《《塑性变形物理本质》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《塑性变形物理本质》PPT课件.ppt（64页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、金属塑性变形理论金属塑性变形理论第二讲第二讲张贵杰张贵杰Tel：13230587925E-Mail：河北联合大学金属材料及加工工程系河北联合大学金属材料及加工工程系Lesson TwoLesson Two第二章 金属塑性变形的物理本质主要内容主要内容金属的晶体结构金属的晶体结构位错理论基础位错理论基础单晶体塑性变形单晶体塑性变形多晶体塑性变形多晶体塑性变形12/4/20222Lesson TwoLesson Two2.1 金属的晶体结构基本概念 晶胞结构 实际金属的晶体结构 12/4/20223Lesson TwoLesson Two基本概念晶体：原子按一定的几何规律在空间作周期性排列 晶格：
2、用直线将原子中心连接起来，构成的空间格子空间点阵：在空间由点排列起来的无限阵列，其中每一个点都与其它所有的点都具有相同的环境。晶胞：只包含一个阵点的六面体12/4/20224Lesson TwoLesson Two 晶界晶界:晶粒和晶粒之间的界面晶粒和晶粒之间的界面 晶面晶面:晶体中，由原子组成的平面晶体中，由原子组成的平面晶向晶向:由原子组成的直线由原子组成的直线Grain or Crystalline StructureGrain BoundaryCrystals12/4/20225Lesson TwoLesson Two晶胞结构 面心立方：Al、Ni、Cu、-Fe 12/4/20226L
3、esson TwoLesson Two 体心立方：Cr、V、Mo、W、-Fe、-Ti 12/4/20227Lesson TwoLesson Two密排六方：Zn、Mg、Be、-Ti、-Coc/a=1.57-1.64 12/4/20228Lesson TwoLesson Two立方系的一些立方系的一些晶面指数晶面指数12/4/20229Lesson TwoLesson Two实际金属的晶体结构单晶体:各方向上的原子密度不同各向异性 多晶体:晶粒方向性互相抵消各向同性 存在着一系列缺陷:点缺陷、线缺陷、面缺陷 12/4/202210Lesson TwoLesson Two 材料理论强度（G/30)
4、/Gpa实验强度/MPa理论强度/实验强度银铝铜镍铁钼铌镉镁（柱面滑移）钛（柱面滑移）铍（基面滑移）铍（柱面滑移）2.64 2.37 4.10 6.70 7.10 11.33 3.48 2.07 1.47 3.54 10.32 10.32 0.37 0.78 0.49 3.27.35 27.5 71.6 33.3 0.57 39.2 13.7 1.37 5.2 7103 3103 8103 2103 3102 2102 1102 4103 410 3102 8103 2102一些金属材料的实验屈服强度和理论屈服强度12/4/202211Lesson TwoLesson Two常见的缺陷 点缺陷
5、：包括空位、间隙原子、异质原子。12/4/202212Lesson TwoLesson Two12/4/202213Lesson TwoLesson Two线缺陷（位错）刃型位错刃型位错 L：位错线长度，V：体积，r：位错密度。一般退火晶体：r=106-108/cm2超薄单晶体：r 103/cm2冷变形金属：r=1011-1012/cm2 12/4/202214Lesson TwoLesson TwoM.F.Ashby and D.R.H.Jones,Engineering Materials 1,2nd ed.(2002)12/4/202215Lesson TwoLesson Two螺型位错
6、12/4/202216Lesson TwoLesson Two混合型位错（螺型+刃型）12/4/202217Lesson TwoLesson Two面缺陷 堆垛层错（堆垛层错（stacking stacking faultfault）抽出型层错抽出型层错插入型层错插入型层错如面心立方：如面心立方：ABCA（B）CABC 抽抽出出ABC（B）ABCABC 插插入入 12/4/202218Lesson TwoLesson Two晶界 晶界上的原子平均能量高于晶内原子，高出的能量称为晶界能。小角度晶界 12/4/202219Lesson TwoLesson Two孪晶界12/4/202220Less
