材料科学基础 第9章 塑性变形

扎作用，从而阻碍位错运动；
9.2 金属的塑性变形
②静电交互作用 溶质原子的额外自由电子从点阵压缩区移向拉伸区，并使压
缩区呈正电．而拉伸区呈负电，即形成了局部静电偶极。
研究表明，在钢中这种强化效果仅为弹性交互作用的 1/3— 1/6，且不受温度影响。
9.2 金属的塑性变形
③化学交互作用与铃木气团
这与晶体中的扩展位错有关，由于层错能与化学成分相关，因此 晶体中层错区的成分与其它地方存在一定差别，这种成分的偏聚也会 导致位错运动受阻，而且层错能下降会导致层错区增宽，这也会产生 强化作用。 化学交互作用引发的固溶强化效果，较弹性交互作用低一个数量
m = f1 1 + f2 2
如果应力相等，则对于一定应力时合金的平均应变为：
m = f1 1 + f2 2
9.2 金属的塑性变形
2、弥散分布型合金的塑性变形 当第二相以弥散分布形式存在时，一般将产生显著的强化 作用。 沉淀强化或时效强化 : 强化相颗粒通过过饱和固溶体的时
效处理沉淀析出
很低；
③溶质原子类型。间隙型溶质原子的强化效果好于臵换型， 特别是体心立方晶体中的间隙原子； ④相对价因素（电子因素）。溶质原子与基体金属的价电 子数相差越大，固溶强化效果越显著，
9.2 金属的塑性变形
电子浓度对 Cu 固 溶 体 屈 服应力的影响
9.2 金属的塑性变形
固溶强化是由于多方面的作用引起的，包括： ①溶质原子与位错发生弹性交互作用 固溶体中的溶质原子趋向于在位错周围的聚集分布，称为 溶质原子气团，也就是柯垂耳气团，它将对位错的运动起到钉
形变孪晶：形变过程中形成，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。
锌和铁经塑性变形后形成的形变孪晶
9.2 金属的塑性变形
铜单晶在4.2K的拉伸曲线
9.2 金属的塑性变形
退火孪晶：变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织， 与形变孪晶相比，一般孪晶界面平直，且孪晶片较厚。
移动过程；
均不会改变晶体结构；
从机制上看，都是位错运动结果。
9.2 金属的塑性变形
2) 不同点： 滑移 不改变晶体的位相； 全位错运动的结果； 不均匀切变过程； 孪生 改变晶体的位相； 不全位错运动的结果； 均匀切变过程；
比较平缓，应力-应变
曲线较光滑、连续； 临界分切应力值较小； 切变较大，取决于晶体 的塑性；
9.2 金属的塑性变形 1、孪生过程
形成条件： 滑移系较少的密排六方晶体（如Mg、Zn）； 低温（如Cu在4.2K）； 高应变速率（如Fe爆炸变形）。
变形前
滑移
不均匀切变 没有位相变化
孪生
不均匀切变
没有位相变化
1、孪生的形成过程 9.2 金属的塑性变形
Fcc晶体孪生变形示意图
④ 颗粒周围存在弹性应力场（由于颗粒与基体的比容差别，而 且颗粒与基体之间往往保持共格或半共格结合）与位错交互作 用，对位错运动有阻碍作用；
9.2 金属的塑性变形
Al-1.6%Cu合金
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
9.2.4 变形后的组织与性能 一、显微组织的变化
铜经不同程度冷轧后的光学 显微组织 30%, 50%, 99% （3000×）
9.2 金属的塑性变形 二、孪生
镁合金变形过程 中的孪生
9.2 金属的塑性变形
孪生：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。孪生部分与原
晶体形成镜面对称。
变形前
孪生
9.2 金属的塑性变形
孪晶（ twin ）：晶体中原子排列以某一晶面成镜面对称部分的 合称。
(1) 面心立方
滑移面{111} 滑移方向<110> 滑移系共12个
9.2 金属的塑性变形 (2) 体心立方 滑移面不稳定，低温时多为 {112} ，中温时多为 {110}，高温时多为{123}； 滑移方向很稳定：<111>；
滑移系可能有12~48个。
滑移系：12
滑移系：12
滑移系：24
9.2 金属的塑性变形
