第14讲单晶体多晶体的塑性变形、纯金属形变强化

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金属材料的塑性变形

§3．2 金属的形变强化
3.2.1 形变强化现象金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生
很大的变化，最明显的特点是强度随变形程度的增加而大为提高，其塑性却随之有较大的降低，这种现象称为形变强化，也称为加工硬化或冷作硬化。
加工硬化（形变强化 —— 强化材料的手段之一）
金属在冷变形时，强度、硬度↑ ，塑性、韧性↓。
3.2.2 塑性变形后金属的组织结构变化
⑴晶粒碎化，亚结构增多。
⑵晶粒拉长，出现纤维状组织。
塑性变形会使多晶体金属的晶粒、晶界形状、晶界上杂质元素的分布都出现沿变形方向的延伸。如果塑性变形量很大，晶界会变得模糊不清，只剩下沿变形方向的一条条纤维状条纹。这种组织称为纤维状组织。多晶体金属塑性变形时各个晶粒的取向还会发生一定的变化，即处于软位向的晶粒会边变形边向硬位向转动。所以当塑性变形量很大时还会使各个晶粒的取向基本一致而产生织构，并造成各向异性。
金属材料的塑性变形
实际上，单晶体的滑移变形除了晶体内两部分彼此以刚性的整体相对滑移外，晶体内部的各种缺陷（尤其是位错）的运动更容易产生滑移，而且位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。当位错运动到晶体表面时，晶体就产生了塑性变形。
2．孪生
晶体变形的另一种方式是孪生。孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分对应于一定的晶面（孪晶面）沿一定方向进行的相对移动。原子移动的距离与原子离开孪晶面的距离成正比，每个相邻原子间的位移只有一个原子间距的几分之一，但许多层晶面累积起来的位移便可形成比原子间距大许多的变形。
3.3.1 回复
加工硬化后的金属，在加热到一定温度后，原子获得热能，使原子得以恢复正常排列，消除了晶格扭曲，可使加工硬化得到部分消除。这一过程称为回复。

多晶体、单晶体金属的塑性变形

应变时效将低碳钢试样拉伸到产生少量预塑性变形后卸载然后重新加载试样不发生屈服现象但若产生一定量的塑性变形后卸载在室温停留几天或在低温如150时效几小时后再进行拉伸此时屈服点现象重新出现并且上屈服点升高这种现象即应变时应变时效原因室温长期停留或低温时效期间溶质原子cn又聚集到位错线周围重新形成气团所致
当 φ=45o时（也为45o），取向因子有最大值1/2，此时，得到最大分切应力。（2）能使晶体滑移的力是外力在滑移系上的分切应力。通常把给定滑移系上开始产生滑移所需分切应力称为临界分切应力。（3）在拉伸时，可以粗略认为金属单晶体在外力作用下，滑移系一开动就相当于晶体开始屈服，此时，对应于临界分切应力的外加应力就相当于屈服强度σs 。
多晶体的塑性变形
一、晶界阻滞效应和取向差效应 1．晶界阻滞效应：90%以上的晶界是大角度晶界，其结构复杂，由约几个纳米厚的原子排列紊乱的区域与原子排列较整齐的区域交替相间而成，这种晶界本身使滑移受阻而不易直接传到相邻晶粒。
滑移带中止与晶界处拉伸后晶界处呈竹节状
2．取向差效应：多晶体中，不同位向晶粒的滑移系取向不相同，滑移不能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中。
3．滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。 4．多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。由于晶界阻滞效应及取向差效应，使多晶体的变形抗力比单晶体大，其中，取向差效应是多晶体加工硬化更主要的原因，一般说来，晶界阻滞效应只在变形早期较重要. 5．塑性变形时，导致一些物理、化学性能的变化。 6．时间性 hcp系的多晶体金属与单晶体比较，前者具有明显的晶界阻滞效应和极高的加工硬化率，而在立方晶系金属中，多晶和单晶试样的应力—应变曲线就没有那么大的差别。
一般每出现一新的吕德斯带，都相应的要产生一次应力松弛，对应一次新的应力下降，当试样表面被吕德斯带全部扫过之后，再继续拉伸就会出现硬化现象。由于试样出现新的吕德斯带，吕德斯带相遇以及传播受阻使载荷波动引起曲线在下屈服点波动。

金属塑型变形优秀课件

➢ 多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45°的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。
（三）晶粒大小对金属力学性能的影响
• 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力.
（2）滑移系
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。
通常是晶体中的密排面和密排方向。滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原
子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。
晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积
• 晶粒位向的影响 ➢ 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了
保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形
便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。
➢ 密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
二、多晶体金属的塑性变形（一）特点 • 单个晶粒变形与单晶体相似，每
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第一节金属的塑性变形
一、单晶体金属的塑性变形单晶体受力后，外力在任何
晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。只有在

