[工学]6材料科学基础课件-第三章塑性变形.ppt

返回第三章 塑性变形金属成型的重要手段返回• 延展性是金属最基本的性质之一利用它可成型金属零部件掌握变形的规律，可方便的控制塑性加工的进程；如果设法阻止或延缓金属的变形，则是强化材料的途径• 本章重点研究材料的变形规律及其微观机制，分析其影响因素• 高分子材料的变形属粘弹性变形，陶瓷材料几乎没有塑性，在工业上主要通过热成型或湿成型所以研究他们的塑性变形，意义有限返回章目录：3.1 金属的变形特征3.2 单晶体的塑性变形3.3 多晶体的塑性变形3.4 合金的塑性变形3.5 塑性变形对金属组织及性能的影响返回3.1 金属的变形特性• 变形的分类:弹性变形 — 外力去除后,变形消失,材料恢复原来形状的变形塑性变形 — 外力去除后，材料不能恢复原来形状的永久变形• 变形的基本过程:弹性变形 → 弹-塑性变形 → 加工硬化 → 断裂返回kbse一、工程应力—应变曲线εσ均匀塑变集中塑变弹性变形断裂0拉伸缩颈返回1、强度指标 材料抵抗变形和断裂的能力σe --- 弹性极限 (以余变0.005%为定点)弹性变形的最大应力值σS --- 屈服强度 (以余变0.2%为定点,用σ0.2表)明显塑变的最小应力值σb --- 强度极限 (抗拉强度)均匀塑变的最大应力值σk --- 断裂强度集中塑变的最终应力值返回2、塑性指标:产生塑性变形而不被破坏的能力。

δ --- 延伸率δ 10% 塑性材料ψ --- 断面收缩率:返回3、刚度指标E(G):抵抗弹性变形的能力εσbs ek均匀塑变集中塑变弹性变形断裂o返回工程应力－应变曲线中，σ、 均按试样初始尺寸计算，拉伸时只需记录P、L即可，使用非常方便但是在拉伸过程中，由于试样尺寸不断变化，由此计算的σ和  并非真实例如产生缩颈后，截面大大缩小,缩颈处的应力应为 ，远大于 ，从而产生了假象为克服这一缺点，引入真应力－真应变曲线，也叫流变曲线，瞬时应力叫流变应力二、真应力—真应变曲线返回• 真应变e，按瞬时值求得：∴ 总应变为：• 真应力S ：当应变很小时，  4×3 ＝12b.c.c {110} 或次密排面{112}、{123}6×2 ＝12h.c.p (0001) c/a12α-Fe, W, Mo α-Fe, W α-Fe, K体心立方{110} {112} {123}12 12 24Cd, Zn, Mg, α-Ti, Be α-Ti, Mg, Zr α-Ti, Mg密排六方3 3 6返回3、滑移的临界分切应力① 定义：•作用在位错的滑移面，且平行于布氏矢量的分切应力τ，称为作用于滑移系的分切应力。

•当τ达到足以克服位错滑移阻力τk时，滑移系方能开动，称τk 为滑移的临界分切应力或：使滑移系开动的最小分切应力称为临界分切应力τk •τk是材料的性质，取决于材料本身返回② 滑移系上的分切应力τ•如图:单晶体单向拉伸，某一滑移系与 外力F 的取向关系由φ和λ唯一确定•外力F 在滑移系上的分切应力为：FφnA'λA—— 取向因子返回讨论：• 若λ或φ＝90°，m＝0，最小若三轴共面，且λ＝φ＝45°m＝1/2，最大∴ 0 ≤m ≤ 1/2 • 对于一定的外力F，m↑、τ↑，滑移系越易滑移 m＝1/2称为软取向； m＝0，为硬取向• 单晶体中各滑移系的m是不同的软取向的滑移系首先开动FφnA'λA返回③ 单晶体的屈服应力σs•当τ＝τk时，位错开始滑移，材料屈服σ＝σs，代入上式：• 对于一定材料，τk为定值单晶体与外力 F 的取向不同，m不同，屈服应力σs也不同表现为各向异性 τk值一般可通过实验测定单晶镁的σs－m的关系返回4、滑移时晶体的转动• 拉伸时晶体的转动，是力求使晶体的滑移方向与外力轴平行，即λ下降，φ增加，向90°变化返回• 压缩时晶体的转动，力求使滑移方向与外力轴垂直，即λ增加，φ下降。

