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1、材料科学基础1第1页，本讲稿共36页第一节 金属变形概述弹性变形塑性变形断裂弹性变形塑性变形断裂Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E2第2页，本讲稿共36页第一节 金属变形概述第七章塑性变形第一节金属变形概述弹性变形弹性变形：变形可逆；变形可逆；应力应变呈应力应变呈线性关系。线性关系。弹性模量弹性模量：原子间结合原子间结合力的反映和力的反映和度量。度量。3第3页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形 常温下塑性变形的主要方式：常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、滑移、孪生、扭折。
2、扭折。一一 滑移滑移1 1 滑移：在切应力作用下，晶体的一滑移：在切应力作用下，晶体的一 部分相对于另一部分沿着一部分相对于另一部分沿着一 定的晶面（定的晶面（滑移面滑移面）和晶向）和晶向 （滑移方向滑移方向）产生相对位移，）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列且不破坏晶体内部原子排列 规律性的塑变方式。规律性的塑变方式。Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E4第4页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形 一一 滑移滑移 光镜下：滑移带（光镜下：滑移带（无重现性无重现性）。）。2
3、2 滑移的表象学滑移的表象学 电境下：滑移线。电境下：滑移线。Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E5第5页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 滑移面滑移面 （密排面）（密排面）（1 1）几何要素）几何要素 滑移方向（密排方向）滑移方向（密排方向）6第6页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学（2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑
4、移系的个数滑移系的个数:(:(滑移面个数）滑移面个数）（每个面上所具有的滑移方向（每个面上所具有的滑移方向 的个数）的个数）7第7页，本讲稿共36页 Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E8第8页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （2 2）滑移系）滑移系滑移系数目与材料塑性的关系滑移系数目与材料塑性的关系 一般滑移系越多，塑性越好；一般滑移系越多，塑性越好；与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；与同时开动滑移系
5、数目有关（与同时开动滑移系数目有关（c c）。）。9第9页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学（3 3）滑移的临界分切应力（）滑移的临界分切应力（c c）c c：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。(外力在滑移方向上的分解外力在滑移方向上的分解)c c s scoscos coscos 10第10页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学（3 3）滑移的临界分切应力（）滑移的临界分切应力（c c）c c取决于金属的本性，不受取决于金属的本性，不受，的影响；的影响；或或
6、9090 时，时，s s ；c c s scoscos coscos s s的取值的取值 ，4545 时，时，s s最小，晶体易滑移；最小，晶体易滑移；软取向：值大；软取向：值大；取向因子：取向因子：coscos coscos 硬取向：值小。硬取向：值小。11第11页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形 4 4 滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动（1 1）位向和晶面的变化）位向和晶面的变化 拉伸时拉伸时,滑移面和滑移方向趋于滑移面和滑移方向趋于 平行于力轴方向平行于力轴方向;压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。几几何何硬硬化化：，远远离离4545，滑滑移移
7、变变得得困困难难；（2 2）取取向因子的变化向因子的变化 几何软化；几何软化；，接近接近4545，滑移变得容易，滑移变得容易。12第12页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形 5 5 多滑移多滑移 （1 1）滑移的分类）滑移的分类 多滑移：在多个（多滑移：在多个（22）滑移系上同时或交替进行的滑移。）滑移系上同时或交替进行的滑移。双滑移：双滑移：单滑移：单滑移：（2 2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。2h13第13页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形 6 6 交滑移交滑移
8、（1 1）交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的）交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的 滑移。滑移。（2 2）机制）机制 螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑 移面的过程；移面的过程；螺位错的螺位错的双交滑移双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。14第14页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形 7 7 滑移的表面痕迹滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带；单滑移：单一方向的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带；多滑移：相互交叉
