始单位体积的比值。第一节总结了当应力低于弹性极限e时，材料的变形为弹性变形；e和b

2、之间的应力变形是均匀塑性变形；b后将出现颈缩。断裂发生在点K.弹性变形特性服从胡克定律，应力与应变成正比。本质上，在应力的作用下，材料中原子间的距离偏离平衡位置，但不超过原子间的结合力。晶格被拉长(缩短)或扭曲。原子之间的相邻关系没有改变，所以在外力消除后，原子之间的结合力可以完全恢复变形。塑性变形在第一节中总结说，不能恢复的永久变形称为塑性变形。当应力大于弹性极限时，弹性变形和塑性变形同时发生。外力消除后，变形无法完全恢复，存在残余变形或永久变形。塑性变形的定义，实质上是在应力的作用下，材料中原子的相邻关系发生了变化。外力消除后，原子回到另一个平衡位置，物体将保持永久变形。在第一节中，根据材

3、料性质、外部环境和应力模式的不同，塑性变形模式为滑移、孪晶、蠕变和流动。滑动晶体材料塑性变形的基本模式。无定形物质的原子是随机堆积的，只能像液体一样流动。粘度是衡量变形难度的参数。在重力作用下能流动的是液体，能保持自身形状的是固体。第二部分是单晶的滑移。1.滑移的概念是在外力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿某一晶面(滑移面)的某一方向(滑移方向)滑动。滑移过程表明，在剪应力作用下，晶格发生弹性变形，这将进一步使晶格滑移；外力消除后，原子到达新的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，留下永久变形。大量晶面的滑动会导致宏观变形，在晶体表面会出现滑动台阶。在第二部分，单晶的滑移，滑移与晶体结构的

4、关系，单晶的滑移在第二部分，滑移面滑移发生的晶面，通常是排列最密集的晶面；滑动方向滑动方向通常也是晶体最密集的方向；滑动系统的滑动面和滑动面上的滑动方向形成滑动模式。9，滑移系的典型晶格，面心立方，第二节单晶的滑移，10，11，4，滑移与外力方向的关系，滑移方向上的剪应力为：这叫施密特定律，而C是常数，只有当它等于或大于某一临界值(临界剪应力)时，才会发生滑移。在第二节中，单晶的滑移、滑移变形的特征以及第二节中单晶的滑移只能在剪应力的作用下发生。滑移通常沿着晶面和原子密度最高的方向发生。最致密晶面之间的平面间距是滑移的本质是位错的运动。大量的理论研究证明，滑移最初是由滑移面上的位错运动引起的。

5、举例说明了滑移面上的边缘位错在剪应力作用下的运动过程，位错从滑移面的一侧移动到另一侧，导致原子间距的滑移。滑移的本质是位错的运动。在滑移过程中，只有位错中心上方的两排原子(实际上是两个半原子平面)需要向右轻微位移，位错中心下方的一排原子向左轻微位移，这样位错中心将向右移动一个原子距离。通过位错运动模式的滑移，整个晶体上半部分的原子不必与下半部分一起运动，只需位错中心附近的少量原子轻微运动，所需的临界剪切应力远小于整个刚性滑移。在第二部分，解释了单晶的滑移。15。在第三节中，多晶的塑性变形和多晶的塑性变形协调需要保持晶界处的连续性，即晶界处的原子既不能聚集也不能有间隙或裂纹，晶界两侧的变形需要相

6、互协调。为了满足这种协调，各晶粒中的位错在外力作用下发生移动，即塑性变形效应是通过滑动方式产生的，相邻晶粒需要进行相应的变形。晶界两侧的晶粒取向不同，因此这种协调不能由单一滑移系统的作用来保证。要求晶界附近有几个滑移系统，除了变形的主滑移系统外，几个滑移系统也应同时起作用。因此，不同的晶粒取向阻碍了滑移并增加了滑移所需的外力。2.晶界对滑移的影响。位错堵塞：晶粒在某一滑移系统中滑移，位错移动。当位错遇到晶界时，由于每个晶粒的取向不同，它们不能直接从一个晶粒移动到另一个晶粒。此外，晶界处杂质原子较多，增加了晶格畸变，滑移时位错运动阻力较大，难以变形。晶界的存在可以提高材料的强度。在第三部分，多晶

