第11章 金属的塑性变形和强化

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晶体结构的影响： BCC金属存在DBTT FCC金属保持韧性(低温应用) 高强合金、陶瓷保持脆性
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BCC结构：α-Fe、Mo、W、Ta(钽)；FCC结构：Ni
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应变速率对加工硬化的影响具有双重性
包含温度和时间两个方面的因素
应变速率效应：即由于应变速率升高，软化机理来不
及进行而引起屈服应力升高的；－－硬化作用
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（2）多系滑移强化作用
不破坏晶界连续性，相邻的晶粒必须协调变形。 多晶体的塑性变形，一旦变形传播到相邻的晶粒，就产生 了多系滑移。位错运动遇到的障碍比单系滑移多，阻力要 增加。 在不同的晶体结构中，多系滑移强化和障碍强化所起作用 的大小是不同的。 ①体心和面心立方晶体金属中，滑移系统多，多系滑移强化 效果比障碍强化大得多； ②室温下变形的六方金属晶界的障碍强化是主要的。
（2）对应力-应变曲线影响的主要因素
取向对应力—应变曲线的影响: •软取向晶体:最有利于发展单系滑移; •硬取向晶体
金属的层错能和纯度对应力－应变曲线的影响 层错能很高，扩张位错很容易束集及产生交滑移 当完整位错在某一晶面上分解后，该晶面上各部分位错之间的正常点阵结 构受到进一步的破坏，促使体系能量升高。这种能量称为层错能。 在层错能较高的金属如铝及铝合金、纯铁、铁素体钢（bcc）等热加工时 ，易发生动态回复，因为这些金属中易发生位错的交滑移及攀移。而奥氏 体钢(fcc)、镁及其合金等由于层错能低，不发生位错的交滑移。
各种影响金属形变强化的因素：如点阵类型、 金属种类、晶粒大小、变形温度、变形速度、 加载方式等，都将影响到应力-应变曲线的特 征和数值。
(1) 点阵类型和金属种类影响
①体心立方金属:铌、钼、 α-Fe的硬化速率大体相同; ②面心立方晶体的金属， 其硬化速率差别却比较大， 图中斜率最高的是银，最 平稳的是铝; ③六方结构的钛的硬化率 类似于铝.
变化对热激活过程有两种相反作用的影响： 上升，使热激活来不及进行，使位错运动阻力增加； 很高时，提高了形变金属的温度，降低了屈服应力。
在此区间应变速率效应相对其它温度区间最不明显
11.2.3 晶粒大小对金属流变应力的影响 （1）晶粒大小对金属流变应力的影响
霍尔-佩奇(Hall-Petch)的实验规律来描述，即流变应力与晶粒直径方根的 倒数(D-1/2)有明显的线性关系。
晶粒小时各晶粒间形变比较均匀。晶粒越大，形变越不均匀。大晶 粒形变要求局部开动比较少的滑移系(少于5个)，结果流变应力会降 低。
横截面组织不均匀
Φ6.5mm盘条Q195L横截面组织：表面存在约600μm厚的细晶区，边部到心部组织均匀性差
棒材横截面组织不均匀
边部
1/2半径
心部
11.2.2 金属多晶体应力—应变曲线
低温区（T/Tm =0~0.3）效 应影响最小，在此温度区间起 控制作用的变形机理为切变机 理
温度对速率效应的影响
原因：
高温区：塑性变形机理基本是扩散机理、晶间滑 上升，扩散来不及进行，限制了起控 动机理。当 制作用的扩散机理作用，需要更高应力值的切变 机理来实现变形，提高了屈服应力。 提高 过渡区：回复和再结晶软化机理作用，但当 时，回复和再结晶来不及进行，屈服应力相对提 高值是增加的。 低温区：起控制作用的变形机理为切变机理。热 激活过程对低温下的切变机理有重要作用。
Hall-Petch关系适用的晶粒上临界尺寸：
式中：Ｇ 为切变模量，ｂ 是柏氏矢量，τｃ为位错运动的临界切应力，μ是
泊松比。 Hall-Petch关系适用的晶粒下临界尺寸：
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尽管一些材料仍呈线性关系，也不能再用位错塞积理论导出的 HallPetch关系分析。
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（2）晶粒细化在工程上有重要的应用
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温度对应力-应变曲线的影响
温度升高时，τ0略有降低，而τⅢ则显著降低，γⅡ，γⅢ变 短，θⅠ和θⅡ与温度关系不大，而θⅢ则随温度升高而减小。
（3）面心立方金属形变单晶体的表面现象
滑移线的结构特点： 第I阶段：用照明特别好（例如暗场）可观察到细长的滑 移线。 第Ⅱ阶段：光学显微镜在暗场下可以看到滑移线，线长 随应变的增加而递减。电镜观察到的单个滑移线比第I阶 段的粗而短。 第Ⅲ阶段：出现滑移带，带中包括许多靠得很近的滑移 线（光学显微镜一般只能看到线）。应变增加时，带间 不再增加新的线，形变集中在原来的带中，滑移带端出 现了碎化现象。
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（3）多晶体变形的不均匀性
存在晶界及晶界两侧晶粒取向有差别，多晶体的塑性变 形有着很大的不均匀性。
各个晶粒变形不一样：
在单个晶粒内，晶界变形要低于晶粒中心区域； 大小不同晶粒相比，细晶粒强化作用大，由于细晶组织 中晶界占的比例要大于粗晶组织中的晶界，细晶组织的 硬度普遍高于粗晶组织的硬度。
原因:
体心立方金属滑移系统较多，易于产生交滑移，是其硬化速率
较低的主要原因之一;
面心立方晶体由于其层错能不同,表现出来的硬化速率差别较大.
