第五章金属及合金的塑性变形

§5-3 多晶体与合金的塑性变形
晶界
一 多晶体塑性变形特点
⑴ 单个晶粒与单晶体一致 ⑵ 各晶粒的变形具不同时性
分批、逐次。 原因：取向不同 ⑶ 变形具不均匀性 晶粒内部与边界 晶粒之间（取向）
⑷ 多晶体变形抗(阻)力> 单晶体
原因： ① 晶界阻碍位错运动； ② 位向差→晶粒之间须协调
意义： 晶界强化——金属材料强化机制之一 霍耳—配奇公式： σs ＝ σ0＋Kd-1/2
孪生与滑移变形比较
2 孪生特点
① 孪生前后变形部分晶体位向改变，两部分 之间以孪生面为镜面对称
② 切变区域内与孪晶面平行的每层原子的切 变量与它距孪晶面的距离呈正比，相邻原子 间的相对位移为原子间距的分数倍
③ 存在临界分切应力: τ孪 >> τ滑 ④ 变形速度极快，声响，变形量小
四 影响塑性变形方式的因素
二 塑性变形对金属性能的影响
1 产生加工硬化 ⑴ 定义： 随变形度增大，金属的强硬度显著增高
而塑韧性明显下降的现象~ ⑵ 原因：位错增殖↑↑
⑶ 意义
① 强化手段—形变强化 ② 有利于塑性变形均匀进行 ③ 有利于金属构件的工作
安全性 不利：再变形难
└ 解决办法：冷加工之间 的再结晶退火
2 产生残余应力
滑移线与滑移带
——均为塑变后晶体表面产生的滑移台 阶，但大小不同
滑移带
τ
滑移线
单晶体
(~100个
原子间距)
滑移示意图
~10000个原子间距
2 滑移特点
⑴ 发生在最密排晶面，滑移方向为最密 排晶向 原因：密排面间原子面结合力最弱
Ⅱ Ⅰ
滑移特点之二
⑵ 只在切应力下发生，存在临界分切应力
σF σ τ τ
(111) 〔110〕
密排六方晶体的滑移系
滑 移 面｛0001｝ 滑移方向〈1120〉 滑移系数目
1×3=3
（3）滑移系数目的实际意义
——判断塑性变形能力 ① 滑移系数目愈多，塑性愈好 ② 滑移系数相同时，滑移方向多者
塑性较好
塑性排序：f.c.c>b.c.c>h.c.p
二 滑移机制
1 滑移机制
交滑移的意义：当位错沿一个滑移面的移 动受阻时，可通过攀移，转移到另一个 面继续滑移 →易滑移 →使滑移方向灵活， 可降低脆性
不同合金加工硬化效果不同
多系滑移
多交
系滑
单系滑移
滑 移
移
3 滑移系及滑移系数的实际意义
(1) 滑移系 一个滑移面和该面上的一个滑移方向称
为一个滑移系。 ——每种晶格滑移系数目的多少可用
┗主要研究手段
二 工程应力-应变曲线
低碳钢应力应变曲线 ——典型性
(1) 工程应力-工程应变曲线与 真应力-真应变曲线的差异
σ
S — e：真应力真应变曲线
颈 σ—ε：工程应力应变曲线 缩
ε
工程应力—应变曲线中“颈缩”现 象掩盖了 “加工硬化”
(2) σ—ε形式与材料塑性有关
1：退火低碳钢 2：正火中碳钢 3：高碳钢 弹性模量基本相同
为什么研究塑性变形？
理想：“近终形”浇注 实际：保持一定的“压下比” 原因：（1）成形需要
（2）改善铸态组织 消除铸态缺陷
§5-1 金属的变形特性
一 金属变形的方式及研究方法
1 方式：弹性变形 塑性变形 断裂
成形 失效
2 研究方法
曲线种类 ① 载荷—变形曲线 ② 真应力—真应变曲线 ③ 工程应力—应变曲线
来衡量滑移难易
（2）各晶体结构的滑移系 体心立方晶体的滑移系
滑移面：｛110｝
110 ，011，101，1 10，0 1 1，1 01
滑移方向：〈111〉 滑移系数：6×2=12
〔111〕 (110)
面心立方晶体的滑移系 滑移面：｛111｝
111，1 11，1 1 1，11 1
滑移方向：〈110〉 滑移系数: 4×3=12
（1）晶体结构 τ滑 <<τ孪，足够滑移系数目时→ 滑移 f.c.c：滑移；极低温例外（位错被钉扎） b.c.c：滑移为主；冲击或低温时例外 h.c.p：孪生 孪生作用：① 直接贡献；② 促进滑移
（2）变形速度
V变形 ↑， ↑孪生几率 原因：τ滑 ↑， τ滑 与τ孪 差距↓ （3）变形温度 T ↓ ，↑孪生几率； 原因：τ滑 ↑ ① V变形 ↑与低温综合作用加剧孪生 ② 滑移与孪生往往交替进行
§5-2 单晶体的塑性变形
