金属塑性变形

（2） 弥散型两相合金的塑性变形 A、不可变形微粒的强化作用：位错绕过机制
Gb
第二相微粒间距越小，强化效果越好。 B、可变形微粒的强化作用：位错切过机制
• 需要错排能 • 需要反相畴界能 • 需要表面能 • 弹性应力场与位错作用，阻碍其运动 • 位错能量、线张力变化
8、塑性变形对金属组织和性能的影响
0 k 0
2 真应力-真应变曲线
真实应力：瞬时载荷与瞬时 截面积之比。S=P/F 真应变e：de=dl/l 总应变： l dl e de l ln(1 ) l
0
流变曲线： S ke n: 加工硬化指数，n越大， 强化效果越大。
n
3、单晶体的塑性变形
金属塑性变形的方式主要有:滑移和孪生
§6 金属塑性变形
塑性是金属材料的重要特性； 金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通 过塑性加工的方法获得具有一定形状、尺寸和 力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零 件毛坯或零件。 塑性加工包括锻压、轧制、 挤压、拉拔、冲压 等方法。
金属在承受塑性加工时， 产生塑性变形， 宏观上改变了材料的形状和尺寸；
通过位错的移动实现滑移时： 1、只有位错线附近的少数原子移动； 2、原子移动的距离小于一个原子间距； 所以通过位错实现滑移时，需要的力较小； 金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的，而滑移又是 通过位错的移动实现的。所以，只要阻碍位错的移动就 可以阻碍滑移的进行，从而提高了塑性变形的抗力，使 强度提高。金属材料常用的五种强化手段（固溶强化、 加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化）都是通过 这种机理实现的。
滑移变形的特点： 滑移变形只能在切应力作用下才会发生，不同金属产生滑移的最小切应力(称滑 移临界切应力)大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。 滑移变形是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿 滑移面作整体的相对滑移，而是通过位错的运动来实现的。 由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量，因此晶体发生的总变形 量一定是这个方向上的原子间距整数倍。
微观上改变了金属的组织结构；
金属的塑性变形对材料的性能也会产生重 要的影响，是金属材料重要的强化手 段。
1、应力应变曲线
弹性变形：应力去除后能 够恢复的变形。σ=Eε 弹性模量： E 弹性极限： σe 屈服极限：σs， σ0.2 加工硬化（应变硬化） 抗拉强度： σb 断裂强度： σk 延伸率：δ=(Lk-L0)/L0 断面收缩率：ψ=（F -F )/F
滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排 方向)进行，这是由于密排面之间、密排方向之间的距离最大，结合力最弱。因 此滑移面为该晶体的密排面，滑移方向为该晶体的密排方向。一个滑移面与其上 的一个滑移方向组成一个滑移系。
滑移变形时晶体伴随有转动。如图所示，在拉伸时， 单晶体发生滑移，外力轴将发生错动，产生一力偶， 迫使滑移面向拉伸轴平行方向转动。同时晶体还会以 滑移面的法线为转轴转动，使滑移方向趋于最大切应 力方向。
（2） 产生残留应力
产生原因：物体变形不均匀 (1)宏观内应力（第一类内应力）：由于工件各部分之间的塑性变形不均匀而产生。
其平衡遭破坏后，使工件产生变形
(2)微观内应力（第二类内应力） ：晶粒或亚晶粒间或内部的变形不均匀造成。 它在某些局部区域达到很大，使工件产生微裂纹
（3）晶格内应力畸变（第三类内应力） ：变形后位错、空位等晶体缺陷
（1） 滑移现象 滑移： 滑移带： 滑移线： （2） 滑移系 • 滑移面：原子排列最密的晶面 • 滑移方向：原子排列最密晶向 • 滑移系：一个滑移面和其上的 一个滑移方向组成一个滑移系。 滑移系越多，晶体塑性越好。
金属不同晶格的滑移系
晶格类型 滑移面 滑移方向 滑移系数目 {110}6个 <111>2个 6×2=12个 {111}4个 <110>3个 4×3=12个 {0001}1个 1210 3个 1×3=3个
地逐步地变形，变形分散在材料各处。
晶界是原子排列不规则的
地方，它对位错的移动有
阻碍作用，要想使位错通 过晶界，外界必须对它施 加更大的力，所以晶界处 的强度比晶内高。
（2）各晶粒协同变形：一个晶粒的变形受到相邻晶粒的约束。 面心和体心滑移系多，协调性好，多晶体表现出良好的塑性； 密排六方滑移系少，协调性差，多晶体塑性较差； （3）塑性变形具有不均匀性 各个晶粒的变形不均匀，一个晶粒内部的变形也不均匀； 晶粒中心区域的变形量较大，晶界及其附近区域变形量较小；
• 影响因素： (1)溶质原子不同、浓度不同，强 化效果不同 (2)溶质原子与基体金属原子尺寸 差越大，强化作用越大。
(3)间隙溶质原子比置换溶质原子
强化作用大。 (4)溶质与基体价电子数差越大， 强化作用越强。
7、多相合金的塑性变形
（1） 聚合型两相合金的变形 • 两相的塑性都较好
变形阻力取决于两相的体ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分数： 等应变理论： 等应力理论：
