塑性变形
第2章 塑性变形与断裂
z
这里,F是载荷,A0是试样初始的横截面面 积。这个应力也是在近似应力-应变曲线中使 用的名义应力的定义。然而,因为在剧烈塑性 变形以后真实面积A可以只是A0的一部分,必 须采用正确的定义来计算真实应力。 σ =F/A (4.13)
[Physical Metallurgy]
二、流变应力
1、流变应力(屈服强度)
[Physical Metallurgy]
τ
(2) 临界分切应力的概念可借助于图4.3 来阐明
z
若一个载面为A的圆柱体形晶体受到轴向力F的作 用,则只是这个力沿滑移方向的分力在推动位错中才是 有效的。这一分力为FCOSλ,若将此力除以滑移面的 面积A/cos Ф ,即得到相应的切应力,因而 τ = F/AcosλcosФ=σcosλsinx 式中 σ=F/A 是拉应力 x=90°-Ф 在某一指定金属中,当τ到一定的临界值τ。时 ,产生 变形。
z
应力与塑性应变关系中一个显著的特征是低于某 一应力(流变应力S0 )时基本上不产生塑性应变。因 此对于弹性应变,应力应变关系可用式ε=σ/E来表 示,ε为沿着应力作用方向的正应变。然而,对于塑 性应变,则需用两个等式,例如: 对于σ<S0,ε=0 于σ>S0,ε=f(σ)
[Physical Metallurgy]
S 的临界值。
[Physical Metallurgy]
−
(3)用拉伸试验容易确定S0值的大小。拉伸实 验时的应力状态为:S1 = σ 1 ,S2 = S3 = 0 ,代入式 (4.15),则变为
(2)塑性变形 若圆棒由始长l0均匀地塑性变形到长度l,其真实 应变ε为:
ε =
∫ dε = ∫
l
l0
l dl l = [ln l ]l 0 = ln l0 l
塑性变形名词解释
塑性变形名词解释塑性变形是指物质在受外力作用下发生不可逆的形变现象,其过程中原子或分子之间的排列和结构发生变化。
与弹性变形不同,塑性变形一旦发生,物质会永久性地保留其新的形状,无法恢复到原来的状态。
塑性变形广泛应用于材料科学、工程设计和制造等领域。
塑性变形的机制主要包括滑移、位错、扩散和相变等。
滑移是指晶格中的层状或面状结构在外力作用下沿着特定的晶面滑动,使晶体形成一种新的排列方式。
位错是晶格中原子位置的不连续和错位,是塑性变形的主要因素。
位错可以通过滑移、扩散或界面运动等方式发生移动,从而导致物质发生形变。
扩散是指物质中原子、离子或分子在固态中的移动,可以促使位错发生移动并引起塑性变形。
相变是一种物质由一个物态转变为另一个物态的过程,通过控制相变条件,可以实现塑性变形。
塑性变形对于材料的物理性质和力学性能具有重要影响。
塑性变形可以提高材料的延展性和塑性,降低其脆性和硬度,使其更适合于各种加工工艺。
塑性变形还可以改善材料的强度、硬度和韧性等机械性能,使之更适合于工程设计和制造。
此外,塑性变形还可以提高材料的导电性、导热性和耐腐蚀性等物理性质,扩大其应用领域。
塑性变形可以通过多种方式实现,包括热变形、冷变形、压力变形和拉力变形等。
热变形是在高温下进行的塑性变形,利用高温使材料的形变性能得以改善。
冷变形是在室温下进行的塑性变形,适用于各种类型的材料加工。
压力变形是通过在材料表面施加压力,使材料在局部区域内发生塑性变形。
拉力变形是通过对材料施加拉力,使其在延伸方向上发生塑性变形。
总之,塑性变形是物质在外力作用下发生不可逆形变的过程,其机制包括滑移、位错、扩散和相变等。
塑性变形对于材料的物理性质和力学性能具有重要影响,可以改善材料的延展性、韧性和均匀性,使之适应不同的工程需求。
塑性变形可以通过热变形、冷变形、压力变形和拉力变形等方式实现,广泛应用于材料科学、工程设计和制造等领域。
材料力学性能-第一章-塑性变形(1)
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
滑移面-原子最密排的晶面 滑 移
滑移方向-原子最密排方向 系
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四 <110>
(111)
体心立方
面心立方
密排六方
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
例如,温度升高时,bcc金属可能沿{112}及 {123}滑移,这是由于高指数晶面上的位错源容 易被激活。轴比为1.587的钛(hcp)中含有氧和氮 等杂质时,若氧含量为0.1%,滑移面为(1010), 当氧含量为0.01%时,滑移面变为(0001)。由于 hcp金属只有三个滑移系,所以其塑性较差,并 且这类金属塑性变形程度与外加应力方向有很大 关系。
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四 τ
图1-15 晶体中通 过位错运动造成 滑移的示意图
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
位错运动过程中滑移面上原子位移情况如
图1-16所示。当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,而且它们
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四 滑移变形的特点: 滑移只能在切应力作用下发生,产生 滑移的最小切应力称为临界切应力;
滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面 和晶向发生,这是因为原子密度最大的 晶面和晶向之间的间距最大,原子结合 力最弱,产生滑移所需切应力最小。
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
为了降低两个不全位错间
第05章_塑性变形分析
方向:垂直于位错线,指向位错运动方向。
性质:组态力,并非实际力
B. 位错的受力
(2) 位错的应变能与线张力
单位长度位错的应变能:w=aGb2
位错线张力: T=aGb2 ,直线时 a=1 ,曲 线时 a=0.5 。单根位错趋于直线状;右图 中位错线运动过程中,两端被障碍物钉 住而弯曲成弧形,曲率为R。位错线受两 种力:a.作用在位错线法向的力tb,推动
2.1.8 滑移的位错机制
滑移的实质是位错的运动 位错的增殖 位错的交割 位错的塞积 加工硬化
A. 滑移的实质是位错的运动
t
t
t
t
大量的理论研究证明,滑移是由于滑移面上位错运 动而造成的。上图分别表示一刃型和螺型位错在切应 力的作用下的运动过程,通过一根位错从滑移面的一
侧运动到另一侧便造成一个原子间距的滑移。
料塑性越好。
bcc的a-Fe与fcc的Al及Cu,虽然都有12个滑移系,但其 滑移面密排程度较面心立方晶格低,且滑移面上滑移 方向少,所以塑性不如铜及铝;具有hcp晶格的Mg、 Zn等,滑移系仅有3个,因此塑性较立方晶系金属差。
2.1.4 滑移的临界分切应力—施密特定律
推动滑移的是在滑移方向上的 分切应力。同一外加应力作用 下,不同滑移系因取向不同,
力,外力加大,将首先达到临界分切应力发生滑移,所以
把取向因子最大的滑移系称为这个外力下的首开滑移系。 在某一外力作用下,取向因子相同的滑移系分切应力相同。 外力加大时它们将同时达到临界分切应力,开始发生滑移, 所以把取向因子相同的滑移系称为这个外力下的等效滑移 系。
2.1.6 滑移时晶体的转动
退火低碳钢的拉伸应力应变曲线
I II III IV y e
材料的塑性变形
移的方式称为“滑移系”。
典型晶格的滑移系
FCC
FCC: • 滑移面:{111},共有四个有效滑移面 • 滑移方向:110,每个滑移面上有三个滑移方向 • 滑移系数目:{111}4<110>3=12 • 4*3=12个
1、材料什么时候屈服?
有一滑移系达到临界分切应力
2、取向因子与什么有关系?
各滑移系(滑移面及滑移方向)与F的位置关系
45
5.滑移时晶面的转动
• 5.滑移时晶面的转动
滑移 → 轴线偏离 → 夹头限制 → 晶 面转动
拉伸时转动结果:
(1)滑移面逐渐趋向轴向
(2)滑移方向逐渐趋向最大切应力 方向。
(3)试样两端受到夹头限制,会出 现晶面弯曲。
塑性变形的方式
通常发生塑性变形的方式有:滑移、孪生、扭 折。 其中滑移是金属晶体材料塑性变形的基本方式。
一 滑移概念
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
➢ 1. 滑移现象
➢ 将表面抛光过的试样进行拉伸,当应力超过材料的 屈服极限时,产生一定的塑性变形后即取下进行观 察,在光学显微镜下可以清晰地看到与拉伸轴成一 定角度的平行线条。
36
滑移系对性能的影响
➢ 滑移系愈多,晶体发生滑移的可能性愈大,材料的 塑性愈好,并且,其中一个滑移面上存在的滑移方 向数目比滑移面数目的作用更大。
➢ 在金属材料中,具有体心立方晶格的铁与具有面心 立方晶格的铜及铝,虽然它们都具有12个滑移系, 但铁的塑性不如铜及铝。
➢ 具有密排六方晶格的镁及锌等,因其滑移系仅有3个, 故其塑性远较具有立方晶格的金属差。
塑性变形
晶体在外力作用下发生变形。
当外力较小时变形是弹性的,即卸载后变形也随之消失。
这种可恢复的变形就称为弹性变形。
但是,当外加应力超过屈服极限时,卸载后变形就不能完全消失,而会留下一定的残余变形或永久变形。
这种不可恢复的变形就称为塑性变形。
本章的重点是讨论单晶体的塑性变形方式和规律,并在此基础上认识材料(包括合金)塑性变形特点及其强化机制,以便理解材料强韧化的本质和方法,合理使用,研制开发新材料。
从微观上看,单晶体塑性变形的主要方式有两种:滑移和孪生。
它们都是在剪应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿着特定的晶面和晶向发生平移。
在滑移时,这种特定的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向,一个滑移面和位于该面上的一个滑移方向便组成一个滑移系统。
从位错运动的点阵阻力(派-纳力)应最小出发,可知滑移面就是间距最大的密排面,滑移方向应是原子的最密排方向。
晶体中滑移系的多少与晶体结构有关。
由于fcc和hcp中有原子最密排面及密排方向,故有相对稳定的滑移系统,而bcc中没有原子最密排面,但有原子最密排的晶向,故它的滑移系只能由原子的次密排面与最密排的晶向组成,因而不够稳定,如低温变形时为{112},中温为{110},高温时为{123},而滑移方向总是〈111〉。
当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于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τ ≥ τk(滑移的临界分切应力)时,滑移过程才能开始。
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。
