ppt6-第六章塑性变形

第六章第六章塑性变形塑性变形PLASTICDEFORMATIONPLASTICDEFORMATION金属变形概述纯金属的塑性变形塑性变形的方式与机制合金的变形与强化单晶体的塑性变形冷变形金属的组织与性能多晶体的塑性变形材料的塑性变形行为：①决定了零件和构件的加工成形的工艺性能－希望易于塑性变形（低强度）、高塑性；②决定零件和构件的重要使用性能－希望难于塑性变形（高强度）、塑性良好。③改变材料的组织结构和性能－重要的强化方法对后续的加工和使用产生不利影响所以，塑性变形和再结晶是材料研究中的重要问题。6.16.1金属变形概述金属变形概述INTRODUCTIONTODEFORMATIONINTRODUCTIONTODEFORMATIONOFMETALSOFMETALS金属典型的拉伸曲线金属变形的三个阶段低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线塑性变形（流变）金属典型的拉伸曲线颈缩均匀变形屈服σusσbσκεLεσσls金属拉伸变形的三个阶段kkbbbssσσσσσσσσσσσσ==断裂阶段：）（局部集中变形）（颈缩）（均匀变形塑性变形阶段：弹性变形阶段：①②③FCC金属的拉伸曲线FCC金属的拉伸曲线εσsσbσkσ6.26.2晶体的塑性变形晶体的塑性变形PLASTICDEFORNMATIONOFCRYSTALSPLASTICDEFORNMATIONOFCRYSTALS单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形合金的塑性变形塑性变形对材料组织与性能的影响滑移金属塑性变形的主要方式孪生晶体的滑移－在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑性变形方式。1.滑移6.2.1单晶体的塑性变形100100010000原光滑表面滑移带滑移线滑移线－滑移在表面产生的台阶滑移带－聚集在一起的滑移线拉伸a.滑移线与滑移带观察表明：①变形不均匀，集中在某些区域；②沿一定的晶面和一定的晶向。滑移面：能够发生滑移的晶面（通常为密排面）滑移方向：能发生滑移的方向（密排方向）滑移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向的组合（表示滑移的空间取向）b.滑移系共12个滑移系FCC晶体的滑移系：{111}110，共12个{111}(共4个)110（每面上有3个）{110}111{112}111{123}1116×2＝12个12×1＝12个24×1＝24个BCC晶体的滑移系：共48个HCP晶体的滑移系：个3310211)0001(:633.1/=×=ac(0001)}0110{}1110{02110211}1110{0211}0110{0211)0001(633.1/ac晶体中滑移系愈多，滑移时可采取的空间方位就多，晶体发生滑移的可能性便愈大，材料的塑性愈好。并且，其中一个滑移面上存在的滑移方向数目比滑移面数目的作用更大。在金属材料中，FCC的铜及铝，其滑移面上有3滑移方向，而BCC的铁，其滑移面上分别有2个和1个滑移方向，故铁的塑性不如铜及铝；HCP的镁及锌等，因其滑移系仅有3个，故其塑性远较具有立方晶格的金属差。对HCP金属，可通过提高变形温度和加入合金原素（改变c/a）值来产生(0001)面以外的滑移面，提高塑性。滑移系数量对塑性的影响φFλ滑移方向滑移面滑移面法线滑移的条件：作用在滑移系上的分切应力达到一临界值τc。τc－临界（分）切应力（材料常数）设拉伸载荷为F，则沿滑移方向的分应力为：作用在滑移系上的分切应力为：；λφστcoscos⋅=－取向因子λφcoscosλcosFφλτcos/cosAF=，即c.