9、的滑移带；交滑移：波纹状的滑移带。交滑移：波纹状的滑移带。15第15页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形二二 孪生孪生（1 1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分 沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取 向的镜面对称关系。向的镜面对称关系。孪生面孪生面 A1111,A2112,A31012A1111,A2112,A31012（2 2）孪生的晶体学）孪生的晶体学 孪生方向孪生方向 A1,A2,A3A1,A2,A3 孪晶区孪晶区16第16页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形二二
10、 孪生孪生17第17页，本讲稿共36页第二节 单晶体的塑性变形二二 孪生孪生（3）孪生变形的特点孪生变形的特点滑移滑移孪生孪生相同点相同点1 1 切变；切变；2 2 沿一定的晶面、晶向进行；沿一定的晶面、晶向进行；3 3 不改变结构不改变结构。不不同同点点晶体位向晶体位向不不改改变变（对对抛抛光光面面观观察察无无重现性）重现性）。改改变变，形形成成镜镜面面对对称称关关系系（对对抛抛光面观察有重现性）光面观察有重现性）位移量位移量滑滑移移方方向向上上原原子子间间距距的的整整数倍，较大。数倍，较大。小小于于孪孪生生方方向向上上的的原原子子间间距距，较小。较小。对塑变的贡献对塑变的贡献很大，总变形量
11、大。很大，总变形量大。有限，总变形量小。有限，总变形量小。变形应力变形应力有一定的临界分切压力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于所需临界分切应力远高于滑移滑移变形条件变形条件一般先发生滑移一般先发生滑移滑移困难时发生滑移困难时发生变形机制变形机制全位错运动的结果全位错运动的结果分位错运动的结果分位错运动的结果18第18页，本讲稿共36页第三节 多晶体的塑性变形19第19页，本讲稿共36页第三节 多晶体的塑性变形1 1 晶粒之间变形的传播晶粒之间变形的传播 位位错错在在晶晶界界塞塞积积 应应力力集集中中 相相邻邻晶晶粒粒位位错错源源开开动动 相相邻邻晶晶粒粒变变形形 塑变塑变2 2 晶粒
12、之间变形的协调性晶粒之间变形的协调性 （1 1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。（2 2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导 致晶体分裂）致晶体分裂）（3 3）条件：独立滑移系）条件：独立滑移系 5 5个。（保证晶粒形状的自由变个。（保证晶粒形状的自由变 化）化）20第20页，本讲稿共36页第三节 多晶体的塑性变形3 3 晶界对变形的阻碍作用晶界对变形的阻碍作用 （1 1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。（2 2）晶界对变形的影响）晶界对变形的
13、影响:滑移、孪生多终止于晶界滑移、孪生多终止于晶界,极少极少 穿过。穿过。21第21页，本讲稿共36页第三节 多晶体的塑性变形3 3 晶界对变形的阻碍作用晶界对变形的阻碍作用（3 3）晶粒大小与性能的关系）晶粒大小与性能的关系 a a 晶粒越细，强度越高晶粒越细，强度越高(细晶强化细晶强化：霍尔配奇公式：霍尔配奇公式)s s=0 0+kd+kd-1/2-1/2 原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有尺寸限制）（有尺寸限制）晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中 导致的开裂机会减少，可承受更大的变导致的开裂机
14、会减少，可承受更大的变 形量，表现出形量，表现出高塑性高塑性。b b 晶粒越细，塑韧性提高晶粒越细，塑韧性提高 细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易 萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂 过程中可吸收较多能量过程中可吸收较多能量,表现表现高韧性高韧性。22第22页，本讲稿共36页第四节 合金的塑性变形一一 固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 1 1 固溶体的结构固溶体的结构 2 2 固溶强化固溶强化 （1 1）固固溶溶强强化化：固固溶溶体体材材料料随随溶溶质质含含量量提提高高其其强强度度、硬硬度度提提高而塑性、韧性下降的现象。高而塑
15、性、韧性下降的现象。晶格畸变，阻碍位错运动；晶格畸变，阻碍位错运动；（2 2）强化机制）强化机制 柯氏气团强化。柯氏气团强化。23第23页，本讲稿共36页第四节 合金的塑性变形一一 固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 2 2 固溶强化固溶强化 （3 3）屈服和应变时效）屈服和应变时效 现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。预预变变形形和和时时效效的的影影响响：去去载载后后立立即即加加载载不不出出现现屈屈服服现现象象；去去载载后放置一段时间或后放置一段时间或200200加热后再加载出现屈服。加热后再加载出现屈服。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成
16、。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。4h24第24页，本讲稿共36页第四节 合金的塑性变形一一 固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 2 2 固溶强化固溶强化 （4 4）固溶强化的影响因素）固溶强化的影响因素 溶质原子含量越多，强化效果越好；溶质原子含量越多，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；价电子数差越大，强化效果越好；价电子数差越大，强化效果越好；间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。25第25页，本讲稿共36页第四节 合金的塑性变形二二 多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形 1