在孪生时,这种特定的晶面和晶向分别称为孪生面和孪生方向,一个孪生面和位于该面上的一个孪生方向组成一个孪生系统。
晶体的孪生系统与其晶体结构类型有关。
体心立方为密排六方多为面心立方为。
孪生变形与滑移不同,孪生使一部分晶体发生了均匀切变,而滑移只集中在一些滑移面上进行;孪生后晶体变形部分的位向发生了改变,而滑移后晶体各部分位向均未改变;孪生变形的应力-应变曲线与滑移不同,会出现锯齿状的波动。
《塑性变形》课件
当物体受到外力作用时,物体内部会产生应力,使得物体发生塑性变形。在这个过程中,物体总是沿着阻力最小 的方向发生变形,这是因为阻力最小的方向所需的力最小,因此物体更容易沿着这个方向发生变形。
流动法则
总结词
在塑性变形过程中,物体的流动方向与最大主应力的方向一致。
详细描述
在塑性变形过程中,物体的流动方向与最大主应力的方向是一致的。这是因为最大主应力决定了物体 变形的难易程度,当最大主应力较大时,物体更容易沿着这个方向发生变形。同时,物体的流动也受 到最小阻力定律的影响,使得物体更容易沿着阻力最小的方向发生变形。
拉拔
通过拉拔机将金属材料拉制成所需形 状和尺寸的工艺,用于制造线材、管 材等。
塑料的加工成型
注塑成型
挤出成型
将塑料原料加热熔化后注入模具中,冷却 固化后得到所需形状和尺寸的塑料制品。
将塑料原料加热熔化后通过挤出机挤出成 所需形状和尺寸的塑料制品,如塑料管、 塑料薄膜等。
压延成型
吹塑成型
将塑料原料加热熔化后通过压延机压制成 所需厚度和宽度的塑料制品,如塑料板材 、塑料片材等。
塑性变形过程的数值模拟与优化
有限元分析
利用有限元方法对塑性变形过程 进行数值模拟,预测材料的变形
行为、应力分布和应变场等。
优化设计
基于数值模拟结果,对塑性变形过 程进行优化设计,提高材料的塑性 变形能力、减少缺陷和节约成本。
工艺参数优化
通过调整塑性变形过程中的工艺参 数,如温度、压力、变形速度等, 实现更佳的塑性变形效果。
04
CATALOGUE
塑性变形过程中的力学行为
应力状态对塑性的影响
应力状态对塑性变形的影响主 要体现在不同应力分量对材料
第六章塑性变形
吕德斯带危害:因屈服延伸区的不均
匀变形(吕德斯带)使工件表面粗糙
不同。
第六章塑性变形
24
2 应变时效 原因:柯氏气团的存在、破坏和重新形成。
低碳钢时效图
第六章塑性变形
25
三 多相合金的塑性变形
单相合金的强化:加入第二相形成多相合金。 第二相可通过相变热处理(沉淀强化,时效强化)或 粉末冶金方法(弥散强化)获得 多相合金根据第二相粒子的尺寸大小分类
滑移过程可能采取的空间取向越多塑性越好在其他条件相同时金属塑性的好坏不只取决于滑移系的多少还与滑移面原子密排程度及滑移方向的数目等因素有关晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属面心立方1114110312cualniau110612fewmo体心立方1211211112few1232424fe00011mgznti10101120mgzrti1011轴向拉力p拉伸轴与滑移面法向on及滑移方向ot的夹角分别为和临界分切应力滑移是在切应力作用下发生的滑移发生的力学条件
发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带。 3)交滑移 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。
第六章塑性变形
12
多滑移
第六章塑性变形
13
交滑移
第六章塑性变形
14
交滑移和多滑移的区别:
发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带;发生交滑移 时会出现曲折或波纹状的滑移带。
交滑移必须是纯螺型位错,因其滑移面不受限制。可 以同时进行共向滑移。
5)由于孪生变形时,局部切变可达较大数量,所以 在变形试样的抛光表面上可以看到浮凸,经重新抛光 后,虽然表面浮凸可以去掉,但因已变形区的晶体位 向不同,所以在偏光下或浸蚀后仍能看到孪晶。而滑 移变形后的试样经抛光后滑移带消失。
塑性变形_精品文档
塑性变形1. 引言塑性变形是固体力学中的一个基本概念,指的是材料在超过其弹性限度后,可以继续变形而不恢复原状的能力。
塑性变形可以发生在金属、塑料、陶瓷等材料中,常见于制造、建筑和工程领域。
本文旨在介绍塑性变形的基本原理、影响因素以及常见的塑性变形工艺。
2. 塑性变形的基本原理塑性变形与材料的内部结构和原子之间的相互作用有关。
在塑性变形过程中,材料中的晶体结构发生变化,原子之间的接触位置发生滑移。
这种滑移可以改变原子之间的相互作用,从而使材料继续变形。
塑性变形的基本原理可以归纳如下:•内部滑移:在材料中存在众多晶体结构,滑移发生时,晶体结构中的原子沿滑移面移动,发生形变。
•位错运动:位错是晶体结构中的缺陷,可以像滑行带一样在晶体中移动。
位错的运动是塑性变形的基本过程。
•变形时的晶界滑移:晶界是不同晶粒之间的边界,当材料变形时,晶界也会发生滑移,使晶粒相对于彼此发生位移。
3. 影响塑性变形的因素塑性变形的程度和方式受到多种因素的影响,以下是几个重要的影响因素:3.1 物质本身的性质不同材料的塑性变形性能不同。
金属通常具有良好的塑性,可以在大变形下发生塑性变形。
而一些脆性材料如陶瓷通常只能发生很小的变形,容易发生破裂。
此外,合金、塑料等材料也具有独特的塑性变形性质。
3.2 变形速率变形速率指的是材料在单位时间内发生的变形量。
