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1、第四章 金属材料的塑性变形,单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 变形后金属的回复与再结晶金属的热塑性变形,第一节 概 述,一、变形过程中的几个概念,变形：物体在外力作用下，形状或尺寸发生变化的行为。应力：物体内部任一截面单位面积上的所受的作用力。=F/A 同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，正应力通常 引起材料的断裂。同截面相切的称为“剪应力”或“切应力”，切应力通常引起 材料的变形。应变：物体发生变形的长度除以原始长度。=l/l04.塑性变形：材料在外力作用下，发生的永久变形。,二、变形宏观过程,在应力低于弹性极限e时，材料发生的变形为弹性变形；应力在e到b之间将发生的变形为均匀塑性变
2、形；在b之后将发生颈缩；在K点发生断裂。,弹性变形,特点：服从虎克定律，及应力与 应变成正比,=E,实质：弹性变形的实质是：在应力的作用下，材料内部的原子偏离了平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶格发生了伸长(缩短)或歪扭。原子的相邻关系未发生改变，故外力去除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。,三、塑性变形,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，而具有残留变形或永久变形。,塑性变形定义,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
3、位置，物体将留下永久变形。,四、塑性变形的方式,材料在外力作用下发生塑性变形的方式有：滑移、（孪生、蠕变、流动）。,滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。而流动是非晶体材料变形基本方式。,第二节 单晶体的滑移,一、滑移概念,滑移：是指当应力超过材料的弹性极限后，晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）相对于另一部分发生整体滑动的现象。,滑移面：滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排晶面；如：fcc 111,bcc110,hcp 001 滑移方向：滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最密排方向；如，fcc,bcc 滑移系：一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑移系。滑移
4、系愈多，塑性变形能力愈大。滑移带：大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出现滑移台阶，这些滑移台阶称为滑移带。,二、滑移面、滑移方向与滑移系,体心立方中原子排列,面心立方中原子排列,三、滑移与晶体结构的关系,FCC,四、滑移与切应力关系,（1）当一个晶体受到一外力F作用，在某一晶面上可分解为正应力和切应力。正应力是应力的垂直分量，它直接引起晶体的断裂。切应力是平行分量，引起晶体的滑移，所以晶体的滑移是由切应力引起的。（2）临界切应力：对于某一特定的滑移面，只有当切应力分量达到某一临界应力时，晶体才发生滑移。临界切应力与位向有关。单晶体具有各向异性。,滑移方向上的分切应力为：,五、滑移
5、与位错的关系,位错是晶体中的一种线缺陷，滑移是通过位错在滑移面的运动来实现的，这是因为通过位错运动实现滑移所需要的切应力最小。如下图所示，当滑移面上存在一个刃位错，在切应力的作用下，上部分晶体相对于下部分晶体作整体运动。实际过程是：滑移是通过位错“一步一步”向右移动。因为在这种情况下，每一步滑移面上的原子仅作少许移动，因此所需的切应力最小。滑移的结果是在晶体外表面产生一个原子间距的台阶。若在滑移面上存在大量位错，则在晶体表面产生客观滑移带。,第三节 多晶体的塑性变形,二、多晶体的塑性变形协调性,多晶体是由众多取向不一的单晶体组成。在某一单向外力作用下各晶体的滑移面上的分切应力不同，只有一些达到
6、临界切应力的滑移系才发生滑移。由于晶体之间的相互制约，首先滑移的晶体会引起自身或相邻晶体的转动，从而使原来启动的滑移系偏离最大切应力方向，而停止滑移。另一些原来不能启动的滑移系开动，进而使整个晶体的塑性变形协调发展。,一、多晶体是各向同性,三、晶界对滑移的影响,在单晶体中的滑移是依靠位错运动来实现的。对于多晶体同样是依靠位错运动来完成塑性变形。若运动中的位错遇到晶界，位错就不能继续运动，而是在晶界处塞积，要使位错越过晶界继续运动，需要增加切应力，所以晶界对滑移有阻碍作用。从宏观上看，晶界可提高晶体的强度，晶体大小与强度存在著名的 Hall-patch（霍尔-佩奇）关系：s=0+Kd-1/2(d