滑移的临界分切应力Schmid定律作用在取向因子昀大滑移系上的且应力达到τc时，该滑移系开动，晶体屈服：λφστcoscosSC⋅=——单晶体的σS与取向有关λφτσcoscosCS⋅=硬取向－取向因子小（σS值高）的取向软取向－取向因子小（σS值低）的取向Schmid定律：cosφcosλ的昀大值：在φ一定时，λ昀小时，即N、b和σ三线共面时，cosφcosλ有昀大值，所以φ或λ=90°时，cosφcosλ=0HCP晶体：σS=∞立方晶体：？（思考）φλNσb024681012σs/MPacosφcosλ00.50φ=0λ=0滑移面Mg单晶σS与取向因子的关系）°=======45(1/2sin4521sin221sincos)-cos(90cos)cos(cosmaxλφφφφφφλφ初始滑移系初始滑移系：对若干个等价滑移系，加载时取向因子昀大的滑移系首先发生滑移，称为初始滑移系。①计算比较法初始滑移系的确定②映像规则①计算比较法逐一计算并比较各滑移系的取向因子，取向因子昀大的为初始滑移系。例：在Cu单晶［123］方向进行拉伸，求初始滑移系。解：14614211436142]123[]101[143]123[]111[coscos10]1(111)[=⋅=⋅⋅⋅=λφ：216coscos1]111)[01(2164coscos11)[101]1(76coscos11)[110]1(146coscos1]1(111)[076coscos01]1(111)[=====λφλφλφλφλφ：：；：：；：0coscos)[011]1(110coscos)[101]1(110coscos10]1)[1(114265coscos1)[011]1(1216coscos01]11)[1(1146coscos1)[110]1(1======λφλφλφλφλφλφ：；：：；：：；：经比较可知，初始滑移系为]110)[111(（复习）晶体的极射赤面投影图投影面投射点（光源）1.投影原理xyzo1000100010101012.标准投影图立方晶系的（001）标准投影图001100011101111110011011010010011101011110111111111①对立方系，投影图上的极点即可表示晶面，也可表示晶向。②在同一条线上的晶面（晶向）属于同一晶带（晶面）。③如果晶体的(hkl)晶面平行于投影面，所得投影图称为(hkl)投影图。②映像规则在图中找出力轴所在的取向三角形，以该三角形{111}角的对边为公共边，与之呈镜面对称的{111}点即滑移面；以110角的对边为公共边，与之呈镜面对称的110点即滑移方向。例：确定拉伸方向分别为[123]、[112]、[101]、[111]和[100]时的初始滑移系。123112；]101)[111(上述5种情况的初始滑移系分别为；和1)[011]11(01]1(111)[个滑移系；等41]1(111)[0个滑移系；等61)[011]1(1个滑移系。等8)[101]1(11d.滑移时晶体的转动晶面弯曲及转动晶面弯曲及转动晶面转动ϕ′ϕ拉伸前自由拉伸后夹头固定拉伸后τmax1σσ1σ2τmax2①力偶σ1－σ2：使晶体的滑移面趋向于平行拉伸轴②力偶τmax1－τmax2：使滑移方向平行于昀大分切应力＋拉伸时转动趋势：滑移方向平行于拉伸轴压缩时转动趋势：滑移面垂直于压力轴转动的原因及规律滑移方向τmax几何软化与几何硬化λφστcoscos⋅=几何软化－变形时的晶体转动使取向因子增大而使流变应力降低的现象。几何硬化－变形时的晶体转动使取向因子减小而使流变应力升高的现象。晶体转动使cosφ·cosλ值改变滑移系上的分切应力τ改变继续变形（保持τ=τc）的流变应力σ发生变化设N、σ和b共面，晶体转动使λ不断变小：λ45°，几何软化；λ45°，几何硬化。σbNλ]011)[111(晶体转动与双滑移首先开动，σ转向；当F1点移至F2时，也开动，开始双滑移，σ向移动。当σ转至时，晶体停止转动，达到稳定取向。]011)[111(]121[]011[]121[011011111121001xyzo)111()111(σF1F23、将一FCC单晶体试棒沿轴向进行拉伸。