塑性变形与强化

σ
n b 2

即形成裂纹。
裂纹形成时滑移面切应力分量为τc，单向拉伸时τc=σ/2

切应变为
c i ( ) G
)d nb
σ
裂纹位错示意图

晶粒切应变位移：
(
c i
G
4G 形成裂纹时 f d
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3.杂物边界形成裂纹理论（Smith理论）
（1）模型 σ
铁素体（γp）裂纹晶界炭化物（γc）
固溶体位错运动与溶质原子价有关约为弹性交互作用的1316化学交互作用约为弹性交互作用的110但其不随温度变化而变化在高温中十分重要2位错线上溶质原子偏聚效应3有序固溶强化位错在具有有序结构的固溶体中运动时因异类原子对构成的局部有序受到破坏增加了系统能量相当于反向畴界增加位错继续运动需要更高的能量起到强化作对于面心立方结构中的短程有序固溶体位错运动阻力可表示为
E：弹性模量； γ：切应变；G：剪切模量
3
3. 弹性模量影响因素弹性模量主要取决于金属本性，与晶格类型和原子间距密切相关。过渡族金属Fe、Ni、Mo、W、Mn、Co等弹性模量都很大。合金中固溶合金元素随可改变晶格常数，但对钢铁材料改变不大。热处理改变组织对弹性模量影响不大。
（1）加工硬化率明显高于单晶体，无第一阶段。
（2）加工硬化率高。
要使处于硬取向的滑移
系启动，必须增大外力；
塑性变形过程中各晶粒内部运动位错的强烈交互作用使位错塞积严重，晶界处应力集中，硬化曲线很陡，加工硬化率高。
应力，MN/mm2
伸长，%
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4. 加工硬化作用及工程应用
（1）通过冷变形强化金属材料是一些金属材料强化的重要手段，如铜、铝、奥氏体不锈钢等。通过拔丝、轧板、拉伸使金属材料在成型的同时，整体强化。

纯金属的变形强化PPT课件

变形强化的重要性
提高金属材料的强度和硬度，使其能够承受更高的载荷和更恶劣的环境条件。
增强金属材料的耐磨性和耐腐蚀性，延长其使用寿命。
降低金属材料的成本，因为可以通过优化加工工艺来减少材料浪费和降低生产成本。
变形强化的历史与发展
早期发展
早在古代，人们就已经开始通过锻造、锤打等手段对金属进行变形强化。随着工业革命的兴起，人们对金属的强度和性能要求越来越高，变形强化逐渐成为一种重要的金属加工技术。
离子注入工艺
将金属置于真空状态下，利用离子束将特定元素注入到金属表面，使表面形成一层具有特殊性能的合金层，从而提高金属的耐腐蚀性和耐磨性。
04
纯金属的变形强化应用
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
航空航天领域应用
航空发动机叶片
通过变形强化技术提高叶片的强度和耐高温性能，确保发动机在高温、高压和高转速的极端条件下稳定运行。
ERA
位错强化机制
位错强化机制是纯金属变形强化中最常见的机制之一。
当金属受到外力作用时，位错会沿滑移面运动，导致晶体内部位错密度增加，形成位错缠结和塞积。
位错强化机制通过阻碍位错运动来提高金属的强度和硬度，从而提高金属的变形抗力。
孪晶强化机制
孪晶强化机制是通过孪晶界面的形成来阻碍位错运动，从而提高
总结
通过引入先进的工艺技术，可以有效地提高纯金属的加工质量和效率，降低生产成本。
应用领域的挑战与解决方案
挑战
纯金属在不同应用领域中面临不同的挑战，如高温、腐蚀、辐射等环境因素。
解决方案
针对具体应用领域，选择适合的纯金属材料和表面处理技术，以提高其耐久性和稳定性。

金属材料的塑性变形

⑵滑移只能在切应力的作用下发生。 ⑶滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍。滑移是通过位错的运动来实现的。
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3
2.孪生
在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶向（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变称为孪生。
孪生与滑移的区别是： 1）孪生所需要的临界切应力比滑移大得多，变形速度极快。 2）发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶带或孪晶。 3）孪晶中每层原子沿孪生方向的相对位移距离是原子间距的分数。
⑶形变织构的产生当变形量很大（70%以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取
向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。
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3.2.3 塑性变形产生的残余应力
残余应力: 金属表层与心部的变形量不同会形成表层与心部之间的
宏观内应力；晶粒彼此之间或晶内不同区域之间的变形不均匀会形成
⑴纤维组织形成金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。
当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成所谓纤维组织。
变形前后晶粒形状变化示意图
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⑵亚结构形成金属经大量的塑性变形后，大量的位错聚集在局部地区，将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。
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3.1.2 多晶体的塑性变形
1.晶粒取向对塑性变形的影响
在多晶体中，各个晶粒内原子排列的位向不一致，这样不同晶粒的滑移系的取向就会不同。
作用在不同晶粒滑移系上的分切应力会有差别，分切应力最大的那些晶粒最先开始滑移。多晶体金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生.