受限制的滑移
9.2 金属的塑性变形
压缩时的晶面转动
压缩时， 晶面转动使滑 移面和滑移方 向都逐渐与应 力轴垂直。 压缩时的晶面转动
9.2 金属的塑性变形
单轴拉伸时晶体转动的力偶
9.2 金属的塑性变形
5、复滑移 滑移过程能够沿两个以上滑移系同时或交替进行，这种滑 移过程就称为复滑移，又称多滑移。
柯垂尔（Cottrell）气团。 可以解释大部分晶体中出现的屈服现象。
9.2 金属的塑性变形
2）位错理论 位错运动平均速度v以及位错的柏氏矢量b成正比，即：
材料的塑性变形的应变速率 p 是与晶体中可动位错密度 m 、
mvb
m 而：v ( ) 0
可见，具有明显屈服现象的材料应具备以下条件：
级，但由于其不受温度的影响，因此在高温形变中具有较重要的作用。
9.2 金属的塑性变形
2）有序强化 超结构
有序畴
9.2 金属的塑性变形
二、多相合金的塑性变形 聚合型合金
弥散型合金
9.2 金属的塑性变形
1、聚合型两相合金的塑性变形 对聚合型两相合金而言，如果两个相都具有塑性，则合金 的塑性变形决定于两相的比例： 如果应变相等，则对一定应变时合金的平均流变应力为：
弥散强化:借助粉末冶金或其它方法加入
来自百度文库
9.2 金属的塑性变形
1）不可变形颗粒的强化作用
9.2 金属的塑性变形
根据位错理论，位错弯曲至半径R时所需切应力为：
Gb 2R
而当R为颗粒间距的一半时，所需切应力最小：

Gb

这就是奥罗万（Orowan）机制
9.2 金属的塑性变形
2）可变形颗粒的强化作用
9.1.2 真应力应变曲线
l1 l0 l2 l1 l2 l3 T ( ＋ ＋) l0 l1 l2 dl l ln l0 l l0
l
P P A0 T ＝ A A0 A P l ＝ ＝ ( 1) A0 l0
9.2 金属的塑性变形 9.2.1 单晶体的塑性变形 一、滑移 1、滑移线和滑移带
的情况。
9.2 金属的塑性变形 6、交滑移
宏观：两个或两个以上滑移面沿着同一个滑移方向同 时或交替进行滑移的现象。 微观：螺位错在不改变滑移方向的情况下，改变滑移
面引起的。
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
双交滑移
思考：交滑移和层错能的关系
9.2 金属的塑性变形 7、滑移的位错机制
铜晶体中的退火孪晶组织
9.2 金属的塑性变形
3、孪生的位错机制
面心立方
晶体中孪
晶的形成
9.2 金属的塑性变形 a/6[112]
孪生的孪生的极轴机制
9.2 金属的塑性变形 4、滑移和孪生的比较
1) 相同点：
宏观上，都是切应力作用下发生的剪切变形；
微观上，都是晶体塑性变形的基本形式，是晶
体的一部分沿一定晶面和晶向相对另一部分的
二、屈服 1、屈服现象
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
2、应变时效现象
时效后
9.2 金属的塑性变形
3、屈服现象的解释 1） 气团理论：
在固溶体中，溶质或杂质原子在晶体中造成点阵畸变，溶
质原子的应力场和位错应力场会发生交互作用，作用的结果是
溶质原子将聚集在位错线附近，形成溶质原子气团，即所谓的
①开始变形前，晶体中的可动位错密度m较低；
②随着塑性变形的发生，位错能够迅速增殖； ③应力敏感因子m'较低。
9.2 金属的塑性变形
9.1.3 合金的塑性变形与强化
一、固溶体的塑性变形 1）固溶强化 强度、硬度随溶质含 量增加而增加，而塑 性指标则相反
9.2 金属的塑性变形
溶质原子的加入通常同时提高了屈服强度和整个应力－应变曲
一般来说，fcc和bcc中 滑移系较多，比hcp塑性好 ；bcc中虽然滑移系的数目 较多，但滑移面的密排程度 比fcc低，且滑移方向较少， 故塑性不如fcc。
滑移系：3
一些金属的滑移系
9.2 金属的塑性变形 3、滑移的临界分切应力
晶体中的某滑移系是否开动 ，决定于沿此滑移系分切应力 的大小，当分切应力达到某一 临界值时，滑移才能发生。
9.2 金属的塑性变形
2、晶界的影响
双晶拉伸
位错塞积
9.2 金属的塑性变形
