第6章材料的塑性变形

§6 材料的塑性变形
第一节 金属的应力-应变曲线 第二节 单晶体的塑性变形 第三节 多晶体的塑性变形 第四节 合金的塑性变形 第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响
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§6 材料的塑性变形
材料的力学性能实质上是根据材料在外力作用下所表现的变 形行为来评定的。
强度----抵抗变形和断裂的能力。
决定工件的加工性能
机制：
螺位错的交滑移：螺位错 从一个滑移面转移到与之 相交的另一滑移面的过程； 螺位错的双交滑移：交滑 移后的螺位错再转回到原 滑移面的过程。
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§6.2.1 滑移
（6）滑移的表面痕迹
单滑移 ----单一方向的滑移带； 多滑移 ----相互交叉的滑移带； 交滑移 ----波纹状的滑移带。
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图 铜镍合金相图及其固溶体性能与成分的关系
§6.4 合金的塑性变形
§6.4.1固溶体的塑性变形
（2）屈服和应变时效
在屈服过程中，试样的 应力集中处开始塑性变 形，这时能在试样表面 观察到与拉伸轴成45° 的应变痕迹，称为吕德 斯（Lüders）带
1）现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。
2）预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后
假设晶体内局部地区(面AH与GN之
间)的若干层(111)面间沿[112]方向
产生一个切动距离a/6[112]的均匀
切变，即可得到如图所示情况。
(a)孪晶面与孪生方向 (b)孪生变形时晶面移动情况 图 面心立方晶体孪生变形示意图
b=a/6[112]
பைடு நூலகம்
§6.2.2 孪生
孪生的晶体学
孪生面 A1{111},A2{112},A3{1012} 孪生方向 A1<112>,A2<111>,A3<1011>
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 解度也很低；
③溶质原子类型----间隙型溶质原子的强化效果好于置换型，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。
图 锌晶体中的形变孪晶
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§6.2.2 孪生
孪生变形的特点
相同点 晶体位向
位移量 不 同 对塑变的贡献 点
变形应力 变形条件
滑移
孪生
1 切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；3 不改变结构。
不改变（对抛光面观察无 重现性）。
滑移方向上原子间距的整 数倍，较大。
很大，总变形量大。
改变，形成镜面对称关系（对抛 光面观察有重现性）
小于孪生方向上的原子间距， 较小。
有限，总变形量小。
有一定的临界分切压力 一般先发生滑移
所需临界分切应力远高于 滑移 滑移困难时发生
变形机制
全位错运动的结果
不全位错运动的结果
§6.2.3 晶体的扭折
扭折现象----当受力的晶体处于不能进行滑移或孪生的某种 取向时，它可能通过不均匀的局部塑性变形来适应所作用的外 力。(图1）
弹性变形与塑性变形 常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折。
§6.2.1 滑移
(1)滑移现象
将抛光的单晶体试 样进行适当塑性变形
光镜观察到许多相互平行线---滑移带（无重现性）。
电境观察到滑移带中还有更细的 相互平行线----滑移线。
图 滑移带形成示意图
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§6.2.1 滑移
(2) 滑移系
（1）固溶强化
1）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑
性、韧性下降的现象。
2）强化机制
①溶质原子与位错发生弹性交互作用----柯氏气团钉扎 ②静电交互作用----电离程度不同的溶质离子与位错区发生短程
的静电交互作用，溶质离子或富集于拉伸区 或富集在压缩区均产生固溶强化。
③化学交互作用（Suzuki）----成分的偏聚导致位错运动受阻。
的流变应力；ε 1、ε 2分别为两个相在此应力时的应变。 由上两式可见，只有第二相为较强的相时，合金才能强化。
