2.金属塑性变形的物理本质

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两端夹头处：滑移完全受限制，不能产生塑性变形。
靠近两端处：有一过渡区，晶面发生弯曲来适应中间 部分的位向变化。 在中间部分：除滑移外，伴随着两种转动。 ①滑移面向拉力方向转动。
② 滑移方向向最大切应力方向转动
1
由于晶体发生转动，使取向因子发生变化. 滑移系由有利方位转到无利方位——几何硬化 滑移系由无利方位转到有利方位——几何软化
②同一晶粒变形也不均匀 1
推论：晶粒细，不均匀变形小，塑性好。 晶粒粗，不均匀变形大，塑性差。
1
２．变形有先后
在外力作用下，软取向的晶粒或σs低
的晶粒首先发生变形。
３．变形协调性
①所有晶粒都要参加变形。
②至少需要五个独立的滑移系。
４．变形抗力增加
①克服位错在晶内移动的阻力。
②克服位错在晶界移动的阻力。
η ——发热率
纯金属： η＝0.85～0.90
合金： η＝0.75～0.85
温度效应——在塑性变形中，由于热效
应使工件温度升高的现象
以αt表示
αt＝（tg－t0）／t0 t0 ——变形前工件温度
tg ——变形后工件温度
三．影响热效应（温度效应）的因素
１．变形程度ε
ε↑，Am↑， αt↑ ２．变形速度
2.3 塑性变形时的屈服 一．屈服效应 屈服——材料由弹性状态进入塑性状态，开始 塑性变形。 １．屈服极限 ——开始塑性变形时，作用在物体截面上的
最低应力。用σs表示。
对于单晶体： σs ＝τk／cosλ·cosυ
对于多晶体:
真实定义σs 很困难
２．屈服效应 ①概念 在拉伸的σ－ε曲线上，有明显的 上、下屈服点及屈服平台的现象。
自相平衡的附加原子位能 Ac 约占10～15%A Am_—克服原子的移动阻力所需要的能量
约占80~85%A
Am以热量形式放出，也称为塑性变形热能
A＝Ae＋Am
＝Ar＋Ac＋Am
Ar ：随外力去除而释放 Ac ：以残余应力的形式贮存在金
属内部。也叫潜能。
二．塑性变形的热效应 热效应——在塑性变形中，部分能量转化为热量 的现象。 以Am表示热效应的大小。 Am＝η·A Am——转化为热量的能 A ——总塑性变形能
１．测定方法 ①拉伸法 试样：圆柱体 变形抗力 σ＝ P/F 拉伸法测出的σs较精确，且方法简单 缺点：延伸率不应大于20～30％ ②压缩法 变形量比拉伸法大
缺点：接触摩擦影响单向压应力状态
试样的高径比 H/D 不大于 2～2.5
２．计算方法 (1)实验公式法 (2)计算图表法 热力系数法 先求出一个基础值σ0，各种因素的影响用修 正系数表示，求出不同条件下的变形抗力σs
一般低温、高速有利于孪生的产生。
三．塑性变形的其它机理
扩散机构：原子逐步从一个位置迁移到另
一个位置的过程。
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非晶机构：原子流象粘滞性液体一样连续 流动。它是温度接近熔点的变 形机理。 晶块转动机构：此种机构会使晶界发生显
微破坏。
2
空位迁移过程
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2.2 多晶体的塑性变形
一．多晶体变形的特点 １．变形不均匀 ①各晶粒的变形不均匀
第二阶段短
温度低，第三阶段推迟出现
２．多晶体的加工硬化曲线
特点：没有易滑移阶段 分四个区 Ⅰ 小变形区
Ⅱ 强烈硬化区
Ⅲ 织构形成区 Ⅳ 高变形区
３．加工硬化能力表示法
①加工硬化率 相对于曲线的斜率
②硬化系数 n ③硬化强度 σ＝K·εn σK / σC K为常数
三．影响加工硬化的因素 １．金属本性 ①滑移系↑，硬化↓ ②杂质↑，硬化↑
↑，Am↑， αt↑
３．变形温度 T℃↑， Am ↓， αt ↓ 温度低，热效应显著
四．热效应作用
１．使变形抗力↓ Am↑→ tg℃↑
２．塑性↑
tg℃↑，原子扩散加快，裂纹愈合快
３．使塑性过程发生变化
冷加工→温加工→热加工 ４．引起相变 tg℃↑ 达到T相变℃
５．使金属组织、性能发生变化
2.6 塑性变形时的相变
１．产生滑移的条件
内在条件：晶体要有滑移系 外部条件：有外力作用，使作用在滑移面上 的滑移方向上的分切应力τ达到
临界切应力τK
① 滑移系
滑移系——一个滑移面和此面上的一个滑移方
向组成一个滑移系
讨论 a)晶体结构不同，滑移系不同
b)温度不同，滑移系不同
c)滑移系越多，晶体塑性越高
面心立方、体心立方＞密排六方
②产生原因
间隙原子（C、N）与位错发生交互作用的结果
“柯氏气团”，对位错起“钉扎”作用。
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脱离“柯氏气团”前后的应力相当于曲线上的
上、下屈服点。
二．吕德斯带
１．概念
——由许多已经屈服的晶粒所构成的一个塑性
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２．形成