7、on TwoLesson Two亚晶界 扭转晶界 扭转晶界面心立方结构中的(001)面相符扭转晶界 uStrained bondBroken bond(dangling bond)Grain boundaryVoid,vacancySelf-interstitial type atomForeign impurityFig.1.51:The grain boundaries have broken bonds,voids,vacancies,strained bonds and interstitial type atoms.The structure of the grainboundary
8、 is disordered and the atoms in the grain boundaries have higherenergies than those within the grains.12/4/202221Lesson TwoLesson Two2.2 位错理论基础 Dislocation theory柏氏矢量（Burgers Vector）和位错环（a）围绕一刃型位错的柏氏迥路；（围绕一刃型位错的柏氏迥路；（b）完整晶体中完整晶体中的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。12/4/202222Lesson TwoLesson Two（a）围绕一
9、螺型位错的柏氏迥路；（围绕一螺型位错的柏氏迥路；（b）完整晶体中完整晶体中的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。12/4/202223Lesson TwoLesson Two混合位错(b)未滑移区(a)BbbAA滑移区B12/4/202224Lesson TwoLesson Two位错攀移（Climb）正攀移：位错缩短，空位迁移负攀移：位错加长，间隙原子迁移 12/4/202225Lesson TwoLesson Two位错交割(a),(b)刃型位错上的弯节；(c),(d)刃型位错和螺型位错上的割节，阴影部分为滑移面刃型+刃型 割阶 继续滑移刃型+螺型 割阶 继续
10、滑移螺型+螺型 割阶 不能继续滑移 柏氏矢量b12/4/202226Lesson TwoLesson Two(a)(b)(c)(d)bbb12/4/202227Lesson TwoLesson Two位错源和位错增殖 Dislocation Loop:Frank Reed 12/4/202228Lesson TwoLesson Two12/4/202229Lesson TwoLesson TwoFrank-Read sources in SiDash,Dislocation and Mechanical Properties of Crystals,Wiley(1957).12/4/20223
11、0Lesson TwoLesson Two位错塞积 12/4/202231Lesson TwoLesson Two2.3 单晶体塑性变形机制单晶体塑性变形机制Mono-crystal plastic deformation2.3.1 滑移滑移:晶体一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对另一部分发生相对移动和切变。产生宏观的塑性变形。滑移面：原子排列密度最大的晶面。滑移方向：原子排列密度最大的方向。滑移系:一种滑移面及其上的一个滑移方向构成12/4/202232Lesson TwoLesson Two(a)3.25%Si-Fe单晶体中的平直滑移带。单晶体中的平直滑移带。取自取自Hull
12、,proc.Roy,Soc.A274,5(1963).(b)垂直于垂直于(a)中所示表面，且通过滑移带的截面示意图。每条滑中所示表面，且通过滑移带的截面示意图。每条滑移带是由平行于滑移面，且紧密排列的大量滑移台阶所构成。移带是由平行于滑移面，且紧密排列的大量滑移台阶所构成。滑移带ab12/4/202233Lesson TwoLesson Two滑移面的表示：，分别为滑移面与晶轴的截距，为晶格常数。对于体心立方、面心立方，12/4/202234Lesson TwoLesson TwoGold(Au)-fcc12/4/202235Lesson TwoLesson TwoIron(Fe),Vanad
13、ium(V),Chromium(Cr)-bcc12/4/202236Lesson TwoLesson Two12/4/202237Lesson TwoLesson Two滑移时的位错运动 一个位错移到晶体表面时，便形成一个原子间距的滑移量。同一滑移面上，有大量的位错移到晶体表面时，则形成一条滑移线。剪切力剪切力 v：波松比a：滑移平面间的距离b：沿滑移方向原子间的距离 12/4/202238Lesson TwoLesson Two临界剪切应力 晶体进入塑性时，在滑移面上，沿滑移方向的剪应力称为临界剪应力 uvw is perpendicular to(uvw)12/4/202239Lesson