第二相为硬脆相时，合金的性能取决于
相的相对量
硬脆相的形状、尺寸和分布
——很大程度取决
§6.4.2 多相合金的塑性变形
扭折带有时也伴随着孪 生而发生。
孪生变形时，在有约束的 情况下，在靠近孪晶区域的 应变更大(图2a所示)。
为了适应其约束条件，往 往形成扭折带以实现过渡， 如图2b所示。
图1 晶体的扭折示意图
图2 伴随着孪生的扭折现象
§6.3 多晶体的塑性变形
多晶的塑性变形抗力都较单晶高，尤其对密排六方的金属更显著。 原因：多晶体一般是由许多不同位向的晶粒所构成的，每个晶粒在 变形时要受到晶界和相邻晶粒的约束，变形时，既要克服晶界的阻碍 ，又要与周围晶粒发生相适应的变形，以保持晶粒间的结合及体积上 的连续性。
当上式中的分切应力达到临界值时，晶面间的
滑移开始，这时F/A应当等于σ s，即：
s s cos cos
τs--临界分切应力
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§6.2.1 滑移
(3)临界分切应力
s＝scoscos
c取决于金属的本性，不受，的影响；
s的取值
或＝90时，s
；
，＝45时，s最小，晶体易滑移；
（3）晶界对变形的阻碍作用
1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。 2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。
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§6.3 多晶体的塑性变形
对只有两个晶粒的双晶试样拉伸结果表明，室温下拉伸变形后，呈 现竹节状，如图1所示。
晶界处的晶体部分变形较小，而晶内变形量则大得多，整个晶粒的 变形不均匀。
几何软化；，接近45，滑移变得容易。
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§6.2.1 滑移
(5) 多滑移与交滑移
1）多（双）滑移
----在多（两）个滑移系上同时或交替进行的滑移。 现象：形成两组或多组交叉滑移线。 特点：滑移变形抗力提高。比单滑移困难。
2）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。
图1 聚合型合金组织－Al青铜
图2 弥散型第二相合金组织－铁黄铜
§6.4.2 多相合金的塑性变形
（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，则合金变形阻力决定 于两相的体积分数。
σ m = f1σ 1 + f2σ 2
ε m = f1ε 1 + f2ε 2
上式f1、f2分别为两个相的体积分数，σ 1、σ 2分别为两个相在此应变时
§6.2.1 滑移
（7）滑移的位错机制
晶体的滑移是借助于位错在滑移面上的运动来逐步进行的。位错就是已滑移 区和未滑移区间的界线。 以刃型位错为例：
螺型位错的运动同样能导致晶体滑移。
§6.2.1 滑移
（7）滑移的位错机制
宏观上标志晶体滑移进行的临界分切应力应当与微观上克服位错运动阻力的外 力相等。对纯金属而言，位错运动的阻力主要包含以下几方面：
图 锌的单晶体与多晶体的应力－应变曲线 21
§6.3 多晶体的塑性变形
（1）晶粒之间变形的传播
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
（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。（保证晶粒形状的自由变化）
几何要素
滑移面 （密排面） 滑移方向（密排方向）
滑移系 = 滑移面 + 滑移方向(滑移面上)。
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
7 图 面心立方晶体中的滑移系
§6.2.1 滑移
(2) 滑移系
1) fcc: {111} × <110>，n＝12个。
2)bcc
低温时多为: {112} × <111>， n＝12个; 中温时多为: {110} × <111>， n＝12个; 高温时多为: {123} × <111>， n＝24个。
导致晶体产生变形的位错滑移在晶界处受阻，如图2所示。
图1 双晶拉伸
图2 位错塞积
§6.3 多晶体的塑性变形
3）晶粒大小与性能的关系
（a）晶粒越细，强度越高(细晶强化：霍尔－配奇公式)
s=0+kd-1/2 （Hall-Patch）
原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。
（b）晶粒越细，塑韧性提高
晶粒越多，变形分散在更多的晶粒内进 行，且每个晶粒中塞积的位错少，由应力 集中导致的开裂机会减少，可承受更大的 变形量，表现出高塑性。
