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第6章金属及合金的塑性变形与断裂前言1.铸态组织往往具有晶粒粗大且不均匀，组织不致密和成分偏析等缺陷2.金属材料进过冷轧，冷拉等塑性变形后，金属的强度显著提高而塑性下降，进过热轧，锻造等塑性变形后，强度提高虽然不明显，但塑性和韧性较铸态时有明显改善第一节，金属的变形特性1.金属在外力作用下的变形过程可以分为弹性变形，弹塑性变形，断裂3个连续的阶段2.低碳钢的变形过程的特点当应力低于бe时，应力与式样的应变呈正比，应力去除，变形消失，式样处于弹性变形阶段，弹性极限：表示材料保持完全弹性变形时的最大应力3塑性变形：当应力超过бe时，应力与应变的直线关系破坏，并出现屈服平台或屈服齿，如果卸载，式样的变形只能部分恢复，而保留一部分残余变形屈服极限：规定产生0.2%残余变形的应力值加工硬化，形变强化：当应力超过бs后，式样发生明显而均匀的塑性变形，若式样的应变增大，则必须增大应力值，随着塑性变形的增大，塑性变形抗力不断增大的现象抗拉强度：材料对最大塑性变形的抗力韧性：材料对断裂的抵抗能力流变曲线：把均匀塑性变形阶段的真应力-真应变曲线称为流变曲线加工硬化指数：它表征金属在均匀变形阶段的加工硬化能力，N越大，则变形的加工硬化越显著，取决于材料的晶体结构和加工状态金属弹性变形的实质;金属晶格在外力作用下产生弹性畸变弹性模量，切变模量是表征金属材料对弹性变形的抗力，弹性模量相当于产生单位弹性变形所需的应力刚度：将构件产生弹性变形的难易程度称为构件的刚度金属的弹性模量是一个对组织不敏感的性能指标，他取决于原子间结合力的大小，其数值只与金属的本性，晶体结构，晶格常数有关断面收缩率；在拉伸试验中，试样拉断后其缩径处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，称为断面收缩率。强度指标——表示材料抵抗塑性变形和破坏的能力，塑性指标――表示材料产生塑性变形的能力。弹性变形和塑性变形的本质区别；弹性变形和塑性变形的本质区别在于在外力作用下点阵原子位移距离的大小：弹性变形――位移小于一个原子间距；塑性变形――位移超过一个原子间距。塑性变形中包含了弹性变形。金属材料的塑性变形方式有两种：滑移和孪生，以滑移为主第二节单晶体的塑性变形滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式滑移带――在金相显微镜下看到的平行或交叉的条纹（细线）。滑移线(slipline)――在电子显微镜下看到的平行小台阶（更细的线），它们组成了滑移带滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组和构成一个滑移系金属晶体的滑移系越多，则滑移时可供采用的空间位相也越多，滑移就越容易进行，金属的塑性也越好滑移面总是原子排列最密的晶面，滑移方向也是原子排列最密的晶向。这是因为在晶体的原子密度最大的晶面上，原子间的结合力最强，而面与面之间的距离却最大，即密排面之间的原子间结合力最弱，滑移的阻力最小，因而最易于滑移，沿原子密度最大的晶向滑动时，阻力也最小面心立方金属的密排面是{111},滑移面共有4个，密排晶向，滑移方向110,每个滑移面上有3个滑移方向，因此共有12个滑移系体心立方：滑移面为{110},6个,滑移方向111,2个，因此12个密排六方在室温的滑移面只有{0001},1个，滑移方向为-1-120,3个滑移面上有3个滑移系。因此面心立方和体心立方的塑性比较好，而密排六方的塑性较差临界分切应力τk；在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。使滑移系开动的最小分切应力，它的数值大小与金属的晶体结构，纯度，加工状态，实验温度和加载速度φ－滑移面法线与拉伸轴的夹角，λ－滑移方向与拉伸轴的夹角cosφcosλ－取向因子取向因子大的方向称为软取向，取向因子小的方向称为硬取向。σs随取向因子而变，取向因子越大，σs越小，当φ＝λ＝45°时，取向因子达到最大，σs最小,金属最容易开始滑移晶体中的滑移系随晶体一块转动，拉伸时，开动滑移系转向与拉力轴平行的方向；压缩时，滑移系转向与压力轴垂直的方向，无论哪种转动，都会使开动滑移系的取向因子变小，极限情况下为零，结果使该滑移系的滑移难以进行下去。在滑移过程中，不仅滑移面在转动，而且滑移方向也在旋转，即晶体的位相在不断发生改变，取向因子也比如随之而改变。如果某一滑移系的取向处于软取向，那么拉伸时随着晶体取向的改变，滑移面的法向与外力轴的夹角越来越远离45°，从而使滑移越来越困难，这种现象称为几何硬化。于此相反，经滑移和转动后，滑移面的法向与外力轴的夹角越来越接近45°，那么就越来越容易进行，这种现象称为几何软化多滑移：在两个或更多的滑移系上进行的滑移称为多滑移，多滑移产生的交叉带常呈交叉形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(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.单滑移产生的加工硬化效果很小，由于晶体的转动发生多滑移，此时由于不同滑移系间的相互交割，使加工硬化效果突然上升。由于晶体取向的改变可能使两个或多个相交的滑移面沿一个滑移方向进行滑移，加工效果下降单滑移――晶体中只有一个滑移系开动。多滑移――两个或多个滑移系同时或交替开动，产生原因有二：多个滑移系上的分切应力同时达到临界分切应力，晶体转动所致。交滑移――两个滑移系沿一个相同的滑移方向（即两个滑移面的交线方向）同时或交替开动。产生原因：两个滑移系上的分切应力同时达到临界分切应力，滑移在滑移面上受阻所致。