Chp11-金属塑性变形的物理本质

３．意义 ①改善材料性能，使强度↑。
②使材料变形均匀。
③保障零部件的安全使用。
④能耗↑，磨损↑，变形抗力↑，塑性↓。
二．加工硬化曲线（应力－应变曲线） １．单晶体的加工硬化曲线（以面心立方晶体为例） 曲线分三段 曲线的斜率：加工硬化程度 加工硬化率
Ⅰ 易滑移阶段
滑移沿最有利的滑面和滑向进行。
1
取向因子小，不利方位——硬取向
σs 大，滑移难
２．滑移的特点 ①滑移是位错在切应力作用下逐步移动的过
程，并不是刚性的整体移动。
②滑移是沿滑移面和滑移方向进行的。 ③滑移距离是原子间距的整数倍。 ④滑移过程是位错不断增殖的过程。 ⑤滑移是不均匀的，有先后的；滑移变形时晶 体伴随有转动。 1
通过刃型位错移动造成的滑移示意图
继续进行。
体心立方晶体最易发生交滑移。
二．孪生机理
在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶 面和晶向与另一部分发生镜面对称的形态。
特点： ①孪生沿孪生面、孪生方向进行。统称孪生系。 ②孪生滑移量不是原子间距的整数倍。 ③孪生变形量很小。孪生为辅助变形机构。 ④孪生变形所需力很大。 τ孪＞＞τ滑 1
11．金属塑性变形的物理本质
本章要点：通过变形机理阐述塑性变形的物理－化学本
质，以及塑性变形发生的主要现象。
塑性变形机理主要有：常温： 滑移变形机理
孪生变形机理 高温： 扩散变形机理 晶界变形机理
11.1 单晶体的塑性变形 一．塑性变形的滑移机理 滑移——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移动。
1
两端夹头处：滑移完全受限制，不能产生塑性变形。
靠近两端处：有一过渡区，晶面发生弯曲来适应中间
部分的位向变化。
在中间部分：除滑移外，伴随着两种转动。 ①滑移面向拉力方向转动。
② 滑移方向向最大切应力方向转动
1
由于晶体发生转动，使取向因子发生变化.
滑移系由有利方位转到无利方位——几何硬化 滑移系由无利方位转到有利方位——几何软化
1
晶体中的三维
位错网
Frank-Read位 错增殖理论 1
３．滑移带 滑移带——由许多相互平行的 滑移线所组成
４．晶体的转动 以单晶体的拉伸过程为例说明。 无夹头时，拉伸轴线将逐渐发生偏转自 由滑移变形 有夹头时，拉伸轴线的方向受到限制， 不能改变，这样，就必须使晶面作相应的转 动，造成晶体位向的改变。
的晶粒首先发生变形。 ３．变形协调性 ①所有晶粒都要参加变形。 ②至少需要五个独立的滑移系。
４．变形抗力增加 ①克服位错在晶内移动的阻力。 ②克服位错在晶界移动的阻力。 ③变形不均匀，产生附加应力，变形抗力增加。 推论： 晶粒细，晶界占的比重大，变形抗力大。 Hall-Petch公式：σ＝σ０＋K·-1/2 d
３．后果
变形抗力↑，设备磨损↑，能耗↑。
工件表面粗糙不平。
四．防止吕德斯带和形变时效的措施
１. 加入Nb、V、Ti元素，形成C、N化合物，
使间隙原子↓
２．湿氢气氛保护退火，还原作用生成CH4↑、NH3↑
３．变形后，低温仃留，不利于C、N原子形成
“柯氏气团”。
４．进行预变形
对于深冲钢板，冲压前先进行微量的变形
散加快
二．变形条件对相变的影响
１．力学条件
压应力促进相变。
静水压力 P 越大，相变数量越大。 ２．变形程度
ε↑，相变↑
３．变形速度 ＜ V相变时，随 ＞V相变时，随 ４．变形温度 T℃＜T相变℃ 相变在以后的加热退火中发生 局部区域由于热效应而发生相变 ↑，相变↑ ↑，相变来不及进行
T℃＞T相变℃ 相变在变形过程中发生
２．变形温度
温度↑，硬化↓ ①回复、再结晶 使金属软化 ②扩散作用
温度↑，原子活动能力↑
位错易束集→交滑移→
阻力下降
其它机理起作用
３．变形速度
① 变形速度对硬化的影响
0——临界变形速度
＜ ＞
0 0
变形速度对应力无影响 变形速度↑，硬化↑
↑↑，硬化率↓ 假若软化＞硬化时，曲线下跌 ② 温度对速度效应的影响 速度效应就是变形抗力随变形速度的变化情况。
四．热效应作用 １．使变形抗力↓ ２．塑性↑ tg℃↑，原子扩散加快，裂纹愈合快 ３．使塑性过程发生变化 冷加工→温加工→热加工 ４．引起相变 tg℃↑ 达到T相变℃ Am↑→ tg℃↑