3、晶粒尺寸与强度的关系 霍尔－佩奇（Hall-Patch） 关系：
s i Kd
1 2
细晶是唯一既提高强度也增 加塑形的强化方式。 提高塑形： 变形较均匀、应力集中较小
9.2 金属的塑性变形
等强温度
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形
立方晶体（001）标准投影图
fcc晶体滑移系
9.2 金属的塑性变形
fcc晶体滑移的超越现象
例题：当面心立方晶体拉伸时 ，根据下图所给的立方晶体(001)标
准投影图回答：
(a) 拉伸沿P点所代表的方向进行时 ，哪个滑移系首先开动？ (b) 拉伸轴平行于[001]时，共有几 个滑移系可能开动，写出所有可能
9.2 金属的塑性变形
孪晶界
切变晶体仍然保 持面心立方结构
位向发生变化
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形 孪生几何学
球状晶体，孪生面K1； 上半球均匀切变方向η1； 孪生要素：K1、η1 、K2、η2 ；
9.2 金属的塑性变形
9.2 金属的塑性变形 2、孪晶的形成
P cos P cos cos A cos A cos cos
9.2 金属的塑性变形
镁晶体拉伸屈服应力与晶体取向的关系
4、滑移时晶面的转动 9.2 金属的塑性变形
4、滑移时晶面的转动
拉伸时，晶面 转动使滑移面和滑 移方向都逐渐与应 力轴平行。
自由滑移
当第二相颗粒为可变形颗粒时，位错将切过，此时强化作
用主要决定于粒子本身的性质以及其与基体的联系：
9.2 金属的塑性变形
① 位错切过颗粒后，在其表面产生b大小的台阶，增加了颗粒 与基体两者间界面，需要相应的能量； ② 如果颗粒为有序结构，将在滑移面上产生反相畴界，从而导 致有序强化； ③ 由于两相的结构存在差异，因此当位错切过颗粒后，在滑移 面上导致原子错配，需要额外作功；P-N力不同造成阻力；
工 业 纯 铜 中 的 滑 移 带
9.2 金属的塑性变形
滑移带形成示意图
9.2 金属的塑性变形
2、滑移系
滑移面：晶体滑移时沿某一特定晶面进 行（通常为最密排晶面）。 滑移方向：晶体滑移时沿滑移面的某特 定晶体学方向进行（通常为最 密排晶向）。
滑移系
滑移系：每个滑移面和此面上的一个滑移方向。
9.2 金属的塑性变形
宏观上晶体滑移的临界分切应力 = 微观上克服位
错运动阻力的外力，包括： 点阵阻力（派－纳力）； F-R源开动阻力； 与其它位错的交互作用阻力；
长程交互力：克服弹性作用阻力；
位错交割后形成的割阶与扭折； 位错与其他缺陷发生交互作用。
短程交互力：切割林位错（扭折、割阶）阻力；
线的水平，并使材料的加工硬化速率增高
铝溶有镁后的应 力－应变曲线
9.2 金属的塑性变形
不同溶质的强化效果不同
溶入合金元素对 铜单晶临界分切 应力的影响
9.2 金属的塑性变形
原因主要有以下几个方面：
①溶质原子的浓度。浓度越高，一般其强化效果也越好， 但并不是线性关系，低浓度时显著； ②原子尺寸因素。溶质与溶剂原子尺寸相差越大，其强化 作用越好 , 但通常原子尺寸相差较大时，溶质原子的溶解度也
金属材料的变形与再结晶
1 2 金属的应力－应变曲线 金属的塑性变形 回复与再结晶 金属热变形、蠕变与超塑性
3
4
9.1 金属的应力－应变曲线 9.1.1 工程应力－应变曲线
抗拉强度 屈服强度
颈缩 塑性阶段
弹性阶段
应变
有屈服点工程应力-应变曲线
0.2
应变
无屈服点工程应力-应变曲线
9.1 金属的应力－应变曲线
发生迅速，应力-应变曲
线呈锯齿状； 临界分切应力值大； 切变较小，取决于晶体 结构；
9.2 金属的塑性变形 三、晶体的扭折
9.2 金属的塑性变形 9.1.2 多晶体的塑性变形 9.2.2 多晶体的塑性变形
Zn单晶与 多晶拉伸
9.2 金属的塑性变形
一、多晶体变形的特点 1、相邻晶粒的相互协调性 多晶体中晶粒取向随机性 变形不一致 相邻晶粒的相互协调性 对独立滑移系的要求（5个）
9.2 金属的塑性变形
二、亚结构的变化
位错密度：从退火的106～1010/cm2增至1011－1012/cm2。