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1、1,第6章 金属及合金的塑性变形,2,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,3,6.1 金属的变形特性,纳米铜的室温超塑性,4,5,作用在机件上的外力载荷,F=F,（MPa）,外力 内力 应力,静载荷,动载荷,=F/S,6,拉伸实验,k,b,b 极限载荷点,F,e,e 弹性极限点,s,S 屈服点,K 断裂点,拉伸曲线,F,F,L,缩颈,o,7,强度,当材料单位面积上所受的应力es时，材料将产生明显的塑性变形。,材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。,（a）屈服强度（S）,指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力
2、。,S=Fs/S0（MPa）,它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。,8,b=Fb/S0（MPa）,（b）抗拉强度（b）,抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。,它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。,抗拉强度 是脆性材料选材的依据。,b,F,o,9,常用 和 作为衡量塑性的指标。,伸长率：,断面收缩率:,F,F,L,良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。,10,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。,（1）两种基本变形,特点变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢复，变形消失。在弹性变形范围内，应力与应变之间
3、保持单值线性函数关系。材料的最大弹性变形量随材料的不同而不同。,11,在弹性变形范围内，应力与应变服从虎克定律。,式中，、分别为正应力和切应力，、分别为正应变和切应变；比例系数E称为弹性模量（杨氏模量），G称为切变模量，它反映材料对弹性变形的抗力，代表材料的“刚度”。,弹性模量,o,e,12,弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小。在给定应力下，弹性模量大的材料只发生很小的弹性应变，而弹性模量小的材料则发生比较大的弹性应变。结合能是影响弹性模量的主要因素，结合键之间的结合键能越大，则弹性模量越大，结
4、合键能与弹性模量之间有很好的对应关系。,13,金刚石具有最高的弹性模量，E1000GPa工程陶瓷如碳化物、氮化物、氧化物等结合键能也比较高，它们的弹性模量为250600GPa 金属键结合的金属材料弹性模量要抵一些，常用金属材料的弹性模量约为70350GPa聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为0.73.5GPa,14,弹性变形的本质,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。,15,定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力大
5、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,16,塑性变形过程屈服,屈服：材料开始发生塑性变形。,屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形，这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿状的平台。这是部分材料所具有的特征。,思考：为什么会出现屈服现象？,17,塑性变形过程屈服,屈服强度：表示材料对开
6、始发生微量塑性变形的抗力，也称为屈服极限，用s表示。对具有屈服现象的材料用屈服现象发生时对应的应力表示；对屈服现象不明显的材料，则以所产生的塑性应变变0.2%时的应力值表示。,18,塑性变形过程均匀变形,均匀变形：在屈服后的变形阶段，试样整体进行均匀的塑性变形。如果不再增加外力，材料的变形将不能继续下去。原因：维持材料均匀变形的原因是材料发生了加工硬化。已经发生变形处的强度提高，进一步变形困难，即变形要在更大的应力作用下才能进行。下一步的变形发生在未变形或变形相对较小的位置，达到同样变形后，在更大的应力作用下发生变形。,19,塑性变形过程颈缩,颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形，产生了颈缩，
7、即塑性变形集中在一局部区域进行。特点：颈缩发生后，宏观表现为外力在下降，工程应力在减小，但颈缩区的材料承受的真实应力依然在上升。,20,塑性变形过程颈缩,开始发生颈缩时对应的工程应力b，这时试样出现失稳，颈缩真实应力依然在上升，但能承受的总外力在下降。,21,塑性变形过程断裂,韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂叫“韧性断裂”。在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。,断裂：变形量大至K点，试样发生断裂。实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力，原子间的结合破坏而分离。,22,塑性变形过程断裂,脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口常具有
8、闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂”。脆性断裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂”，断口凹凸不平；脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为“穿晶断裂”，断口比较平坦。,沿晶脆性断口,23,塑性变形的方式,材料在外力作用下发生塑性变形，依材料的性质、外界环境和受力方式不同，进行塑性变形的方式也不相同，通常发生塑性变形的方式有：滑移、孪生、蠕变、流动。其中滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。而非晶体材料原子为无规则堆积，像液体一样只能以流动方式来进行，衡量变形的难易程度的参数为粘度。在重力作用下能发生流动的为液体，可以维持自己形状的为固体。,24,6.2 单晶体的塑性变形,常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭
