金属塑性成形的物理基础ppt课件.ppt

《金属塑性成形的物理基础ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属塑性成形的物理基础ppt课件.ppt（384页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、1,第二章 金属塑性变形的物理基础,主要内容金属冷态下的塑性变形金属热态下的塑性变形金属的超塑性变形金属在塑性加工过程中的塑性行为,本章穿插了一些补充知识,2,第一节 金属冷态下的塑性变形,基本知识(补充知识),金属的晶体结构,物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。,C60,3,对于晶体,大家并不生疏。人们吃的食盐；冬天河里冻的冰,都是晶体。,雾凇,4,晶体：是指原子（或离子）按一定的几何形状作有规律的重复排列的物体。,一、晶体概念,金属在固态一般均属于晶体。,5,非晶体：是指原子（或离子）呈无序排列的物体

2、。例如普通玻璃、松香、树脂等。,6,7,8,晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，它们的性能也有差异。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性；非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。,晶体与非晶体的根本区别不是在外形,9,晶格：用直线将原子中心连接起来，构成的空间格子，称为“晶格”,10,晶胞：构成晶格的最小的基本的几何单元称为“晶胞”。即：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。,11,晶格常数：晶胞的棱边长称为晶格常数。晶胞的大小以其各边尺寸a、b、c表示，单位,各棱间的夹角用、表示。,12,原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。,晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。 配位数

3、：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。,13,晶面：晶格中各种方位的原子面。晶向：晶格中由原子（结点）所组成的任一直线，都能代表晶体空 间的一个方向，这种方向称为晶向。,晶面,14,晶面指数和晶向指数,15,3、立方晶系晶面、晶向表示方法,其确定步骤为,16, 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。,17,例一.求截距为、1、晶面的指数 截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）例二.求截距为2、3、 晶面的指数 取倒数为1/2、1/3 、 0, 化为最小

4、整数加圆括弧得（320）例三.画出（112）晶面 取三指数的倒数1、1、1/2, 化成最小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距,18, 晶向指数表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为：,19, 确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。 求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为uvw。,20,例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。,例二、已知晶向指数为110, 画出该晶向。找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。,21, 晶面族与晶向族(hkl)与uvw分别表示的是一组

5、平行的晶向和晶面。指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用hkl和表示。,22,立方晶系常见的晶面为：,23,110,24,立方晶系常见的晶向为：,25,111,26,说明： 在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。 遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。,221,110,27,1晶面指数的确定方法1)以晶胞的三个棱边为坐标轴(X轴、y轴、Z轴)，坐标原点可以选在结点上，但不便选在待标定的晶面上。2)以晶胞的棱长a、b、c为相应坐标轴的度量单位。测量出待标定晶面对坐标轴的截距。例如：某晶面的截距分别为、2、-1。3)取各截距的倒数，并按比例化为最小整数。上述的

6、截距倒数是1、12、-1l，化为最小整数为0、1、-2。,28,4)将这三个最小整数依次写在圆括号内，数之间不用标点隔开，负号改写在相应数字的顶部。即(0 1 )。(0 1 )就是这个待定晶面的晶面指数。实际上，它代表的是与之平行的所有晶面。,29,例如，求图中阴影面的晶面指数,某晶面的截距分别为1、1、 1 。晶面指数（111）,30,例如，求图中阴影面的晶面指数,31,2晶向指数的确定方法1)以晶胞的棱边作为坐标轴(X轴、Y轴、Z轴)，原点选在待定晶向的直线上。2)以棱长a、b、c分别为相应坐标轴的度量单位，求出待定晶向上某点(任选)的三维坐标值。如：-2、2、0。,32,3)将坐标值按比

7、例化为最小整数，并依次写在方括号内，数间不用标点隔开，负号改写到数的顶部。则上例为 l 0 。l 0 就是这个待定晶向的晶向指数。实际上，它代表的是与之平行的所有晶向。,33,对于立方晶系常用晶面是(100)、(110)、(111)，见图25。常用晶向是100、110、111，见图26。,34,例如，求图中MN的晶向指数,35,3晶面族与晶向族 凡是晶面指数中各个数字相同但是符号不同或排列顺序不同的所有晶面上的原子排列规律都是相同的，具有相同的原子密度和性质。这些晶面被称之为一个晶面族。如,(110)、(101)、(011)、(10 )、( 1 0)、(0 1)六个独立的晶面就组成了一个晶面族

