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1、?第二章 金属塑性变形的物理基础目标：了解金属的晶体结构、塑性变形行为、及变形条件对 其塑性和变形抗力的影响?2.1 单晶体塑性变形机理一、金属的晶体结构固态物质的聚集态分为两大类：晶体晶体和非晶体。晶体晶体：分子或原子在三维空间作规律性的重复排列所形成的固体。注：通常固态金属都是晶体。只有在激冷的情况下才能得到非晶态的金属。反映金属晶体特征的最小几何单元称为晶胞。晶体是由晶胞在空间重复堆砌而成的。?二、三种典型晶格常见的金属晶体的晶格有三种：1.面心立方（fcc)n面心立方共有四个密排面，每个面上有三个密排方向n密排面上的密排方向上最易产生滑移?2.体心立方（bcc)？哪个面是密排面？哪个方
2、向是密排方向？与面心立方比较，体心立方晶格密度是大还是小？3.密排六方（hcp)?三、实际金属的晶体结构单晶体由于不同晶面和晶向上原子的排列不同，因而引起机械物理、化学性能的不同，称为晶体的各向异性。工业用金属是由许多尺寸很小位向不同的小晶体所组成，称为多晶体。这些小晶体系由许多位向基本一致的晶胞组戊，类似单晶体，称为晶粒。各晶粒之间的过渡区，称为晶界。由于多晶体是由许多不同位向的晶粒组成，晶粒的各向异性被互相抵消，因而实际金属一般不显示方向性。由位向相同的一群同类晶胞聚合在一起，组成金属单晶体。?实际金属主要存在着四种缺陷：点缺陷 1）空位；2）间隙原子；3）置换原子实际晶体的原子的排列并非
3、象理想晶体那样绝对完整，而是存在着一系列的缺陷。1-空位；2-间歇原子；3-异质间歇原子；4-置换原子。1234?线缺陷 1）刃形位错；2）螺形位错；面缺陷 1）晶界；2）亚晶界；3）层错体缺陷 1）夹杂；2）第二相；3）析出物刃型位错示意图位错线螺型位错示意图 位错线单位晶体体积中所包含位错线的总长度，称为位错密度。退火多晶体金属中位错密度为106108厘米，强烈冷变形后的则可达10111012厘米。金属中位错密度越高，金属便难于变形，金属的强度也越高。?四、单晶体的塑性变形物体在外力的作用下，会发生形状和尺寸的改变，称为变形。外力除去后能恢复原状的变形，称为弹性变形；外力除去后不能恢复原状
4、的变形，称为塑性变形。1.弹性变形与塑性变形单晶体晶格在受到正应力时不会发生塑性变形的，由弹性变形直接过渡到脆性断裂。塑性变形只有在受到剪应力时才会发生，当作用的剪应力达到一定值时，晶体便由弹性变形(剪切变形)过渡到塑性变形。弹性变形变形后塑性变形变形后弹性变形变形前变形前?A、滑移2.单晶体的塑性变形晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面和晶向产生滑动，称为滑移。该晶面和晶向，分别称为滑移面和滑移方向。滑移往往在许多晶面上同时发生，在晶体表面形成阶梯状不均匀的滑移带。滑移线和滑移带示意图滑移面示意图滑移并非沿任意晶面和晶向发生，而总是沿着该晶体中原子排列到最密的晶面和晶向发生的。单晶体的塑
5、性变形有两种形式：滑移与孪晶?I)滑移系 每一种晶格存在几个滑移面；而每一滑移面又有几个可能的滑移方向。一个滑移面和其上一个滑移方向，构成一个滑移系。一种晶格上滑移系总数是滑移面数和其上滑移方向数的乘积。Mg、Zn、Cd、Ti密排六方晶格 体心立方晶格-Fe、Cr、W面心立方晶格 Al、Cu、Ag、Ni滑移面滑移系滑移方向金属对于金属的塑性变形能力，滑移方向的作用要比滑移面的作用大。?II)临界切应力要使金属在外力作用下产生滑移（塑性变形），必须在滑移面沿滑移方向上施加一定大小的剪应力。该剪应力称为临界切应力。对于一定的材料而言，临界切应力是一个常数，它的大小取决于材料的本性。？根据临界切应力