7、为晶粒直径)晶体愈细小，晶界愈多，多晶体的强度愈高。,第四节 塑性变形对组织、性能的影响,一、对组织结构的影响,1、组织纤维化（晶粒变形）：随着塑性变形量增大，原来的等轴晶相应地被拉长或压扁，形成长条状或纤维状，使材料产生各向异性。,2、亚晶粒的增多：塑性变形伴随着大量位错产生，由于位错运动和相互间交互作用，并使晶粒“碎化”成许多位向略有差异的亚晶块（或称亚晶粒）。亚晶界是由位错堆积而成的。,3、产生织构：金属中的晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个晶粒是各向异性的，宏观性能表现出各向同性。当金属经受大量(70%以上)的一定方向的变形之后,由于晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致，形成了“择优
8、取向”，即某一晶面（晶向）在某个方向出现的几率明显高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构，它使金属材料表现出明显的各向异性。,二、对性能的影响,1、引起加工硬化：随塑性变形量增加，金属强度、硬度会升高，而塑性、韧性会降低，这种现象称为加工硬化。（折铁丝是一实例）产生加工硬化的原因：变形产生位错，随着变形量增加，位错密度增高，位错发生缠结和在晶界上塞积，导致位错运动困难，从而引起加工硬化。加工硬化的作用：强化材料的一种手段保持材料均匀形变,拉伸曲线中的加工硬化,2、产生残余内应力：由于金属在外力作用下内部形变不均匀，引起内应力。,晶体材料中存在三类内应力：（1）第一类内应力：
9、由于材料表层和心部变形不均匀或这一部分和另一部分变形不均匀，造成平衡于它们之间的宏观内应力，称为第一类内应力。（2）第二类内应力：由于相邻晶粒取向不同引起变形不均匀，或晶内不同部位变形不均匀，会造成微观内应力，通常称为第二类内应力。（3）第三类内应力：由于位错等缺陷的增加，会造成晶格畸变，通常也称为第三类内应力。,其中，第三类内应力占绝大部分，这是使变形金属强化的主要原因。第一、二类内应力占的比例不大，内应力太高，会引起材料破坏。所以一般都要用退火的办法尽量将内应力消除。,第五节 变形后金属的加热变化(回复与再结晶),引言,金属塑性变形后，出现晶粒拉长，位错增多，内应力升高等现象，他们会引起材
10、料体系能量提高，处于一个高能亚稳态，有向低能态转变的倾向。在加热过程中，形变了的材料会发生回复、再结晶和晶粒长大三个过程，如右图所示。,回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。相应地,材料的结构和性能也发生对应变化。,一、回复,1、回复概念,经冷加工的材料在小于0.4Tm（以K表示）以下的温度保温，这时材料发生点缺陷消失，位错重排，内应力下降的过程为回复。,2、回复引起材料组织和性能变化,l宏观应力（第一类应力）基本消除，但微观应力（第二、第三类）仍然残存。l 力学性质，强度没有明显变化。,二、再结晶,1再结晶概念,当加热温度达到0.4Tm以上，晶粒形状开始发生变化，在亚晶
11、界或晶界处形成了新的结晶核心，并不断以等轴晶形式生长，取代被拉长及破碎的旧晶粒，这一过程称为再结晶。如右图所示。,2、再结晶引起的组织和性能变化,l位错大量消失。l新晶粒形核和长大，替代旧晶粒。l强度和硬度明显下降，塑韧性提高，加工硬化现象消除。,再结晶过程,再结晶特点,1）再结晶不是一个相变过程。因为在结晶前后的结构和成分没有明显变化。它只是一个形态上的变化。（物理过程）。2）再结晶没有一个确定的温度，当T0.4Tm即可发生再结晶过程。,三、晶粒长大,1长大驱动力,再结晶完成后，金属获得均匀细小的晶粒，但有长大的趋势，因为长大有利于减少界面，降低界面能。这种自由能的降低即为晶粒长大的驱动力。
12、,2正常长大和非正常长大,正常长大：再结晶晶粒均匀长大。方式：相互兼并，组织均匀。非正常长大：一些晶粒迅速长大，并吞并临近小晶粒，造成组织不均匀。,3再结晶晶粒大小的影响因素,（1）加热温度和时间：温度高，时间长，晶粒愈大。（2）原始形变量：形变量愈大，晶粒愈大，但形变量有一个临界值，当超过这一值后，由于再结晶核心增多，相反引起晶粒细化。,第六节 金属的热塑性变形（热加工）,一、热加工与冷加工区别,1、概念 冷加工：在再结晶温度以下进行塑性变形 热加工：在再结晶温度以上进行塑性变形,2、区别 冷加工：加工硬化，晶粒变形 热加工：加工硬化和再结晶过程同时发生，加工硬化消失,3、为什么进行热加工
13、金属材料的强度和硬度会随温度的上升而下降，塑性会随温度的升高而升高，因此在较高的温度下进行塑性变形，材料的抗力小，易成型。,二、热加工对材料组织性能的影响,1、提高致密度：热加工可使铸件的缩松和气泡焊合，提高材料的致密度，提高材料性能。,3、形成合理的纤维组织：各种可变形的夹杂物会沿形变方向拉长，呈流线分布，从而造成各向异性。在流线方向，性能较好，而在垂直于流线方向上性能相对较差（见图621）。,2、细化晶粒：热加工可以打碎铸件粗大的枝晶和柱状晶，细化晶粒尺寸。,三、强化金属的基本原理和方法,一、基本原理由于塑性变形的本质是位错的滑移。因此，提高强度就是设法阻止位错运动。主要有以下几种途径：,1、细晶强化 细化晶粒 依靠晶界阻止位错运动。晶粒愈小，强度愈高。s=0+Kd-1/2(Hall-patch 关系式),2、固溶强化 形成固溶体 由于溶质原子与溶剂原子在尺寸和性质上的不同，固溶原子引起晶格畸变，产生应力场阻止位错运动。,4、弥散强化在基体中形成弥散分布的第二相质点，阻碍位错运动。有时称为沉淀强化。第二相：固溶析出相 复合材料中的添加物,3、加工硬化进行冷加工，使材料位错密度增加，发生缠结，阻碍位错运动。,