8、。其晶面族指数记为110。同样道理，原于排列密度完全相同的晶向也可组成一个晶向族。如：111、1 1、 11、11 四个晶向组成一个晶向族。这个晶向族指数记为。,36,注：晶面指数、晶向指数请同学们查阅相关书籍自学,另外，在立方晶系中，凡是晶面指数与晶向指数相同的晶面与晶向都保持着垂直关系。例如：(111) 111、(110) 110、(100) 100,111,(111),37,100晶面族,111晶面族,110晶面族,38,如果晶面指数相同实际上，它代表的是与之平行的所有晶面。,39,40,单晶体结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”。单晶体的“各向异性”。在晶体中，由于各晶体和各晶向上的的

9、原子排列密度不同，因而在同一晶体的不同晶面和晶向上的各种性能不同，这种现象称为“各向异性”。,41,一、三种典型的晶胞结构,面心立方结构体心立方结构密排六方结构,42,（一）面心立方：（14个原子）每个角及每个面中心各一个,43,44,45,一个晶胞中的实际原子数 ：,46,属于该类型的金属：Al、 Ni、 Cu、 Fe,致密度：若把原子看成刚性圆球，那么原子之间必然有空隙存在。原子排列的紧密程度可用原子所占体积与晶胞体积之比表示.,K晶体的致密度N一个晶胞中的实际原子数V1为一个原子的体积V为晶胞的体积,47,48,面心立方晶格的参数,49,面心立方晶格的配位数,从图可以看出，以面中心那个原

10、子为例，与之最邻近的是它周围顶角上的四个原子，这五个原子构成了一个平面，这样的平面共有三个，三个面彼此相互垂直，结构形式相同，所以与该原子最近邻等距离的原子共有43=12个。因此面心立方晶格的配位数为12。,50,原子个数：4配位数： 12致密度：0.74常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,晶格常数：a,面心立方晶格（总结）,51,（二）体心立方：（9个原子），每个角及晶胞中心有一个原子。,52,53,一个晶胞中的实际原子数,54,致密度：,典型金属：Cr，V， -Fe ， -Ti等,55,体心立方晶格的配位数： 在体心立方晶格中，以立方体中心的原子来看，与其最近邻等距离的原子

11、数有8个，所以体心立方晶格的配位数为8。,56,体心立方晶格的参数,57,体心立方晶格（总结）,原子个数：2配位数： 8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,晶格常数：a(a=b=c),原子半径：,58,（三）密排六方：（17个原子）两个晶格常数，六方底面的边长a和二底面间的距离c, c/a称为轴比。,59,60,61,一个晶胞中的实际原子数,典型密排六方,62,密排六方晶格的参数,63,密排六方,典型金属：Zn，Mg，-Ti,致密度：,64,密排六方晶格的配位数：现以晶胞上底面中心的原子为例，它不仅与周围六个角上的原子相接触，而且与其下面的三个位于晶胞之内的原子以及与

12、其上面相邻晶胞内的三个原子相接触。故配位数为12。,65,原子个数：6配位数： 12致密度：0.74常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等,晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633,密排六方晶格（总结）,66,面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC,67,密排六方晶格和面心立方晶格，都属于最紧密结构,68,A,B,C,A,A,B,A,A,A,B,C,69,面心立方晶格的原子堆垛,70,堆排方式ABCABC,71,912 Fe 体心立方晶胞 9121394 Fe 面心立方晶胞1394熔点 Fe 立心立

13、方晶胞,铁从912以上的温度下降到室温，体积有何变化？,铁的同素异晶体,体心立方晶胞,面心立方晶胞,72,二、实际多晶体金属的晶体结构晶粒：具有不规则的颗粒外形小晶体。 晶界：晶粒与晶粒之间的界面。 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。伪无向性：因为在多晶体中各个晶粒的位向紊乱，其各向异性显示不出来，结果使多晶体呈现各向同性。显微组织：在显微镜下观察到的各种晶粒的形状、大小和分布情况。,晶粒,晶界,73,74,晶体中缺陷,75,晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。,76, 点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。,空位间隙原子置换原子,77,a.