6、的特点，说明单晶体试样在拉伸试验时，屈服(材料产生塑性变形）应力是否与试样的取样方位有关？纯金属晶体滑移时的临界剪应力k的值，一般约为1010MNm。而根据静电理论的临界剪应力k(103104MNm)比实际值大的多。其原因是：1)金属晶体晶格的原子排列理想化；2)认为晶体的滑移在是滑移面上同时进行。实际晶体的滑移通过滑移面上的位错运动进行，原子是逐个逐个的移动。?解：设试样横截面积为A,载荷为P,则作用横截面的应力为：滑移面滑移方向上的分剪应力为：可见单晶体的屈服应力与试样的取向有关。则作用在滑移面上的剪力与剪应力为:P滑移面滑移方向?III)几何硬化与几何软化随着滑移的进行，由于滑移面的转动
7、或弯曲加剧，使滑移越来越难以在这些滑移面上进行，这种现象称为几何硬化。滑移系数目多的金属塑性变形时，在一个滑移系发生几何硬化的同时，另一个滑移系可能由于晶体的转动而越来越处于有利的位向，使易于产生滑移，则称为几何软化。这时新的滑移面将和旧的滑移面相交错，这种有两个滑移系参加，滑移不是同步而是依次顺序进行的，称为双滑移。?B、孪晶孪晶是在剪应力作用下的晶体的一部分对应一定的晶面(称双晶面)，沿一定的方向，进行相对移动。使晶体的变形部分与未变形部分以双晶面为对称面互相对称。双晶面孪晶造成晶格畸变，使金属强化；通常发生在低温、冲击等难变形的情况下。?当变形很小时，由材料力学可知，剪应力与剪应变有：一
8、、材料理论强度模型当上层原子相对于下层原子整体滑动一个距离时，所需要的剪应力应为移动距离的周期函数：b 则则理论临界屈服剪应力满足实际表明，理论临界屈服剪应力比真实情况的屈服应力往往大几个数量级。2.2 位错基本理论?为解释金属理论强度与实际情况的巨大差异，泰勒（G.I.Taylor)等于三十年代提出了金属晶体中的位错假设。位错理论不断得到试验证实和理论上的完善。该理论的基本概念有：1.柏氏矢量柏氏回路柏氏矢量刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直b二、位错理论基本知识(dislocation theory)逆时针以相邻原子间距为步长所做回路称为柏氏回路。理想晶体中的柏氏回路闭合的；在位错周围是不闭合
9、的。一般规定一般是由纸面向外伸出的方向为晶体位错线的正方向。?螺型位错的柏氏矢量与位错线平行。b b将其闭合的矢量称为柏氏矢量。它反映了晶体滑移的方向和距离。故柏氏矢量的大小(模)b又称位错强度。?在实际晶体中，位错线不能一段段孤立地存在，只能终止在晶体自由表面或晶界的内表面上。晶体内部的位错线一定是封闭的：或形成一位错环,或结成三维的位错网络。AB螺型刃型混合型BA2.位错环?3.位错运动A.滑移在柏氏矢量方向的位错运动称为滑移。微观刃型位错的运动造成塑性变形微观螺型位错的运动造成塑性变形?B.位错攀移(dislocation climbing)空位迁移引起的攀移:间隙原子迁移引起的攀移:当
