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1、1,本章知识结构,金属的变形特性,晶体的塑性变形,组织与性能的变化,多晶体的塑性变形,单晶体的塑性变形,合金的塑性变形,2,弹性变形,材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。,弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子间距就偏离了平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶体材料反映为晶格发生了伸长(缩短)或歪扭。原子的相邻关系还未发生改变，故外力去除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。,3,定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到完全的恢复，而具有
2、残留变形或永久变形。塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸长率(%)或断面减缩率(%)表示。实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。,塑性变形,4,6.2 单晶体的塑性变形,常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生。,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。,（1）滑移,5,滑移系,晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面上一定的晶体学方向进行，将其称为滑移面和滑移方向。,滑移面和滑移方向往往是晶体中原子最
3、密排的晶面和晶向。每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个滑移系。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）。,6,面心立方晶体中的滑移系,滑移面为111 滑移方向为 滑移系共有 4312个,7,bcc晶体112 和123面的滑移系,体心立方晶体中的滑移系,低温时滑移面为112，中温时多为110，而高温时多为123 滑移方向为 滑移系为11062+112121+123241，其滑移系可能有12-48个。,8,密排六方晶体中的滑移系,密排六方晶体中，滑移方向一般都是当c/a接近或大于1.633时，0001为最密排面，滑移系即为0001，共有三个当c/a小于1.633时，00
4、01不再是密排面，滑移面将变为柱面1010或斜面1011，滑移系分别为三个和六个。,9,滑移的临界分切应力,滑移过程开始时的分切应力就称为临界分切应力。,假设其横截面积为A，为滑移面法线与中心轴线夹角，为滑移方向与外力F夹角。,sscoscos,s称为临界分切应力。coscos称为取向因子或schmid因子。软取向 硬取向,10,滑移时晶面的转动,11,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。,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。,12,多滑移,滑移过程沿两个以上滑移系同时或交替进行，
5、这种滑移过程就称为称多滑移。,13,交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到与原滑移面平行的平面滑移。,交滑移,14,单滑移：单一方向的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带；交滑移：波纹状的滑移带。,滑移的表面痕迹,15,位错的易动性 原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。,（6）滑移的位错机制,16,弗兰克-瑞德源,17,（2）孪生,孪生是晶体塑性变形的另一种常见方式，是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分发生均匀切变的过程。,a.变形前 b.滑
6、移 c.孪生晶体滑移和孪生变形后的结构与外形变化示意图,18,(a)孪晶面与孪生方向(b)孪生变形时晶面移动情况面心立方晶体孪生变形示意图,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。,19,孪生的与滑移的比较,20,知识结构,形变的基本概念,晶体的塑性变形,组织与性能的变化,回复与再结晶,多晶体的塑性变形,单晶体的塑性变形,合金的塑性变形,动态回复与动态再结晶,21,多晶体与单晶体的区别,晶粒间存在晶界晶粒的位向不同,22,6.3 多晶体的塑性变形,单个晶粒变形与单晶体相似,多晶体变形比单晶体复杂。,锌的的应力应变曲线,23,（1）多晶体
7、变形的特点,24,每一晶粒的取向“软”和“硬”不同，形变先后及形变量也不同。,为保持整体的连续性，每个晶粒的形变必受相邻晶粒所制约。,相邻晶粒的协调性,25,由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。,26,基本规律：(1)跨过晶界的延伸率变化是连续的；(2)靠近晶界处的延伸率较小；(3)细晶粒形变较均匀且强度高；相反，大晶粒形变不均匀，强度低。,27,晶界的影响,对只有两个晶粒的双晶试样拉伸结果表明，室温下拉
8、伸变形后，呈现竹节状。说明室温变形时晶界具有明显强化作用。,双晶拉伸实验,28,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。,29,晶界对塑性变形的影响,Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积,30,晶粒大小对塑性变形的影响,实验表明，多晶体的强度随其晶粒的细化而增加。Hall-Patch关系：,屈服强度与晶粒尺寸的关系图,31,多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到