14、 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b. 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,78,c. 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称为晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,79,空位和间隙原子引起的晶格畸变,80,81,点缺陷 由原子热运动而产生。空位（热缺陷）：即在一定的温度下,空位有一定的平衡浓度.温度越高,空位浓度越高.,82,（二）线缺陷（位错）,晶体中线缺陷是指各种类型的位错,它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象. 是长度达几百至几万个原子间距,宽约几个原子间距范围

15、内的原子离开其平衡位置.发生了有规律的错排.,83,分为刃型位错，螺旋型位错,84,正刃型 （）刃型位错 负刃型 （T）,刃型位错：象一个刀刃的切入，故称刃型位错,正刃型,负刃型,EF为位错线,85,86,在位错线周围一个有限区域内，原子离开了原来的平衡位置，即产生了晶格畸变。附近存在弹性应力场。对于正刃型 ：上面的原子拥挤，晶格压应力下面的原子稀疏，晶格拉应力,上面的原子拥挤,下面的原子稀疏,87,右旋螺旋位错 左旋,螺旋位错：指晶体中离开平衡位置的原子按螺旋线排列的一种过渡区域,88,89,刃型位错和螺型位错,刃位错的形成,90,位错往往要在表面露头, 可以将它看作是直径为原子尺寸的一根管

16、道, 从体内通到表面。如果是螺位错, 则在表面形成一个小台阶。,91,刃型位错,92,一般退火的多晶体金属中，位错密度为10101012cm-2。经过强烈冷变形的金属，位错密度可增加到10151016cm-2。即在1cm3的金属中，含有千百万公里（Km）长的位错线！,位错密度：,V体积 S该体积中位错线总长度,93,位错是一种极其重要的晶体缺陷.对金属的强度,断裂,塑性变形起决定性的作用.,94,位错的存在，对金属的强度和变形都有重要的影响。如果金属中不含位错，那么它将有极高的强度。目前采用一些特殊方法已能制造出几乎不含位错的结构完整的小晶体直径0.52m，长度2 10m 的铁晶须。其抗拉强度

17、竟高达13400MN/m2，而工业纯铁的抗拉强度低于300MN/m2，相差40倍。如金属中有很高的位错密度、难于变形，强度提高。因此,高的位错密度是金属强化的重要因素之一.,无位错,95,（三）面缺陷：包括：堆垛层错、晶界、亚组织和亚晶界1、堆垛层错简称层错，是在原子的堆积次序中出现了错排。, 抽出型 内禀层错 ABCACABC堆垛层错 插入型层错 ABCBBCABC,高层错能金属：Al、Ni 不易层错低层错能金属 ：黄铜 、不锈钢等 易层错,96,“A”原子缺少3个近邻的原子“B、C、D”原子缺少2个近邻的原子“”原子缺少1个近邻的原子,原子堆积缺陷,E,97,ABCA CABCABC(b)

18、ABCACBCABC(c),B,98,层错,99,原子堆积排列层错层错是堆积中原子排错了一层，错层上原子仍是密排的。密堆原子层的表面能变化不大层错的畸变区约为一个原子的尺度，因此层错的交界区（晶界过渡区）很薄，界面能也较小。因此，在原子密堆积的晶体(如Au)中容易产生层错层错破坏了晶格的长程序，要散射电子。在半导体单晶器件中，层错对器件性能影响很大。,100,A,B,C,A,A,B,A,101,2、晶界 多晶体中，晶粒与晶粒之间由于彼此的位向不同而出现晶界，这是晶体中的重要的面缺陷。晶界层厚度取决于晶粒间的位向差和金属的纯度。位向差1015 大角度晶界 晶界上的原子平均能量高于晶内原子，高出的

19、能量称为晶界能。,温度越高，原子动能愈大，愈有利于晶粒长大和晶界平直化,102,晶界的结构晶界是一个过渡区，是缺陷的密集地区。,103,晶界特性,晶界处的原子排列的不规则性，在常温下，对金属材料的塑性变形会起阻碍作用，在宏观上表现为晶界较晶粒内部具有较高的强度和硬度。高温条件却相反。显然在常温下，晶粒越细，金属材料的强度、硬度也越高。,104,抗腐蚀能力差：由于晶界的能量较高，原子处于不稳定状态，在腐蚀环境中，晶界首先被腐蚀。晶界的熔点低：金属熔化首先从晶界开始。内吸附：某些能降低晶界能的金属元素或非金属元素，将优先富集于晶界层。晶界处的电阻较高。,105,3、亚组织和亚晶界多晶体内的每个晶粒

20、并不是理想的单晶体，每个晶粒又可分为若干个位向差更小的晶块，称为亚晶粒（亚组织）亚组织嵌镶块组织亚组织的细化，可使金属强度提高。,106,1-2 塑性变形的机理,107, 滑移滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。,塑性变形的形式：滑移和孪生。金属常以滑移方式发生塑性变形。,108,1、滑移变形的特点 ： 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力.,109,孪生与滑移比较-立体图,孪生与滑移比较-前视图,110, 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。,

