金属塑性变形物理基础(

开动位错源所需的应力和位错在运动过程中遇到的各 种阻力构成了金属的实际屈服强度。
(1)开动位错源所必须克服的阻力 ：

τ d=
Gb L
式中 G——剪切模量； b——位错柏氏矢量； L——位错线长度。 这种抑制住位错源开动的阻力，也称为源硬化 .
(2)点阵阻力

τp≈
2G exp(2 a / kb) k
研究：金属和合金在经受各种加工时，其相变规律， 相变发生的条件，组织演变规律，对材料性能影响等。
2.金属塑性变形的物理本 质
2.1 塑性变形机理 金属塑性变形包括晶内变形和晶间变形； 晶内变形：各种位错运动而实现晶内的一部分相对

于另一部分的剪切运动剪切运动有不同的机理， 其中在常温下最基本的形式是：滑移、孪生。 晶间变形：在T ≥ 0.5Tm（Tm：熔化温度）
密排六方金属，由于滑够系统少，各滑移系相对于外力的取向都 不利时，也可能在形变一开始就形成孪晶。




面心立方晶体的孪生过程
●—切变前原子的位置
○—切变后原子的位置
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
2.1.3 扩散塑性变形机理

当金属在高温塑性变形时，扩散就起着重要的 作用。 扩散作用是双重的:

掌握了形变、形变和相变相结合的过程中金属材料组 织结构的变化规律，就可以利用这些规律，设计和优 化加工工艺， 获得满足性能要求所需要的组织结构。
这些规律就是:材料在塑性变形过程中的物 理基础, 或称:塑性加工金属学。
前言

有时为了充分发挥冷、热加工、热处理和形变热 处理改变金属材料的组织结构的作用，也经常适 当地调整化学成分，从而获得更好的效果。
w=a/(1-ν)
τp
2G exp( 2w / b) K
位错宽度w值越大，则τp值越小。 点阵阻力对温度很敏感，这是一种短程力。
对于位错宽度w窄的体心立方晶体，点阵阻力对材料的屈服强度就有 一定的左右作用，在温度较低时，作用更强烈。
(3)位错应力场对运动位错的阻力

刃位错 : Gb τG= 2 (1 ) L
金属抵抗塑性变形能力：和加载的应力状态有关；受变形温度、 应变速率和变形量等外在实验条件和内在的成分、组织状态的影 响。 屈服强度作为金属材料的力学性能指标，专指的是在单向应力状 态下和相应的变形温度、应变速率和变形程度下，产生塑性变形 所需要的单位变形力。


2.2.1 理论屈服强度的估计

经典塑性变形理论对塑性变形的描述：
1.金属材料的一般特性

金属材料,尤其是钢铁材料: 由于本身具有比其它材料优越的综合性能; 由于在性能方面以及数量和质量方面蕴藏着巨大潜力; 对人类文明发挥着重要的作用。 决定金属材料性能的基本因素： 化学成分 --- 金属元素; “组织” 和“结构”--- 原子集合体的结构以及内部组织。

1.1 金属组织结构
（1）金属组织：用肉眼或不同放大倍数显微镜所观察到的金属内部的情景。
低倍组织或宏观组织---放大几十倍的放大镜或用肉眼所观察 的组织； 高倍组织或显微组织--- 放大100－2000倍的显微镜观察的组织； 电镜组织或精细组织---- 用放大几千倍到几十万倍电子显微镜所 观察到的组织。 对组织的研究是金属学的重要内容，晶粒是组织的基本组成单位，而由晶界把不 同的晶粒结合在一起。

形核的取向关系; 共格晶界与非共格晶界;



过渡相的存在:亚稳相 新相的组织形态:随条件而变化; 非扩散转变---马氏体转变:
马氏体转变:温度低,原子扩散困难而无法进行,旧相又难以稳定存
留时,以切变的方式无扩散地转变为新相—马氏体.

特点:
a.不引起化学成分的变化，只产生结构类型的变化； b.形核和成长两个过程；成长速度很快； c.不需要原子扩散，依靠复杂的切变过程；马氏体与母相之间的界 面必须保持切变式的共格关系； 切变和共格是不可分割的两个重要属性。 d.类型： 变温马氏体：连续冷却时，由高温相转变而成； 恒温马氏体： 应力引起马氏体转变：在某一个温度下。

对超塑性变形，大家的观点认为是晶间滑动机 理为其控制机理。
为改善材料的超塑成形性，并尽可能提高成型效率，就 要加强该种形变机理的作用，细化晶粒就是采用的有 效措施之一。
纯银的变形机理图
2.2 金属的屈服强度

金属的屈服强度是指金属抵抗塑性变形的抗力。定量 地讲，屈服强度是指金属发生塑性变形时的临界应力。
1.2.1 凝固：液态到固态的结晶过程 固溶体的凝固组织特殊性（与同分结晶相比）
晶界偏析等。

（1）显微偏析：晶内偏析（或枝晶偏析）；晶粒之间的偏析； （2）晶粒的形貌：易于出现组成过冷，出现不规则的液／固
界面， 晶体易于以胞晶或枝晶向液相中成长，出现不均匀的晶粒 组织。

