第七章材料的塑性变形.ppt

第七章 材料的塑性变形纳米铜的室温超塑性第一节 金属变形概述第七章塑性变形第一节金属变形概述弹性变形－塑性变形－断裂弹性变形－塑性变形－断裂第一节 金属变形概述第七章塑性变形第一节金属变形概述弹性变形弹性变形：：变形可逆；变形可逆；应力应变呈应力应变呈线性关系线性关系弹性模量弹性模量：：原子间结合原子间结合力的反映和力的反映和度量第二节 单晶体的塑性变形 常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折一一 滑移滑移 1 1 滑滑移移：：在在切切应应力力作作用用下下，，晶晶体体的的一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分沿沿着着一一定定的的晶晶面面（（滑滑移移面面））和和晶晶向向（（滑滑移移方方向向））产产生生相相对对位位移移，，且且不不破破坏坏晶晶体体内内部部原原子子排排列列规规律律性性的的塑塑变方式 光镜下：滑移带（无重现性）光镜下：滑移带（无重现性） 2 2 滑移的表象学滑移的表象学 电境下：滑移线。

电境下：滑移线第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 一一 滑移滑移 光镜下：滑移带（无重现性）光镜下：滑移带（无重现性） 2 2 滑移的表象学滑移的表象学 电境下：滑移线电境下：滑移线第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 滑移面滑移面 （密排面）（密排面） （（1 1）几何要素）几何要素 滑移方向（密排方向）滑移方向（密排方向） 第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （（2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。

滑滑移移系系的的个个数数:(:(滑滑移移面面个个数数））××（（每每个个面面上上所所具具有有的滑移方向的个数）的滑移方向的个数）第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （（2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合 滑滑移移系系的的个个数数:(:(滑滑移移面面个个数数））××（（每每个个面面上上所所具具有有的滑移方向的个数）的滑移方向的个数）第七章塑性变形第二节单晶体塑变晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属面心立方{111}×4<110>×312Cu,Al,Ni,Au {110}×6      ×212Fe,W,Mo体心立方{121}×12<111> ×112Fe,W {123}×24     ×124Fe {0001}×1×33Mg,Zn,Ti{1010}<1120>3Mg,Zr,Ti {1011} 6Mg,Ti密排六方第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （（2 2）滑移系）滑移系 一般滑移系越多，塑性越好；一般滑移系越多，塑性越好；滑移系数目与材料塑性的关系：滑移系数目与材料塑性的关系： 与滑移面密排程度和滑移方与滑移面密排程度和滑移方 向个数有关；向个数有关； 与同时开动滑移系数目有与同时开动滑移系数目有 关（关（ c c）。

第七章塑性变形第二节单晶体塑变晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属面心立方{111}×4<110>×312Cu,Al,Ni,Au {110}×6      ×212Fe,W,Mo体心立方{121}×12<111> ×112Fe,W {123}×24     ×124Fe {0001}×1×33Mg,Zn,Ti{1010}<1120>3Mg,Zr,Ti {1011} 6Mg,Ti密排六方第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （（3 3）滑移的临界分切应力（）滑移的临界分切应力（ c c））  c c：：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力 外力在滑移方向上的分解外力在滑移方向上的分解  c c＝＝ s scoscos coscos  第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （（3 3）滑移的临界分切应力（）滑移的临界分切应力（ c c））  c c取决于金属的本性，不受取决于金属的本性，不受 ，， 的影响；的影响；  或或 ＝＝9090 时，时， s s  ；； c c＝＝ s scoscos coscos   s s的取值的取值  ，， ＝＝4545 时，时， s s最小，晶体易滑移；最小，晶体易滑移； 软取向：值大；软取向：值大； 取向因子：取向因子：coscos coscos  硬取向：值小。

硬取向：值小 第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 4 4 滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动 （（1 1）位向和晶面的变化）位向和晶面的变化 拉伸时拉伸时, ,滑移面和滑移方向趋于滑移面和滑移方向趋于 平行于力轴方向平行于力轴方向 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线 几几何何硬硬化化：： ，， 远远离离4545 ，，滑滑移移变变得得困困难难；；（（2 2）取向因子的变化）取向因子的变化 几何软化；几何软化； ，， 接近接近4545 ，滑移变得容易，滑移变得容易。

第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 5 5 多滑移多滑移 （（1）滑移的分类）滑移的分类 多滑移：在多个（多滑移：在多个（>2>2）滑移系上同时或交替进行的滑移滑移系上同时或交替进行的滑移 双滑移：双滑移： 单滑移：单滑移： （（2 2））等等效效滑滑移移系系：：各各滑滑移移系系的的滑滑移移面面和和滑滑移移方方向向与与力力轴轴夹角分别相等的一组滑移系夹角分别相等的一组滑移系第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 6 6 交滑移交滑移 （（1 1））交交滑滑移移：：晶晶体体在在两两个个或或多多个个不不同同滑滑移移面面上上沿沿同同一一滑移方向进行的滑移滑移方向进行的滑移 （（2）机制）机制 螺螺位位错错的的交交滑滑移移：：螺螺位位错错从从一一个个滑滑移移面面转转移移到到与与之之相相交的另一滑移面的过程；交的另一滑移面的过程； 螺螺位位错错的的双双交交滑滑移移：：交交滑滑移移后后的的螺螺位位错错再再转转回回到到原原滑移面的过程。