21、沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。,111,一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。,112,结论：面心立方的滑移面共有四组，每组有三个滑移方向有12个滑移系体心立方的滑移面共有6组，每组有2个滑移方向有12个滑移系密排六方滑移面此面包括3个滑移方向故有3个滑移系 面心立方塑性最好，密排六方塑性差。,113,滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。,114,滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍.滑移的结果

22、在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。,铜拉伸试样表面滑移带,115, 滑移的同时伴随着晶体的转动转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。,116,切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动,117,转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶.,当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45角时，,滑移方向上切应力最大，因而最容易发生滑移.滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。,A0,118,自由夹头,夹头受限,119,G剪切弹性模量。泊松比 a滑移平面间的距离。 b沿滑移方向原子间的距离,晶体的滑移是在剪应力作用下，通过滑移面

23、上的位错的运动进行的。使位错在点阵中移动的剪应力即（派纳力）,滑移面的存在，只表明滑移可能性，必须施加外力，而且是剪应力。,120,一个位错移到晶体表面时，便形成一个原子间距的滑移量。同一滑移面上，有大量的位错移到晶体表面时，则形成一条滑移线。,121,122,（二）临界剪应力,临界切应力:晶体的滑移是在切应力作用下产生，要使滑移能够发生，需要沿滑移面的方向上作用有一定大小的切应力，称为临界切应力,123,沿滑移方向剪应力,当=S时，则临界剪应力,滑移时，选择哪一个滑移系，取决于取向因子。,124,当,时,当,时,或者说：当外力与滑移面平行（=90）或垂直（=90）时，则S=，根本无法滑移，这

24、种取向称为硬取向。,125,因此单晶体的滑移变形受力条件：,正应力 与滑移面垂直的应力 只产生弹性变形或断裂。切应力 与滑移面平行的应力 产生塑性变形,126,影响临界剪切力因素： 金属本质：即与金属晶体的原子结构、晶格结构有关。与外力无关。 晶体纯度，纯度越高，c 晶体缺陷：无缺陷的晶体，c很大。少量的位错，可大大降低c。但位错密度增加，c。变形温度 随T，c变形速度 速度、c,127,滑移过程的实质：滑移不是理想完整晶体的刚性滑动。理论计算：理想完整铜晶体：临界切应力c=1500MN/mm2，而实际测得c=0.98MN/mm2。相差1500倍，对这一矛盾现象的研究，导致位错学说的诞生。,1

25、28,晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。,129,130,2、滑移的机理把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。,131,理由： 位错附近，存在很大的应力集中，虽然整个滑移面上切应力较小，但局部区域的应力却有可能达到足以引起晶体的滑移。 当一个位错沿滑移面移过后，便使晶体产生一个原子间距的相对位移。即在晶体表面上留下一个原子间距的滑移台阶。 如果有大量的位错重复按此方式滑过晶体，就在晶体表面形成显微镜下能

26、观察到的滑移痕迹，这就是滑移线的实质。,132,由此可见，晶体的滑移并非滑移面上的全部原子一齐移动，而是像接力赛跑一样，位错中心的原子逐一递进，由一个平衡位置转移到另一个平衡位置。,2008.3.5第5,6学时,133,134,位错增殖：形成一条滑移线常常需要上千个位错，晶体的塑性变形时，产生大量的滑移带就需要为数极多的位错。晶体中有如此大量的位错吗？此外，由于滑移是位错扫过滑移面并移出晶体表面造成的，因此，随着塑性变形的不断进行，晶体中的位错数目应当越来越少，最终导致形成无位错的理想晶体。,135,事实恰恰与此相反，变形后晶体位错的数目不是减少，而是明显增多。一般退火的多晶体金属中，位错密度

27、为10101012cm-2。经过强烈冷变形的金属，位错密度可增加到10151016cm-2。,136,位错源和位错增殖：弗兰克瑞德位错源,位错线在金属晶体中常以立体网络形式存在。在滑移过程中,位错交织在一起的结点,由于其他不在滑移面上的位错线的牵制作用不能运动,起了钉轧作用.只有在滑移面的位错线,在切应力作用下才能运动.但是这个运动由于受到位错线两头结点的钉轧作用,只能使位错线弯曲.,137,弗兰克瑞德位错源,如上图，两个固定结点和它们之间的位错线段，在切应力的作用下，向外扩张,象吹肥皂泡一样位错线各处所受的张力大小都相等,而且方向垂直位错线,因此位错线各段均匀伸长.,138,在外力作用下，D