F 塑性变形研究思路 ① 基本单元——单晶体变形特性 ② 晶界影响——多晶体变形特性 ③ 相界——合金变形特性
塑性变形方式：滑移；孪生
一．滑移现象与滑移特点
金属塑性变形后的滑移现象
高锰钢中的滑移带，500X
1 滑移定义
在外力作用下，晶体相邻二部分 沿一定晶面、一定晶向彼此产生相 对的平行滑动
σs的影响因素
当单晶体某晶面的切应力分量达到或超过τK 时，晶体开始发生滑移，也就意味着屈服的开始， 此时对应的外应力σ的大小即为σs 显而易见，σs的影响因素 ① 与τk有关 ② 与外力取向有关
σs＝ τK/(cosλ· cos φ) 思考： τK与σs的影响因素有何不同？
滑移特点之三
⑶ 滑移两部分相对移动的距离是原子间
二 合金塑性变形特点
⑴ 溶质原子阻碍变形 ——固溶强化
⑵ 第二相 ——与第二相的强塑性、大小、形态 和分布等有关 脆性相
塑性相
连续网状
① 第二相塑性优于基体，则：↑δ而↓σ
② 硬脆相： 分布合理，则 → 阻碍位错 → ↑σ 不合理 ， 则→ 不能塑变 → 应力集中 → 开裂 →↓δ、ak甚至σ
——第二相强化，弥散强化
弹 性σ 伸 长
τ 弹性歪扭
断 裂
塑性变形 （滑移）
什么是分切应力
λ:拉伸轴线与滑移方向夹角 φ:拉伸轴线与滑移面法向夹角
τ＝(Fcosλ)/(A/cosφ)
λ
分切 ＝F/A ·（cosλ· cos φ) 应力 ＝σcosλ· cos φ
什么是临界分切应力(τK)
——使滑移系开动的最小分切应力 ——当τ> τK时，发生滑移 τk 的影响因素 ① 取决于金属本性，与外力无关，取向无关 ② 组织敏感参数，金属不纯，变形速度愈大， 变形温度愈低， τk愈大
什么是取向因子
分切应力τ＝F/A ·（cosλ· cos φ) ＝σcosλ· cos φ 取向因子
分切应力的大小与其中的cosλ· cos φ直 接相关，称为cosλ· cos φ为取向因子
有关取向因子
(1)滑移面的取向因子大，则 分切应力大
(2)当滑移面法线、滑移方向、
外力轴三者共面, 即：
(3) 强化效果的定量关系式
细晶强化主要决定于晶粒的大小。晶 粒越细，晶粒平均直径越小，强度越高
细晶强化的定量效果满足霍耳 – 配奇 关系式：
σs = σ0 + k·d-1/2 式中 σ0——常数，大体相当单晶体金 属的屈服强度
作业
什么是固溶强化、位错强化、第二相 强化？写出各强化机制的强化定量关系式
3 位错在运行中产生交割与塞积，位 错密度愈高，交割与塞积愈严重。
① 不在同一滑移面上的位错相遇产生割阶 → 运行阻力↑→ 位错之间互为阻力 → ρ位错↑↑使σ、HB↑ 的主要原因
② 杂质、晶界、固定位错阻碍位错运行 ， 导致位错塞积
三 孪生
1 定义： 晶体在切应力下其一部分沿一定的
晶面和晶向相对于另一部分作均匀切变
1：有机玻璃硬而脆 2：纤维增强热固塑料Βιβλιοθήκη Baidu
硬而强
3：尼龙硬而韧 4：聚四氟乙烯软而韧
三 弹性模量与刚度
σ=E·ε；τ=G·γ；——弹性模量 意义： ⑴ 拉伸曲线上，斜率； ⑵ 弹性变形难易； ⑶ 组织不敏感：取决于原子间结合力
材料种类；晶格常数；原子间距 刚度
构件刚度：A·E ——弹性变形难易 材料刚度：E
位错学说 ① 晶体内部存在某类缺陷——位错 ② 塑性变形依靠位错的逐步运动。非单个位
错原子列作原子间距的完整跳跃，而是位 错中心附近少数原子作远小于原子间距的 弹性偏移实现——滑移的本质 —— τ实 〈〈 τ理的原因 —— 实际金属强度远小于理想结构金属强度
2 滑移过程中存在位错增殖
（1）位错增殖理论产生的背景 退火态ρ位错≈1010m-2 塑性变形中位错运动并最终消失于晶体表
滑移特点之五
⑸ 随滑移加剧，存在多滑移和交滑移现象
什么是多滑移：在两个及以上的滑移系 上同时进行的滑移
什么是交滑移？
交滑移： 多个滑移面同时沿一个滑 移方向进行的滑移
密排六方晶体沿基面和柱面 交滑移的示意图
铝单晶体形变出现 的交滑移
多滑移与交滑移的意义
多滑移意义：滑移的本质是借助位错线的 逐步运动。多滑移时不同方向的位错线 相交割，互为阻碍→难滑移，促进加工 硬化
