材料科学基础-第6章

任课教师：崔红保§1单晶体金属的塑性变形§2多晶体的塑性变形§3合金的塑性变形§4金属塑性变形后的组织与性能塑性成形PlasticityDeformation基本要求１．熟悉滑移、孪生变形的重要特点、滑移系的概念、滑移的位错机制；２．熟悉多晶体塑性变形的特点及塑性变形对金属组织与性能的影响；３．掌握冷变形金属加热时组织与性能的变化；４．了解热加工的概念，掌握热加工对金属组织与性能的影响。第六章金属的塑性变形与再结晶锻压的优缺点»能改善金属的组织，提高金属的机械性能。»节约金属材料和切削加工工时。»具有较高的生产率。»不能直接锻制成形状复杂的零件。尺寸精度不高。»需要重型的机器设备和复杂的工模具。»生产现场劳动条件较差。滑移（slip)孪晶(twin)一、塑性变形的基本形式常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生一滑移1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变方式。SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E6.1.1单晶体的塑性变形滑移的晶体学滑移面（密排面）（1）几何要素滑移方向（密排方向）1.滑移滑移面：原子间距小滑移方向：原子排列密度最大滑移系：一个面＋一个方向1.滑移滑移的晶体学（2）滑移系滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系的个数:(滑移面个数）×（每个面上所具有的滑移方向的个数）1.滑移（1）fcc滑移系滑移方向110，滑移面一般为{111}面心立方结构共有四个不同的{111}晶面，每个滑移面上有三个110晶向，故共有4×3=12个滑移系。体心立方：6个面×2个方向＝12面心立方：4个面×3个方向＝12密排六方：1个面×3个方向＝3滑移系越多材料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明显！滑移的晶体学（2）滑移系滑移系数目与材料塑性的关系1.一般滑移系越多，塑性越好；2.与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；3.与同时开动滑移系数目有关（c）。2.滑移系、滑移临界分切应力任何应力都可以分解为：一个正应力()一个切应力()正应力___伸长、断裂切应力___滑移变形、滑移临界分切应力滑移的晶体学（3）滑移的临界分切应力（c）c：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)c＝scoscoscoscoscosAF2sin21)90cos(coscoscos3．临界分切应力应力与外力F方向相同，可分解为两个分应力，一个为垂直于滑移面的分正应力，另一个为分切应力。分切应力τ作用在滑移方向使晶体产生滑移，其大小为：称为取向因子，或称施密特因子（Schmid）,取向因子越大，则分切应力越大。对于任一给定的φ值，取向因子的最大值出现在λ=90º-φ时：当φ=45º时（也为45º），取向因子有最大值1/2，此时，得到最大分切应力。coscos（2）能使晶体滑移的力是外力在滑移系上的分切应力。通常把给定滑移系上开始产生滑移所需分切应力称为临界分切应力。（3）在拉伸时，可以粗略认为金属单晶体在外力作用下，滑移系一开动就相当于晶体开始屈服，此时，对应于临界分切应力的外加应力就相当于屈服强度σS。单晶体的屈服强度随取向因子而改变φ=45º时，，取向因子达到最大值，产生拉伸变形的屈服应力最小。φ=90º或0º时,σS=∞,晶体不能沿该滑移面产生滑移。coscoscoscosskAFcoscosks21coscos滑移的晶体学（3）滑移的临界分切应力（c）c取决于金属的本性，不受，的影响；或＝90时，s；c＝scoscoss的取值，＝45时，s最小，晶体易滑移；软取向：值大；取向因子：coscos硬取向：值小。滑移时晶体的转动（1）位向和晶面的变化拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向;压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。（2）取向因子的变化几何硬化：，远离45，滑移变得困难；几何软化；，接近45，滑移变得容易。4滑移时晶体的转动、滑移时晶体的转动．多系滑移与交滑移（1）多系滑移。单滑移：只有一个特定的滑移系处于最有利的位置而优先开动时，形成单滑移。（2）多系滑移：由于变形时晶体转动的结果，有两组或几组滑移面同时转到有利位向，使滑移可能在两组或更多的滑移面上同时或交替地进行，形成“双滑移”或“多滑移”。·如果发生双滑移或多系滑移，会出现交叉形的滑移带易交滑移，产生波纹状滑移带Cu不易交滑移，无波纹状滑移带·交滑移是纯螺位错的运动，当螺位错分解为扩展位错时，欲交滑移，必须先束集为全螺位错，此过程与层错能有关（层错能越低，越难束集，难以发生交滑移），还可因热激活而得到促进。理论滑移力与实际滑移力（Cu）理＝6400N/mm2实＝1.0N/mm2(18Cr-8Ni不锈钢薄膜中的平面排列的位错(b)薄膜中排列在滑移面上的位错的示意图(a)18Cr-8Ni不锈钢薄膜中平面排列的位错(b)薄膜中排列在滑移面上的位错示意图8位错交割和塞积单晶体的塑性变形二孪生（1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。孪生面A1{111},A2{112},A3{1012}（2）孪生的晶体学孪生方向A1112,A2111,A31011孪晶区．孪生的特点（1）孪生是一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离是孪生方向原子间距的分数倍；孪生是部分位错运动的结果；孪晶面两侧晶体的位向不同，呈镜面对称；孪生是一种均匀的切变；孪晶浸蚀后有明显的衬度，经抛光与浸蚀后仍能重现。切变；2沿一定的晶面、晶向进行；3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6.1.1单晶体的塑性变形晶粒之间变形的协调性（1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。（2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）（3）条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变化）6.1.2多晶体的塑性变形晶界对变形的阻碍作用（1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。（2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。6.1.2多晶体的塑性变形晶界对变形的阻碍作用（3）晶粒大小与性能的关系a晶粒越细，强度越高(细晶强化：霍尔－配奇公式)s=0+kd-1/2原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有尺寸限制）晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。b晶粒越细，塑韧性提高细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量,表现高韧性。6.1.2多晶体的塑性变形一、晶界阻滞效应和取向差效应1．晶界阻滞效应：90%以上的晶界是大角度晶界，其结构复杂，由约几个纳米厚的原子排列紊乱的区域与原子排列较整齐的区域交替相间而成，这种晶界本身使滑移受阻而不易直接传到相邻晶粒6.1.2多晶体的塑性变形．取向差效应：多晶体中，不同位向晶粒的滑移系取向不相同，滑移不能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中。6.1.2多晶体的塑性变形．各晶粒变形的不同时性和不均匀性。2．各晶粒变形的相互协调性，需要五个以上的独立滑移系同时动作。由于晶界阻滞效应及取向差效应，变形从某个晶粒开始以后，不可能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒之中，但多晶体作为一个连续的整体，每个晶粒处于其它晶粒的包围之中，不允许各个晶粒在任一滑移系中自由变形，否则必将造成晶界开裂，为使每一晶粒与邻近晶粒产生协调变形，VonMises指出：晶粒应至少能在五个独立的滑移系上进行滑移。fcc和bcc金属能满足五个以上独立滑移系的条件，塑性通常较好；而hcp金属独立滑移系少，塑性通常不好。6.1.2多晶体的塑性变形二、多晶体金属塑性变形的特点3．滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。4．多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。由于晶界阻滞效应及取向差效应，使多晶体的变形抗力比单晶体大，其中，取向差效应是多晶体加工硬化更主要的原因，一般说来，晶界阻滞效应只在变形