10、刃型位错线的运动方向与柏氏矢量垂直时，这种位错运动称为位错攀移。?C.位错交割(dislocation cutting)BbCAD位错线在运动中可能遇到不在同滑移面上的其它位错线而受阻碍。如果应力足够大，位错能够克服这个障碍继续前进，使位错彼此交叉通过，称为位错的交割。?D.交滑移(cross sliding)b bE.位错塞积(dislocation pile-up)障碍位错线在运动中因受阻碍可能转移到其他滑移面上的继续运动，称为位错的交滑移。?4.位错增殖(dislocation multiplication)弗兰克一端德（Frank-Rend）源：两端被钉扎住的位错AB作为位错源，在外力
11、作用下不断产生新的位错环。bA BA B?2.3 多晶体的冷塑性变形一、多晶体的塑性变形特点1）晶界的影响2）晶粒位向的影响3）多晶体变形的不均匀，产生残余应力?二、多晶体的冷塑性变形方式1）晶内变形2）晶间变形a）滑移b）双晶a）晶间之间的移动b）晶间之间的转动例：冲压件出现“橘皮”现象多晶体的塑性变形有晶内变形和晶间变形两种方式：?2）形成变形织构（texture)1）形成纤维组织(fiber structure)3）产生亚晶(sub-grain)多晶体金属经塑性变形后，除和单晶体一样在每颗晶粒内产生滑移带和双晶带外，还可能引起组织改变：四、多晶体变形对性能的影响一般而言，材料发生塑性变形
12、后，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降。三、多晶体变形对组织的影响?2.4 加工硬化(work hardening)剪应力剪应变 I单滑移为主，很少硬化 II多滑移为主，线形硬化 III交滑移为主，抛物线形硬化面心立方晶体的三个典型硬化阶段一、单晶体的加工硬化塑性变形过程中金属和合金发生的组织上及机械、物理和化学性能上变化的总和，称为加工硬化。剪应变剪应力fccbcchcp加工硬化系数=d/d?二、多晶体的加工硬化一开始就进入第二阶段，易形成位错纠结(tangle)和胞状组织(cell structure)。加工硬化系数比单晶体大，晶粒愈细，加工硬化愈显著三、加工硬化的作用?2.5 金属冷变形后
13、在加热时组织变化回复和再结晶(recovery and recrystallization)一、冷变形金属的静态回复1）温度低时，点缺陷消除2）温度中时，位错运动-位错合并与位错组合3）温度高时，不在同一滑移面上的位错通过攀移或交滑移合并，晶粒长大。变形后金属在加热到（0.1-0.3)Tm,晶体缺陷减少，物理性能得已恢复，部分内应力消除，力学性能也部分恢复，该过程中称为回复。?二、静态再结晶1）新的等轴晶粒代替变形晶粒；2）再结晶使机械、物理和化学性能完全恢复，加工硬化全部消除；变形金属加热至较高温度时，原子在变形晶粒的晶界或变形剧烈的区产生晶核，新晶粒长大到彼此边界，这一生核，长大的过程称为
14、再结晶。3）金属发生再结晶过程，必须有一个最小的变形量，低于这一变形量就不会发生再结晶；4）再结晶的温度通常定义为：经过70变形量变形的金属，在均匀温度中保持一小时能完成再结晶的最低温度。纯金属再结晶温度是0.4Tm 5)影响再结晶过程的因素主要有加热温度、保温时间、变形程度、原始晶粒度和金属的化学成分等。三、二次再结晶由再结晶得到的无畸变的等轴细晶粒，在温度继续升高或长时间保温时，会互相吞并而急剧长大，形成粗大晶粒，称为二次再结晶或集合再结晶。?四、再结晶图1）影响再结晶后晶粒度的因素再结晶后晶粒度的因素影响再结晶后晶粗大小的因素很多，主要有变形程度、加热温度和保温时间等。当变形程度很小时，