17、1 结构：基体第二相。结构：基体第二相。2 2 性能性能 （1 1）两相性能接近：按强度分数相加计算。）两相性能接近：按强度分数相加计算。（2 2）软基体硬第二相）软基体硬第二相 第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；a a结构结构 两相呈层片状分布（珠光体）；两相呈层片状分布（珠光体）；第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。26第26页，本讲稿共36页第四节 合金的塑性变形二二 多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形2 2 性能性能（2 2）软基体硬第二相）软基体硬第二相 位错绕过第二相粒子位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错
18、运动粒子、位错环阻碍位错运动)b b 弥散强化弥散强化 位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻 碍位错运动）碍位错运动）27第27页，本讲稿共36页第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响 晶粒拉长晶粒拉长;1 1 形成纤维组织形成纤维组织 杂质呈细带状或链状分布。杂质呈细带状或链状分布。28第28页，本讲稿共36页第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响2 2 形成形变织构形成形变织构（1 1）形变织构：多晶体材
19、料由塑性变形导致的各晶粒呈择优）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。取向的组织。丝织构丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）（2 2）类型）类型 板织构板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平 行于主变形方向。（轧制时形成）行于主变形方向。（轧制时形成）29第29页，本讲稿共36页第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响2 2 形成形变织构形成形变织构 力学性能：利力学性能：利:深冲板材变形控制深冲板材变形控
20、制;弊：制耳弊：制耳。（3 3）对性能的影响）对性能的影响 (各向异性各向异性)物理性能物理性能:硅钢片硅钢片100100100100织构可减少铁损。织构可减少铁损。30第30页，本讲稿共36页第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 一一 对组织结构的影响对组织结构的影响 3 3 形成位错胞形成位错胞 变形量变形量 位错缠结位错缠结 位错胞位错胞 （大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。)31第31页，本讲稿共36页第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 二二 对性能的影响对性能的影响 1 1 对力
21、学性能的影响（加工硬化）对力学性能的影响（加工硬化）（1 1）加加工工硬硬化化（形形变变强强化化、冷冷作作强强化化）：随随变变形形量量的的增增加加，材材料料的的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。32第32页，本讲稿共36页第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 二二 对性能的影响对性能的影响 1 1 对力学性能的影响（加工硬化）对力学性能的影响（加工硬化）强化金属的重要途径；强化金属的重要途径；利利 提高材料使用安全性；提高材料使用安全性；（2 2）利弊）利弊 材料加工成型的保证。材料加工成型的保证。弊弊 变形阻力提高，动力消耗增
22、大；变形阻力提高，动力消耗增大；脆断危险性提高。脆断危险性提高。33第33页，本讲稿共36页第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 二二 对性能的影响对性能的影响 2 2 对物理、化学性能的影响对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；结构缺陷增多，扩散加快；结构缺陷增多，扩散加快；化学活性提高，腐蚀加快。化学活性提高，腐蚀加快。34第34页，本讲稿共36页第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 三三 残余应力（约占变形功的残余应力（约占变形功的1010）第一类残余应力（第一类
23、残余应力（）：宏观内应力，由整个物）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起。体变形不均匀引起。1 1 分类分类 第二类残余应力（第二类残余应力（）：微观内应力，由晶粒变）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起。形不均匀引起。第三类残余应力（第三类残余应力（）：点阵畸变，由位错、空）：点阵畸变，由位错、空位等引起。位等引起。80-90%80-90%。35第35页，本讲稿共36页第五节 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 三三 残余应力（约占变形功的残余应力（约占变形功的1010）利：预应力处理，如汽车板簧的生产。利：预应力处理，如汽车板簧的生产。2 2 利弊利弊 弊：引起变形、开裂弊：引起变形、开裂,如黄铜弹壳的腐蚀开裂。如黄铜弹壳的腐蚀开裂。3 3 消除：去应力退火。消除：去应力退火。6h36第36页，本讲稿共36页