第2章金属塑性变形物理基础

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75
100
d （cm） 第2章金-属1塑/性2变形物理基础
σ0：常数，变形抗力，约为单晶体临界切应力2～3倍 Ky：常数，变形影响
因此，晶粒细化，单位体积的晶界越多，削弱了 晶粒内部的应力场，无法达到变形发生的程度，故需 外加更大的力；而且晶粒细化，金属的塑性越好。 原因：1）晶粒细化，变形能均匀分布
3）晶粒之间、晶体内部和晶界附近区域
之间变形的不均匀性。（尺寸不一致）
由于晶粒变形的特点，使得晶粒大小对金属的塑 性和变形抗力有一定的影响。
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设晶粒平均直径d，材料屈服强度σs，根据实验 结果获得两者之间的关系表达式为
σs（MPa）
σs=σ0+-K1y/d2
200 100
25
变形所需的切应力为低。常温下，滑移优先；低温下， 孪生优先。
（二）晶间变形
主要方式是晶粒之间相互滑动和转动。
在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形主要是晶 内变形，晶间变形只是次要作用。
第2章金属塑性变形物理基础
二、塑性变形的特点
特点
1）各晶粒变形的不同性（方式不同） 2）各晶粒变形的相互协调性（目的一致）
变形量过大
亚结构
3.晶粒位向改变（变形织构，也称形变织构）
定义：多晶体中，晶粒随着变形量的增大，原来任意 取向的各个晶粒，会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。 这种由于塑性变形的结构而使晶粒具有择优取向的组 织，称为变形织构。
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丝织构在拉拔和挤压 中形成，轴对称变形， 其主应变为两向压缩、 一向拉伸。
2）弥散型两相合金 当第二相以细小微粒均匀分布于基体相时，将产生 显著的强化作用。
这种强化作用可根据其粒子进入 方式分为两类： a.第二相粒子通过对过饱和固溶 体的时效处理而沉淀析出，并产 生强化的，称为时效强化； b.第二相粒子借助粉末冶金方法 加入的，称为弥散强化。
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补充说明：第二相粒子也可分为可变形和不可变形 两种。可变形即位错切过微粒；不可变形即绕过微粒。 这两种方式的形成主要根据第二相粒子的尺寸大小，尺 寸过大，切过困难，绕过容易；尺寸过小，切过容易， 绕过困难。
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溶质原子的介入，使得 晶体内位错能降低（内 能降低）屈服强度降低， 容易造成吕德斯带的产 生，影响产品质量
（二）多相合金的塑性变形 多相合金的变形复杂，但仍是滑移和孪生为主。 根据多相合金中第二相粒子的尺寸大小可分为两类： 1）第二相粒子的尺寸与基 体相晶粒尺寸属于同一数量 级，称为聚合型两相合金。
前
后
板织构是在轧制或宽展 很小的矩形件镦粗时形 前
成的。特征是各个晶粒
的某一个晶向趋向于与
轧制方向平行，而某一 后
个晶面趋向于与轧制平
面平行
第2章金属塑Байду номын сангаас变形物理基础
影响：变形织构的存在，使得金属性能将显示各向异 性，且经退火后，织构和各向异性仍然存在，对产品 进行加工带来困难，并影响产品质量。例如，“制耳” 现象。 （二）性能的变化 加工硬化。即随金属变形程度的增加，金属的强度、 硬度增加，而韧性、塑性随之降低的现象。 原因：位错交互作用的结果。 应用：可使金属不用通过热处理的方式，在冷态下进 行强化，达到工作需要的强度。 缺陷：使得工件内部容易造成应力集中。
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2）第二相粒子十分细小，并 弥散地分布在基体晶粒内， 称为弥散分布型两相合金
多相合金晶体中第二相粒子的分布情况不同，使塑 性变形的情况与单相合金的有所不同。
1）聚合型两相合金
由于两相尺寸分布在同一数量级上。因此，只有第 二相为较强相时，合金才能得到强化。
较强相所 占比例
<30%，变形滑移发生在较弱相 30%～70%，两相接近 >70%，第成2章金为属塑性基变形体物理基相础 ，塑性由其控制
2）晶粒细化，晶粒的应变分布差异较小。
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三、合金的塑性变形 合金的相结构有两大类：固熔体和化合物。
常见的合金组织有两种：一种是单相固熔体合 金；另一种是两相或多相合金。 （一）单相固溶体合金
组织上和多晶体纯金属差异不大，变形机理也同样是 滑移和孪生为主。
由于溶入溶质原子，使金 属的变形抗力和加工硬化 率有所提高，塑性有所下 降，称为固溶强化
金属多晶体中，各晶粒的位向不同， 使得塑性变形必然不可能在所有晶 粒内同时进行，构成多晶体塑性变 形不同于单晶体。
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2、孪生（形变孪晶）
晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的 晶面（称为孪生面）和一定的晶向（称为孪生方向）
发生均匀切变。
金属在塑性变形时以何种方式变形，取决于哪种
第2章金属塑性变形物理基础
1、滑移
晶体在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面 和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变。 滑移矢量与柏氏矢量平行。
滑移发生的地方：原子密度最大的晶面和晶向， 例如面心立方的{110}和<111>，体心立方的{111}和 <110>等。
原因：原子密度最大的晶面，原子间距小，原子 间的结合力强；而其晶面间的距离则较大，晶面与晶 面之间的结合力较小，滑移阻力便小。
第二章 金属塑性变形的物理基础
2.1 金属冷态下的塑性变形 2.2 金属热态下的塑性变形 2.3 金属的超塑性变形 2.4 金属在塑性加工过程中的塑性
行为
第2章金属塑性变形物理基础
§2.1金属冷态下的塑性变形
一、塑性变形机理 多晶体的塑性变形包括晶粒内部变形
（晶内变形）、晶外变形（晶间变形）。
（一）晶内变形 变形方式：滑移（主要）、孪生（次要）
结论：滑移系多的金属要比滑移系少的金属变形
协调性好、塑性高；而其发生滑移的条件需沿滑移面 施加一定大小的切应力。
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P λ
滑移方向 P
设拉力P引起的拉伸应力σ， 切应力分量为 φ τ=σcosφcosλ
滑移面
令u=cosφcosλ，称为取向因子 当u=0.5或接近0.5，称为软取向 当u=0或接近0，称为硬取向
b
滑移面
第二相粒子第2章金属塑性变形物理基础
生成表面
四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 （一）组织的变化
1.晶粒形状的变化 金属冷加工变形后，其晶粒形状变化趋势大体与金属 宏观变形一致。
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2.晶粒内产生亚结构 金属的塑性变形主要是借助位错的移动进行的。
晶粒变形
位错堆积
位错缠结