第六章金属及合金的塑性变形与断裂ppt课件.ppt
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1、1,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,第一节 金属的变形特性第二节 单晶体的塑性变形第三节 多晶体的塑性变形第四节 合金的塑性变形第五节 塑性变形对金属组织和性能的影响第六节 金属的断裂,2,铸态组织的缺点,晶粒粗大、不均匀,改善铸态组织,组织不致密,成分偏析、不均匀,材料的性能?,压力加工(塑性变形 ),轧制、锻造、挤压,塑性变形,热塑性变形,冷塑性变形,强度,塑性,塑性,强度,缩松,制成型材或工件,3,6-1 金属的变形特性,低碳钢曲线,一、工程应力应变曲线,弹性变形(elastic deformation)弹塑性变形(plastic deformation)断裂(fracture),利
2、用金属的应力应变曲线(载荷变形曲线),研究金属变形特点,应力(工程应力或名义应力),应变(工程应变或名义应变),载荷,试样的原始截面积,试样的原始标距长度,试样变形后的长度,金属变形,4,6-1 金属的变形特性,:弹性变形阶段,线性阶段,服从虎克定律 := E,:弹性极限, 材料保持完全弹性变形时的最大应力,:微量塑性变形起始阶段,:屈服极限,材料开始发生塑性变形的最小应力,条件屈服极限,材料无明显屈服时,产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限,表示材料对起始微量塑性变形的抗力,(1),(2),(3),:抗拉强度,材料对最大均匀塑性变形的抗力,5,6-1 金属的变形特性,(4),之后:,不均
3、匀塑变阶段,试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈,塑性断裂:产生一定量塑性变形后的断裂,:条件断裂强度,材料的塑性:,材料在断裂前的塑性变形量,塑性指标:延伸率和断面收缩率,材料的韧性:材料对断裂的抵抗能力 ;,可以由应力-应变曲线下面的面积进行度量,材料对塑性变形的极限抗力,?,假象,载荷,原始截面积,6,6-1 金属的变形特性,真实应力,二、真应力真应变曲线,真实应变,: 瞬时截面积,随变形量的增加,塑性变形抗力不断增加的现象,加工硬化(形变强化):,7,6-1 金属的变形特性,双原子模型,三、金属的弹性变形,金属晶格在外力作用下产生的弹性畸变。,实质:,平衡位置:作用力为零,受到外力作用
4、,偏离平衡位置:作用力不为零,所加外力小于原子之间的结合力时,两者处于平衡状态,去除外力,在原子之间的结合力的作用下,原子立即恢复平衡位置,金属晶体在外力作用下产生的宏观变形随之消失 弹性变形,取决于原子间结合力的大小,(弹性模量):,8,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,第一节 金属的变形特性第二节 单晶体的塑性变形第三节 多晶体的塑性变形第四节 合金的塑性变形第五节 塑性变形对金属组织和性能的影响第六节 金属的断裂,9,6-2 单晶体的塑性变形,常温和低温下塑性变形的主要方式:滑移、孪生,一 、滑移,3.25% Si-Fe单晶体中的平直滑移带,滑移线,在切应力作用下,晶体的一部分相对于另
5、一部分沿着一定的晶面和晶向产生相对位移,且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑性变形方式,滑移面,滑移方向,滑移带,塑性变形后在晶体表面产生的一个个小台阶,10,光镜下:滑移带,电境下:滑移线,滑移的表象学,6-2 单晶体的塑性变形,滑移线和滑移带的示意图,滑移的特点 :, 滑移只能在切应力的作用下发生。,:产生滑移的最小切应力,临界切应力,11, 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面(密排面)和晶向(密排晶向)发生。,6-2 单晶体的塑性变形,滑移的特点 :,滑移系,?,阻力小,密排面上原子间的结合力最大,密排面之间的距离最大,密排面之间原子结合力最弱。同理,密排晶向上滑移阻力小,一个滑移面和其上的