滑移面的过程第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形 7 滑移的表面痕迹滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带；单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带； 交滑移：波纹状的滑移带交滑移：波纹状的滑移带第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形二二 孪生孪生 （（1 1））孪孪生生：：在在切切应应力力作作用用下下，，晶晶体体的的一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分沿沿一一定定的的晶晶面面和和晶晶向向发发生生均均匀匀切切变变并并形形成成晶晶体体取取向向的的镜镜面面对对称称关系 孪生面孪生面 A1{111},A2{112},A3{1012}A1{111},A2{112},A3{1012}（（2 2））孪生的晶体学孪生的晶体学 孪生方向孪生方向 A1<112>,A2<111>,A3<1011>A1<112>,A2<111>,A3<1011> 孪晶区孪晶区 第七章塑性变形第二节单晶体塑变第二节 单晶体的塑性变形二二 孪生孪生  第七章塑性变形第二节单晶体塑变（3）孪生变形的特点 滑移孪生相同点1 均匀切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构。

不同点 晶体位向不改变（对抛光面观察无重现性）改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）位移量滑移方向上原子间距的整数倍，较大小于孪生方向上的原子间距，较小对塑变的贡献很大，总变形量大有限，总变形量小变形应力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于滑移变形条件一般先发生滑移滑移困难时发生变形机制全位错运动的结果分位错运动的结果 2h第三节 多晶体的塑性变形1 1 晶粒之间变形的传播晶粒之间变形的传播 位位错错在在晶晶界界塞塞积积 应应力力集集中中 相相邻邻晶晶粒粒位位错错源源开开动动 相相邻邻晶粒变形晶粒变形 塑变塑变 2 2 晶粒之间变形的协调性晶粒之间变形的协调性 （（1 1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性原因：各晶粒之间变形具有非同时性 （（2 2））要要求求：：各各晶晶粒粒之之间间变变形形相相互互协协调调独独立立变变形形会会导导致致晶体分裂）晶体分裂） （（3 3）条件：独立滑移系）条件：独立滑移系 5 5个保证晶粒形状的自由变化）个保证晶粒形状的自由变化） 第七章塑性变形第三节多晶体塑变 第三节 多晶体的塑性变形3 3 晶界对变形的阻碍作用晶界对变形的阻碍作用 （（1 1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。

晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷 （（2 2））晶晶界界对对变变形形的的影影响响: :滑滑移移、、孪孪生生多多终终止止于于晶晶界界, ,极极少少穿穿过 （（3 3）晶粒大小与性能的关系）晶粒大小与性能的关系 a a 晶晶粒粒越越细细，，强强度度越越高高( (细细晶晶强强化化：：由由下下列列霍霍尔尔－－配配奇奇公公式式可知可知) ) s s= = 0 0+ +kdkd-1/2-1/2 原原因因：：晶晶粒粒越越细细，，晶晶界界越越多多，，位位错错运运动动的的阻阻力力越越大大有有尺寸限制）尺寸限制）第七章塑性变形第三节多晶体塑变 第三节 多晶体的塑性变形3 3 晶界对变形的阻碍作用晶界对变形的阻碍作用   晶晶粒粒越越多多，，变变形形均均匀匀性性提提高高由由应应力力集集中中 导导致致的的开开裂裂机机会会减减少少，，可可承承受受更更大大的的变变 形量，表现出形量，表现出高塑性高塑性。

b b 晶粒越细，塑韧性提高晶粒越细，塑韧性提高 细细晶晶粒粒材材料料中中，，应应力力集集中中小小，，裂裂纹纹不不易易 萌萌生生；；晶晶界界多多，，裂裂纹纹不不易易传传播播，，在在断断裂裂 过程中可吸收较多能量过程中可吸收较多能量, ,表现出表现出高韧性高韧性第七章塑性变形第三节多晶体塑变 第四节 合晶的塑性变形一一 固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 1 1 固溶体的结构固溶体的结构 2 2 固溶强化固溶强化 （（1 1））固固溶溶强强化化：：固固溶溶体体材材料料随随溶溶质质含含量量提提高高其其强强度度、、硬硬度提高而塑性、韧性下降的现象度提高而塑性、韧性下降的现象 晶格畸变，阻碍位错运动；晶格畸变，阻碍位错运动； （（2 2）强化机制）强化机制 柯氏气团强化。