15、晶粒没有多大变化当达到某一变形程度时，晶粒持别粗大，这个变形是称为临界变形程度。变形程度晶粒度加热温度晶粒度保温时间晶粒度?2）再结晶全图再结晶全图例：控制轧制变形程度晶粒直径将加热温度、变形程度对再结晶晶粒度的影响画成三维(变形程度、温度、晶粒)图形，称为再结晶全图。?四、按变形温度，金属变形可分为：冷变形一般低于静态回复和静态再结晶温度热变形一般高于静态再结晶温度温变形一般在静态回复和静态再结晶温度之间变形过程中再结晶进行不充分，变形末了既有再结晶的等轴晶粒，又有纤维状硬化组织，称为不完全的热变形。变形过程中只有回复和加工硬化，不发生再结晶，变形末了仍然是硬化组织，称为不完全的冷变形。?2
16、.6 金属热塑性变形一、热变形金属变形机理2）动态再结晶主要发生在层错能较低的金属热变形中热变形温度一般为0.6Tm,金属热变形分为晶内变形和晶间变形、以及扩散塑性变形（由原子扩散运动产生的塑性变形）。二、动态回复和动态再结晶应力作用下的回复和再结晶称为动态回复和动态再结晶。1）动态回复主要发生在层错能较高的金属热变形中A）动态回复是在层错能较高的金属软化的主要机制；C）动态回复后的金属的位错密度比静态回复的高B）层错能较高的变形主要机制为滑移和攀移；A）晶粒大小取决与流动应力大小，与变形温度无关；?2.7 金属的塑性及其影响因素一、金属的塑性指标、塑性图用于衡量金属塑性的高低的数量指标，称为
17、塑性指标。塑性指标是以金属材料开始破坏时的塑性变形量来表示的。常用的塑性指标有拉伸试验时的延伸率和断面缩小率1）塑性指标?式中H0试样原始高度；HK第一个出现裂纹的试样镦粗后高度金属的塑性指标还可用镦粗试验、扭转试验等测定。镦粗试验的试件做成圆柱体，高度H为直径D的l.5倍，取一组试样在压力机或锤上进行镦粗，分别依次镦粗到预定的变形程度，第一个出现表面裂纹的试样的变形程度，即为塑性指标：H0DHk?2）塑性图将不同温度时得到塑性指标(、及K等)，以温度为横坐标，以塑性指标为纵坐标，绘成函数曲线，这种曲线图称为塑性图。碳钢的塑性图一个完整的塑性图包括：压缩时的变形程度；拉伸时的强度极限b、延伸率
18、、断面缩小率；冲击韧性K 扭转时的扭角或转数；?二、影响金属塑性的因素影响影响金属塑性的主要因素有：化学成分、组织状态、变形温度、变形速度和受力状态等。1）化学成分的影响 化学成分对金属塑性的影响十分复杂。碳碳 碳固溶到铁里，形成铁素体和奥氏体，它们具有良好的塑性和低的强度。当含碳量超过铁的溶解能力时，多余的碳和铁形成渗碳体。使碳钢的塑性降低，强度提高。磷磷 磷能溶于铁素体中，使钢的强度、硬度显著提高，塑性、韧性显著降低。当含磷量达0.3时，钢完全变脆，冲击韧性接近于零，称冷脆性。硫硫 生成FeS，FeS与FeO形成共晶体，分布于晶界。当钢在1000以上热加工时，由于晶界处的FeS共晶体熔化，
19、导致锻件开裂，这种现象称为热脆性。氮氮 氮在奥氏体中溶解度较大，在铁素中溶解度很小，且随温度下降而减小。将含氮量高的钢由高温较快冷却时，铁素体中的氮由于来不及析出而过饱和溶解。氮将以FeN形式析出，使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性大为降低，这种现象称为时效脆性。?2）组织状态的影响 晶粒大小:金属和合金晶粒越细化，塑性越好 基体金属的晶格类型：单相组织和多相组织：单相固溶体比多相组织塑性好 细晶粒金属强度、硬度较高，塑性好的原因：晶界处的晶格畸变使多晶体的强度、硬度比单晶体高。晶粒越细，晶粒数目越多，塑性变形分散在很多晶粒内进行，变形比较均匀些。?3）变形温度的影响 总的趋势是：随着温度升高，