较高的变形速率往往会导致材料在塑性变形过程中发生更大的变形。
这是因为较高的变形速率会加快位错的运动和晶界的滑动,使材料更容易发生塑性变形。
3.3 温度温度对塑性变形也有很大影响。
较高的温度能够使材料中的原子更容易滑动,从而促进塑性变形的发生。
相反,较低的温度会使材料变得更加脆性,减少塑性变形的程度。
3.4 应力状态材料受到的应力状态也会影响其塑性变形。
在拉伸应力作用下,材料会发生延伸变形;而在剪切应力作用下,材料会发生屈服变形。
不同应力状态下,材料的塑性变形方式有所不同。
4. 常见的塑性变形工艺塑性变形工艺是一种通过对材料施加力来改变其形状和尺寸的方法。
材料力学课件第15章 塑性变形
低碳钢拉伸试验
3
15.1 概述
本章仅讨论常 温、静载条件 下,材料的一 些塑性性质、 杆件基本变形 的塑性阶段和 极限载荷的计 算、应力非均 匀分布的杆件 因塑性变形引 起的残余应力 等。
在弹性范围内,应力和应变之间是单值对 应的。塑性阶段却并非如此,应力和应变 不再是单值对应的关系(如上图所示),考 察塑性阶段的应力、应变,要先确定它的 加载和卸载路径。
19
太原科技大学应用科学学院
15.5 静定梁的塑性分析
纯弯曲梁平衡条件为:
M M
dA 0
A
A2
A
y dA M
考察极限情况下平衡条件为:
dA
A
A1
s dA s dA s A1 A2 0
A1 A2
A 2
A 为横截面面积
16
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15.4 圆轴的塑性扭转
以下我们来求解扭矩T与应力和扭转角之间的关系。
扭矩T可表示为:
T dA
A
dA 2 d
1 m
d dx
1 m
d T 2 B dx
1 m
r
0
2 m 1 m
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15.4 圆轴的塑性扭转
扭矩T与扭转角之间的关系:
m max
d B r dx
d 1 Tr 3m 1 dx Br Br I Ρ 4m
m max
m
m
积分求得相距为l的两个横截面的相对扭转为:
1 Tr 3m 1 l B I Ρ 4m r
一、4.塑性变形及其性能指标
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4.3.3.1 固溶强化实例
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固溶强化的影响因素:
① 溶质原子含量越多,强化效果越好; ② 溶剂与溶质原子半径差越大,强化效果越好; ③ 溶剂与溶质原子价电子数差越大,强化效果越好;
④ 间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。
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4.4.4 第二相
软基体+硬第二相
弥散强化
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4.6.1 缩颈
描述:一些金属材料和高分子材料在拉伸时,变 形集中于局部区域的特殊状态,它是在应变硬化 与截面减小的共同作用下,因应变硬化跟不上塑 性变形的发展,使变形集中于试样局部而产生的。
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4.6.2 产生缩颈的工程应力
应变硬化 系数K
应变硬化 指数n
n b K e
几何软化;,接近45,滑移变得容易。
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2. 晶体的孪生
孪生:在切应力作用下 晶体一部分相对于一定 晶面(孪生面)和晶向 (孪生方向)发生切变 的变形过程。 孪晶与未变形的基体间 以孪晶面为对称面成镜 面对称关系 。
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①
孪晶中的晶格位向变化
发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶。
3非晶态材料的塑性变形?非晶态玻璃材料不存在晶体中的滑移和孪生的变形它们的永久变形是通过分子位置的热激活交换来进行的属于粘性流动变形机制塑性变形需要在一定的温度下进行故普通无机玻璃在室温下没有塑性
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第四节
回忆:力—伸长曲线
不均匀集 中塑性变 形
屈服塑 性变形
弹性变形 阶段
均匀塑 性变形
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位错切过第二相粒子(表面能、错排能、粒子阻碍位 错运动) 位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错运动)
塑性变形
迁移方向
附加半晶面棱上的一个原子O受到原子C和D的吸引 力。这两个原子对原子O水平方向上的吸引力大小相 等,方向相反。 当有剪应力作用,并使原子O有一个小的向右移动, 原子D对原子O的吸引力增加,而原子C对原子O的 吸引力减小。此时原子O受到向右的推力,使位错向 右移动一个距离。