7、体的塑性变形，发现室温下的屈服强度与纯金属、单相合金或低碳钢的晶粒尺寸有以下关系：d，晶粒的平均直径，k是一个比例常数。也就是霍尔-佩奇关系。2.晶界对滑移的影响。随着晶界数量的增加，材料的晶粒尺寸越来越细，不仅强度越来越高，而且塑性和韧性也越来越高。晶粒越细，单位体积的晶粒越多，在变形过程中，相同的变形可以分散在更多的晶粒中。晶粒旋转阻力小，晶粒易于协调，导致变形更加均匀，不会造成局部应力集中，导致裂纹过早发生和发展。因此，断裂前会发生较大的塑性变形，具有较高的抗冲击载荷能力。在工业上，通过各种方法(凝固、压力加工和热处理)获得细小均匀的晶粒，是目前提高材料力学性能的有效途径之一。第三节多晶

8、的塑性变形，第三节塑性变形过程，第三节多晶的塑性变形，局部不均匀性在多晶中，由于每个晶粒的晶格取向不同，其滑移面和滑移方向的分布也不同，因此在相同外力作用下，每个晶粒不同滑移面和滑移方向上的剪应力也不同。软取向的施密特因子较大(接近1/2)，如果切削应力较大，首先发生滑移变形；具有小施密特因子(接近0)的晶粒，其硬取向平行或垂直于外力，将遭受较小的剪切应力，并且难以滑动。第三节，多晶材料的塑性变形，在外力作用下，第一批晶粒在软取向时发生滑移，而晶界及其周围的硬取向晶粒还不能滑移，导致第一批晶粒的晶界附近出现位错堆积。随着外力增加到一定程度的应力集中，变形将越过晶界并转移到另一批晶粒。随着滑移的

9、发生，晶粒的取向也随之旋转。取向上有硬化晶粒和软化晶粒，软取向上的晶粒开始滑移和变形。多晶体的塑性变形逐渐分批发生，从少量晶粒到大量晶粒，从不均匀变形到更均匀的变形，这比单晶中复杂得多。20，4，其他塑性变形模式，第3节，多晶塑性变形，第3节，多晶塑性变形，孪晶。21，4和第3节中，孪晶是在剪切应力下产生的，剪切应力比滑移大得多，只有在滑移困难时才会发生。它出现在具有少量滑移系的材料中，具有晶体结构(如致密的六方晶系)；2)当在低温或冲击下滑动太晚并且有很大的应力时，就会发生孪晶。蠕变是指材料在高温(高于0.3Tm)下的变形，不仅与应力有关，还与应力作用时间有关。蠕变现象可视为应力下的原子扩散

10、。原子本身的定向流动会导致材料变形。其他塑性变形模式第3节多晶体的塑性变形第3节粘性流动。在液态下，原子随机排列，没有固定的形状，处于可流动状态。液体的流动性是通过粘度来测量的。当粘度大到足以保持其自身形状时，材料处于固态。固态非晶材料可视为过冷液体。在外力作用下，当非晶材料能克服粘性阻力时，它能像液体一样流动，其形状和尺寸发生变化，而材料的性质不变，这可视为一种塑性变形。第四节塑性变形对显微组织和性能的影响。加工硬化对机械性能的影响工程意义加工硬化是强化材料的一种重要手段，特别是对于不能通过热处理强化的金属材料。加工硬化有利于金属的均匀变形。由于金属的变形部分被硬化，持续变形将主要在未变形或

11、变形较小的部分中发展。加工硬化使金属难以继续变形，这加速了模具的损耗。加工大变形的材料是不可取的。在金属变形和加工过程中，经常进行“中间退火”来消除这种不利影响，从而增加能耗和成本。变形后，加工硬化材料的强度和硬度明显提高，而塑性和韧性明显降低，称为加工硬化。第四部分是塑性变形对组织和性能的影响。当金属塑性变形时，内部晶粒的形状随着形状的变化而变化。通常，晶粒沿着变形方向伸长(拉伸)或变平(压缩)。变形程度越大，晶粒形状的变化越大。2.对组织和形貌的影响当晶界模糊变形量大时，晶界变得模糊。原因是晶界处的晶粒导致位错移出台阶，使晶界交错，进一步降低了晶界的耐蚀性。当纤维结构的金属变形较大时，材料