返回5、多滑移与交滑移• 晶体发生塑性变形时，随着滑移的不断进行，将发生转动• 转动的结果，m 值不断变化原先处于有利地位的滑移系可能转到不利的地位，停止滑移；原来不利地位的滑移系可能转到有利地位，发生滑移• 最后稳定在多个滑移系取向因子相当的地位，于是产生了多个滑移系交替滑移的局面，即称多滑移返回铜双滑移时产生的交叉滑移带奥氏体钢中的交叉滑移带返回• 由于晶体转动，m 的变化也可能使螺位错由一个滑移面转移到更有利的滑移面上进行，称为交滑移（共同的滑移方向，不同滑移面）铝表面的波纹状滑移带b返回ⅠⅡⅢ6、单晶体的应力－应变曲线典型曲线一般分为三阶段Ⅰ：单滑移（加工硬化系数小）Ⅱ：多滑移（加工硬化明显）Ⅲ：动态回复（异号位错抵消，位错密度增速放缓）σεA• 沿特殊方向（多个滑移系取向因子m 相同）拉伸，此时无第Ⅰ阶段，如图A曲线 返回例： f.c.c中特殊方向上的等同滑移系• 沿 8个等同滑移系；• 沿 4个等同滑移系；• 沿 6个等同滑移系返回二、孪生孪生是金属材料塑变的另一种基本方式，一般是在滑移难以进行时发生形变孪晶（条带状）1、孪生及其特点退火孪晶（平直边界）返回孪生面K孪生方向η晶体在一定切应力τ作用下，沿着一定的晶面和晶向产生一个集体的有规则的位移，造成一个具有不同取向，但有相同结构的新晶体，称为孪生。

返回特点： （与滑移相比）• 孪晶的取向不同，而滑移后晶体的取向不变 • 原子运动的大小，与距孪晶面距离成正比，呈镜面对称表面产生的滑移台阶经抛光后消失；但孪晶取向不同，腐蚀速度不一样，光学性质也有差异，因此可见两块晶体色泽不同的孪晶孪生的结果使晶体表面产生浮凸返回• 孪生的发生需要较大的应力，拉伸曲线呈锯齿状• 孪生所能产生的总形变量很小，但可调节晶体位向镉孪生变形时的 应力－应变曲线返回2、实际晶体中的孪晶• 以上孪晶是形变孪晶，常呈透镜状，在b.c.c和h.c.p中常见，特别是后者f.c.c形变孪晶少见，常见的是退火孪晶，即在高温下发生，通常边界平直，K面η方向f.c.c{111}b.c.ch.c.p随c/a值变化返回3.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形与单晶体一样，包括滑移与孪生，但由于晶界的存在，各晶粒的取向不同，使多晶体的塑变具有新的特点一、多晶体塑变过程及特点多晶体受力时，首先晶体中个别软取向（m大)的晶粒A中位错源开动位错在边界受阻形成塞积，造成前端应力集中，加上外力的作用，最终触发相邻晶粒的位错源起动A晶粒前端应力松弛,所以A源重新起动于是变形由一个晶粒传递到另一个晶粒，最后波及整个晶体。

τAB多晶体滑移示意图返回•另外，由于晶体中每个晶粒都处于其他晶粒的包围之中，每个晶粒的变形都受相邻晶粒的相互制约和协调作用•单滑移难以满足这一协调作用，否则不能保持晶粒之间的连续性，造成孔隙•理论上推算，为了保证这种协调关系，每个晶粒的滑移至少需要五个独立的滑移系同时开动•因此多晶体塑变一开始便是多滑移，且变形抗力高返回特点：•变形抗力高滑移在晶界受阻，不易直接传递到相邻晶粒，表现出塑性变形抗力较高，这种阻碍即来自晶界，也来自晶界另一侧取向不同的晶粒•变形的不均匀性由于晶粒取向不同，产生形变不均匀性晶粒中心与边界扫过的位错数目不同,形变也不均匀，从而引起内应力.返回•形变要协调为了保证应变的连续性，在晶界附近，要求至少有5个独立 的滑移系同时起动，需要很高的外力f.c.c和b.c.c均可提供5个独立滑移系，塑性较好h.c.p只有两个独立滑移系，需孪生来协助，塑性差• 晶粒转动各晶粒取向趋于一致，形成织构• 各向同性屈服应力为定值返回二、晶粒大小对形变的影响•如图为低碳钢多晶材料屈服强度与d－1/2关系曲线，由实验证明了Hall－Petch公式d — 晶粒半径，σs — 材料屈服强度； σ0 — 单晶屈服强度• 由实验还证明：塑性材料σ上、σ下、5％、10％等流变应力值，以及疲劳强度与晶粒半径之间也服从上述规律，只是σ0和k不同。

