材料科学与工程基础教案第五章 材料的变形

孪生 在金属的塑性变形中,另一种较常见的形变方式为孪生, 它常作为滑移不易进行时的补充.一些具有密排六方结构的 金属,如镉,锌,镁,铍等,塑性变形常常部分的以孪生的 方式进行;而铋,锑金属的塑性变形几乎完全以孪生的方式 进行.对于有体心立方及面心立方结构的金属,当变形温度 很低,形变速度极快,或由于其它原因使滑移过程难以进行 时,也会通过孪生的方式进行塑性变形.孪生就是在切应力 孪生就是在切应力 孪生 作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面与晶向产 生的一种均匀切变过程.在孪生变形中, 生的一种均匀切变过程.在孪生变形中,已发生均匀切变的 那部分晶体称为孪晶 孪晶; 那部分晶体称为孪晶;均匀切变区与未切变区的分界面称为 孪晶界;发生均匀切变的那个晶面称为孪生面; 孪晶界;发生均匀切变的那个晶面称为孪生面;孪生面切动 的方向则为孪生方向 孪生方向. 的方向则为孪生方向.
三,塑性变形对材料组织性能的影响 显微组织的变化 晶粒拉长,纤维状组织 形变织构 在金属塑性变形时,随着变形程度的增加,各个晶粒从原来 互不相同的取向逐渐向主变形方向转动.当变形量很大时,各个 晶粒在空间取向上将呈现出一定程度的一致性,这一现象称为晶 粒的择优取向,形变金属中的这种组织状态称为形变织构.
第五章 材料的变形 Material Deformation
大多数工件在工作或加工过程中都要承受外力或负载的作 用.在外力作用下,材料会产生弹性变形,塑性变形,甚 至断裂.一般来说,金属材料具有良好的强度和塑性,但 耐腐蚀性较差;高分子材料具有重量轻,抗腐蚀等优点, 但它们强度不高,还会发生老化现象;陶瓷材料有很高的 硬度,高的耐磨性和抗腐蚀性,但脆性大不易加工成形. 在力学性能上,不同的材料有不同的优势和劣势,在使用 和加工过程中只有充分了解其变形的特点和机理,才能有 效利用其优点,改善其不足.
(1)变形量
晶 粒 大 小
(2)退火温度和时间 (3)原始晶粒尺寸 (4)微量溶质原子 (5)第二相粒子
临界变形度 预先变形程度 形变量对再结晶晶粒尺寸的影响
三,晶粒的长大 晶粒的正常长大 再结晶完成以后,晶粒的长大是一个自发的过程,晶粒的长大的 驱动力是晶体界面能的降低.而其长大的主要方式则是通过晶 界的迁移实现的,晶界总有由曲变直的趋势,因为这样会使其 能量降低,小晶粒不断被大晶粒吞并,大晶粒的晶界逐渐趋于 平直化,三晶界的交角趋于120°. 晶粒的异常长大(二次再结晶) 将再结晶完成后的金属继续加热到某一温度或是保温更长的时间, 会有少数晶粒会突然长大,迅速吞并相邻晶粒,直径可达几厘 米,最后使金属的晶粒变得非常粗大,这一现象称为晶粒的异 常长大或二次再结晶.
四,金属的热加工 在工业生产中,钢材和许多零件的毛坯都是在加热至高温后 经压力加工而制成的. 冷塑性变形引起的加工硬化,可以通过加热发生再结晶来加 以消除.如果钢在再结晶温度以上进行加工,塑性变形引起的加 工硬化便可以立即被再结晶过程所消除.因此,在再结晶温度以 上的加工称为热加工.反之,在再结晶温度以下的加工称为冷加 工. 金属在高温下强度降低而塑性提高,所以热加工的主要优点 是容易变形,且变形量大,能量消耗少,即使是脆性材料也较容 易加工.但由于金属在表面要发生氧化,所以热加工比冷加工产 品表面的粗糙度和尺寸精度都要差.一般的,冷加工适合于厚度 较小,而且尺寸精度和粗糙度要求较高的场合.厚度较大和变形 量较大的工件则需要进行热加工.在热加工工程中,金属内部同 时发生着加工硬化和再结晶软化,这种再结晶过程和加工硬化同 时进行的过程称为动态再结晶.
第二节 金属及合金的回复与再结晶
金属经冷塑性变形后,组织和性能都发生了明显变化.金属晶体 中缺陷密度增大,自由焓升高,并且变形金属中储存能的存在, 使得金属处于一种热力学亚稳定状态,其组织和结构具有恢复到 稳定状态的倾向.在常温下,由于原子的活力很小,原子的扩散 速度很慢,这种变化很小.如果温度升高,使金属原子获得足够 的活力,则冷变形金属就会由亚稳状态向稳态转变,并发生一系 列组织和性能的变化.这种转变可分为三个过程,即回复,再结 晶和晶粒长大.
