材料科学基础I--第九章--(金属与合金的塑性变形)

第九章金属与合金的塑性变形§9-1概述一、弹性变形与塑性变形金属材料在外力作用下会发生变形。当外力较小时变形是弹性的，即撤去外力（卸载）后变形消失。这种可恢复的变形称为弹性变形。1、弹性变形弹性变形阶段，应力（单位面积上承受的作用力）和应变（拉伸时单位长度变形量）成直线关系。这就是著名的虎克定律。单向拉伸：σ=Eε剪切变形：τ=Gγ虎克定律：σ——拉应力ε——伸长应变E——杨氏模量FFl0lAAF00lllτττ——剪应力γ——剪应变G——剪切模量3、塑性变形拉伸曲线2、拉伸曲线从拉伸曲线看，当应力超过一定值，应力与应变不再成直线关系。此时，已开始塑性变形。塑性变形是永久性变形，外力撤去后变形也不能恢复。塑性变形常用单向拉伸时的延伸率δ和断面收缩ψ率表示：%10000lll%10000AAA延伸率断面收缩塑性变形的方式：宏观上：伸长，缩短，弯曲，扭转，等。微观上：单晶体只有滑移和孪生二种。滑移和孪生都是剪应变，即在剪应力作用下晶体的一部分相对于另一部分发生了平移。单晶锌变形后产生的滑移带（采自C.F.Elam著TheDislocationofMetalCrystalsOxfoldUniversitypress,1935）动画§9-2单晶体的塑性变形一、滑移1、滑移现象2、滑移系滑移晶面与其上面的一个滑移方向组成一个滑移系。滑移面是最密排面，滑移方向也是最密排晶向。三种常见金属晶体的滑移系：滑移系数越多的晶体，塑性越好。BCC与FCC都是12个滑移系，但是FCC的塑性要好一些。HCP晶体的滑移系只有3个，所以，塑性较差。3、滑移的临界分切应力——Schmid定律当晶体受到外力作用时，无论外力方向、大小和作用方式如何，都可以将其分解成垂直于某一晶面（滑移面）的正应力和沿此晶面的切应力。如图：coscoscoscoscoscosAPAP式中cosφcosλ称为取向因子，或Schmid因子。当σ=σs（屈服强度）时，微观上晶体开始滑移，宏观上开始塑性变形，此时对应着τ=τc。τc称为临界分切应力。其大小取决于结合键特征、晶体结构类型、纯度、温度等因素。coscossc对于一定的晶体，τc为定值。取向因子cosφcosλ的值越大，则σs越小，晶体越容易滑移。当φ和λ都接近45º时，取向因子cosφcosλ=0.5(极大值)，σs最小，晶体最容易滑移。此位向称为软位向。同理，90º则称为硬位向，此时σs趋近于无穷大。一些金属单晶体的临界分切应力τc金属晶体结构纯度%滑移系τc(MN/m2)AlCuNiFCC-99.999.8{111}〈110〉0.790.493.24~7.17FeNbBCC99.96-{110}，{112}〈111〉{110}〈111〉27.4433.80MgTiHCP99.9599.99（0001）〈11-20〉{10-10}〈11-20〉0.8113.70右图为Mg单晶拉伸时，与晶体取向的关系，曲线为计算结果，圆点为实测值，两者非常一致。4、滑移时晶体的转动随着滑移进行，不仅滑移面转动，滑移方向也在旋转，故晶体的位向在不断改变。原来处于软位向的滑移系逐渐转变为硬位向（几何硬化），而原来的处于硬位向的滑移系则可能逐步转变为软位向（几何软化）。因此，单晶体的滑移是在不同的滑移系之间相互转化的。5、多滑移和交滑移若有二组或几组滑移系同时处于软位向，则可以同时进行滑移，这就是多滑移。发生多滑移时，在晶体表面可以看到二组或多组交叉的滑移线。二、孪生（晶）孪生通常是在晶体难以滑移时而发生的另一种塑性变形方式。密排六方结构(HCP)的金属，如Zn，Cd，Mg等常常以孪生方式进行塑性变形。BCC和FCC结构的金属在变形温度很低、变形速度很快时，也会通过孪生方式进行塑性变形。1、孪生的晶体学晶体的孪生面和孪生方向与其晶体结构类型有关。BCC：FCC：HCP：图示说明：版面为晶面，孪晶面为(111)晶面，两面交线为孪生方向。孪生变形时，变形区域作均匀切变，每层(111)面相对其相邻晶面沿方向移动距离小于一个原子间距。孪晶面两侧呈镜面对称。}{}{}{)(][][2、孪生变形的特点孪生与滑移的差别：孪生使一部分晶体发生了均匀切变，而滑移只集中在一些滑移面上进行；孪生后晶体的变形部分的位向发生了改变，而滑移后晶体各部分位向均未改变；孪生面、孪生方向与晶体结构有关；孪生的应力-应变曲线与滑移的不同，有锯齿状波动。孪生对塑性变形的直接贡献比滑移小得多，但孪生改变了晶体位向，使硬位向的滑移系转到软位向，利于滑移的进行。多晶铜试样拉伸后形成的滑移带,173×(采自C.Brady,美国国家技术标准局)。§9-3多晶体的塑性变形实际使用的绝大多数金属都是多晶体。多晶体的基本变形方式与单晶体相同：滑移，孪生。区别在于晶界对位错运动有阻碍作用，不同晶粒之间的位向不同。晶界的影响——晶界强化1、位错塞积位错运动受到晶界的阻碍将在晶界处造成塞积。