28、D又开始弯曲并重复上述过程。变成了一个位错线和位错环。每重复一次，就产生一个新的位错环，如此反复不断地进行下去，便在晶体中产生了大量的位错环。原来的位错永远不会消失,所以称为位错源.因此,滑移过程不仅是消耗位错的过程,而且是不断产生新位错的过程,这就是晶体塑性变形的实质.,2009.3.2第5,6学时-06材料,139,为了解释实验与理论值之间的差别，而提出的理论，经进一步的实验所验证。,1）柏氏矢量（ Burgers Vector ）和位错环,在切应力作用下,位错很容易沿滑移面移动.位错区是一个原子由一个平衡位置向另一个平衡位置的过渡区.所谓的位错运动,就代表着这个过渡区中的原子由一个平衡位

29、置向另一个平衡位置逐渐移动的过程.原子移动的方向和大小,可用一个矢量来表示,称为柏氏矢量.,终点指向起点即为柏氏矢量,23 位错理论的基本概念（补充知识）,140,位错模型,141,起点M,终点Q.起点、终点重合,终点指向起点即为柏氏矢量,图中a和c，MNOPQ就是对应绕刃型位错和螺旋型位错的柏氏回路，而图中b和d的MNOPQ就是在完整的晶体中作的相同的回路，这两个回路不闭合，使回路不闭合的QM段就是柏氏矢量。,142,起点M,终点Q.起点、终点重合,终点指向起点即为柏氏矢量,刃型 位错的柏氏矢量QM,螺旋位错的柏氏矢量QM,QM,143,b代表柏氏矢量，代表晶体滑移方向和滑移距离的大小。刃型

30、 位错的特征是柏氏矢量垂直于位错线.螺旋位错的特征是柏氏矢量平行于位错线,柏氏矢量,144,螺旋位错柏氏矢量,145,刃型 位错的特征是柏氏矢量垂直于位错线,146,147,c、混合型位错 螺型 +刃型 位错方向与滑移线方向呈一个夹角,在实际金属中，位错常以曲线或位错环等复杂形式存在。曲线位错：相当于刃型与螺型的混合。,148,混合型位型可分解为刃型和螺型,149,位错的运动机制：位错攀移、位错交割、交滑移、位错塞积、位错增殖,150,正攀移：正刃型位错附加半原子面下端原子迁入空穴，使半原子面上升一原子间距 负攀移：间隙原子或晶格上的原子移入半原子平面下端使原子平面下降一个原子间距,2）位错攀

31、移：,负攀移,正攀移,151,位错攀移,152,3）位错交割：, 两根刃型形成割阶，能继续滑移 刃型与螺型形成刃型割阶，位错线能继续滑移 两螺型产生“钉轧”现象，不能继续滑移,(a),(b) 刃型位错上的弯节；(c),(d)刃型位错和螺型位错上的割节，阴影部分为滑移面,(a),(b),(c),(d),153,两刃型柏氏矢量垂直,双交滑移机制,154,面心立方双交滑移-立体图,面心立方双交滑移-前视图,155,刃型错与螺旋错交割,位错交割-刃型错与刃型错平行,156,4）位错源和位错增殖：弗兰克瑞德位错源,位错线在金属晶体中常以立体网络形式存在。,如图，两个固定结点和它们之间的位错线段，在切应力

32、的作用下，变成了一个位错线和位错环。在外力作用下， DD又开始弯曲并重复上述过程。每重复一次，就产生一个新的位错环，如此反复不断地进行下去，便在晶体中产生了大量的位错环。,弗兰克瑞德位错源,157,5）交滑移：对于螺型位错来说，螺型位错在滑移过程中受阻,能够在与原滑移面相交的滑移面上继续滑移，称交滑移。,1.25%硅铁单晶体抛光表面上的交滑移。,158,面心立方双交滑移-立体图,面心立方双交滑移-前视图,159,6）位错塞积：位错移动中，碰到阻力（晶界、亚晶界、第二相等），停留在晶体内部，由于同号位错之间存在着斥力，此位错之后的一条同号位错也不能移动而堆积起来。,160,161,课堂提问：一、