当力持续作用,处于移动面1的下端棱上原子产生一 个位移,使它们的位置与半晶面2上端原子位置连成 一线,半晶面1和2的原子(红点)形成一个新原子面, 晶面2 进一步向右移动,形成一个附加半晶面。 依次类推,下一步2和3 连接起来。
外力持续作用的结果:晶体在剪切应力作用下,不是 晶体中所有原子都同时移动,而是其中一小部分,在 较小外力作用下,使晶体两部分彼此相对移动。
b 原子运动的速度
原子具有激活能的几率(或原子脱离平衡位置的 几率)与波尔兹曼因子成正比,其运动速度与波 尔兹曼因子成正比。 v=v0exp[-H()/kT]
v0------与原子热振动固有频率有关的常数;
k------波尔兹曼常数,为1.38×10-23 J/K
c 讨论 =0,T=300 K 则 kT=4.14×10- 21J=4.14×1021×6.24×1018eV=0.026eV
滑移区
位错环 B
A
A
B
• 当两端弯出来的线段相互靠近时,由于该两线段平行 于柏氏矢量b,但位错线方向却相反,分别属于左螺 和右螺位错,因此会互相抵消,形成一闭合的位错环 以及位错环内的一小段弯曲位错线。只要外加应力继 续作用,位错环便继续向外扩张同时环内的弯曲位错 在线张力作用下又被拉直,恢复原始状态并重复以前 的运动,这样源源不断地产生新的位错环,从而造成 位错的增殖。
塑性变形
一、单晶体的塑性变形1.常温或低温下单晶体塑性变形方式: 滑移 、孪生A 、滑移:在切应力作用下,晶体的一部分沿着一定的晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)相对于另一部分产生相对位移的过程。
B 、滑移系:晶体中一个滑移面和该面上的一个滑移方向的组合。
FCC 滑移系 {111}×<110>共有4×3=12个滑移系 BCC 滑移系可能出现的滑移面有{110}、{112}、{123} 滑移方向为<111>,如果三组滑移面都能启动,则潜在的滑移系数目为:48}123{124}112{112}110{26=⨯+⨯+⨯ 滑移面滑移方向滑移系{110}><111{211}><111{321}><111HCP 滑移系滑移面滑移方向滑移系{0001}><02111×3=3C 、滑移的临界分切应力(s τ)对滑移真正有贡献的是在滑移面上沿滑移方向的分切应力τ 临界分切应力:引起晶体滑移所需要的最小分切应力s τϕλσϕλϕλτcos cos cos cos cos /cos ===AFA Fϕλστcos cos s s =取向因子或schmid 因子——ϕλcos cos()λλλϕλ2sin 2/1)90cos(cos cos cos =︒-=软取向:晶体中有些滑移系与外力的取向λ接近45º角,取向因子最大在较小的sσ作用下τ。
通常是软取向的滑移系首先滑移。
即可达到临界分切应力sσ值才能滑移,称为硬硬取向:晶体中有些滑移系与外力取向偏离45º很远,需要较大的s取向。
D、滑移时晶体的转动正应力分量会造成晶体的转动,转动的结果:拉伸时: 滑移面趋向于与力轴平行; 滑移方向趋向于与最大切应力方向一致。
压缩时: 晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。
拉伸时:不仅滑移面在转动,而且滑移方向也改变位向。
孪生:在切应力作用下,晶体的一部分沿一定的晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)相对于另一部分发生均匀切变的过程。
塑性变形知识讲解
2021/10/10
32
(3)应力状态 金属变形时,三个主应力中压应力数目越
多,则金属表现出的塑性越好。
金属变形时,同号应力状态下的变形抗力大 于异号应力状态下的变形抗力。
挤压金属变形时应力状态
2021/10/10
拉拔金属变形时应力状态
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塑性变形量
塑性变形对30号 钢力学性能的影 响
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3、形变后的残余应力(分三类残余应力)。 (1)宏观残余应力(第一类残余应力)
因材料各部分之间塑性变形不均而产生。
金属材料
摩擦力使表 层变形小
心部变形大
拉拔力
拔丝模具
金属拔丝示意图
2021/10/10
金属拔丝变形后残余应力
金属弯曲变形后残余应力
18
l最低再结晶温度:能发生再结晶的最低加热温度
经验公式:T再=0.4 T熔(K)
l再结晶驱动力:冷变形储存能
2021应/10/1用0 :再结晶退火
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3、再结晶后晶粒的长大 再结晶结束后继续保温,晶粒将进一步长大。 晶粒长大驱动力:晶界总面积减少导致的晶界
能下降。
2021/10/10
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二、冷变形(加工)与热变形(加工)
能量增大(储存了部分形变能)。
位错密集区
变形金属中位错胞
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(2)变形量很大时,晶粒拉长,出现纤维组织, 晶粒转动形成织构(择优取向),产生各向异
性。
等轴晶
沿变形方向 晶粒拉长
变形前 变形后
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织构:晶粒空间取向趋于一致的组织状态。
