金属的塑性变形

二、金属的塑性变形

材料受力后要发生变形，变形可分为三个阶段：弹性变形；弹－塑性变形；断裂。外力较小时产生弹性变形，外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。在整个变形过程中，对材料组织、性能影响最大的是弹－塑性阶段的塑性变形部分。如：锻造、轧制、拉拔、挤压、冲压等生产上的许多加工方法，都要求使金属产生变形，一方面获得所要求的形状及尺寸，另一方面可引起金属内部组织和结构的变化，从而获得所要求的性能。因此研究塑性变形特征与组织结构之间相互关系的规律性，具有重要的理论和实际意义。

弹性变形(Elastic Deformation)

1.1 弹性变形特征(Character of Elastic Deformation)

1．变形是可逆的；

2．应力与应变保持单值线性函数关系，符合Hooke定律：σ＝Eε，τ＝Gγ，G＝E/2(1-ν) 3．弹性变形量随材料的不同而异。

1.2 弹性的不完整性(Imperfection of Elastane)

工程上应用的材料为多晶体，内部存在各种类型的缺陷，弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发展跟不上应力的变化等现象，称为弹性的不完整性，包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后等。

1．包申格效应(Bauschinger effect)

现象：下图为退火轧制黄铜在不同载荷条件下弹性极限的变化情况。

曲线A：初次拉伸曲线，σe＝240Pa

曲线B：初次压缩曲线，σe＝178Pa

曲线C：B再压缩曲线，σe↑，σe＝278Pa

曲线D：第二次拉伸曲线，σe↓，σe＝85Pa

可见：B、C为同向加载，σe↑；C、D为反向加载，σe↓。

定义：材料经预先加载产生少量塑性变形,然后同向加载则σe升高，反向加载则σe降低的现象，称为包申格效应。对承受应变疲劳的工件是很重要的。

2．弹性后效(Anelasticity)

理想晶体(Perfect crystals)：

实际金属(Actual metal)：

弹性后效示意图

这种在弹性极限范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象称为弹性后效。3．弹性滞后(Elastic hysteresis)

由于应变落后于应力，在σ－ε曲线上使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后。

弹性滞后表明：加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复所释放的变形功，多余的部分被材料内部所消耗，称为内耗，大小＝弹性滞后环面积。

实际应用的金属材料有的要求高内耗，有的要求低内耗，如制作钟、乐器的材料，乐器低内耗，消振能力低，声音好听；制作机座、汽轮机叶片的材料，要求高内耗，以消除振动。

金属的塑性变形机理

金属一般是由无数单个晶粒构成的多晶体。要了解晶体的塑性变形机理必须先了解单个晶粒或单晶体的塑性变形机制。塑性变形时变形体在外力的作用下，其大量原子群多次地、定向的从一个稳定平衡位置转移到另一个平衡位置，在宏观上便产生不能恢复的塑性变形。

在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过滑移、孪生和扭折等方式进行。

1．滑移(Slipping)

在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶面（滑移面）和一定晶向（滑移方向）相对另一部分发生相对位移的现象。

←τ

τ→

完整晶体滑移

特点(Characteristics)：

1) 滑移后，晶体的点阵类型不变；

2) 晶体内部各部分位向不变；

3) 滑移量是滑移方向上原子间距的整数倍；

4) 滑移后，在晶体表面出现一系列台阶。

滑移系(Slip Systems)：

滑移是沿着滑移面和滑移方向进行的，滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向，因为原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力小，因而容易沿着这些发生滑移；滑移方向为原子浓度最大的方向是由于最密排方向上的原子间距最短，位错b最小。一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来称为一个滑移系。可用{hkl}来表示。

可见：构成滑移系必须满足两条，1)必须是密排面和密排方向；2)向一定在面上。

实验表明：滑移系越多，滑移越容易，塑性越好。BCC与FCC的滑移系数相同，但滑移方向对塑性变形的作用比滑移面大，所以FCC的塑性比BCC的塑性好。如Cu的塑性比α－Fe好。

滑移的临界分切应力(Critical resolved shear stressof slipping)：

不是有切应力作用就能产生滑移，只有在滑移面上沿滑移方向的分切应力达到一定值时，才能发生滑移。能引起滑移的最小分切应力称为临界分切应力，用τk表示。

设单晶体中只有一组滑移面，试样横截面积为A，轴心拉力为F，滑移面的法线与F夹角为φ，滑移方向与F的夹角为λ，滑移面面积Aˊ＝A/cosφ。

外力在滑移面上沿滑移方向的切向分力为：Fτ＝Fcosλ

外力在滑移方向上的分切应力：

τ=Fτ/ Aˊ= Fcosλ/( A/cosφ)=Fcosλcosφ/A

F/A＝σ，当滑移系中的分切应力达到其临界分切应力值而开始滑移时，σ＝σS，此时τ＝τk，所以τk＝σS cosλcosφ cosλcosφ称为取向因子。

单向拉伸(Simple rension)：当外力与滑移面平行（φ＝90°）或垂直（λ＝90°）时，取向因子最小，σS为无限大，不可能产生滑移，此时的位向称为硬位向；

当外力与滑移面和滑移方向的夹角都接近45°时，取向因子最大，σS最小，容易滑移，此时的位向称为软位向。

滑移时晶面的转动(Therotary of crystal face in the slipping)：

单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，还伴随着晶面的转动。

拉伸时，晶体转动力求使滑移系转到与力轴平行的方向；

压缩时，晶体转动力求使滑移系转到与力轴垂直的方向。

由于晶体的转动，使原来有利于滑移的晶面滑移到一定程度后，变成不利于滑移的晶面；而原来不利于滑移的晶面，则可能转到有利于滑移的方向上，参与滑移。所以，滑移可在不同的滑移系上交替进行，其结果造成晶体的均匀变形。

2．孪生(Twinning)

在切应力作用下，晶体的一部分以一定的晶面（孪生面）为对称面和一定的晶向（孪生方向）与另一部分发生相对切变的现象。