位错的应力场叠加，造成应力集中。位错运动受阻，塑性变形需要更大的外力才能进行，结果使多晶体材料的屈服强度增高。随位错数量增加，应力集中加剧，在外加切应力的共同作用下，相邻晶粒的滑移启动。滑移可以在不同晶粒之间交替进行。晶粒越细小，发生滑移的晶粒数越多，总的塑性变形量越大。所以，细化晶粒不仅可以提高强度，而且还可以提高塑性。2、强度与晶粒大小的关系——Hall-Petch公式21Kdisσi和K是与材料有关的两个常数，d是晶粒直径。d越小，σs越大。此关系式计算结果与实际测量值非常吻合。由于晶界阻碍位错运动，晶界处变形困难而出现竹节状。§9-4塑性变形对金属组织与性能的影响一、塑性变形对金属组织的影响显微组织的变化晶粒中出现大量的滑移带或孪晶带；晶粒形状由原来的等轴晶沿变形方向伸长；晶粒破碎，形成亚晶粒；形成纤维组织；位错密度剧增，出现位错缠结，产生胞状亚结构。随着变形量增大，铜的显微组织的变化二、塑性变形对金属性能的影响1、应变硬化金属在再结晶温度以下进行塑性变形，变形后硬度、强度升高，塑性、韧性降低的现象称为应变硬化，或加工硬化。原因：1)位错密度剧增；2)晶粒破碎，晶界增多，造成晶界强化；3)吸收、存储部分变形能，有残余应力存在。2、各向异性当变形量很大，有纤维组织形成时，金属出现各向异性。§9-5合金的塑性变形一、固溶体的塑性变形1、固溶强化溶质原子溶入基体金属形成固溶体。随着溶质原子含量的增加，固溶体的强度、硬度升高，塑性下降。例如：Cu-Ni固溶体，右图Mg-Al固溶体，下页左图不同的溶质原子的强化效应是不同的，例如单晶铜中溶入不同的原子对临界分切应力的影响相差很大。见上右图。2、影响固溶强化的主要因素：溶质原子的浓度：溶质原子的浓度越高强化作用越大，但不保持正比，低浓度时强化效应更为显著。原子的相对尺寸因素：溶质、溶剂原子尺寸相差越大，强化作用越大。固溶体类型：置换固溶体溶剂原子强化作用较小；间隙固溶体溶剂原子强化作用较强。电子浓度因素：电子浓度越大，固溶强化作用越大。二、多相合金的塑性变形实际使用的金属材料几乎都是两相或多相合金。这是因为单相合金虽然能利用固溶强化来提高强度，但固溶强化程度毕竟是有限的，远不能满足需要，故必须进一步以第二相或更多的相来强化。第二相一般是靠加入合金元素（形成金属间化合物）并通过适当的热处理而形成。多相合金的塑性变形不仅决定于基体相的性质，而且更决定于第二相的存在情况。包括：第二相的力学性能，尺寸，形状，数量，分布状况；两相之间的界面情况，如界面能、接触角等。1、聚合型两相合金的塑性变形第二相晶粒与基体相晶粒尺寸属同一数量级时，称为聚合型。聚合型合金的两相都具有塑性，则合金的力学性能决定于两相的体积分数。如黄铜，右图。一个是塑性相而另一个是硬脆相时，则合金的力学性能主要取决于硬脆相的存在情况。如珠光体(F+Fe3C)，左图。2、弥散分布型两相合金的塑性变形当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将产生显著的强化作用。沉淀强化：第二相微粒通过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出，并产生强化。也称为时效强化。弥散强化：第二相微粒（高硬度）借粉末冶金方法加入而起强化作用。3、第二相粒子强化机理位错绕过机制不可变形的第二相粒子，阻碍位错运动，运动的位错会绕过粒子并留下位错环。增大了晶体滑移的应力，增加了位错密度，从而产生了强化效果。粒子间距离越小，强化效果越好。绕过机制由E.Orowan首先提出，故也称为奥罗万机制。由于位错线具有线张力(T)，要使位错线弯曲必须克服其线张力的作用。线张力为单位长度位错线的能量：T=aGb2(见P.249)位错线绕过间距λ为的粒子时，需要的切应力τ为：GbbTbT22G——剪切模量b——柏氏矢量λ——粒子间距a——系数，0.5~1，取0.5可见，粒子间距越小，强化效果越好。另外，第二相粒子的体积分数在一定范围内越大强化效果越好。但过大时，材料塑性太低，容易脆断。位错切过机制当第二相粒子为可变形微粒时，位错将切过粒子使其随基体一起变形。此强化作用主要取决于粒子本身的性质，以及与基体的联系。第二相粒子的弹性模量（硬度）比基体的高，即对位错运动有阻碍作用时，强化作用才明显。对于可变形粒子，增大粒子尺寸，增加体积分数都有利于提高强化效果。尺寸大到一定值时，位错难以切过粒子，相当于不可变形粒子。不可变形粒子，可变形粒子尺寸对强化效果的影响。粒子尺寸不可变形粒子可变形粒子强度P对于不可变形粒子，尺寸增大意味着粒子间距增加，位错绕过粒子需要的切应力减小。对于可变形粒子，尺寸增大意味着位错切过粒子需要更大的应力，当尺寸大到P点以后，位错绕过粒子需要的应力小于切过粒子需要的应力，这时位错就以绕过方式移动。所以，合金的强度随粒子长大而下降了。当粒子尺寸相当于P点时，合金具有最佳的强度。本章结束