试回答下列问题：(1)画出立方系的(001)标准投影图，确定初始滑移系及晶体在单滑移时的转动规律和转轴；(2)开始双滑移时试样的取向及双滑移过程中晶体的转动规律和转轴；(3)示意性画出其加工硬化曲线并加以解释。][251（1）初始滑移系为；单滑移时晶体转动规律为滑移方向转向拉伸轴，动轴为。][011][125][][][121011251=×])[(011111][001][111][251][011][])[]([])[]([131011251111001=×××（2）当应力轴转至取向三角形边线上时开始双滑移，此时应力轴即和所确定晶面与和所确定的晶面的交线，所以此时的应力轴为。][][][121011131=×][][][112001131=×][][][011112121=+][][111001−双滑移时，晶体绕两个轴转动，这两个转轴分别为和，合成转轴为，即拉应力沿投影图的边移动。例题011111111110111101011111001e.晶体滑移的种类单滑移－只有一个滑移系开动的滑移过程晶体表面只有一组平行的直线型滑移带（线）铜的滑移带产生明显的形变强化。（位错线相互交割并相互作用，形成扭折、割阶、点缺陷和不动位错等，阻碍位错的继续运动）晶体表面有有多组相交的直线形滑移带（线）。多滑移－多个滑移系同时开动的滑移过程铝的滑移带交滑移——两个或两个以上滑移面沿着同一个滑移方向同时或交替进行的滑移过程。晶体的交滑移是通过螺位错的交滑移进行的。滑移带（线）呈波浪状。τb铝交滑移形成的滑移带b交滑移在塑性变形中的作用：当滑移位错遇到障碍时，可通过交滑移越过障碍继续滑移，使塑性变形继续进行。所以，易于交滑移的晶体易于塑性变形。层错能对交滑移的影响：层错能越低，扩展位错就越宽，移束集就越困难，越不容易交滑移。低层错能材料，不易交滑移，滑移线呈平直状。高层错能材料，易于交滑移，滑移线呈波浪状。f.滑移的位错机制晶体的滑移是通过位错的滑移来进行的。位错的滑移导致塑性变形，而塑性变形需要一定的应力。显然，位错的运动有阻力。晶格阻力（P－N力）位错运动的阻力其他派－纳力位错核心区域的原子错排导致位错核心具有能量，当位错在周期排列的点阵移动时会改变其能量，从而位错移动时受到周期性的晶格阻力，称派－纳（Peierls-Nabarro）力。xΕO位错的能量随位置而变化，即E≠const.0≠∂∂xE——位错运动的晶格阻力，即P-N力：ν−=1dwG－切变模量；ν－泊松比；d－滑移面面间距；b－伯氏矢量；－位错宽度)2exp(12))1(2exp(12bwGbdGpπννπντ−−=−−−=派纳力与滑移系：)2exp(12))1(2exp(12bwGbdGpπννπντ−−=−−−=由τp－N表达式可知：d升高τp降低（易滑移）b降低滑移面通常为密排面所以滑移方向为密排方向位错宽度对σs的影响：位错宽度越窄，τp越高。密排金属位错宽度较大，τp很小（≤10-6~10-5G），甚至可忽略；而一些如硅和金刚石等共价键的晶体，位错宽度很窄，τp很高（~10-3G），以致几乎不能变形。温度对τP－N的影响：温度升高时，由于G值降低使τP－N降低；在温度高于0K时，由于位错线上原子的热运动，位错线出现弯折，从而使位错线由一个平衡位置移动到另一个平衡位置的过程通过弯折部分的侧向运动来实现，所需应力比τp小很多。所以，温度升高引起强度降低的原因不仅是G减小，更是由于位错运动方式的变化。0K时的位错线一定温度下的位错线侧向运动Ex2.孪生（以FCC晶体为例）孪生——晶体中部分区域通过均匀切变，与未切变区形成镜面对称晶体位向关系的塑性变形方式。a.孪生的过程]211[)111()011(相邻的{111}晶面沿面内的112方向依次滑移一定的距离。视频相邻孪晶面的相对位移：]2[116ab=晶面的原子排列：孪生前后)011(孪生（孪晶）区域孪生面(111)]211[孪生方向b.孪生机制－极轴位错机制极轴位错：(111)晶面[111]3ab=]2[116ab=有一b=a[111]/3