细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易 萌生；晶界多，裂纹扩展曲折，在断裂过 程中24可吸收较多能量,表现高韧性。
§6.4 合金的塑性变形
§6.4.1固溶体的塑性变形
除了上述点阵阻力外，位错运动还会受到一些阻力： ②与其它位错的交互作用阻力； ③位错交割后形成的割阶与扭折； ④位错与一些缺陷发生交互作用。
§6.2.2 孪生
晶体塑性变形的另一种常见方式。
指在切应力作用下，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。
cos cos cos(90 ) cos 1 sin 2
2
取向因子：coscos
软取向：值大； 硬取向：值小。
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§6.2.1 滑移
(4) 滑移时晶体的转动
1）位向和晶面的变化
拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向; 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。
几何硬化：，远离45，滑移变得困难； 2）取向因子的变化
塑性----材料断裂前塑性变形的能力。 又是零件的重要使用性能
纳米铜的室温2超塑性
§6.1 金属的应力－应变曲线
§6.1.1 工程应力－应变曲线
P
A0
式中： P－作用在试样上的载荷； A0－试样的原始横截面积；
l0－试样的原始标距部分长度； l－试样变形后标距部分长度。
※应力和应变的计算中没有考虑变 形后试样截面积与长度的变化，故 工程应力—应变曲线与载荷—变形 曲线的形状是一致的。
放置一段时间或200℃加热后再加载出现屈服,且强度会有所提高。
3）原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。
26 图 低碳钢的屈服现象
§6.4.1固溶体的塑性变形
（3）固溶强化的影响因素
不同溶质原子引起的固溶强化效果是不同的，其影响因素很多，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；
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§6.4.2 多相合金的塑性变形
塑性变形取决于：
①基体相性质
②第二相的性质、形状、大小、数量和分布等 ——在塑性变形中往往起着决定性作用
常按第二相的尺度大小将其分为两大类： 聚合型:第二相尺寸与基体相尺度属同一数量级，如图1所示； 弥散型:第二相尺寸非常细小，并且弥散分布于基体相中，如图2所示。
以孪生方式塑变
密排六方结构的晶体，如锌、镁、镉等----滑移系较少。
体心立方和面心立方晶体，变形温度很低，形变速度 极快，以及其它原因使滑移难以进行，都可能出现。
a. 变形前
b. 滑移
c. 孪生
图 晶体滑移和孪生变形后的结构与外形变化示意图
§6.2.2 孪生
以面心立方为例， 说明孪生的具体过程：
3)hcp:
当c/a接近或大于1.633时，
{0001} × <1120>， n＝3个
当c/a小于1.633时，
{1010} × <1120>， n＝3个
{1011} × <1120>， n＝6个
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§6.2.1 滑移
(3)临界分切应力
设:
F--轴向拉伸载荷，A--横截面积， φ--滑移面法 线与中心轴线夹角，λ--滑移方向与外力F夹角， 滑移方向上的分切应力为：
图 工程应力－应变示意图
§6.1.1 工程应力－应变曲线
弹性变形－塑性变形－断裂
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§6.1.2 真应力－真应变曲线
为了得出真实的变形特性，应当按 真应力和真应变来进行分析。
T

P A
式中： P－作用在试样上的载荷； A－试样的实际横截面积。
A0l0 Al 常数
图 真应力应变曲线
§6.2 单晶体的塑性变形
①位错运动的阻力首先来自于点阵阻力，派尔斯（Peierls）和纳巴罗（ Nabarro）首先估算了这个力，所以又称为派－纳力（P-N力），它相当于简单立 方晶体中刃型位错运动所需要的临界分切应力：
式中：d为滑移面的面间距，b为滑移方向上的点阵间距，ν为泊松比。 采用上式，我们可以简单推算晶体的切变强度，对于简单立方结构，存在d = b，对 金属，取ν =0.3，可得τP-N＝3.6×10-4G，比刚性模型理论计算值（约G/30）小得多， 接近临界分切应力实验值。