9、折。,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,25,（1）滑移线和滑移带,滑移带形成示意图,滑移变形的不均匀性：在滑移线内部以及滑移带之间的晶面都没有发生明显的滑移。,工业纯铜中的滑移线,26,（2）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）。,27,面心立方晶体中
10、的滑移系,滑移面为111 滑移方向为 滑移系共有 4312个,28,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。,29,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，0001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。,30,31,32,滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越
11、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。,33,（3）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。,外力F在滑移方向上的分力为,而滑移面的面积则为A/cos,Fcos,在滑移方向上的分切应力为：,34,当分切应力达到临界值时，晶面间的滑移开始，这也与宏观上的屈服相对应，因此这时F/A应当等于s，即：,式中，s称为临界分切应力，是一个与材料本性以及试验温度、加载速度等相关的量，与加载方向等无关，可通过实验测得。coscos称为
12、取向因子或schmid因子，因为取向因子coscos大则材料在较小s作用下即可达到临界分切应力s，从而发生滑移，因此被称为软取向，反之则称为硬取向。,sscoscos,35,一些金属晶体的临界分切应力值,36,（4）滑移时晶面的转动,37,38,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。,39,（5）多滑移,滑移过程沿两个以上滑移系同时或交替进行，这种滑移过程就称为称多滑移。,40,对所有的111面，角是相同的，为54.7。对101、101、011和
13、011方向，角也是相同的，为45。锥体底面上的两个方向和001垂直。因此，锥体上有42个滑移系具有相同的施密特因子，当达到临界切应力时可同时开动。,图fcc晶体中多滑移,41,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,42,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,43,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,44,滑移面,滑移台阶,45,刃型位错 当位错运动到晶体表面时，整个
14、上半部晶体相对下半部移动了一个柏氏矢量晶体表面产生了高度为b的台阶。,刃型位错滑移导致晶体塑性变形的过程,46,螺型位错,沿滑移面运动时，在切应力作用下，螺型位错使晶体右半部沿滑移面上下相对低移动了一个原子间距。,螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程,47,螺型位错的移动方向与b垂直。此外因螺型位错b 与平行，故通过位错线并包含b的随所有晶面都可能成为它的滑移面。,48,位错密度是指单位体积内位错线的总长度。其表达式为,式中：是体位错密度；L是位错线的总长度；V是晶体的体积。,位错的增殖,49,经常用穿过单位面积的位错数目来表示位错密度。式中：是穿过截面的位错数；是截面面积。位错密度的单位是cm
15、-2。,50,金属的位错密度为1041012/cm2位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。,51,弗兰克-瑞德源,52,Si单晶中的F-R源，位错线以Cu沉淀缀饰后，以红外显微镜观察,53,（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,54,面心立方晶体孪晶的高分辨率电镜照片,55,(a)孪晶面与孪生方向(b)孪生变
16、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。,孪生的形成过程,56,(1)孪生是在应力集中的局部区突然萌生，萌发于局部应力高度集中的地方。(2)孪生所需的切应力比滑移所需的要大10100倍。(3)孪生形核难，长大快，通常以猝发的方式形成并使应力-应变曲线上呈现锯齿状。,铜单晶在4.2K的拉伸曲线,孪生变形的特点,57,孪生的形成,形变孪晶：在形变过程中形成的孪晶组织，在金相形貌上一般呈现透镜片状，多数发源于晶界，终止于晶内，又称机械孪晶。退火孪晶：变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织，退火孪晶的
17、形貌与形变孪晶有较大区别，一般孪晶界面平直，且孪晶片较厚。,锌晶体中的形变孪晶,孪生形变总是萌发于局部应力高度集中的地方（在多晶体中往往是晶界），其所需要的临界分切应力远大于滑移变形所需临界分切应力。,铜晶体中的退火孪晶组织,58,孪生的与滑移的比较,59,本节要点,概念：滑移、滑移系、临界分切应力、取向因子 多滑移、交滑移、孪生FCC和BCC晶体中的滑移系滑移系开动的条件（临界分切应力）滑移与孪生的比较,下节内容：多晶体的塑性变形,60,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。,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。,