位错与第二相粒子的交互作用 ——切过机制
位错与第二相粒子的交互作用 ——绕过机制
§5-4 塑性变形对金属组织和性能的影响
一 塑性变形对组织结构影响 1 晶粒变形：等轴状→拉长
形成纤维组织、带状组织 └ 性能各向异性
2 亚结构的细化
原因： 位错受阻后塞积、缠 结→亚晶界→ 晶粒分 化为许多位向略有差异 的小晶块
σ拉
σ压
σ拉＝ σs ＋σ压
σS
3 性能出现方向性 ← 形变织构，>70% 4 其它性能的影响
物理：电阻↑，导电、导磁性↓ 化学：化学活性↑，耐蚀性↓ 消除： 去应力退火
三 合金中的强化方式
1 晶界强化——细晶强化
⑴ 定义：通过细化晶粒，增加晶界，提 高材料强度的方法 ⑵ 特点 ① 是唯一同时提高σ、 ak、δ的机制 ② 只适于常温条件
第五章 金属及合金的塑性变形
本章目的 1 阐明金属塑性变形的主要特点及本质 2 指出塑性变形对金属组织和性能的影响 3 揭示加工硬化的本质与意义
本章重点
（1）拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指标 （2）塑性变形的宏观变形规律与微观机制 （3）加工硬化的本质及实际意义 （4）塑性变形对金属与合金组织、性能的影响 （5）金属材料的强化机制
⑴ 第一类内应力——宏观内应力 工件不同部位 —1%；造成变形
⑵ 第二类内应力——微观内应力 晶粒之间或内部不同区域 —9-10%；应力集中，造成裂纹
⑶ 第三类内应力—点阵畸变(位错、空位)
└90%；强度↑、塑性↓原因
内应力的消除与应用方法
（1）消除方法：去应力退火 （2）残余应力的应用：
喷丸处理——提高强度
面，故冷变形后位错密度应极大降低 实际冷变形后：ρ位错≈1015~1016m-2 —— 位错增殖学说
——Frank-Read位错源增殖机制
τ
位错源 D
D′
蜷曲
位错环
弓出
位错源 D D′
弗兰克-瑞德源机制演示
（3） 位错增殖的意义
引起滑移的位错在塑性变形中并不消 失，反而极大增殖，即ρ位错↑↑ ——位错强化 ——金属与合金重要的强化机制
根据原子刚性移动模型, 依虎克定律
τ理 = G·γ=G/2 但τ实 = 10-3~10-4 G/2 ——刚性移动模型失败，应有更
省力方式 ——位错学说的产生
参考（刘国勋《金属学原理》）
（1）位错的猜想与证实
完整晶体 有缺陷晶体
滑移 台阶
——位错学说的产生
刃位错滑移演示
刃位错滑移演示
（2） 滑移的本质
└ 变形中的晶粒碎化
晶格较完整的亚晶块 严重畸变区
3 产生形变织构
① 定义： 金属塑性变形到很大程度(>70%)时，
晶粒发生转动，各晶粒的位向趋于一致， 这种有序化的结构~
另：铸造织构
② 意义：性能各向异性
不利：变形不均匀，“制耳”现象
获特异性能：变压器铁芯硅钢片［100］ 难消除——须控制变形量
λ
λ＝90°-φ时，可能获最大取
向因子
cosλ· cos φ ＝cos(90°－φ)· cos φ
(3) 存在软取向与硬取向
软取向与硬取向
cosλ· cos φ＝cos(90°－φ)· cos φ
φ ＝45°时，取向因子获最大值1/2， 取向因子最大——软取向
φ或λ＝90°时，取向因子为0 ， τ＝0，取向因子最小——硬取向
——参考教材以及学校课程网站的辅导与 答疑
第五章 习题与思考题
1 说明下列符号所表示的意义及量纲 σe、σs、σb、σ0.2、δ、ψ、ak
2 面心立方、体心立方、密排六方金属的主 要塑性变形方式是什么？温度、变形速度 对其有何影响？铝、铁、鎂中哪种金属的 塑性最好？哪种最差？
距的整数倍，滑移后滑移面两边的晶 体位向仍保持一致；
τ
τ
τ
τ
滑移特点之四
⑷ 伴随晶体的转动和旋转，滑移面转向与外力 平行方向，滑移方向旋向最大切应力方向
P
P
滑移面
力偶
滑移前
产生 滑移后 转动
单晶体拉伸变形演示
晶体转动和旋转的意义
实际金属由多晶体构成，通过晶体的转动 和旋转，原来取向有利的晶粒(单晶体)经过 一定量塑性变形后取向不利，停止塑性变 形；原来取向不利的晶粒经过旋转、转动 取向变为有利，开始塑性变形 ——循环往复后可使塑性变形更均匀