14、 TwoLesson Two取向因子 滑移面和滑移方向与外力成45角，为软取向否则为硬取向12/4/202240Lesson TwoLesson Two晶面转动单晶体拉伸单晶体压缩12/4/202241Lesson TwoLesson Two平移滑移和复杂滑移单滑移（平移滑移）是沿着一定的结晶面和结晶方间进行。它仅可能在最初始的塑性变形阶段发生。铜的单滑移12/4/202242Lesson TwoLesson Two双滑移双滑移 所所谓谓双双滑滑移移就就是是指指从从某某一一变变形形程程度度开开始始，同同时时有有两两个个滑滑移系统进行工作。但这并不意味着它们的作用是同步的。移系统进行工作。但这并
15、不意味着它们的作用是同步的。12/4/202243Lesson TwoLesson Two多滑移多滑移 与与双双滑滑移移相相似似，晶晶体体在在滑滑移移过过程程中中，如如果果滑滑移移同同时时在在各各个滑移系统上进行时，则称此滑移为多滑移。个滑移系统上进行时，则称此滑移为多滑移。发生多系滑移时，在抛光的金属表面就不是平行的滑移线，而是两组或多组交叉的滑移线 12/4/202244Lesson TwoLesson Two交滑移交滑移 若若滑滑移移是是沿沿两两个个不不同同的的滑滑移移面面和和共共有有的的滑滑移移方方向向上上进进行行时，则称为交滑移。时，则称为交滑移。滑移后在晶体表面上所看到的滑移线不再
16、是直线而呈折线或波纹状 12/4/202245Lesson TwoLesson Two2.3.2 孪生 面心立方晶体孪生变形示意a)孪生面和孪生方向 b)孪生变形时原子的移动孪生面孪生面孪生方向孪生方向孪生区域12/4/202246Lesson TwoLesson Two孪孪生生：晶晶体体在在切切应应力力的的作作用用下下，其其一一部部分分沿沿某某一一定定晶晶面面和和晶晶向向，按按一一定定的的关关系系发发生生相相对对的的位位向向移移动动，其其结结果果使使晶晶体体的的一一部部分分与原晶体的位向处于相互对称的位置。与原晶体的位向处于相互对称的位置。12/4/202247Lesson TwoLesso
17、n Two在在孪孪生生变变形形时时，所所有有平平行行于于孪孪生生面面的的原原子子平平面面都都朝朝着着一一个个方方向向移移动动。每每一一晶晶面面移移动动距距离离的的大大小小与与它它距距孪孪生生面面的的距距离离成成正正比比。每每一一晶晶面面与与相相邻邻晶晶面面的的相相对对移移动动恒恒等等于于点点阵阵常常数数的的若若干干分分之之一。一。12/4/202248Lesson TwoLesson Two发生孪生的条件 晶体的对称性晶体的对称性 变形速度的增加可促使晶体的孪生化变形速度的增加可促使晶体的孪生化 温度越低，孪生产生的可能性越大温度越低，孪生产生的可能性越大 12/4/202249Lesson
18、TwoLesson Two镁中的变形孪晶和滑移带镁中的变形孪晶和滑移带 12/4/202250Lesson TwoLesson Two孪生与滑移的区别 由由孪孪生生的的变变形形过过程程可可知知，孪孪生生所所发发生生的的切切变变均均匀匀地地波波及及整整个个孪孪生生变变形形区区，而而滑滑移移变变形形只只集集中中在在滑滑移移面面上上，切切变变是是不不均匀的；均匀的；孪孪生生切切变变时时原原子子移移动动的的距距离离不不是是孪孪生生方方向向原原子子间间距距的的整整数数倍倍（而而是是几几分分之之一一原原子子间间距距），而而滑滑移移时时原原子子移移动动的的距距离离是滑移方向原子间距的整数倍；是滑移方向原子间
19、距的整数倍；孪孪生生变变形形后后，孪孪晶晶面面两两边边晶晶体体位位向向不不同同，成成镜镜像像对对称称；而而滑移时，滑移面两边晶体位向不变；滑移时，滑移面两边晶体位向不变；由由于于孪孪生生改改变变了了晶晶体体的的取取向向，因因此此孪孪晶晶经经抛抛光光浸浸蚀蚀后后仍仍可可观察到，而滑移所造成的台阶经抛光浸蚀后不会重现。观察到，而滑移所造成的台阶经抛光浸蚀后不会重现。12/4/202251Lesson TwoLesson Two2.3.3 不对称变向 孪孪生生变变形形点点阵阵的的再再取取向向是是有有规规律律的的，变变形形后后晶晶休休与与未未变变形形部部分分晶晶体体以以孪孪晶晶面面为为对对称称面面。当