应力—应变曲线的另一特点是: 体心立方金属的明显屈服效应、动态形变时效现象.
室温 93℃ 204℃ 315℃
体心立方金属:晶界容易偏析杂质原子; 溶质原子特别是间隙原子与位错的 相互作用
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Hall-Petch关系主要适用于微米量级 因为晶粒尺寸在微米量级时，晶界所占体积与晶粒相比可忽略不计，而 且晶粒内塞积的位错数量有一定限度，位错塞积模型能很好地符合微米量级 晶粒所具有的这些条件。
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Hall-Petch关系并不适用于宏观尺寸晶粒组成的晶体材料 晶粒在毫米量级以上时，一方面，由于晶粒尺寸过大，可以看作趋向无穷，即 外加切应力约等于τ＊；另一方面，由于晶粒直径过大，从而位错塞积中的位错数量 也相当大，在外加切应力作用下，位错塞积末端的位错还在受力运动，领先位错的 应力集中已使相邻晶粒内的位错（或位错源）开动，甚至摧毁晶界，形成微裂纹， 这与推导Hall-Petch关系的位错模型不一致。 Hall-Petch关系不适用于纳米晶粒 当晶粒尺寸达到纳米量级时，界面所占体积随晶粒直径减小而显著增加，已是 材料的组成部分。此外由于晶粒直径过小，晶粒有利取向上位错塞积的位错数量也 很小，使领先应力集中远小于相邻晶粒中位错（或位错源）开动所需的临界切应力τ ｃ。这些都违背了推导Hall-Petch关系的位错模型。 37
晶粒取向不同，由于存在着晶界及晶粒大小有 差别，使得多晶体的塑性变形和强化有许多不 同于单晶体的特点。
11.2.1 晶界对塑性变形过程的影响
晶界:相邻的取向不同的晶粒边界区域，或者说 是周期性的点阵的取向发生突然转折的区域。 晶界分大角度，小角度:
▲小角度晶界可以用位错来描绘，刃位错垂直堆 成倾斜晶界)角度小于20度; ▲大角度晶界可以看成是原子排列混乱的区域 . 叠
晶界的作用
晶界对塑性变形过程的影响，主要是在温度较低时 晶界阻碍滑移进行引起的障碍强化作用和变形连续 性要求晶界附近多系滑移引起的强化作用。
（1）晶界的障碍强化作用
多晶体的塑性变形两大特点：第一是变形的传递，第二是变 形的协调。 难变形的晶界处塞积大量位错，出现竹节状，产生应力集中。
塞积群内位错的分布不均匀。在靠近障碍物一边位错密度大
（4）面心立方金属单晶体的加工硬化理论
在应力-应变曲线中为什么会形成三个硬化系数不同的阶段： 第I阶段基本是单系滑移； 第Ⅱ阶段出现了多系滑移； 第Ⅲ阶段出现了交滑移。
组织结构中出现面角位错（第Ⅱ阶段）及交滑移的动态软 化机理（第Ⅲ阶段）
11.2 金属多晶体的塑性变形和强化
多晶体是通过晶界把取向不同，形状大小不同， 成分结构不同的晶粒结合在一起的集合体。
温度效应：由于ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ变速率很高（如同绝热过程中形变
热来不及散失），塑性功转化成形变热而提高了变形物 体温度，使屈服应力降低的。－－软化作用
规律较复杂：
在不同温度区间应变率速效应是不同的
高温区（完全软化区）（ T/Tm =0.7～1.0）应变速率 效应影响最大 ；
过渡区（T/Tm =0.3～0.7） 的应变速率效应居中；
第12章 金属在塑性变形中的组织结构与性能变化
冷变形后金属组织结构和性能的变化 冷变形金属的回复阶段 再结晶和晶粒长大 热变形过程中金属组织结构和性能的变化 2
单晶体的塑性变形和加工硬化 多晶体的塑性变形和强化 合金的塑性变形和强化 金属和合金的塑性 金属的超塑性
第11章 金属的塑性变形和强化
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11.1 单晶体的塑性变形和加工硬化
σs=σi+KD-1/2
式中 σs——屈服应力； D——平均晶粒直径； σi、K——实验常数。 细化晶粒非常重要，增加了金属材料的强度，此公式应用很广。其强化机
理一般用位错塞积模型来推出。
大量试验证实了多晶体材料的外加切应力τ与晶粒直径平方
根的倒数呈线性关系， Hall 和 Petch 首先通过实验数据归纳出
产生柯垂尔气团,对位错的钉扎很牢，出现屈服效应现象. 当温度从室温上升时，上下屈服点反复出现，出现动态形变时效.
