金属材料概论第四章-1

学习内容：第一节金属的塑性变形第二节金属的冷塑性变形第三节金属的热加工第四节金属强化理论简介第一节材料的塑性变形一、单晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形在工业生产中,许多金属零件都要经过压力加工——金属就会发生塑性变形第一节材料的塑性变形塑性变形：锻造、轧制、拉丝、挤压、冲压实质：原子相对移动达到新的稳定位置！金属在外力作用下，发生不能自行恢复其原形和尺寸的变形←永久变形塑性变形不仅使金属获得所需的外形和尺寸，更重要的是能改变金属的组织和性能——如结晶晶粒的大小、组织的均匀性及其对金属性能的改善工程上也常常要求消除塑性变形给金属造成的不良影响——需在加工过程中或加工后对金属进行加热，发生再结晶，恢复塑性变形以前的性能★★譬如：加工硬化—在塑性变形中，随着金属内部组织的变化，金属的机械性能将产生明显的变化，产生金属的强度、硬度↑，而塑性、韧性↓的现象。不良后果：当金属冷加工到一定程度后，变形抗力就会增加，进一步的变形就必须加大设备功率，↑动力消耗；而且加工硬化后的金属塑性↓↓，继续变形会导致开裂！一、单晶体的塑性变形常温和低温条件下主要变形方式：滑移和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晶面和晶向发生相对滑动的结果，这种变形方式称为滑移变形前后晶体结构不发生变化！产生滑移的晶面—滑移面（原子排列密度最大的晶面）产生滑移的方向—滑移方向（沿着原子密度最大的方向，即原子间距最小的方向）？1、滑移滑移面：晶体的一部分沿着一定的晶面相对于另一部分的相对滑动，该晶面为滑移面滑移方向：晶体在滑移面上的滑动方向∵在晶体的原子密度最大的晶面上，原子间的结合力最强，而面与面之间的距离却最大→密排晶面之间的原子间结合力最弱，滑移的阻力最小；沿原子密度最大的晶向滑动时，阻力也最小！∴最易于滑移(a)单晶体金属原子排列规则；(b)当切应力较小时，晶体内原子间距发生微小变化，原子稍偏离平衡位置，处于不稳定状态—弹性变形；(c)当外力增大，原子沿着某一些晶面滑移;(d)达到新的平衡位置—塑性变形2、滑移过程示意图：滑移带：许多密集在一起的相互平行的滑移线组成滑移带—在晶体表面上呈不均匀阶梯状分布滑移系：一个滑移面和此面上一个滑移方向结合起来，组成一个滑移系。滑移线滑移带5-50nm7-120nm滑移带和滑移线示意图滑移线实际上是在塑性变形后在晶体表面产生的一个个台阶！注意：※当滑移的晶面逸出晶体表面时，在滑移晶面与晶体表面的相交处—形成滑移台阶—一个滑移台阶就是一条滑移线；※每一条滑移线所对应的台阶高度—标志着某一滑移面的滑移量；※滑移线与滑移带的排列不是随意的—互相平行或呈一定角度；滑移线滑移带5-50nm7-120nm（100个原子间距）（1000个原子间距）※滑移总是沿着晶体中原子排列最紧密的晶面和晶向发生※滑移系表示金属晶体在发生滑移时可能采取的空间位向—其他条件相同时，金属晶体中的滑移系越↑，滑移过程中可能采取的空间取向越↑—金属的塑性也越↑金属的塑性比较：fccbcchcp铝、铜比-Fe的塑性更好的原因实际上金属塑性的好坏不只取决于滑移系的多少，还与滑移面上原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关！滑移方向滑移面滑移系2111{110}643{111}110]101][110][011[]110][011][101[]110][101][011[]011][101][110[0...wlvkuh凡满足此条件的晶向均可构成滑移系！)111(),111(),111(),111(]110[]011[]101[]011[]101[]110[面心立方结构{111}面和110方向组成滑移系：晶面（hkl）与晶向[uvw]平行的条件：∵-Fe(bcc),滑移方向少于铝、铜(fcc)；-Fe滑移面上的原子密排程度低于铝、铜。∴-Fe的滑移面间距离较小，原子间结合力较大，必须在较大的应力作用下才能开始滑移∴-Fe(bcc)的塑性要比铝、铜(fcc)差些！3、滑移的临界切应力滑移是在切应力作用下发生的！—晶体中的某个滑移系是否发生滑移，决定于力在滑移面内沿滑移方向上的分切应力大小！