塑性变形量很大时会使各个晶粒
注意,温度过高,材料氧化、脱碳严重,并可出 现过热(晶粒粗大)和过烧(局部熔化)。
塑性变形
σ< σe,弹性变形阶段,应力应变成正比,变 形可逆。
σ> σs ,塑性变形阶段,变形不逆。
σs <σ< σb ,均匀塑性变形阶段。
σ> σb ,不均匀塑性变形阶段。
σe、 σs、 σb:强度指标,是机械零件强度设计
的依据,表征材料对变形的抵抗力。
δ 、φ :塑性指标,表征材料塑性变形的能力。
真应变与工程应变的对比表。
0.00995 0. 0953 0.6931 2.398 0.01 0.1 1 10 4.615 100 3.908 1000 -∞ -1
εT ε
-0.0105 -0. 1054 -0.6931 -6.956 -0.01 -0性变形阶段的真应力-真应 变曲线。 n B T 近似数学表达式: T B—与材料强度有关的常数(强度系数); n —形变强化指数(硬化指数)。表征金属在 均匀变形阶段的形变强化能力。也表征金属均匀 塑性变形的能力。 n=0,材料呈完全塑性。n=1,材料呈完全弹 性。 一般n=0.1~0.50。与材料的化学成分有关, 也与其热处理状态有关。
20号钢
35号钢 45号钢 50号钢 60号钢
第六章 塑性变形
各种材料从原料到成品,一般要经过 压力加工(锻造、轧制、冲压、挤压、拉 拔等)这道工序。 变形的结果: 外形及尺寸改变; 内部组织及性能变化。
第一节 金属的应力-应变曲线
一、工程应力-应变曲线
P F0 工程应变: l l0 l0
工程应力:
σe:比例(弹性)极限; σs:屈服极限; σb :抗拉强度; l k l0 100% 伸长率: l0 断面收缩率: F0 Fk 100%
2l 0 ln ln 2; T压 l0
第三章塑性变形
商洛学院 常亮亮
3.1 金属材料塑性变形机制与特点
塑性变形是永久性变形。常温或低温下,单晶体 的塑性变形主要有滑移、孪生,还有扭折。 滑移是晶体在切应力作用下沿一定的晶面和晶向 进行切变的过程,如面心立方结构的(111)面[101] 方向等。滑移系统越多,材料的塑性越大。
(1) 滑移的显微观察 由大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分,
3. 形变织构 (1)形变织构(deformation texture):是晶粒在空间上的择 优取向(preferred orientation), 如右上图。 (2)类型及特征 ①丝织构 ② 板织构 右图是因形变织构造成的制 耳
(二)加工硬化:金属材料在塑性变形过程中,随着变形量的增 加,强度和硬度不断上升,而塑性和韧性不断下降的现象。
10钢σs与晶粒大小的关系
晶粒直径(μm)
400
50
10
5
2
下屈服点(KN/m2) 86
121
180
242 345
锌的单晶和多晶的拉伸曲线比较
由上图锌的拉伸曲线可以看出: 比较:同一材料多晶体的强度高,但塑性较低。
单晶塑性高。
原因:多晶中各个晶粒的取向不同。在外力作用
下,某些晶粒的滑移面处于有利的位向,受到大于σk
低碳钢的σb与晶粒直径的关系
晶界对硬度的影响
3、多晶体塑性变形的特点
1)各晶粒变形的非同时性和非均匀性 ➢材料表面优先 ➢与切应力取向最佳的滑移系变形的相互协调 晶粒内不同滑移系滑移的相互协调
保证材料整体的统一
3.1.3塑性变形的特点
滑移时不仅滑移面发生转动,而滑移方向也逐渐改变, 滑移面上的分切应力也随之改变。φ=45º时分切应力最大。
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特点:晶体结构类型并未改变 。 滑移的组织形态:光镜下:滑移带(无重现性)。
电境下:滑移线。 显微组织特点:抛光后可能看不见。 2 滑移系 滑移是沿着特定的晶面 和 晶向进行的。
滑移面 (密排面) 滑移方向(密排方向) 滑移系:一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个 滑移系
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每一个滑移系表示晶体进 行滑移时可能采取的一个 空间方向。滑移过程可能 采取的空间取向越多,塑 性越好
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2 加工硬化的作用 1)强化金属的一种方法,对一些不能用热处理强化 (固态下无相变)的材料尤为重要。 2)加工硬化使塑性变形能够均匀地分布于整个工件, 不致集中在某些局部区域而引起破裂。 3)加工硬化还可以提高零件或构件在使用中的安全 性。 4)加工硬化使金属在冷加工过程中,变形抗力会不 断增加,增加动力及设备消耗。
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第三节 多晶体的塑性变形
多晶体塑性变形的基本方式也是滑移和孪生。 一、晶粒取向的影响 1 变形过程 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
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2 晶粒之间变形的协调性 (1)原因:各晶粒之间变形具有非同时性。 (2)要求:各晶粒之间变形相互协调。(独立变
形会导致晶体分裂) (3)条件:独立滑移系5个。(保证晶粒形状的