20、塑性增加，H68塑性图碳钢塑性图高速钢塑性图?A)热效应和温度效应 塑性变形过程中变形能转化为热能的现象，称热效应；其中部分热量使得变形体温度升高，该现象称温度效应。4）变形速度的影响影响温度效应的因素：变形速度：变形速度越高，所产生的热量便多，温度效应也就越大；变形体与工具接触面、周围介质的温差：温差越小，热量散失就越少，温度效应也就越大。变形温度：温度越高，因材料真实应力降低，单位体积的变形能就越小，温度效应也越小；在冷塑性变形时，因材料真实应力高，单位体积变形功便高，温度效应也就高。?B）变形速度的影响随变形速度的增大，冷变形材料真实应力有所增加或基本不变，而热变形材料真实应力的明显增大
21、。?随变形速度提高，塑性变化的一般趋势：变形速度塑性指标冷变形时，随着变形速度的增加，塑性略有下降,以后由于温度效应的作用加强，塑性可能会上升。热变形时，随着变形速度的增加，通常塑性有较显著的降低，以后由于温度效应增强而使塑性稍提高；但当温度效应很大，以致使变形温度由塑性区进入高温脆区，则金属和合金的塑性又急剧下降。化学成分越复杂的材料，增大变形速度使塑性降低。当变形速度不大时，塑性降低；较大时，塑性降低；很大时，塑性回升。?5）应力状态的影响A)应力状态平均应力(静水压力):?B)应力状态对塑性的影响拉伸应力促进晶间变形，加速晶界破坏，压缩应力阻止或减少晶间变形，随着三向压缩作用的增强，晶间
22、变形愈加困难，因而提高了金属的塑性。压应力有利于消除晶体中塑性变形引起的各种微观破坏，而拉应力则促使各种破坏发展。同时三向压应力能抑制变形体原来存在缺陷。而在拉应力作用下，将使这些缺陷发展，形成应力集中，促使金属破环。三向压应力能抵消由于变形不均匀所引起的附加拉应力静水压力越大，则金属的塑性越高。原因：?三、提高金属塑性的措施2）合理选取变形温度和变形速度3）合理选取变形方式1）提高材料成分与组织的均匀性4）减少不均匀变形?2.8 金属的变形抗力及其影响因素一、金属的变形抗力 塑性加工时，使金属发生塑性变形的外力，称为变形力。金属抵抗变形之力，称为变形抗力。亦称单位流动压力。二、影响金属变形抗
23、力的因素影响影响金属变形抗力的主要因素有：化学成分、组织状态、变形温度、变形速度、变形程度和受力状态等。1）化学成分的影响 纯度高，抗力小。?2）组织状态的影响 晶粒大小:金属和合金晶粒越细化，抗力越高 基体金属的晶格类型：单相组织和多相组织：单相固溶体比多相组织抗力小3）变形温度的影响 总的趋势是：随着温度升高，抗力降低。4）变形速度的影响随变形速度的增大，冷变形材料的抗力有所增加或基本不变，而热变形材料的抗力的明显增大。?5）变形程度的影响6）应力状态的影响随变形程度的增大，抗力显著增加，而抗力增加减缓。即主应力相差越大，则金属的抗力越低。?作业：P.45 1-11-12?n一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑移系统n一般塑性变形时，滑移面为原子密排面，滑移方向为原子密排方向n由于金属晶体各个面或各个方向的原子密度不同，所以物理性质也就不同（各向异性）n面心立方晶格有12个滑移系统，故塑性较好。n点阵中存在间隙要点小结?知识要点1）微观上的位错滑移或孪晶造成宏观塑性变形。4）塑性变形造成位错密度增加（位错增殖），从而产生加工硬化2）使位错大规模运动就造成了材料的屈服；此时的应力就是相应的屈服应力。3）屈服应力与位错密度成正比。5）冷变形时，晶界的强度高于晶内强度。热变形时，晶界的强度低于晶内强度6）冷变形时，细晶材料由于具有较多的晶界区域，其强度大于粗晶材料