6金属的塑性变形与形变强化

孪生示意图
孪晶组织

与滑移相比：孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.

密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。
体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生
孪生变形。

面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形。

1、滑移变形的特点： ⑴ 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。

⑵ 滑移常沿晶体中原
子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。
第六章金属的塑性变形与形变强化

塑性变形及随后的加热对金
属材料组织和性能有显著的
影响。了解塑性变形的本质,
塑性变形及加热时组织的变
化，有助第一节纯金属的塑性变形
一、单晶体金属的塑性变形

单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹性变形及

⑶滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。

铜拉伸试样表面滑移带

⑷ 滑移的同时伴随着晶体的转动
转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶。
F A
0
A
1
F

2、滑移的机理把滑移设想为刚性整体滑动所需的

3、再结晶加热速度和加热时间

纯金属的变形强化

屈服现象的原因：
低碳钢屈服现象的原因：碳原子和位错的交互作用形成科氏气团以及位错增殖这两个因素共同作用的结果
低碳钢的应变时效
低碳钢的应变Leabharlann 效预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；原因:科氏气团
多相合金的塑性变形
多相合金的塑性变形
1 结构：基体＋第二相。 2 性能（1）两相性能接近：按强度分数相加计算。（2）软基体＋硬第二相第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；两相呈层片状分布（珠光体）；第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。
刃型位错
刃型位错
刃型位错
相垂直
相平行
螺型位错螺型位错刃型位错
刃型位错螺型位错
相垂直相平行
相垂直相垂直
位错交割对变形的影响
位错交割对变形的影响
两个柏氏矢量相平行的刃位错交割得到的是螺型扭折—位错张力要求位错变直，从而使扭折消失一个位错相割而形成割阶的话，其方向和大小相当于另一位错的柏氏矢量，其柏氏矢量与原位错相同,割阶和原来的柏氏矢量垂直，所以割阶都是刃型位错螺位错上的割阶比刃位错上的割阶运动阻力大

4 何谓单滑移、多滑移和交滑移？画出三者滑移线的形貌。 5 试分析单晶体滑移和孪生变形的异同点。 6 某面心立方晶体的可动滑移系为(111)[110]。（1）指出引起滑移的单位位错的柏士矢量。（2）若滑移是由纯刃型位错引起的，试指出位错线的方向。（3）若滑移是由纯螺型位错引起的，试指出位错线的方向。（4）指出在上述（2）、（3）两种情况下滑移时位错线的滑移方向。
位错的反应
位错的反应
1 1 1 [1 21] [211] [11 0] 6 6 6

金属单晶体与多晶体的塑性变形

1. 弹性变形与塑性变形弹性变形金属如果受应力较低，金属内原子间的方位与距离只产生微小的变化，当外力去除后原子会自行返回原位，变形随即消失。

塑性变形：当金属所受应力达到和超过某临界值（屈服强度），除了产生弹性变形外，还会产生卸载后不可恢复的永久变形。

滑移在外力作用下，晶体中一部分晶体相对于另一部分晶体沿着一定晶面产生相对滑动。

金属最重要的塑性变形机制。

滑移孪生孪生在外力作用下，晶体中一部分晶体相对于另一部分晶体沿着一定晶面产生相对转动。

1）滑移在超过某临界值的切应力下发生。

2）滑移常常沿晶体中最密排面及最密排方向发生。

此时原子间距最大，结合力最弱。

晶面间距示意图有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）滑移系: 滑移面（密排晶面）+滑移方向（密排晶向）较多的滑移系意味着有较好的塑性实际晶体的滑移机制: 依靠位错滑移。

如果晶体中存在位错，那么塑性变形依靠位错的滑移进行，比依靠滑移面两侧晶体的整体滑动，阻力小得多。

塑性变形的位错滑移机制示意图3）滑移在晶体表面形成滑移线和滑移带滑移线和滑移带示意图滑移带金相照片有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）2. 单晶体塑性变形：孪生机制孪生孪生面孪晶密排立方和体心立方的金属容易发生孪生变形；一般金属在低温和冲击载荷下容易发生孪生变形。