５．使金属组织、性能发生变化
11.6 塑性变形时的相变 一．塑性变形与相变的关系 形变诱导相变现象 原因： １．塑性变形导致能量起伏 ２．塑性变形导致浓度起伏 ３．塑性变形使得晶间松散，原子扩
变形力 P＝p· F
p——主作用力方向上的平均单位变形力
F——接触面积在与 P 垂直方向上的投影
p＝nσ·σs nσ ——应力状态影响系数，一般 nσ＞1 σs ——在单向应力状态下所测定的变形抗力
１．测定方法 ①拉伸法 试样：圆柱体 变形抗力 σ＝ P/F 拉伸法测出的σs较精确，且方法简单 缺点：延伸率不应大于20～30％ ②压缩法 变形量比拉伸法大
高温时：完全软化温度 区间T/TM＝0.7～1 速 度效应大即：随变形速 度↑，变形抗力增加的多， △σ大 低温时： 完全硬化温度区间 T/TM＝0～0.3 速度效应小
即：随变形速度↑，变形抗力增加不大
四．变形抗力的计算
变形抗力——在一定变形条件下进行塑性变形时于 单位横截面积上抵抗此变形的力。
滑移方向对滑移的贡献比滑移面大。
② 临界切应力τK
晶体在外力作用下，产生滑移的力是
滑移面上沿滑移方向作用的分切应力，当
τ→τK时，才能发生滑移。
设试样的横断面积为 F0
作用力为 P
作用力与滑移面法线夹角为υ 作用力与滑移方向夹角为λ 外力P在滑移方向上的分力为： P·cosλ 滑移面面积为： F0 /cos υ
1
２．形成
分三个阶段 (a)成核阶段 (b)成长阶段 (c)传播阶段 σs上——吕德斯带的成核应力
σs下——吕德斯带的传播应力
３．后果
使工件表面粗糙不平。
三．形变时效 １．概念——具有明显屈服效应的金属，在变形 后于室温长期仃留或短时加热保温，引起屈 服应力升高并出现明显屈服点的现象。
２．产生原因 因为长期仃留，溶质原子通过扩散又重新 聚集到位错线周围，形成了“柯氏气团”。
或在变形后的冷却过程中完成
11.7 金属塑性变形的不均匀性与残余应力
11.7.1 金属塑性变形的不均匀性
实现均匀变形必须满足的条件： （1）受变形的物体是等向性的； （2）在物体内任意质点处的物理状态完全均匀，特别 是物体内任意质点处的温度相同，变形抗力相等； （3）整个变形物体同时处于工具的直接作用下； （4）接触面上任意质点的绝对及相对压下量相同； （5）接触面上完全没有外摩擦。 说明实际的金属塑性加工时，变形不均匀分布是客观存 在的。
硬化由位错塞积引起。
Ⅱ 线性硬化阶段
形成了多滑移，随ε↑，位错不断增殖，
位错密度ρ↑，r↓， σ↑
Ⅲ 抛物线硬化阶段
与位错的交滑移过程有关
通常称为“动态回复”现象。
影响单晶体加工硬化曲线的因素
①晶体结构不同，曲线不同
②结构相同，层错能不同，曲线不同
③温度
温度高，热激活容易，交滑移可提
前进行，第二阶段短；温度低，第
１．产生滑移的条件
内在条件：晶体要有滑移系
外部条件：有外力作用，使作用在滑移面上
的滑移方向上的分切应力τ达到
临界切应力τK
① 滑移系
滑移系——一个滑移面和此面上的一个滑移方
向组成一个滑移系
讨论 a)晶体结构不同，滑移系不同
b)温度不同，滑移系不同
c)滑移系越多，晶体塑性越高
面心立方、体心立方＞密排六方 为什么面心立方的塑性要比体心立方的好？
缺点：接触摩擦影响单向压应力状态
试样的高径比 H/D 不大于 2～2.5
２．计算方法
(1)实验公式法
(2)计算图表法
热力系数法
先求出一个基础值σ0，各种因素的影响用修 正系数表示，求出不同条件下的变形抗力σs 查表、查曲线
11.5 塑性变形时的热效应 一．塑性变形时金属内部的能量状态
外力做功：
温度效应——在塑性变形中，由于热效应使工
件温度升高的现象。
以αt表示
αt＝（tg－t0）／t0
t0 ——变形前工件温度 tg ——变形后工件温度
三．影响热效应（温度效应）的因素 １．变形程度ε ε↑，Am↑， αt↑ ２．变形速度 ↑，Am↑， αt↑ ３．变形温度 T℃↑， Am ↓， αt ↓ 温度低，热效应显著
三段推迟出现
２．多晶体的加工硬化曲线
特点：没有易滑移阶段
分四个区 Ⅰ 小变形区
Ⅱ 强烈硬化区
Ⅲ 织构形成区 Ⅳ 高变形区