20、当变变形形条条件件既既不不利利于于滑滑移移又又不不利利于于孪孪生生时时，晶晶体体点点阵阵则则以以非非对对称称的的方方式式变变向向，称称为为不不对对称称变变向向。变变形形部部分分相相对对未未变变形形部部分分取取向向的的是是无无规规律律的的，并并不不成成对对称称关关系系。这这种种变变形形方方式式在在金金属属中中常常见见到到的的有有扭扭折折带带和形变带。和形变带。12/4/202252Lesson TwoLesson Two扭折带的形成对塑性变形有两种作用，一种是协调变形；二是进一步促进变形。12/4/202253Lesson TwoLesson Two在在变变形形晶晶体体的的某某些些微微区区中中，
21、其其点点阵阵相相对对原原来来点点阵阵发发生生转转动动而而形形成成形形变变带带。经经x射射线线的的研研究究可可知知，带带中中的的取取向向转转动动不不同同于于扭扭折折带带，取取向向不不是是突突变变而而是是渐渐变变的的，其其转转动动程程度度取取决于变形量。决于变形量。12/4/202254Lesson TwoLesson Two2.3.4 其它变形机制 非晶机制 晶界滑动 12/4/202255Lesson TwoLesson Two2.4 多晶体塑性变形多晶体塑性变形Multi-crystal plastic deformation多多晶晶体体是是由由许许多多微微小小的的单单个个晶晶粒粒杂杂乱乱组
22、组合合而而成。成。多晶体在其组织结构上的特点：多晶体在其组织结构上的特点：（1）多多晶晶体体的的各各个个晶晶粒粒，其其形形状状和和大大小小是是不不同同的，化学成分和力学性能的分布不均匀；的，化学成分和力学性能的分布不均匀；（2）多晶体各相邻晶粒的取向一般不同；）多晶体各相邻晶粒的取向一般不同；（3）在在多多晶晶体体中中存存在在大大量量的的晶晶界界，晶晶界界的的结结构构和和性性质质与与晶晶粒粒本本身身不不同同，并并在在晶晶界界上上聚聚集集着着其它物质的杂质。其它物质的杂质。12/4/202256Lesson TwoLesson TwoGrain or Crystalline StructureG
23、rain Boundary12/4/202257Lesson TwoLesson Two多晶体塑性变形特点 变形的不均匀性 多晶体变形的竹节现象多晶体变形的竹节现象 晶粒变形的整体性晶粒变形的整体性 12/4/202258Lesson TwoLesson Two晶界的作用及晶粒大小的影响晶界的作用及晶粒大小的影响 多多晶晶金金属属在在塑塑性性变变形形过过程程中中，仍仍然然保保持持着着连连续续性性。即即每每个个晶晶粒粒的的变变形形都都要要受受到到相相邻邻晶晶粒粒的的制制约约，并与相邻晶粒的变形相协调。并与相邻晶粒的变形相协调。晶粒越细，屈服强度越高晶粒越细，屈服强度越高 12/4/202259L
24、esson TwoLesson Two多晶体塑性变形机制 晶粒的转动和移动 溶解沉积机制 粘滞性晶间流动 12/4/202260Lesson TwoLesson Two多晶体的屈服与形变时效 屈服极限屈服极限 当当多多晶晶体体出出现现一一定定残残留留塑塑性性变变形形值值时时的的抗抗力力作作为为多多晶晶体体的的屈屈服服极极限限。对对这这样样的的屈屈服极限称为条件屈服极限。服极限称为条件屈服极限。312/4/202261Lesson TwoLesson Two屈服效应和吕德斯带拉拉伸伸试试验验表表明明，有有些些金金属属其其拉拉伸伸曲曲线线是是逐逐渐渐连连续续变变化化的的，没没有有明明显显的的屈屈服
25、服极极限限，也也有有些些金金属属材材料料（如如低低碳碳钢钢），在在拉拉伸伸曲曲线线上上有有明明显显的的上上、下下屈屈服服点点，在在下下屈屈服服点点后后有有一一应应力力平平台台区区域域（或或带带有有少少量量的的应应力力起起伏伏），而而产产生生屈屈服服平平台台效效应应，或或称称为为屈屈服服效应。效应。12/4/202262Lesson TwoLesson Two形变时效金金属属变变形形后后，于于室室温温经经长长时时间间停停留留（或或加加热热到到一一定定温温度度，短短时时间间保保温温），金金属属的的屈屈服服点点应应力力提提高高（强强度度和和硬硬度度也也随随之之提提高高），并并在在拉拉伸伸试试验验中中出出现现屈屈服服台台阶阶的的现现象象称称为为形变时效或应变时效。形变时效或应变时效。12/4/202263Lesson TwoLesson Two课后作业Homework何谓滑移面、滑移方向、滑移系？体心立方晶格、面心立方晶格以及密排六方晶格金属的滑移系各为多少？画图说明。何谓临界切应力？哪些因素对其产生何影响？阐述滑移与孪生的区别 画图说明什么叫屈服效应？试解释低碳钢存在的屈服效应现象的主要原因。12/4/202264