9、另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。,（2）多晶体金属的塑性变形过程,32,晶粒之间变形的传播 位错在晶界塞积 应力集中 相邻晶粒位错源开动 相邻晶粒变形 塑变 晶粒之间变形的协调性（a）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。（b）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）（c）条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变化）,33,晶界对变形的阻碍作用（a）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。（b）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。,34,晶粒大小与金属强度关系,（c）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
10、佩奇公式)s=0+kd-1/2 原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力(位错塞积与交割)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。,35,金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变,形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。,36,通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、
11、塑性和韧性的方法称细晶强化。,37,等强温度示意图,当温度升高时，随着原子活动性的加强，晶界也变得逐渐不稳定，这将导致其强化效果逐渐减弱，甚至出现晶界弱化的现象。当温度低于等强温度时，晶界强度高于晶内强度，反之则晶界强度小于晶内强度。,等强温度,38,本节要点,概念：多滑移、交滑移、孪生、孪晶、细晶强化、等强温度多晶体变形的特点细晶强化的机制（强度、塑性、韧性）Hall-Petch公式,下节内容：合金的塑性变形,39,例1：若单晶铜的表面恰好为100晶面，假设晶体可以在各个滑移系上滑移，试讨论表面上可能看到的滑移线的形貌（滑移线的方位和他们之间的夹角）。若单晶体表面为111面呢？,解：铜晶体为
12、面心立方点阵，其滑移系为111。若铜单晶体的表面为100晶面，当塑性变形时，晶体表面出现的滑移线应是111与100的交线，即在晶体表面上见到的滑移线是相互平行的，或者互相成90夹角。当铜单晶的外表面为111晶面时，表面出现的滑移线为，它们要么相互平行，要么相互交角为60。,讨论：在讨论晶体表面滑移线形貌时，只要考虑晶体的滑移面与表面的交线形貌就可以。,40,例2：铝单晶体在室温时的临界分切应力为7.9105Pa，若室温下对铝单晶试样作拉伸实验时，拉力轴为123方向，可能开动的滑移系为(111)101，求引起试样屈服所需要加的力。,解：铝晶体为面心立方点阵，其滑移系为111，单晶体拉伸时：,ss
13、coscos,已知：s 7.9105Pa，拉力轴为123方向，开动的滑移系为(111)101，则,为拉力轴123与(111)晶面的法线(111)之间的夹角，为123与101之间的夹角，故,41,讨论：由schmid定律可知，外力在滑移方向上的分切应力为,coscos，当达到临界值时，宏观上金属开始屈服。此时，=s。,42,例3：沿密排六方单晶体的0001方向分别加拉伸力和压缩力。说明在这两种情况下，形变的可能性及形变所采取的主要形式。,解：排六方金属的滑移面为（0001），而0001方向的力在滑移面上的分切应力为零，故单晶体不能滑移。拉伸时，单晶体可能产生的形变是弹性形变或随后的脆断；压缩时，
14、在弹性形变后可能有孪生。,讨论：晶体受到外力作用时，不论外力方向、大小和作用方式如何，均可将其分解成垂直某一晶面的正应力与沿此晶面的切应力。只有外力引起的作用于滑移面上、沿滑移方向的分切应力达到某一临界值时，才会产生滑移；而正应力只能引起弹性变形，甚至断裂。,43,例4：某面心立方晶体的可动滑移系为（111）110。（1）指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量；（2）如果滑移是由纯刃型位错引起的，指出位错线的方向；（3）如果滑移是由纯螺型位错引起的，指出位错线的方向；（4）指出在(2)(3)两种情况下滑移时位错线的移动方向；（5）假定在该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试计算单位刃型位错和
15、螺型位错线受力的大小和方向。（点阵常数a=0.2nm）,解（1）引起滑移的单位位错的柏氏矢量b=a110/2，即沿滑移方向上相邻两个原子间的连线所表示的矢量。,（2）位错线位于滑移面上，设位错线的方向为uvw，则有u+v-w=0；位错线与b垂直，则有-u+v=0。由上两式得：,44,u:v:w=1:1:2，所以位错线方向为112。（3）位错线位于滑移面上，且平行于b，所以位错线的方向为110。,（4）在（2）时，位错线运动方向平行于b；在（3）时，位错线运动方向垂直于b。,（5）在外加切应力作用下，位错线单位长度上所受的力的大小 F=b，方向与位错线垂直。,45,变形：物体在外力的作用下，其形
16、状和尺寸的改变。应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。可分为正应力和切应力。应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。可分为正应变和切应变。弹性变形：材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状。塑性变形：材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。,46,滑移：滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生的相对滑动，并且不破坏原子间排列规律。,滑移面：滑移发生的晶面，通常为晶体的最密排晶面；滑移方向：滑移滑动的方向，通常为晶体的最密排方向；滑移系：由一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成。,临界分切应力：滑移过程开始的分切应力。,sscoscos,