（2）变形温度与应变速率的影响
• 温度对加工硬化有很大的影响: 温度升高：硬化系数降低，屈服应力值减小。
其原因为： ①可能开动新的滑移系统 (对于密排六方晶体意义突出); ②在变形过程中出现回复和再结晶的现象，引起金属软化; ③可能出现新的塑性变形机理(温度较低时,控制机理为滑移，孪生;高温出现 扩散机理，晶间滑动机理。)
④体心立方晶体具有低温脆性 在低温下，屈服应力上升特别突出
主要原因有两条：
ⅰ. 体心立方晶体的点阵阻力对温度的依赖性更明显，而由于
体心立方晶体的位错宽度较窄，其点阵阻力对屈服强度有 重要作用。
ⅱ. 体心立方晶体中的位错与溶质原子特别是间隙原子的相互
作用强烈。
在低温下，体心立方晶体的屈服应力值很高，很容易 发生脆性断裂。
这个关系，即 τ＝τ＊＋ｋｄ－１/２
[1] Hall E O. The deformation and ageing of mild steel: III discussion of results[J]. Proceedings of the Physical Society. Section B, 1951, 64(9): 747. [2] Petch N J. The cleavage strength of polycrystals[J]. J. Iron Steel Inst., 1953, 174: 25-28. 34
在高强度的钢种中，细化晶粒可以提高其韧性；有助于 防止脆性断裂发生，可降低脆性转化温度，提高材料使 用范围。 在低强度钢中（如低碳结构钢），利用细化晶粒来提高 屈服强度有明显效果。尤其是超细晶组织对提高强度和 韧性作用更突出。 在超塑性变形时，细化晶粒可以得到理想的超塑性变形。 因为超塑性变形的控制机理为晶间滑动机理，等轴细小 晶粒更有利于晶间滑动变形。
材料的韧性(toughness)：材料受力作用直到断裂的过程所吸收的总能量
金属材料的韧性主要来自其塑性变形过程所吸收的能量塑性好，韧性高；反之韧性低
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在不同温度下进行系列冲击试验，观察到有些金属材料的冲击吸收功随着温度发生 剧烈变化，低温下变脆
表达转变的特征量： 韧脆转变温度(DBTT) ( ductile-to-brittle transitiontemperature) FATT ( fracture appearance transition temperature) 根据冲击断口形貌的变化确定的 韧脆转变温度，如FATT50
加工硬化: 金属在冷塑性变形过程中，随着变形程度增加，其强度 和硬度提高而塑性（延伸率、面缩率）则降低，这种现象称为 加工硬化（应变硬化、应变强化）。 • 有时产生后需要消除 • 有时相反，需要加以利用，借以有效地强化材料
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（1）面心立方金属单晶体的应力-应变曲线
易滑移→线性硬化阶段→抛物线硬化阶段
固态成形理论基础
第11章 金属的塑性变形和强化
张朝磊
材料加工与控制工程系 材料成形理论与质量控制研究室
引言 第10章 金属塑性变形的物理本质 第11章 金属的塑性变形和强化
11.1 11.2 11.3 11.4 11.5
12.1 12.2 12.3 12.4 10.1 塑性变形机理 10.2 金属的屈服强度 • 课程目的、特点、体系、内容的组成 • 为什么学？如何学好？学了有什么用？