单相合金的强化:加入第二相形成多相合金。 第二相可通过相变热处理(沉淀强化,时效强化)或 粉末冶金方法(弥散强化)获得 多相合金根据第二相粒子的尺寸大小分类
多相合金
聚合型
第二相的尺寸与基体晶 粒尺寸属同一数量级
弥散型
第二相很细小,且弥散分
布于基体晶粒内
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1 聚合型两相合金的变形 性能按下列方法估计
滑移系的特点:
1)滑移面总是晶体的密排面,而滑移方向也总是密排 方向。
2)每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系。滑移 系的多少在一定程度上决定了金属塑性的好坏。
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)。
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➢ 在其他条件相同时,金属塑性的好坏不只取决于滑 移系的多少,还与滑移面原子密排程度及滑移方向 的数目等因素有关
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3 第三类残余应力(sⅢ): 点阵畸变:由位错、空位等引起。80-90%。 作用:使金属处于热力学不稳定状态,是“回复和 再结晶”的驱动力
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四 塑性变形对性能的影响 1 应变硬化(加工硬化) 定义:冷变形金属随着塑性变形量的增加,金属的强度、 硬度升高,塑性、韧性下降,这种现象称为加工硬化, 也称形变强化。
1
典型的应力应变-曲线
2
二 真实应力应变曲线 真实应力应是瞬时载荷P与瞬时面积F之比 真应变e应是瞬时伸长量除以瞬时长度,即
S P F
e de l dl ln l ln(l )
l l0
l0
均匀塑性变形阶段的真应力-真 应变曲线,称为流变曲线,它们 之间的关系如下:
S ken
n值越大,变形时的强化效果越明
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变形部分与未变形部分以孪晶面为准,构成镜面对称, 形成孪晶。孪晶在显微镜下呈带状或透镜状。 2 孪生变形的特点
1)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。 2)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。
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3)孪生比滑移的临界分切应力高,萌发于滑移受阻 因其的局部应力集中区。
第六章 塑性变形
第一节 金属的应力应变曲线
一 工程应力应变曲线 拉伸试验基本过程:将GB6397-86制作的标准试样 (长试样l=10d和短试样l=5d)放在拉伸试验机上缓 慢拉伸,试样在载荷P下缓慢伸长,直至断裂.。通过 拉伸试验,拉伸试验机记录和绘制出载荷P和伸长量 △l=l-l0 的关系曲线称之为拉伸图。最后在拉伸图的 基础上得到工程应力-应变曲线。
显
3
本章介绍的内容:由简单到复杂
单晶体塑 性变形
多晶体塑 性变形
单相
多相
合金塑性 变形
机理
塑性变形组织 及性能
4
第二节 单晶体的塑性变形
常温下塑性变形的主要方式:滑移、孪生、扭折。 一、滑移 1 滑移现象 定义: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。
P在滑移方向的分切应力为
P cos A/ cos
P cos cos
A
o
cos cos
9
当s= ss,外加应力等于屈服强度时: 宏观上:晶体出现塑性变形。 微观上:晶体开始滑移。此时滑移方向上的分切应力 达到临界值,称为临界分切应力。 tk:在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。
k sm m cos cos
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第五节 冷变形金属的组织与性能
一、对显微组织的影响 1 形成纤维组织 塑性变形量很大时,各晶粒已不能分辨而成为一片如 纤维状的条纹,称为纤维组织 1)晶粒拉长;2)杂质呈细带状或链状分布。
纤维组织具有明显的各向异性,纵向的强度和塑性高 于横向。
2 形成大量亚结构
即形成变形亚晶
亚晶粒是加工硬化
的原因之一
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多滑移
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交滑移
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交滑移和多滑移的区别: 发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带;发生交滑移 时会出现曲折或波纹状的滑移带。 交滑移必须是纯螺型位错,因其滑移面不受限制。可 以同时进行共向滑移。 6 滑移的位错机制 位错线看作是晶体中已滑移区域和未滑移区域的分界。