—当切应力达到某一临界值时，滑移才能开始→临界切应力τk（使滑移系开动的最小切应力）设有一圆柱形单晶受到轴向拉力F的作用：截面积为A；F与滑移方向的夹角为λ；F与滑移面法线的夹角为φ；滑移面的面积应为A/cosφ；F在滑移方向上的分力为FcosλF在滑移方向的分切应力τ：coscoscoscoscos/cossAFAF当增加F，使某一滑移系上的分切应力达到某一临界值→F/A=σs——滑移就会在该滑移系上进行！滑移方向λφcoscoscoscoscos/cossKAFAFcoscoscoscoscos/cossKAFAF取向因子∴通常将给定滑移系上开始滑移所需的分切应力称为“临界分切应力”滑移方向λφ讨论：1.当滑移面的法线、滑移方向和外力轴三者处于同一平面，且滑移面的倾斜角为450=取向因子具有最大值0.5→分切应力τ最大→它是具有最有利的滑移取向—软取向→晶体产生塑性变形的屈服极限σs最小—在最小的拉应力作用下，就能达到发生滑移所需要的临界分切应力值滑移方向λφcoscoscoscoscos/cossKAFAFcoscoscoscoscos/cossKAFAFλ=φ=4502、当外力与滑移面平行λ=900或φ=900→σs=∞，无法滑移—硬取向4、滑移的位错机制实际的金属晶体中均存在大量的缺陷！滑移是在切应力作用←滑移面上的位错运动造成晶体的滑移过程只需位错中心周围的少数原子做微量的位移即可实现因此，晶体的滑移只需很小的切应力！晶体通过刃型位错造成滑移的示意图过程：当一条位错线在切应力作用下，从左向右移到晶体表面事，便在晶体表面留下一个原子间距的滑移台阶，造成晶体的塑性变形——如果有大量位错重复按此方式滑过晶体，就会在晶体表面形成滑移痕迹→宏观上产生塑性变形★★★★★★★★多晶体塑性变形与单晶体的变形方式相似，但较为复杂：★多晶体是由形状、大小，取向各不相同的晶粒所组成；★塑性变形受到晶界的阻碍和位向不同的晶粒的影响；★任何一个晶粒的塑性变形都不是处于独立的自由变形状态，需要其周围的晶粒同时发生相适应的变形来配合，以保持晶粒之间的结合和整个物体的连续性。二、多晶体的塑性变形（一）多晶体的塑性变形过程前提：多晶体金属中，每个晶粒的晶格位向不同，其滑移面和滑移方向的分布不同！特点：在外力作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上受力也不同。有的变形大，有的变形小，有的已开始变形，有的还处于弹性变形阶段。所以，多晶体的塑性变形过程是不均匀地，有先有后地进行着。★那些受最大或接近最大分切应力位向的晶粒—处于“软取向”的晶粒首先达到τk，率先开始滑移，滑移面上位错沿着滑移面进行活动；★与其相邻的处于“硬取向”的晶粒，滑移系中的分切应力尚未达到临界值，导致位错在到达晶界时受阻并逐渐堆积；★位错的堆积致使前沿附近区域造成很大的应力集中，随着外力的↑，应力集中也随之↑，这一应力集中值与外力相叠加→最终使相邻的那些“硬取向”晶粒内的某些滑移系中的分切应力达到τk→进而位错被激发而开始运动，产生了相应的滑移；★与此同时，已变形晶粒发生转动，由原软取向转至硬取向→不能继续滑移。这样塑性变形变从一个晶粒传递到另一个晶粒，一批批晶粒如此传递下去，使整个试样产生了宏观的塑性变形！在多晶体的塑性变形过程中，开始由外加应力直接引起塑性变形的晶粒只占少数，不引起明显的宏观效果。多数晶粒的塑性变形是由已塑性变形的晶粒中位错平面塞积群所造成的应力集中所引起——只有此时，才能造成一定的宏观塑性变形效果！综上所述，多晶体塑性变形的特点：一、各晶粒变形的不同时性—各晶粒的变形有先有后，不是同时进行；二、各晶粒变形的相互协调性；三、多晶体塑性变形具有不均匀性，由于晶界及晶粒位向不同的影响，各个晶粒的变形是不均匀的，每一个晶粒的变形也是不均匀的！变形前变形后经拉伸后晶界处呈竹节状晶粒中心区域的变形量较大，晶界及其附近区域的变形量较小晶界附近滑移受阻，变形量较小，而晶粒内部变形量较大，整个晶粒变形不均匀！（二）晶粒大小对塑性变形的影响1、晶界的存在，使变形晶粒中的位错在晶界处受阻，每一晶粒中的滑移带也都终止在晶界附近；2、由于各晶粒间存在着位向差，为了协调变形，要求每个晶粒必须进行多滑移，而多滑移时必然要发生位错的相互交割；——以上两点将↑↑金属材料的强度！∴晶界越多—晶粒越细小→强化效果越显著！用细化晶粒增加晶界提高金属强度的方法！多晶体金属屈服强度与其晶粒直径之间的关系式：2/10Kdsσ0：常数，表示晶体内对变形的阻力，大体相当于单晶体金属的屈服强度d：多晶体中各晶粒的平均直径K：表征晶界对强度影响程度的常数，与晶界结构有关