柯氏气团强化第七章塑性变形第四节合金塑变 第四节 合晶的塑性变形一一 固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 2 2 固溶强化固溶强化 （（3 3）屈服和应变时效）屈服和应变时效 现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展） 预预变变形形和和时时效效的的影影响响：：去去载载后后立立即即加加载载不不出出现现屈屈服服现象；去载后放置一段时间或现象；去载后放置一段时间或200200℃加热后再加载出现屈服加热后再加载出现屈服 原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成第七章塑性变形第四节合金塑变 第四节 合晶的塑性变形一一 固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 2 2 固溶强化固溶强化   （（4）固溶强化的影响因素）固溶强化的影响因素 溶质原子含量越多，强化效果越好；溶质原子含量越多，强化效果越好； 溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好； ………………… …………………价电子数差越大，强化效果越好；价电子数差越大，强化效果越好； 间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。

间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子第七章塑性变形第四节合金塑变 第四节 合晶的塑性变形二二 多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形 1 1 结构：基体＋第二相结构：基体＋第二相 2 2 性能性能 （（1）两相性能接近：按强度分数相加计算两相性能接近：按强度分数相加计算 （（2）软基体＋硬第二相）软基体＋硬第二相 第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）； a a结构结构 两相呈层片状分布（珠光体）；两相呈层片状分布（珠光体）； 第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）第七章塑性变形第四节合金塑变 第四节 合晶的塑性变形二二 多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形 2 2 性能性能 （（2）软基体＋硬第二相）软基体＋硬第二相 弥弥散散强强化化：：位位错错绕绕过过第第二二相相粒粒子子( (粒粒子子、、位位错错环环阻阻碍碍位位错错运运动动) ) b b强化强化 沉沉淀淀强强化化：：位位错错切切过过第第二二相相粒粒子子（（表表面面能能、、错错排排能能、、粒粒子子阻碍阻碍 位错运动）位错运动）第七章塑性变形第四节合金塑变 第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响 晶粒拉长晶粒拉长; ; 1 1 形成纤维组织形成纤维组织 杂质呈细带状或链状分布。

杂质呈细带状或链状分布第七章塑性变形第五节组织性能变化 第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响 2 2 形成形变织构形成形变织构（（1 1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织取向的组织 丝织构丝织构：：某一晶向趋于与拔丝方向平行拉拔时形成）某一晶向趋于与拔丝方向平行拉拔时形成）（（2 2）常见类型）常见类型 板织构板织构：：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平 行于主变形方向轧制时形成）行于主变形方向轧制时形成） 力学性能：利：深冲板材变形控制；弊：制耳力学性能：利：深冲板材变形控制；弊：制耳3 3）对性能的影响）对性能的影响 (各向异性各向异性) 物理性能：硅钢片物理性能：硅钢片<100><100>织构可减少铁损。

织构可减少铁损 第七章塑性变形第五节组织性能变化 第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响 3 3 形成位错胞形成位错胞 变变形形量量 位位错错缠缠结结 位位错错胞胞（（大大量量位位错错缠缠结结在在胞胞壁壁，，胞内位错密度低胞内位错密度低 第七章塑性变形第五节组织性能变化 第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 二二 对性能的影响对性能的影响 1 1 对力学性能的影响（加工硬化）对力学性能的影响（加工硬化） （（1 1））加加工工硬硬化化（（形形变变强强化化、、冷冷作作强强化化））：：随随变变形形量量的的增增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象 第七章塑性变形第五节组织性能变化 第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 二二 对性能的影响对性能的影响 1 1 对力学性能的影响（加工硬化）对力学性能的影响（加工硬化）   强化金属的重要途径；强化金属的重要途径； 利利 提高材料使用安全性；提高材料使用安全性； （（2 2）利弊）利弊 材料加工成型的保证。

材料加工成型的保证 弊弊 变形阻力提高，动力消耗增大；变形阻力提高，动力消耗增大； 脆断危险性提高脆断危险性提高 第七章塑性变形第五节组织性能变化 第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 二二 对性能的影响对性能的影响 2 2 对物理、化学性能的影响对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快；结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快化学活性提高，腐蚀加快第七章塑性变形第五节组织性能变化 第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 三三 残余应力（约占变形功的残余应力（约占变形功的1010％）％） 第一类残余应力（第一类残余应力（ ⅠⅠ）：宏观内应力，由整个物）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起。

体变形不均匀引起 1 1 分类分类 第二类残余应力（第二类残余应力（ ⅡⅡ）：微观内应力，由晶粒变）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起形不均匀引起 第三类残余应力（第三类残余应力（ ⅢⅢ）：点阵畸变，由位错、空）：点阵畸变，由位错、空 位等引起位等引起80-90%80-90% 利：预应力处理，如汽车板簧的生产利：预应力处理，如汽车板簧的生产 2 2 利弊利弊 弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂  3 3 消除：去应力退火消除：去应力退火 第七章塑性变形第五节组织性能变化 2h。