增加，部分原子偏离平衡位置。它使金属的硬度、强度增加，塑性、韧性
下降
（3）对性能的影响
产生加工硬化：随变形量的增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性 下降的现象。 加工硬化曲线： 金属流变应力与位错密 度ρ 的关系： 易 滑 移 阶 段 线 性 硬 化 阶 段 抛 物 线 硬 化 阶 段
b Gb
金属塑性除与滑移系的多少 有关外,还与滑移面上原子的 密排程度和滑移方向的数目 有关
（3） 临界分切应力
临界分切应力：晶体开始滑移时， 滑移方向上的分切应力。 τ=σ0cosφcosλ= σ0 m τk=σscosφcosλ= σs m
• 取向因子（施密特因子）m：
m越大， 越有利于滑移。 • 软取向： φ=λ=45°，m=0.5 • 硬取向： φ=90 °或φ=0 °， m=0
（1）显微组织的变化 晶粒被拉长为扁平晶粒 位错密度增加，形成位错胞 纤维组织 变形亚结构或变形亚晶
形成变形织构：多晶材料的塑性变形中，随变形度的增加，多晶体中原 先任意取向的各个晶粒发生转动，从而使取向趋于一致，形成择优取 向，称为变形织构。
• 类型
(1)丝织构：各晶粒某一相同指数的晶向与拉拔方向平行或接近平行。 形成条件：拉拔时形成。 表示方法：<uvw> (2)板织构：各晶粒某一同指数晶面平行于轧制平面、某一同指数的晶 向平行于轧制方向。 形成条件：轧制时形成 表示方法：{hkl}<uvw> • 对性能的影响：各相异性
S 0 kd
1 2
细晶强化可在提高强度的同时改善塑性和韧性
6、固溶体的塑性变形
（1） 固溶强化
固溶强化：随溶质原子含量的增 加，单相固溶体塑性变形抗力提 高，强度、硬度不断增加，塑性、 韧性不断下降的现象。
• 产生原因： (1)溶质与溶剂原子半径差引起弹性畸变，
与位错之间产生弹性交互作用，对滑移面 上的位错有阻碍作用 (2)位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉 扎作用。
晶粒大小对多晶体的塑性变形的影响
（1）晶界的影响：晶界使变形晶粒中的位错受阻 （2）晶粒取向的影响：为协调变形 要求每个晶粒进行多滑移，导致位 错的交割
两者都提高材料的强度。晶粒越细，
晶界越多，材料的强度越高。 把细化晶粒增加晶界提高金属强度 的方法称细晶强化。
霍尔-配奇(Hall-petch)公式
5、多晶体的塑性变形
工程上使用的金属绝大部分是多晶体。多晶体中 每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同。但由于 多晶体材料中，各个晶粒位向不同，且存在许多 晶界，因此变形要复杂得多。 有以下特点：
（1）各晶粒变形的不同时性：多晶体中每个晶粒
位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近 于最大切应力方向(称晶粒处于软位向), 另一些 晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差 较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移时，软位 向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时， 其它晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批
其它物理、化学性能的变化：金属及合金的比电阻增加，导电性和电阻温度 系数下降，热导率下降
• 影响临界分切应力因素：金属的本
性（组织，纯度），变形速度，加工 状态
（4） 滑移时晶体的转动 拉伸时，φ增大，
压缩时， φ减小。
几何硬化：φ远离45，滑移 变得困难 几何软化： φ接近45，滑移 变得容易
（5） 多滑移和交滑移
单滑移： 多滑移： 交滑移：
（6）滑移的位错机制 晶体的滑移通过位错运动来实现。
改变，形成镜面对称关系 （对抛光面观察有重现性）
不 同 点
小于孪生方向上的原子间 距，较小。
对塑变贡献
变形应力 变形条件 变形机制
很大，总变形量大。
有 一定 的临界 分切 压 力 一般先发生滑移 全位错运动的结果
有限，总变形量小。
所需临界分切应力远高于滑 移
滑移困难时发生 部分位错运动的结果
孪生常发生于密排六方晶体中，体心立方在承受冲击载荷时发生，面心立方很少发 生孪生变形
位错的交割与塞积
4、孪生
（1） 孪生变形现象 孪生变形：切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面）和 一定的晶相（孪生方向）相对于另一部分做均匀的切变所产生的变 形。 变形过程： 孪晶：
（2） 孪生变形特点
滑移
相同点 晶体位向 位移量
孪生
沿一定的晶面、晶向进行；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。
第二相的获得：相变 热处理，粉末冶金
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只有第二相较强时，合金才能强化。
• 第二相为硬脆相
合金性能除了与两相相对含量有关外，还取决于脆性相的形状和分布：
(1)连续网状第二相：使合金塑形变差，强度降低