33、填空1变形一般分为变形和变形两种。2原子呈无序堆积状况的物体叫。原子呈有序有规则排列的物体称为。一般固态金属都属于。在晶体中由一系列原子组成的平面，称为。通3过两个或两个以上原子中心的直线，称为。4常见的金属晶格类型有、和三种。其中塑性最好的是晶格。铬属于晶格，铜属于晶格，锌属于晶格。晶体中的线缺陷是指各种类型的 ；面缺陷有 、 和 。 金属晶体结构的三大缺陷：、。,162,课堂提问：一、填空1变形一般分为变形和变形两种。2原子呈无序堆积状况的物体叫。原子呈有序有规则排列的物体称为。一般固态金属都属于。3 在晶体中由一系列原子组成的平面，称为。通过两个或两个以上原子中心的直线，称为。4常见的金

34、属晶格类型有、和三种。其中塑性最好的是晶格。铬属于晶格，铜属于晶格，锌属于晶格。,163,5体心立方晶体中实际原子数为 ；致密度为、 配位数为。 6 面心立方晶体中实际原子数为 ；致密度为 、 配位数为。 7金属晶体结构的三大缺陷：、。8金属在态下，随温度的改变，由转变为的现象称为同素异构转变。9晶体中，最小的结构单元叫（ ）。 10滑移只能在力的作用下发生。 11滑移不是刚性滑动，是运动的结果。 12滑移系少，则金属的塑性 ，滑移系相同情况下多则塑性好。,164,二、判断（正确打，错误打。下同）1弹性变形能随载荷的去除而消失。（ ）2所有金属材料在拉伸试验时都会出现显著的屈服现象。（ ）3非

35、晶体具有各向同性的特点。（ ）4体心立方晶格的原子位于立方体的八个顶角及立方体六个平面的中心。（ ）5单晶体具有各向异性的特点。（ ）6在任何情况下，铁及其合金都是体心立方晶格。（ ）7一般来说，晶体内滑移面和滑移方向越多，则金属的塑性越好。（ ）,165,二、判断（正确打，错误打。下同）8实际上滑移是借助于位错的移动来实现的，故晶界处滑移阻力最小。（ ）9塑性变形只改变金属的力学性能。（ ）10塑性越好的材料，变形抗力一定就小。（）11滑移系塑性越好，如滑移系相同，塑性也相同（）12刃型位错的特征是柏氏矢量垂直于位错线.（）13螺旋位错的特征是柏氏矢量平行于位错线.（）14随着变形的不断进行

36、，位错越来越少。 （）,166,三选择（把正确答案填入括号内。下同）1Fe是具有（ ）晶格的铁。A体心立方 B. 面心立方 C.密排六方2纯铁在1450时为（ ）晶格，在1000时为（ ）晶格，在600时为（ ）晶格。A.体心立方 B.面心立方 C.密排六方3纯铁在700时称为（ ），在1000时称为（ ），在1500时称为（ ）。AFe B.Fe C.Fe4金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为（ ）A.塑性 B.硬度 C.强度,167,A,B,C,D,下图为立方晶胞A，B为顶点，C，D为棱边中点1.求ACD的晶面指数和AB的晶向指数。2.求阴影面的晶面指数。3.已知晶向指数为110, 画出该

37、晶向。,168,3.画出（112）晶面,169,孪生是指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切变。,（三）、孪生（孪晶）,170,发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。,孪晶组织,孪生示意图,171,孪生与滑移比较-立体图,孪生与滑移比较-前视图,172,面心立方孪生变形,孪生的特点,孪生使一部分晶体发生了均匀的切变，而滑移是不均匀的，只集中在一些滑移面上进行。孪生后晶体变形部分与未变形部分成镜面对称关系，位向发生变化，而滑移后晶体各部分的位向并未改变。孪生比滑移的临界分切应力高得多，因此孪生常萌发与滑移受阻引起的局部应

38、力集中区。,孪生与滑移时晶体取向示意图（a）未变形； （b）滑移； （c）孪生,174,对于密排六方，由于滑移系少，常以孪生方式变形，孪晶面1012孪生方向对于体心立方：如Fe 在受到冲击或低温下发生孪生变形时，产生孪晶，形成的孪晶带很狭长（牛曼带） 孪晶面112孪晶方向面心立方：在低温时（Cu）孪晶面111退火孪晶出现在面心立方结构金属中 Sb、Bi等菱方结构金属几乎全为孪生变形。,175,多晶体的塑性变形,晶内变形：主要方式：滑移，孪生。晶间变形：晶粒之间的相互滑动和转动。,相互滑动,相互转动,图 晶粒的转动,单个晶粒变形与单晶体相似,多晶体变形比单晶体复杂。,176,多晶体的塑性变形特点

