工程材料及应用第六章塑性变形

1第六章金属材料的塑性变形概述单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形塑性变形对材料组织性能的影响变形后金属的加热变化金属的热塑性变形2第一节概述一、变形过程中的名词概念1.变形物体在外力的作用下,其形状和尺寸的改变。2.应力物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。3.应变物体形状尺寸所发生的相对改变。线应变物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值；剪应变(角应变)物体内两互相垂直的平面在变形后夹角的改变值;体积应变变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位体积之比值。3二、变形宏观过程第一节概述在应力低于弹性极限σe时，材料发生的变形为弹性变形；应力在σe到σb之间将发生的变形为均匀塑性变形；在σb之后将发生颈缩；在K点发生断裂。弹性变形特点服从虎克定律，及应力与应变成正比实质在应力的作用下，材料内部原子间距偏离平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶格发生了伸长(缩短)或歪扭。原子的相邻关系未发生改变，故外力去除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。4三、塑性变形第一节概述不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力大于弹性极限时，弹性变形－塑性变形同时发生；外力去除，变形不能得到完全的恢复，有残留变形或永久变形。塑性变形定义实质在应力的作用下，材料内部原子相邻关系已经发生改变，外力去除后，原子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。5四、塑性变形的方式第一节概述按照材料的性质、外界环境和受力方式不同，塑性变形的方式有：滑移、孪生、蠕变、流动。滑移晶体材料塑性变形的基本方式。非晶体材料原子为无规则堆积，像液体一样只能以流动方式来进行，衡量变形难易程度的参数为粘度。在重力作用下能发生流动的为液体，可以维持自己形状的为固体。6第二节单晶体的滑移一、滑移概念滑移滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生的相对滑动。7二、滑移过程说明在切应力的作用下，晶格发生弹性歪扭，进一步将使晶格发生滑移；外力去除后，原子到了新的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，保留永久的变形。大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出现滑移台阶。第二节单晶体的滑移8三、滑移与晶体结构的关系第二节单晶体的滑移滑移面滑移发生的晶面，通常为晶体的最密排晶面；滑移方向滑移滑动的方向，通常也为晶体的最密排方向；滑移系一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以滑移的方式。9典型晶格的滑移系FCC第二节单晶体的滑移10晶格类型BCCFCCCHP滑移面｛110｝6｛111｝4｛0001｝1滑移方向1112110310003滑移系数1212311四、滑移与外力方向的关系滑移方向上的分切应力为：称为施密特定律，τc是一常数，等于或者大于一定的临界值（临界切应力）时，滑移才能发生。第二节单晶体的滑移12五、滑移变形的特点第二节单晶体的滑移1.滑移只能在切应力的作用下发生。2.滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。在最密晶面之间的面间距最大，原子面之间的结合力最弱，沿最密晶向滑移的步长最小，因此这种滑移所需要的外加切应力最小。3.滑动的距离为原子间距的整数倍，滑移的结果会在晶体的表面上造成台阶。4.滑移的同时必然伴随有晶体的转动。13六、滑移的实质是位错的运动大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的滑移。第二节单晶体的滑移14六、滑移的实质是位错的运动滑移过程，只需要位错中心上面的两列原子（实际为两个半原子面）向右作微量的位移，位错中心下面的一列原子向左作微量的位移，位错中心便会发生一个原子间距的右移。通过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的原子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近的极少量的原子作微量的位移即可，需要的临界切应力便远远小于整体刚性滑移。第二节单晶体的滑移说明15第三节多晶体的塑性变形一、多晶体的塑性变形协调性多晶体的变形中要保持晶界处的连续性，即晶界处的原子既不能堆积也不能出现空隙或裂缝，晶界两边的变形需要达到互相协调。为满足协调性，每个晶粒内位错在外力作用下发生运动，即以滑移方式产生塑性变形效果，需要临近晶粒作出相应的变形。晶界两边的晶粒取向不一样，靠单一的滑移系的动作将不能保证这种协调，要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，加上自身晶粒除了变形的主滑移系统外，也要有几个滑移系统同时动作才行。所以晶粒的取向不同对滑移起到阻碍作用，增加了滑移要求的外力。16二、晶界对滑移的影响位错的塞积一个晶粒在某一滑移系发生滑移动作，位错发生运动，位错遇到晶界时，由于各个晶粒的位向不同，不能直接从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞积起来；加之晶界处的杂质原子也往往较多，增大其晶格畸变，在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形。晶界的存在可以提高材料的强度。第三节多晶体的塑性变形对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和晶粒大小有以下关系：d晶粒的平均直径，k为比例常数。即霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系。17二、晶界对滑移的影响晶界数量的增加则材料的晶粒愈细，不仅强度愈高，而且塑性与韧性也较高。原因晶粒愈细，单位体积中的晶粒数便愈多，变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生，晶粒转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的变形，不致造成局部的应力集中，而引起裂纹的过早产生和发展。