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二 孪生 1 孪生现象 在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿一 定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面 对称关系。
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3 加工硬化曲线 1)典型的单晶体加工硬化曲线 第Ⅰ阶段 :易滑移阶段 特点:此阶段接近于直线,其斜率很小。 第Ⅱ阶段:线性硬化阶段。 特点:应力急剧增加,呈直线,斜率几乎恒定且最大 值。 第Ⅲ阶段:抛物线硬化阶段。 特点:硬化曲线呈抛物线状。
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2)解释:位错的运动
易滑移阶段:应力低,少量的软取向滑移系开动位错受 阻碍少,易运动。流变较大。
Mg,Zn,Ti
Mg,Zr,Ti Mg,Ti
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3 临界分切应力
滑移是在切应力作用下发生的
滑移发生的力学条件:滑移系是否发生滑动,决定于 沿此滑移系的分切应力的大小,当分切应力达到某一 临界值时,滑移才能发生。
力学模型: 设:
轴向拉力P,拉伸轴与滑移面法向ON及滑移 方向OT的夹角分别为φ和 λ 。 则:P在滑移方向的分力为Pcos λ 滑移面的面积为A/cos φ
晶体结构 面心立方
体心立方
滑移面 {111}×4 {110}×6 {121}×12 {123}×24 {0001}×1
{1010} {1011}
滑移方向 <110>×3
×2 <111> ×1
×1 ×3
<1120>
滑移系数目 12 12 12 24
3
3 6
常见金属 Cu,Al,Ni,Au
Fe,W,Mo Fe,W Fe
4 滑移时晶体的转动 1)位向和晶面的变化 滑移过程中,滑移面和滑移方向的转动必然导致取向 因子的改变。 2)取向因子的变化 几何硬化 几何软化
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5 多滑移 1)单滑移:只有一组滑移系处于最有利的取向(m最 大)时,分切应力最大,便进行单系滑移。 2)多滑移:在多个(>2)滑移系上同时或交替进行的 滑移。 发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带。 3)交滑移 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。
自由变化
多晶体变形协调性:多晶体的每个晶粒都处于其他晶 粒的包围之中,其变形必须与周围的晶粒相互协调配 合。
结果:多晶体的塑性变形较单晶体困难,其屈服应力 也高于单晶体。
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二、晶界的影响
1多晶体变形的现象
2晶粒大小与性能的关系
晶粒越细,强度越高,塑性韧 性越好。
1)对强度的影响-细晶强化
霍尔-配奇公式: HALL-PETCH公式
吕德斯带扩展:应力降到下屈服点, 吕德斯带沿试样长度方向扩展开来, 此即屈服延伸阶段。当屈服扩展到整 个试样标距范围时,屈服延伸阶段即 告结束。
吕德斯带危害:因屈服延伸区的不均
匀变形(吕德斯带)使工件表面粗糙
不同。
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2 应变时效 原因:柯氏气团的存在、破坏和重新形成。
低碳钢时效图
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三 多相合金的塑性变形
ss=s0+kd-1/2
2)对塑性、韧性的影响
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第四节 合金的塑性变形
提高强度的另一方法是合金化。合金塑性变形的基本 方式仍是滑移和孪生,但因组织、结构的变化,塑性 变形各有特点。 一、固溶体的塑性变形 1 固溶强化现象 影响因素: 1)熔质原子不同, 强化效果不同
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2)熔质原子浓度提高,强化作用越大,但不保持线性 关系,低浓度时强化效应更为显著。
1)两相都具有较好的塑性,合金的变形阻力决定于
两相的体积分数。 11 2 2
2)软基体+硬第二相合金的性能除与两相的相对含 量有关外,在很大程度上取决于脆性相的形状和分布。 ➢第二相网状分布于晶界(二次渗碳体),易沿晶脆断; 原因:因塑性相晶粒被脆性相包围分割,少量塑变即 脆断
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两相呈层片状分布(珠光体); 特点:变形主要集中在基体相中,位错的移动被限制 在很短的距离内,增加了继续变形的阻力,使其强度 提高。 片层间距越小,其强度越高 ➢第二相呈颗粒状分布(球状渗碳体)。 强度降低,塑性、韧性得到改善
3)熔质原子与基体金属的原子尺寸相差越大,强化作 用也越大。 4)形成间隙固熔体的熔质元素比形成置换固熔体的熔 质元素的强化作用大。 5)熔质原子与基体金属的价电子数相差越大,则固熔 强化作用越强。