39、:各晶粒变形不同时性各晶粒变形的相互协调性多晶体变形不均匀残余应力受晶体大小影响晶体越细，塑性越好,177,各晶粒变形不同时性各晶粒位向不同，软位向先变形通过位错塞积，使硬位向的相邻晶粒B、C参与变形。,178,当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行, 则必须增加外力, 从而使金属的变形抗力提高。,179,各晶粒变形的相互协调性各晶粒变形不是独立，而是相互协调,180,多晶体变形不均匀各晶粒变形量不同。 残余应力,图 多晶体塑性变形的竹节现象,（a）变形前 （b）变形后,图多晶体塑性变形的不均匀性,181,晶界对塑性变形的影响,Cu-4.5Al合金晶界

40、的位错塞积,182,受晶体大小影响晶体越细，塑性越好,晶粒愈细，强度越高,晶粒愈细，塑性越好,183,为什么晶体越细，强度越高，塑性越好？晶粒愈细金属的强度就愈高。因为晶界的总面积多，每个晶粒周围的不同位向的晶粒数也多，因而对塑性变形抗力也就愈大。金属材料的晶粒愈细，不仅强度高，而且塑性和韧性也好。因为晶粒愈细，在单位体积内的晶粒数愈多，金属的总变形量可分散到更多的晶粒中，使变形均匀。另外，晶粒愈细，晶界曲折愈多，可阻碍裂纹的扩展。所以细晶粒的金属材料具有良好的韧性和塑性。,184,三、合金的塑性变形,由于纯金属的强度、硬度等机械性能差，而且价格高，因此，目前机械工业上广泛使用的金属材料是合金

41、。,185,合金钢与碳钢相比：合金钢的淬透性比碳钢好。碳钢的淬透性低，对于直径大的零件，即使水淬也难淬透。因此，在整个截面上的性能分布不均匀，这对于性能要求高的大型构件就限制了碳钢的使用。合金钢的强度比碳钢高，如20钢的强度b410N/mm2，而16Mn仅加入少量的Mn，强度就提高为b520N/mm2。合金钢具有碳钢不能具备的特殊性能，如耐高温、耐腐蚀，高耐磨性等。,186,1、合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质，称为合金。2、组元：组成合金的最基本的独立物质称为组元，简称元。 根据组元数目多少，合金分为二元合金、三元合金和多元合金。由两种组元组成的

42、合金，称为二元合金。,有关概念,187,3、相：在合金中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。 固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性来分，可以分为固溶体（如铁素体、奥氏体）和金属化合物（渗碳体）两类。常见的合金组织有两种：单相固溶体合金（如铁素体、奥氏体）两相或多相合金（如珠光体或铁素体+珠光体）,188,单相固溶体合金的塑性变形根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置，可将固溶体分为置换固溶体与间隙固溶体。1)置换固溶体 是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体。 溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象，称为固溶强化。固溶强化是提高合金机械性能的重要

43、途径之一。,189,2)间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂晶格间隙面形成的固溶体称为间隙固溶体,190,（二）多相固溶体合金的塑性变形多相：基体相+其他相（统称为第二相）,聚合型两相合金,弥散型两相合金,分两大类,并非第二相都能产生强化作用,细小弥散的晶粒，产生明显的强化作用。,191,片状珠光体的强度和硬度，随片间距的减小而升高；塑性、韧性有所改善。,球状珠光体对铁素体变形阻碍明显减小。，强度下降。,聚合型两相合金珠光体由铁素体和渗碳体组成。其性能主要由渗碳体的数量及分布状况来决定。,192,对于过共析钢，随含碳量的增加，脆性的二次渗碳体的数量逐渐增加，并形成网状分布，其脆性增强。当含碳量超过1

44、.0%时，钢变得硬、脆，强度下降。,碳量超过1.0%时，强度开始下降,硬度直线上升,形成网状,结论：对于铁素体基体，含碳量高，那么渗碳体的数量越多，分布越均匀，材料强度就越高。渗碳体的片间距越小，材料强度就越高。,193,已知钢中的铁素体是塑性相，而渗碳体为硬脆相，所以钢的塑性变形基本上是在铁素体中进行，而渗碳体则成为铁素体变形时位错运动的障碍物。 对于亚共析钢和共析钢，当渗碳体以层片状分布于铁素体基体上形成片状珠光体时，铁素体的变形受到阻碍，位错运动被限制在渗碳体层面间的短距离内，使继续变形更为困难。,194,片层间距离越小，变形抗力就越高，但塑性却基本不降低。这是因为粗片状珠光体中渗碳体片