因而断裂前便可发生较大的塑性形变量，具有较高的冲击载荷抗力。工业上通过各种方法(凝固、压力加工、热处理)使材料获得细而均匀的晶粒，使目前提高材料力学性能的有效途径之一。第三节多晶体的塑性变形18三、塑性变形过程第三节多晶体的塑性变形局部不均匀性在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的分布不同，故在同一外力作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切应力便不同。软位向施密特因子较大(接近1/2)，分切应力较大的必将首先发生滑移变形；硬位向滑移面或滑移方向处于或接近于与外力相平行或垂直，即施密特因子较小(接近0)的晶粒，它们所受的分切应力将较小，较难发生滑移。19三、塑性变形过程第三节多晶体的塑性变形整体的均匀化多晶体材料在外力作用下，首批处于软位向的晶粒发生滑移，而晶界的影响及其周围处于硬位向的晶粒尚不能发生滑移，在首批晶粒的晶界附近造成位错堆积，随着外力增大至应力集中达到一定程度，形变才会越过晶界，传递到另一批晶粒中。随着滑移的发生，晶粒的位向也在发生转动，有位向硬化的晶粒和软化的晶粒，软位向的晶粒开始滑移变形。多晶体塑性变形是一批一批晶粒逐步地发生，从少量晶粒逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到较均匀的变形，要比单晶体中复杂得多。20四、其他塑性变形方式第三节多晶体的塑性变形1.孪生21四、其他塑性变形方式第三节多晶体的塑性变形孪生产生条件在切应力作用下产生的，所需要的切应力比滑移要大得多，仅在滑移困难时才会发生。1)出现在滑移系很少的晶体结构的材料中(如密排六方)；2)在较低温度或受冲击时因来不及滑移又有较大的应力作用时产生孪生。2.蠕变所谓蠕变是指材料在高温下(高于0.3Tm)的变形不仅与应力有关，且和应力作用时间有关。蠕变现象可看着在应力作用下原子的扩散。原子的定向流动本身可造成材料的变形。22四、其他塑性变形方式第三节多晶体的塑性变形3.粘滞性流动在液体状态下，原子呈无规则排列，没有固定的形状，处于可流动的状态。液体的流动性用黏度来度量，当黏度大到可以维持自己的形状时，材料就处于固态。在固态下处于非晶态的材料可以看着是过冷的液体，在外力作用下，非晶态的材料当能克服黏度的阻力时，可以象液体那样发生流动，自己的形状和尺寸发生变化，材料的性质未发生改变，可视为一种塑性变形。23第四节塑性变形对组织性能的影响一、对力学性能的影响加工硬化的工程意义：1.加工硬化是强化材料的重要手段，尤其是对于那些不能用热处理方法强化的金属材料。2.加工硬化有利于金属进行均匀变形。因为金属已变形部分产生硬化，将使继续的变形主要在未变形或变形较少的部分发展。3.加工硬化给金属的继续变形造成了困难，加速了模具的损耗，在对材料要进行较大变形量的加工中将是不希望的，在金属的变形和加工过程中常常要进行“中间退火”以消除这种不利影响，因而增加了能耗和成本。产生加工硬化材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降的现象称为加工硬化。24二、对组织形貌的影响第四节塑性变形对组织性能的影响1.晶粒变形金属塑性变形时，随着外形的改变，内部晶粒的形状也相应变化。通常晶粒沿变形方向被拉长(拉伸)或压扁(压缩)。变形的程度愈大，则晶粒形状的改变也愈大。25二、对组织形貌的影响2.晶界模糊变形量很大时，晶界变得模糊不清，原因：位错移出晶粒在边界造成的台阶使晶界交错，进一步降低了晶界的耐腐蚀性。3.纤维组织在金属变形较大时，材料中的夹杂物也沿变形方向被拉长，形成了纤维组织。纤维组织的出现造成材料在不同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，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于垂直方向，等等。第四节塑性变形对组织性能的影响26二、对组织形貌的影响4.亚结构形成在金属未变形或少量变形时，位错密度的分布一般是均匀的。但在大量变形之后，由于位错的运动和交互作用，位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。亚晶粒边界上聚集大量位错，而内部的位错密度相对低得多。随着变形量的增大，产生的亚结构也越细。整个晶粒内部的位错密度的提高将降低了材料的耐腐蚀性。第四节塑性变形对组织性能的影响27三、变形织构的产生金属晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个晶粒有各向异性，宏观性能表现出各向同性。当金属经受大量(70%以上)的一定方向的变形之后,晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致，形成了“择优取向”，即某一晶面在某个方向出现的几率明显高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构，它使金属材料表现出明显的各向异性。第四节塑性变形对组织性能的影响对工程应用的影响：在大多数情况下是不利的，如有织构的金属板材冲制筒形零件，不同方向上塑性的差别较大，深冲后零件的边缘不齐出现“制耳”现象；另外在不同方向上变形不同，制成的零件的硬度和壁厚会不均匀，等等。但织构有时也能带来好处，制造变压器铁芯的硅钢片，利用织构可大大提高变压器的效率。28四、增加了残余内应力塑性变形后材料内部的残余内应力明显增加，主要是由于材料在外力作用下内部变形不均匀所造成的。第四节塑性变形对组织性能的影响第一类内应力材料表层和心、这一部分和那一部分变形不均匀，造成平衡于它们之间的宏观内应力.第二类内应力相邻晶粒取向不同引起变形不均匀，或晶内不同部位变形不均匀，会造成微观内应力.第三类内应力位错等缺陷的增加，会造成晶格畸变.第三类内应力占绝大部分，是变形金属强化的主要原因。但耐腐蚀性下降。第一、二类内应力占的比例不大，但当进一步加工会打破原有平衡，引起材料的变形；或者和零件使用应力发生叠加，引起材料的破坏。所以一般都要用退火的办法尽量将其消除。29第五节变形后金属的加热变化引言1)冷变形后的金属材料存在加工硬化和残余内应力等性能变化，在很多情况下并不是人门希望的，可以通过加热引起的组织变化来改变这些性能。2)在材料的内部的晶粒破碎拉长，位错等缺陷大量增加和存在的内应力都使材料存在弹性应变能，使其内能升高处于不稳定的状态，系统本身就存在释放能量的潜力，当温度提高后，原子的活动能力增强，原子在热运动中会使材料朝着减少缺陷、降低能量的方向发展，造成组织和性能的变化。30一、冷变形后的材料加热转变对冷变形的塑性材料重新加热，随着加热的温度和保温时的不同，发生的变化大致可以分为三个阶段：回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。材料的内应力、晶粒尺寸