脆性材料的脆断强度σb — d也服从返回3.4 合金的塑性变形与纯金属相比，有固溶强化作用作用大小主要取决于溶剂晶体结构，溶质浓度及固溶体类型合金组织：单相和复相一、固溶体塑变特点返回（强化效果）Al f.c.c. 置换 G/10Cu f.c.c. 置换 G/20Fe b.c.c. 置换 G/16Nb b.c.c. 置换 G/10Fe b.c.c. 间隙（C） 3GNb b.c.c. 间隙（N） 2GNi f.c.c. 间隙（C） G/10球对称非球对称球对称弱强弱基体金属溶质原子畸变对称性返回强化效果：• 溶质原子浓度C：• 溶剂金属晶体结构： b.c.c > f.c.c （h.c.p）• 固溶体类型： 间隙式 > 置换式返回固溶体形变实例：• 深冲低碳钢薄板，因屈服点处局部区域变形不均匀，造成工件表面粗糙不平。

—— 吕德斯带• 冲压前微量预形变，消除屈服点,可防止吕德斯带产生.返回1. 聚合型• 两相塑性相近，强化作用不明显，取均值• 存在硬脆相（取决于硬脆相的形状和分布）网状 片状 球状脆性 塑性强度 低 高 中二、复相合金的塑变特点按第二相尺寸大小：聚合型和弥散型βαλ返回2、弥散型（沉淀强化，时效强化）第二相质点将阻碍位错运动，因而起强化作用，第二相质点越弥散，阻碍作用越强，强化作用越大位错绕过第二相质点所需切应力λ—颗粒平均自由程返回3.5 冷变形金属的组织与性能一、组织与结构1、显微组织变化•随变形度的增加，晶粒拉长，纤维组织形成30％压缩率×30050％压缩率×30099％压缩率×300铜材经不同程度冷轧后的光学显微组织返回•随变形度的增加，亚结构位错胞形成并细化30％压缩率×3000050％压缩率×3000099％压缩率×30000铜材经不同程度冷轧后薄膜透射电镜像返回2、形变织构（择优取向）• 塑性变形时，各晶粒发生转动，使各晶粒取向逐渐趋 于一致，称择优取向或织构，由变形引起的择优取向 称为形变织构。

• 丝织构（拉拔时形成）用平行于变形方向的晶向表示• 板织构（轧制时形成）以平行于轧面的晶面{ h k l }和平行于轧向的晶向 表示 { h k l } 返回晶体 结构金属或合金丝织构板织构f.c.cCu，Ni，Ag，Al Cu-Ni，Cu-Zn+ {110}b.c.cα-Fe，Mo，W{001} {110} {111}h.c.pMg，Zn (0001)返回• 织构造成材料各向异性不利：冲压“制耳” 有利：硅钢片，磁学性能明显提高磁学性能戈斯织构{110}磁学性能立方织构{100}轧向横向轧向横向导磁率5.5万0.8万导磁率11.6万6.5万铁 损1.323.53铁 损1.231.43返回二、塑变对性能的影响1、加工硬化 σ↑、HB↑、δ↓作用：• 使变形均匀• 均衡负荷，增加安全性• 提高强度45﹟钢力学性能—变形度曲线返回例：•自行车链条的链板，材料16Mn经5次轧制，由3.5mm压缩到1.2mm，变形度65％，强度、硬度提高约一倍HBσb MN/m。