由形变织构所造成的"制耳"
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塑性变形对金属力学性能的影响(加工硬化) 随着变形程度的增加,金属的强度,硬度显著提高,而塑性, 韧性则显著下降,这种现象称为加工硬化或冷作强化. 这种现象是因为随着塑性变形的进行,位错的密度不断增加, 位错运动时的相互交割加剧,产生位错塞积,交割等障碍,阻碍 了位错的进一步运动,引起变形抗力增加,提高了金属的强度. 利:提高强度,使变形均匀 弊:耗费能源,使继续变形困难,需要增加中间退火
孪生区域 A C E G E′ A′ C′
B
D
F
H [112] 孪生方向
(111) 孪生面 面心立方晶体(110)晶面的孪生变形过程示意图
和滑移相比,孪生有具如下特点: (1)一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作切变,切 变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍. (2)孪晶面两边晶体的位向不同,呈镜面对称形式. (3)由于孪生改变了晶体的取向,因此孪晶经抛光和浸蚀 后仍不能去除. (4)孪晶变形是一种均匀的切变,即在切变区内与孪晶面 平行的每一层原子面均相对于其相邻的晶面沿孪生方向产生了一 定位移. (5)孪生比滑移的临界分切应力高得多,因此孪生常萌发 于滑移受阻引起的局部应力集中区. 同时,孪生对塑性变形的直接贡献比滑移小得多,但孪生改 变了晶体位向,使原来取向不利于滑动的滑移系逐渐转到有利的 取向而产生滑移,这种机制对密排六方金属的变形非常重要.
F F
滑移方向S 滑移方向S
F F
多滑移与交滑移 由于金属晶体在滑移时会转动,晶体的取向将发生改变, 这就会使起始滑移时取向最有利的滑移系逐渐转到不太有利 的取向,而原来取向不太有利的滑移系则逐渐转向比较有利 的取向,因此滑移可能会在两个或多个滑移系中同时或交 因此滑移可能会在两个或多个滑移系中同时或交 替地进行,这种滑移称为多滑移 多滑移.发生多滑移时会出现的滑 替地进行,这种滑移称为多滑移 移带呈交叉状. 在晶体中,两个或两个以上滑移面沿着某个共同的滑 两个或两个以上滑移面沿着某个共同的滑 移方向同时或交替滑移,这种现象称为交滑移 交滑移.交滑移的滑 移方向同时或交替滑移,这种现象称为交滑移 移带呈波纹或曲折状.交滑移是在沿着某个晶面滑移受阻时 产生的.沿新滑移面进行滑移再次受阻时,又会重新更换滑 移面,沿着与初始滑移面平行的平面滑移.只有纯螺型位错 才能产生交滑移,因为其柏氏矢量与位错线平行,滑移面不 受限制.交滑移对晶体的塑性变形也有很大贡献.
[011] [110] [101] (111) [111] [111] (110)
滑移的临界分切应力 在金属晶体受外力作用时,不论外力的大小,方向与作用方 向如何,都可以将其分解为垂直与某一滑移面的正应力与沿此晶面 的切应力.而滑移是在切应力作用下发生的,只有在滑移面上沿 滑移方向的分切应力达到某一临界值时,滑移才能发生. 公式: τ0 =σscosλcosφ
残余应力 金属在塑性变形时,外力所做的功除大部分转化为热之外, 由于金属内部的转变不均匀以及存在点阵畸变,这使得有一小部 分能量以畸变能的形式储存在形变金属内,称为储存能,表现为 材料的残余应力.材料的残余应力可分为三种,即 (1)第一类内应力(宏观内应力) 因不同部位之间变形不协调而形成,占形变储能的1%以下, 但破坏性很强. (2)第二类内应力(微观内应力) 因不同晶粒间变形不协调形成,占形变储能的10～20%,有 一定破坏性. (3)第三类内应力(晶格畸变) 因晶体缺陷增殖而形成,占形变储能的80～90%,是加工硬 化的主要原因.
二,再结晶 冷变形金属加热至较高温度时,将形成一些位向与变形晶粒 不同的内部缺陷较少的无畸变等轴小晶粒,这些小晶粒不断向周 围的变形金属中扩展长大,至到金属的冷变形组织完全被等轴的 新晶粒所取代,这一过程就是金属的再结晶. 再结晶温度 记为T再,经验公式: T再=0.4 T熔. 再结晶后的晶粒尺寸和影响再结晶过程的主要因素 冷变形金属再结晶后的晶粒大小,取决于再结晶的形核率和 长大速度.形核率高,长大速度越慢,获得的再结晶晶粒越细小; 反之,再结晶晶粒就越粗大.