45、厚，容易断裂，而细片状珠光体中渗碳体片薄，碳钢变形时它能承受一定的变形。因此，在冷拉钢丝时，先将钢丝的原材料组织处理成索氏体，然后进行冷拉，这样可提高钢丝原材料的强度，并改善冷拉加工性能。如果珠光体中渗碳体呈球状，则它对铁素体变形的阻碍作用就显著降低，因此片状珠光体经球化处理后，钢的强度下降，而塑性显著提高。在精密冲裁中，对于碳的质量分数大于0.3-0.35的碳钢板二般要预先进行球化处理，以获得球状渗碳体，提高精冲效果。,195,弥散型两相合金，细小弥散的晶粒，产生明显的强化作用。分为两种：沉淀强化或时效强化：第二相微粒是通过对过饱和固溶体的时效而沉淀析出并产生强化。沉淀强化的第二相微粒大多属

46、于可变形的。,196,197,弥散强化：第二相是通过粉末冶金方法加入而引起强化。弥散强化的第二相微粒属于不可变形的。,198,不可变形微粒对位错的阻碍作用如图17所示。当移动的位错与不可变形微粒相遇时，将受到粒子的阻挡，使位错线绕着它发生弯曲,随着外加应力的增大，位错线弯曲加剧，以致围绕着粒子的位错线左右两边相遇。于是，正负号位错彼此抵消，形成一个包围着粒子的位错环，而位错线的其余部分则越过粒子继续向前移动。显然位错线按这种方式移动时受到的阻力是很大的，而且每个位错经过微粒时都要留下一个位错环。相当于的减小 .,199,公式表明，的减小势必增大位错通过粒子的阻力，也即需要更大的外力。再者，堆集

47、起来的绕粒子的位错环对位错源和运动的位错又有相互作用，会抑制位错源的继续开动和阻止其他位错的运动，从而进一步增大强化作用。,200,当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变，因而阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。,颗粒钉扎作用的电镜照片,201,202,二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响,1纤维组织：多晶体经变形后，各晶粒沿变形方向伸长，当变形程度很大时，多晶体晶粒显著地沿同一方向拉长呈纤维状。,各向异性,各向同性,203,设计时，应注意：必须考虑纤维织织的方向，

48、使零件工作时正应力方向与纤维织织方向重合，切应力方向与纤维织织方向垂直。,纤维方向：,204,2变形织构：当变形程度很大时，各个晶粒的位向逐渐趋于一致，这种组织结构称为变形织构。 丝织构：在拉拔时形成。特征是各晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行。板织构：在轧制是形成。特征是晶粒的某一晶面平行于轧制方面，而某一晶向平行于轧制方向。,晶面平行于轧制方面，而某一晶向平行于轧制方向,205,变形织构在性能上出现各向异性。不利现象制耳现象：用有织构的板材冲压杯状零件时，将会因各个方向变形能力的不同，使冲压出来的工件边缘不齐，壁厚不均，即产生所谓的“制耳”现象。,产生制耳,206,轧制铝板的“制耳”现

49、象,207,变形织构的有利一面： 变压器用铁芯的硅钢片，沿方向最易磁化，因此，当采用具有这种织构的硅钢片制作电机，将可以减少铁损，提高设备效率，并节约钢材。因此具有优良的电磁性能，铁损低，磁感应强度高，,208,209,3变形亚晶粒：可细化亚组织，亚组织的细化，可使金属强度提高,210,加工硬化,现象:如果使铁丝反复弯曲，就会发现，要使其变形会一次比一次更费劲。这说明金属材料对塑性变形的抗力越来越大。概念：随着冷变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，塑性下降的现象称加工硬化或形变强化。,4.塑性变形对金属性能的影响,211,原因：随着变形的发生，不仅晶粒外形发生变化，而且晶粒内部也发生变化。在

50、晶粒内先出现明显的滑移线和滑移带。随着变形量的增加，位错密度增加，晶粒破碎成亚晶粒。晶格产生严重畸变，使金属进一步滑移的阻力增大。,加工硬化产生原因,4.塑性变形对金属性能的影响,212,加工硬化是强化金属的一种重要手段之一。举例说明：例1，经冷轧后的带钢或冷拉后的钢丝，其抗拉强度可达18002000N/mm2。这对纯金属和不能热处理强化的金属材料来说，具有十分重要的意义。例2：自行车链条的链板，材料为16Mn，原来的硬度为160HB，抗拉强度为520MPa，经过五次轧制，使钢板的厚度由3.5mm压缩到1.2mm，硬度提高到275HB，抗拉强接近1000MPa。,加工硬化意义,213,对于不能