铸锭的凝固组织：细晶粒外壳；柱状晶；等轴晶；
前言

因此,为了达到有效的控制材料性能的目:
在现代缺陷理论的基础上，阐明金属塑 性变形的物理实质、变形机理、塑性变 形时材料的组织结构和性能变化的关系， 从而为合理地选择加工条件，保证塑性 变形过程的进行提供理论基础。
课程内容
1.金属材料的一般特性 2.金属塑性变形的物理本质 3.金属的塑性变形和强化 4.金属在塑性变形中的组织结构与性能变化
●滑移
●孪晶
2.1.1 滑移
≈
点阵阻力
p≈
2G exp(2 a / kb) k
滑移系统

面间距a越大、柏氏矢量越小时派一纳力越小

密排面和密排方向就是滑移面和滑移方向。滑移面和 位于其上的滑移方向就构成了滑移系统。
滑移系统
面心立方晶体的<110>{111} 的12个滑移系
体心立方晶体中通过［ 111 ］方向的 12个滑移面
1.2.2固态相变

(2)固溶体的脱溶 ---另一类固态相变 即固溶体的沉淀：沉淀过程中形成的新相； 组织特点：3种，

作用：沉淀强化机理；
1.2.3 铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织

钢和铸铁：铁基合金 铁碳二元系中：钢----含碳小于2.11%； 铸铁---含碳大于2.11%（重量）。 工业用钢还含有其它元素。

(5) 割阶运动所引起的阻力

τD =
QD 2 b x
τ C=τ d+τ P+τ G+τ S′+τ S"+τ
D
实际晶体的切屈服强度 把以上几种阻力叠加起来，就是实际 晶体中位错运动时所必须克服的阻 力，也就是实际晶体的切屈服强度 τC，即:

铁的化合物：当铁碳合金的含碳量超过铁的溶解度时， 多余的碳以碳化物的形式存在于铁中。
如：渗碳体: Fe3C
铁碳相图
（1）铁碳相图

五个点 ----分成 七类组织 P(0.0218%C) , S(0.77%C), E(2.11%C), C(4.30%C), F(6.69%C); 表1 铁碳合金的分类：
滑移是一部分晶体在滑移面上，沿着滑移方向，相对于另一部分 晶体的刚性整体式地切变。
图10-7 理想晶体原子的排列情况
原子间受力后产生的位移
切应力与位移的关系
理论切屈服强度

τ≈τmsin2π
x b
式中τ m——最大切应力幅值。 x 原点附近的（x/b）很小，故可简写为：τ ≈τ m2π
b
x 应力，应变关系近似符合胡克定律： τ =G a 式中G——晶体的切弹性模量； a——两层相邻原子的间距。 令a = b，
0

螺位错彼此相对穿过所需的切应力: τ G = Gb
2L0
式中：G——切弹性模量；b——柏氏矢量；
——泊松比； ——两平行位错间距。
(4)位错切割穿过其滑移面的位错林所引起的阻力

切割林位错所引起的阻力用τS′表示，是 一种短程力 ;对温度敏感。 林位错的应力场对运动位错的阻力用τS" 表示。τS"是一种长程力，其对温度不敏 感。
（3）结构缺陷：金属学中将原子组合的不规则性，统称 为结构缺陷，或晶体缺陷。


缺陷种类：
点缺陷：溶质原子，间隙原子，空位；



线缺陷：位错； 面缺陷：晶界，相界，层错，半位错…. 体缺陷：如固溶体中的偏聚区，孔洞….
1.2 金属与合金的相变




金属与合金的“态”：金属和合金随温度、压力和成分 不同可分别处于固态、液态和气态。这些态可以是稳定 或不稳定或亚稳定；与条件有关；可以相互转变；使材 料具有不同特性； 相：金属合金的不同组态是由不同的相组成的。在一个 系统中那些成分一致、结构相同并有界面相互分隔开的 均匀组成部分的综合称为相 。 相转变总是伴随着性能的剧烈变化。 相图：相平衡关系的图解。符合相平衡的热力学规律， 遵守相律的，表示出成分、温度和压力的坐标关系图。
则：τ m≈G/2π
实际晶体屈服强度的引出 一般金属的切弹性模量G为104—105MPa之 间，晶体的理论屈服强度为103—104MPa 数量级。 实验测得纯金属单晶体的屈服强度大致 为1MPa


理论值是实际值的1000倍以上，这说明把滑移过程看 作是整体刚性的移动与实际相差较远。
2.2.2 实际晶体屈服强度的构成
金属塑性变形物理基础
宋仁伯 北京科技大学
前言

塑性变形是一种最常用的生产产品的工艺方法， 材料经过塑性成形使其具有需要的形状和性能， 才体现出它的价值。

材料加工的目的就是两个：一是改变材料的形状， 另一个是改善其性能。
前言
金属材料的性能（包括使用性能和深加工性 能）:在使用条件一定时，是决定于成分和 组织结构的。 在材料的化学成分一定的情况下，其组织结 构是由加工工艺决定的，即通过冷、热加工、 热处理和形变热处理可以在很大范围内改变 金属材料的组织结构，从而改变材料的性能。