3. 多晶体的塑性变形•各晶粒在变形过程中相互约束；•大量晶界的存在对位错运动形成障碍。

3. 多晶体的塑性变形：晶粒取向对塑性变形的影响•软取向晶粒在一定的外加应力下能够滑移变形的晶粒；•硬取向晶粒在一定的外加应力下不能滑移变形的晶粒多晶体的塑性变形存在很大的微观不均匀性，并且变形抗力明显高于单晶体。

有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）3. 多晶体的塑性变形：晶界对塑性变形的影响细晶强化（晶界强化）晶界阻碍位错的通过，产生强化效果。

晶界越多，即晶粒越细小，不仅材料强度越高，而且由于增加晶粒数量，使得软取向晶粒更多，分布更均匀，改善微观变形的不均匀性，从而改善材料的塑性。

金属与热力学6.2 多晶体的塑性变形-

32
晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积
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晶粒大小对塑性变形的影响

实验表明，多晶体的
强度随其晶粒的细化
而增加。

Hall-Patch关系：
s 0 kd

1 2
屈服强度与晶粒尺寸的关系图
34
（2）多晶体金属的塑性变形过程
多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近
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运动位错的交割
在滑移面上运动的某一位错，必与穿过此滑移面上的其它位错（称为“林位错”）相交割，该过程即为 “位错交割”。位错相互切割后，将使位错产生弯折，生成位错折线，这种折线有两种：割阶：垂直滑移面的折线扭折：在滑移面上的折线
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柏氏矢量互相垂直的刃型位错
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位错的塞积
位错运动过程中除遇到其它位错而发生交截外，还可能遇到晶界，孪晶界，相界等障碍物而产生 “塞积”现象。
解：排六方金属的滑移面为（0001），而[0001]方向的力在
滑移面上的分切应力为零，故单晶体不能滑移。拉伸时，单晶体可能产生的形变是弹性形变或随后的脆断；压缩时，在弹性形变后可能有孪生。
讨论：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达到某一临界值时，才会产生滑移；而正应力只能引起弹性变形，甚至断裂。 46
b 晶粒越细，塑韧性提高
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金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较
脆性材料塑性材料

单晶体的塑性变形培训讲学

单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形滑移：即在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿着特定晶面（滑移面）上的特定方向（滑移方向）发生平移。

滑移不改变晶体各部分的相对取向，即不在晶体内部引起位相差。

滑移带：在金相显微镜下可以观察到，在抛光的表面上出现许多相互平行的线条，这些线条称为滑移带。

用电子显微镜观察观察，发现每条滑移带是由一组相互平行的小台阶所组成，这些小台阶称为滑移线。

滑移带就是相互平行的一组小台阶组成的大台阶。

滑移系：滑移面和位于滑移面上滑移方向的组合称为一组滑移系，表示为（ｈｋｌ）［ｕｖｗ］。

滑移系的个数等于滑移面个数×每个滑移面所具有的滑移方向的个数。

一般滑移系越多，塑性越好。

塑性还与滑移面密排程度、滑移方向个数和同时开动滑移系数目有关。

比如虽然面心和体心立方晶体都是有12个滑移系组成的，但面心立方的滑移面4个，滑移方向3个，而体心立方的滑移面有6个，滑移方向只有两个，面心立方的滑移方向多，因此塑性比体心立方要好些。

分切应力：m cos cos cos cos 0σφλσφλ===ΓA F 晶体中的某个滑移系能否发生滑移，取决于力在滑移面内沿沿滑移方向上的分切应力大小。

临界分切应力：当外力Ｆ增加，使拉伸应力Ｆ／Ａ０达到屈服极限 σｓ时，这一滑移系中的分切应力达到临界值 τｃ，晶体就在该滑移系上开始滑移，此时的分切应力称为临界分切应力，即刚好使滑移系开动的分切应力。

软取向：ｍ值大，σｓ最小，容易滑移硬取向：ｍ值小，σｓ＝∞，难以滑移，很吃力滑移面和滑移方向的转动在外力作用下，晶体的滑移面和滑移方向可能会发生转动．拉伸时，φ角增大，λ角减小；压缩时，φ角减小，λ角增大。

会导致从软取向变成硬取向。

单滑移变成多滑移。

多滑移：如果两个或多个滑移系同时处于最有利位置（ｍ值大），这些滑移系中的分切应力可能同时达到引起滑移的临界值，于是滑移过程将在两个或多个滑移系中同时进行或交替地进行。