6、一个滑移方向组成一个滑移系(slip system),12,6-2 单晶体的塑性变形,滑移系主要与晶体结构有关。,滑移系表示晶体在进行滑移时可能采取的空间取向。,FCC,HCP,三种常见金属结构的滑移系,111,110,0001,BCC,13,6-2 单晶体的塑性变形,BCC,FCC,HCP,三种常见金属结构的滑移系,111,110,0001,密排面密排方向,滑移系数量=,晶体结构不同,滑移系数量不同,如何影响金属塑性?,14,晶体中滑移系越多,滑移越容易进行,塑性越好 金属塑性的好坏,与滑移面上原子的密排程度、滑移方向的数目有关,密排程度愈高、滑移方向愈多,塑性愈好。,6-2 单晶体的塑性变
7、形,密排面密排方向=滑移系,面心立方结构塑性优于体心立方结构,对比BCC和FCC的塑性,FCC,BCC,15,(三)滑移的临界分切应力,6-2 单晶体的塑性变形,:产生滑移的最小切应力,滑移只能在切应力的作用下发生。,设对一单晶圆柱体试样作拉伸试验,分切应力达到临界值,晶体开始滑移,宏观上金属开始屈服,:屈服极限,材料开始发生塑性变形的最小应力,临界切应力,:取向因子,16,临界分切应力取决于金属本性在一定条件下,为一个定值。,6-2 单晶体的塑性变形,硬取向,软取向,金属最容易开始滑移.,金属无法滑移.,硬取向,软取向,17,6-2 单晶体的塑性变形,(四)滑移时晶体的转动,随着滑移的进行,
8、晶体取向发生改变的现象称晶体的转动,包括滑移面的转动和滑移方向的改变,18,拉伸时 滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴方向。压缩时 滑移面逐渐趋于与压力轴线方向垂直,几何硬化:由软取向逐渐变为硬取向,使滑移越来越困难的现象几何软化:由硬取向逐渐变为软取向,使滑移越来越容易的现象,6-2 单晶体的塑性变形,19,(六)滑移的位错机制,6-2 单晶体的塑性变形,1.位错的运动及晶体的滑移,晶体的滑移不是晶体的一部分相对另一部分作整体的刚性移动,而是位错在一定切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果。,理论计算值与实测数据的差别悬殊,发现问题,位错学说,解决问题,位错移动一个原子间距时,位错中心附近
9、的少数原子只作远小于 一个原子间距的弹性偏移,需要很小的切应力就可实现。,:滑移;孪生,20,6-2 单晶体的塑性变形,21,滑移线和滑移带的示意图,6-2 单晶体的塑性变形,?,晶体中有如此大量的位错吗?,由于滑移线是位错移动到晶体表面而形成的,随着塑性变形地进行,位错数量应该减少,最终形成无位错的理想晶体。,事实恰恰与此相反。,?,22,2.位错的增值,弗兰克瑞德位错增值机制,Si中的位错源,位错线弯曲,产生线张力,使位错恢复直线的倾向,线速度相同;角速度不同,位错蜷线位错环+位错线,23,弗兰克位错源产生的大量位错沿滑移面运动,遇到障碍物(固定位错、杂质、晶界等)的阻碍,领先的位错在障碍
10、物前被阻止,后续位错被塞积,形成平面塞积群,并在障碍物的前端形成高度的应力集中。,6-2 单晶体的塑性变形,3.位错的塞积,应力集中,:位错数,:滑移方向上的分切应力,晶粒尺寸,应力集中,24,二、孪生孪生是冷塑性变形的另一种重要形式,常作为滑移不易进行时的补充。一些密排六方的金属如Zn,Mg等常发生孪生变形。体心立方及面心立方结构的金属在形变温度很低形变速率极快时,也会通过孪生方式进行塑变。,6-2 单晶体的塑性变形,:滑移;孪生,25,孪生:在切应力的作用下,晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的均匀切变。一定晶面:孪生面一定方向:孪生方向不改变晶体结构,改变变形部分的位向,6
11、-2 单晶体的塑性变形,二、孪生,滑移:在切应力作用下,晶体的一部分沿着一定的晶面和 晶向相对于另一部分产生相对位移。 一定晶面:滑移面; 一定晶向:滑移方向 不破坏晶体内部原子排列规律性(晶体结构),晶体的孪生面和孪生方向与其晶体结构类型有关。,26,6-2 单晶体的塑性变形,二、孪生,27,锌中的变形孪晶,6-2 单晶体的塑性变形,二、孪生,孪生变形后晶体的变形部分与未变形部分以孪晶界为分界面构成了镜面对称的位向关系金相显微镜下一般呈条带状,有时为透镜状。,切变区域内,与孪生面平行的每一层原子的切变量与它距孪生面的距离成正比,并且不是原子间距的整数倍子,而是分数倍。,28,孪生的变形特点只
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