分三个阶段
(a)成核阶段 (b)成长阶段 (c)传播阶段 σs上——吕德斯带的成核应力 σs下——吕德斯带的传播应力 ３．后果 使工件表面粗糙不平。
２．变形温度
温度↑，硬化↓ ①回复、再结晶 使金属软化 ②扩散作用
温度↑，原子活动能力↑
位错易束集→交滑移→
阻力下降
其它机理起作用
３．变形速度
① 变形速度对硬化的影响
0——临界变形速度
＜
＞
0 0
变形速度对应力无影响
变形速度↑，硬化↑
↑↑，硬化率↓ 假若软化＞硬化时，曲线下跌 ② 温度对速度效应的影响 速度效应就是变形抗力随变形速度的变化情况。
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滑移方向上的分切应力为：
τ＝P/ F0·cosλ· cos υ＝σ· cosλ · cos υ
P↑，τ↑ 当τ→τK时，σ→σs
τK ＝σs· cosλ · cos υ
cosλ · cos υ——取向因子
讨论 a)τK 是表征材料特征的物理量，与λ 、 υ无关，即： τK与取向 因子无关，与滑移面、滑移方向的位置 无关
继续进行。
体心立方晶体最易发生交滑移。
二．孪生机理
在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶
面和晶向与另一部分发生镜面对称的形态。
特点： ①孪生沿孪生面、孪生方向进行。统称孪生系。 ②孪生滑移量不是原子间距的整数倍。 ③孪生变形量很小。孪生为辅助变形机构。 ④孪生变形所需力很大。 τ孪＞＞τ滑 ⑤孪生变形的应力－应变曲线有明显的锯齿形。 1
为什么面心立方的塑性要比体心立方的好？ 滑移方向对滑移的贡献比滑移面大。
② 临界切应力τK
晶体在外力作用下，产生滑移的力是
滑移面上沿滑移方向作用的分切应力，当
τ→τK时，才能发生滑移。
设试样的横断面积为 F0
作用力为 P
作用力与滑移面法线夹角为υ 作用力与滑移方向夹角为λ 外力P在滑移方向上的分力为： P·cosλ 滑移面面积为： F0 /cos υ
高温时：完全软化温度区间
T/TM＝0.7～1 速度效应大
即：随变形速度↑，变形抗
力增加的多，△σ大 低温时： 完全硬化温度区间 T/TM＝0～0.3 速度效应小
即：随变形速度↑，变形抗力增加不大
四．变形抗力的计算 变形抗力——在一定变形条件下进行塑性变形时于 单位横截面积上抵抗此变形的力 变形力 P＝p· F p——主作用力方向上的平均单位变形力 F——接触面积在与 P 垂直方向上的投影 p＝nσ·σs nσ ——应力状态影响系数，一般 nσ＞1 σs ——在单向应力状态下所测定的变形抗力
１. 加入Nb、V、Ti元素，形成C、N化合物， 使间隙原子↓ ２．湿氢气氛保护退火，还原作用生成CH4↑、NH3↑ ３．变形后，低温仃留，不利于C、N原子形成 “柯氏气团”。 ４．进行预变形
对于深冲钢板，冲压前先进行微量的变形
（1～2％），使屈服点消除。
2.4 塑性变形中的硬化 一．加工硬化的概念 １．定义 ——在变形过程中，随着ε↑，材料所有的 强度指标均提高，而塑性指标均下降，并伴有物 理－化学变化的综合现象。
三．形变时效
１．概念——具有明显屈服效应的金属，在变形
后于室温长期仃留或短时加热保温，引起屈 服应力升高并出现明显屈服点的现象。
２．产生原因 因为长期仃留，溶质原子通过扩散又重新 聚集到位错线周围，形成了“柯氏气团”。 ３．后果 变形抗力↑，设备磨损↑，能耗↑。 工件表面粗糙不平。
四．防止吕德斯带和形变时效的措施
b) 对一定晶体，取向不同, 产生滑移所需的拉
伸应力不同。
σs ＝ τK／ cosλ · cos υ cosλ · cos υ↑， σs ↓ 当滑移方向、拉力方向、滑移面法线在同一 平面上，即λ＋υ＝90°时，沿滑移方向的 分力P· cosλ最大。 1
λ＋υ＝90°
当υ＝λ＝45°时， cosλ · cos υ最大，
③变形不均匀，产生附加应力，变形抗力增加。
推论：
晶粒细，晶界占的比重大，变形抗力大。 Hall-Petch公式：σ＝σ０＋K· d-1/2 晶粒细化，可获得强度和塑性都较高的材料。
二．多晶体变形机理
１．滑移、孪生机理
２．晶粒的转动和移动
３．溶解－沉积机理
４．空位－扩散机理
５．粘滞性流动机理 （非晶机构）
二．加工硬化曲线（应力－应变曲线）
１．单晶体的加工硬化曲线（以面心立方晶体为例）
曲线分三段
曲线的斜率：加工硬化程度
加工硬化率
Ⅰ 易滑移阶段
滑移沿最有利的滑面和滑向进行。
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硬化由位错塞积引起。
Ⅱ 线性硬化阶段
形成了多滑移，随ε↑，位错不断增殖，
位错密度ρ↑，r↓， σ↑ Ⅲ 抛物线硬化阶段 与位错的交滑移过程有关 通常称为“动态回复”现象。
２．金属塑性变形的物理本质
本章要点：通过变形机理阐述塑性变形的物理－ 化学本质，以及塑性变形发生的主要 现象。