12、中的夹杂物沿变形方向拉长，形成纤维结构。纤维结构的出现使材料在不同的方向上表现出不同的力学性能，即产生一定程度的各向异性，并且通常沿纤维方向的强度和塑性远大于垂直方向，等等。第四节是塑性变形对组织和性能的影响，第二节是塑性变形对组织和形貌的影响，当金属未变形或轻微变形时，位错密度的分布一般是均匀的。然而，在大量变形之后，位错变得更大大量位错聚集在亚晶界，而内部位错密度低得多。随着变形量的增加，子结构越来越细。整个晶粒中位错密度的增加会降低材料的耐蚀性。第四部分是塑性变形对组织和性能的影响。27岁。变形织构的产生，金属晶粒的取向一般是随机排列的，虽然每个晶粒都是各向异性的，但宏观性质表现出各向同

13、性。金属在某一方向(大于70%)发生大量变形后，由于晶粒的旋转，晶粒取向趋于一致，形成“择优取向”，即某一晶面出现在某一方向的概率明显高于其他方向。这种金属变形后形成的有序结构称为变形织构，它使金属材料表现出明显的各向异性。第四部分是塑性变形对微观组织和性能的影响，以及对工程应用的影响：在大多数情况下是不利的。如不同方向的塑性差异大，拉深后零件边缘不平整，出现“制耳”现象；此外，由于在不同方向上的不同变形，所制造的零件的硬度和壁厚会不均匀，等等。然而，纹理有时也能带来好处。为了制造变压器铁芯用硅钢片，织构可以大大提高变压器的效率。塑性变形后残余内应力明显增加，这主要是由于材料在外力作用下内部变

14、形不均匀造成的。第四部分是塑性变形对组织和性能的影响。第一种内应力材料在表面和核心、这个部分和那个部分上有不均匀的变形，导致它们之间的宏观内应力平衡。第二种内应力是由相邻晶粒的不同取向引起的不均匀变形，或者是晶体不同部分的不均匀变形，这将引起微观内应力。第三类内应力中位错等缺陷的增加会引起晶格畸变。第三种内应力占绝大多数，这是强化变形金属的主要原因。但是耐腐蚀性降低了。第一种和第二种内应力所占的比例很小，但进一步加工会打破原来的平衡，造成材料变形；或与零件的使用应力重叠，造成材料损坏。因此，退火通常被用来尽可能地消除它。第5节，变形后金属的加热变化，简介，1)金属材料在冷变形后会发生一些性能变

15、化，如加工硬化和残余内应力，这在许多情况下是不可取的，这些性能会因加热引起的结构变化而改变。2)材料中晶粒破碎拉长，位错等缺陷大量增加，存在的内应力使材料具有弹性应变能，使其内能在不稳定状态下上升。系统本身有释放能量的潜力。当温度升高时，原子的活动能力增加，原子在热运动中会使材料向减少缺陷和能量的方向发展，导致微观结构和性能的变化。1.冷变形后的材料被加热和转化，冷变形后的塑性材料被再加热。根据加热温度和保温时间的不同，这种变化大致可分为三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大，所有这些都是减少或消除组织缺陷的过程。材料的内应力、晶粒尺寸、强度、塑性等性能也相应地发生变化。第5节，金属变形后的加热变化

16、，31，2，恢复，第5节，金属变形后的加热变化，恢复概念，某些晶内变化仅由金属在低加热温度下的某些点缺陷和位错迁移引起。恢复阶段的加热温度一般在0.4以下，恢复后的组织和性能发生变化，宏观应力基本消除，微观应力保持不变；电阻率等物理性质明显降低，有些基本上可以恢复到变形前的水平；机械性能，如硬度和流动应力，没有明显变化。有n个类似于结晶过程，首先，在具有严重变形的材料中形成新的未变形的小晶粒，即位错或其它缺陷。这些小颗粒消耗周围变形的晶体并不断长大，同时，新的小颗粒形成，直到所有新的颗粒取代变形的晶体。这个过程也是成核和核心生长，这就是所谓的再结晶。2.结果，在材料再结晶之后，所有经历塑性变形的晶粒都被新生成的晶粒所取代，因此在再结晶之后，由冷塑性变形带来的所有性能变化都消失了，材料的结构改变了，性能完全恢复到变形之前的状态。3.重结晶，第5节。