３．加工硬化能力表示法
①加工硬化率 相对于曲线的斜率
②硬化系数 n σ＝K·εn K为常数
③硬化强度
σK / σC
三．影响加工硬化的因素
１．金属本性
①滑移系↑，硬化↓ ②杂质↑，硬化↑
克服外摩擦做功（工件与工具之间） 克服内摩擦做功（物体内部）→→ 称为产生变形的能 A A包括：弹性变形位能 Ae 塑性变形位能 Am
Ae—使原子偏离平衡位置所需的能量
约占15~20%A
其中：平衡外力的原子位能 Ar 约占3～5%A
自相平衡的附加原子位能 Ac
约占10～15%A Am_—克服原子的移动阻力所需要的能量 约占80~85%A Am以热量形式放出，也称为塑性变形热能
２．屈服效应 ①概念 在拉伸的σ－ε曲线上，有明显的 上、下屈服点及屈服平台的现象。
②产生原因 间隙原子（C、N）与位错发生交互作用的结 果 “柯氏气团”，对位错起“钉扎”作用。 1 脱离“柯氏气团”前后的应力相当于曲线上的 上、下屈服点。 二．吕德斯带 １．概念 ——由许多已经屈服的晶粒所构成的一个塑性 变形区。 2
５．复杂滑移
① 双滑移
——滑移在二个不同的滑移面和二个不同的
滑移方向上进行。
(a) 二个滑移系交替进行滑移。
滑移→晶体转动→不利方位→几何硬化
(b) 滑移阻力大 新旧滑移面互相切割，使变形阻力↑↑。
② 交滑移
——滑移在二个不同的滑移面和一个相 同的滑移方向 上进行。 (a)只有螺位错才能产生交滑移。 (b)交滑移能使受阻的位错重新开动，变形
晶粒细化，可获得强度和塑性都较高的材料。
1
二．多晶体变形机理 １．滑移、孪生机理 ２．晶粒的转动和移动 ３．溶解－沉积机理 ４．空位－扩散机理
５．粘滞性流动机理
（非晶机构）
11.3 塑性变形时的屈服 一．屈服效应 屈服——材料由弹性状态进入塑性状态，开始 塑性变形。 １．屈服极限 ——开始塑性变形时，作用在物体截面上的 最低应力。用σs表示。 对于单晶体： σs ＝τk／cosλ·cosυ 对于多晶体: 真实定义σs 很困难
⑤孪生变形的应力－应变曲线有明显的锯齿形。
一般低温、高速有利于孪生的产生。
11.2 多晶体的塑性变形 一．多晶体变形的特点 １．变形不均匀
①各晶粒的变形不均匀
②同一晶粒变形也不均匀 1 推论：晶粒细，不均匀变形小，塑性好。 晶粒粗，不均匀变形大，塑性差。
２．变形有先后
在外力作用下，软取向的晶粒或σs低
1
滑移方向上的分切应力为： τ＝P/ F0·cosλ· cos υ＝σ· cosλ · cos υ τ↑ 当τ→τK时，σ→σs P↑，
τK ＝σs· cosλ · cos υ
cosλ · cos υ——取向因子
讨论 a)τK 是表征材料特征的物理量，与λ 、 υ无关，即： τK与取向 因子无关，与滑移面、滑移方向的位置无 关
b) 对一定晶体，取向不同, 产生滑移所需的拉 伸应力不同。 σs ＝ τK／ cosλ · cos υ cosλ · cos υ↑， σs ↓ 当滑移方向、拉力方向、滑移面法线在同一
平面上，即λ＋υ＝90°时，沿滑移方向的
分力P· cosλ最大。 1
λ＋υ＝90° 当υ＝λ＝45°时， cosλ · cos υ最大， σs最小 取向因子大，有利方位——软取向 σs 小，滑移易
（1～2％），使屈服点消除。
2.4 塑性变形中的硬化
一．加工硬化的概念
１．定义
——在变形过程中，随着ε↑，材料所有的 强度指标均提高，而塑性指标均下降，并伴有 物理－化学变化的综合现象。
２．本质
位错线周围产生弹性应变和应力场。
二位错线应力场的相互作用力σ与相互间的
距离 r 有关。
σ ∝ Gb/ r r↓， σ↑ 随ε↑，位错不断增殖，位错密度ρ↑ ↓σ↑位错间 相互干扰作用增强，位错移动阻力↑，硬化↑，塑 性↓。
Biblioteka Baidu A＝Ae＋Am
＝Ar＋Ac＋Am
Ar ：随外力去除而释放 Ac ：以残余应力的形式贮存在金
属内部。也叫潜能。
二．塑性变形的热效应 热效应——在塑性变形中，部分能量转化为热 量的现象。 以Am表示热效应的大小。 Am＝η·A Am——转化为热量的能 A ——总塑性变形能 η ——发热率 纯金属： η＝0.85～0.90 合金： η＝0.75～0.85