第一节 金属的变形 Metal Deformation
一,单晶体的塑性变形 滑移 将一个表面抛光的单晶体金属试样经适当的塑性变形后,在 金相显微镜下可以观察到,在抛光的表面上有许多平行的细线, 称为滑移带.
滑移带 滑移线
滑移带形成的示意图
滑移系 在塑性变形中,单晶体表面的滑移线并不是任意排列的,它 们彼此之间或者相互平行,或者互成一定角度,表明金属中的滑 移只能沿一定的晶面和一定的晶向进行,这些晶向和晶面称为金 属的滑移方向和滑移面. 一般而言,一个滑移系由一个密排面和该面上的一个密排方 向组成. 如,Fcc滑移系由{111}晶面族与该面上的<110>晶向族组成. Bcc滑移系由{110}晶面族与该面上的<111>晶向族组成.
滑移的位错机制 (1) 位错的运动与晶体的滑移 位错的相消
τ τ
τ (a)正刃型位错
τ (b)负刃型位错 刃型位错的滑移
(2)位错的增殖 通过位错线的移动可以知道,晶体每滑移一个柏氏矢量,就 应该有一个位错消失.这样看来,金属塑性变形后位错密度应该 减小.然而通过实验可知,金属塑性变形后位错线反而大大的增 加了.这就是说金属塑性变形过程中位错发生了增殖.目前被普 遍接受的位错增殖机制是弗兰克和瑞德提出的机制.这里只介绍 它们提出的F-R位错源.
回复 再结晶 晶粒长大
0 0
T1 t1
T2 t2
T3 t3
温度 时间
冷变形金属组织随加热温度及时间的变化示意图
一,回复 回复是指经冷塑性变形的金属在加热时,在光学显微组织发 生改变前,即在再结晶晶核形成前,所产生的某些亚结构和性能 变化的过程.在回复过程中,由于温度的升高,在内应力的作用 下将发生局部塑性变形,金属的屈服强度下降,残余应力将得到 部分消除,所以,冷变形金属进行回复过程的退火称为去应力退 火,它具有即降低金属残余应力又保持加工硬化性能的作用. 回复的组织与结构变化 三个阶段: 低温回复过程 金属中的点缺陷密度明显降低. 中温回复过程 位错相消;形成亚晶界,位错胞也由此转化为规整 的亚晶粒,这一过程称为亚晶规整化过程. 高温回复阶段 位错垂直于滑移面的方向排列成小角度亚晶界, 小角度晶界的两侧为无畸变的亚晶,多边化.
晶体在滑移时的转动 晶体的塑性变形是由于滑移面沿着滑移方向运动产生的,在滑 移的同时,晶体也会发生转变,从而使晶体的空间取向发生了变化. 如果晶体受拉伸产生滑移时,如果两端不受限制,在滑移过程中, 为使滑移面和滑移方向保持不变,晶体轴线就会发生偏移.但是, 拉伸时,在夹头的作用下,晶体轴线不能自由偏斜,这就迫使滑移 面发生转动,使位向发生了改变.
B A 滑移面 (a) B A (d) C D B A (e) C C D B A 滑移面 (b) D C D B A 滑移面 (c) B A (f) C C D
D
F-R位错源
二,多晶体的塑性变形与强化 实际工业生产中使用的金属材料很多都是多晶体.多晶体由许 多位向不同的单晶组成,因此其塑性变形过程也更为复杂. 多晶体塑性变形的特点 晶粒之间变形的协调性,要求滑移系多,FCC和BCC滑移系 多,变形容易协调,所以塑性好,HCP晶体滑移系少,协调性差, 塑性差 晶粒大小对塑性变形的影响 实际表明,多晶体金属的晶粒愈细小,其屈服强度愈高,并且滑移 线与孪晶带大多终止于晶界处而极少穿越.这些表明在多晶体中 晶界对变形过程有着明显的阻碍作用.金属的屈服强度σS与晶粒 直径d有如下关系 1 - σ S = σ 0 + Kd 2 此式即为霍耳-佩奇(Hall-Petch)公式.式中σ0为一常数, 大体相当于单晶体金属的屈服强度;K为表征晶界对强度影响程 度的常数,与晶界结构有关.霍耳-佩奇公式是一个非常重要的公 式,材料的屈服强度与其亚晶粒之间,塑性材料的流变应力与晶 粒大小之间,脆性材料的脆性应力与晶粒大小之间都满足上述关 系式.