滑移类型滑移带单滑移平行直线多滑移相互交叉的直线交滑移波纹线或弯曲的折线孪晶：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向的镜面对称关系孪生也是金属塑性变形的一种形式，一般情况下，金属晶体优先以滑移的方式进行塑性变形，但是当滑移难以进行时，塑性变形就会以生成孪晶的方式进行，称为孪生将形成孪晶的过程称为孪生，特点是变形以晶体整体切变的形式进行而不是沿滑移系发生相对位移密排六方金属的孪生面{10-12},孪生方向-1011体心立方{112}111面心立方{111}112两种变形方式的对比多晶体的塑性变形多晶体与单晶体的不同点：各晶粒位向不同和存在晶界，多晶体塑性变形时除了遵循上述单晶体塑性变形的规律外，还会受到晶粒位向和晶界的影响，有自己独特的规律。多晶体变形的特点：1.各晶粒变形的不同时性各晶粒变形不均匀2.各晶粒变形的相互协调性多晶体中各晶粒位向不同，外力作用时在各晶粒中产生的取向因子也各不相同，通常取平均取向因子Ω来代替各晶粒的取向因子。fcc:Ω≈1/3,bcc:Ω≈1/2,hcp:Ω≈1/6σs＝τc/Ω通过分析多晶体的塑性变形过程可以看出，一方面由于晶界的存在，使变形晶粒中的位错在晶界出受阻，使每一晶粒中的滑移带也都终止在晶界附近，另一方面，由于晶粒间存在着位相差，为了协调变形，要求每个晶粒必须进行多滑移，而多滑移时必须要发生位错的相互交割。这两者均提高金属材料的强度显然，晶界越多，晶粒越细小，则强化效果越显著。用细化晶粒增加晶界提高材料的强度的方法称为细晶强化晶界对变形的影响:滑移、孪晶多终止于晶界,极少穿过霍尔佩奇公式已滑移小晶粒晶界附近的位错塞积造成较小的应力集中，则需要较大的外加应力下才能使晶粒发生塑性变形，这就是为什么晶粒越细，屈服强度越高的主要原因细晶强化不但可以提高材料的强度，还可以改善材料的塑性和韧性。晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大这是因为，在相同外力作用下，细小晶粒的晶粒内部和晶界附近的应变相差很小，变形较均匀，相对来说，因应力集中引起开裂的机会也较小，这就有可能在断裂之前承受交大的变形量，所以可以得到交大的伸长率和断面收缩率。由于细晶粒金属中的裂纹不易产生也不易扩展，因而在断裂过程中吸收了更多的能量，即表现出高韧性。（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，可承受更大的变形量，表现出高塑性。晶粒越细，塑韧性提高，细晶材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量,表现出高韧）合金的塑性变形固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象影响因素：1溶质原子的类型；2溶质原子与溶剂原子的尺寸差；3溶质原子的浓度溶质含量越多，溶剂与溶质原子半径差越大，价电子数差越大，强化效果越好。间隙原子强化效果高于置换式溶质原子固溶强化的原因1.固溶体中溶质与溶剂的原子半径差所引起的弹性畸变，与位错之间产生弹性交互作用，对滑移面上运动的位错有阻碍作用2.在位错线上的偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用柯式气团――溶质原子偏聚在位错线下方形成的溶质原子团。这种交互作用将使位错变得更稳定，对位错有钉扎作用，要使位错滑动必须增加额外的力将位错从气团中拉出来，提高了金属的强度柯氏气团的形成，减小晶格畸变，降低了溶质原子与位错的弹性交互作用，使位错处于较稳定的状态，减小了可动位错的数目，这就是柯氏气团对位错的束缚或钉扎作用。若使位错线运动，脱离开气团的钉扎，就需要较大的外力，从而增加了固溶体合金的塑性变形抗力合金元素形成固溶体时其强化的规律1.在固溶体的溶解范围内，合金元素的质量分数越多，则强化效果越大2.溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，则造成的晶格畸变越大，因而强化效果越大3.形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换郭荣涛的元素4.溶质原子与溶剂原子的价电子数相差越大，则强化作用越大多相合金的塑性变形第二相强化――在合金中加入细小的弥散分布的第二相粒子，使合金的强度得到提高的现象，也叫分散强化、弥散强化、沉淀强化。由塑性较好的固溶体基体及其上分布的硬而脆的第二相所组成这类合金除了了固溶强化外，还有第二相的存在引起的强化组织：基体＋第二相性能：（1）两相性能接近：按强度分数相加计算。（2）软基体＋硬第二相第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）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）两种强化机制1.位错绕过第二相粒子这种第二相粒子是借助粉末冶金的方法加入基体而起强化作用的，这种强化方式称为弥散强化2.位错切过第二相粒子位错切过第二项粒子时必须作额外的功，消耗足够大的能量，从而提高合金的强度，这种强化方式称为沉淀强化塑性变形对组织结构的影响1.显微组织的变化变形前晶粒通常为等轴状，塑性变形后，晶粒将沿变形方向被拉长，变为扁平状或长条状，变形量很大时，晶界变的模糊不清，称为纤维状组织。纤维组织：当变形量很大时，晶粒呈现出一片如纤维状的条纹2亚结构的细化形变亚结构的边界是晶格畸变区，堆积有大量的位错，而亚结构内部的晶格则比较完整，这种亚结构称为胞状亚结构或形变胞形变亚结构是在塑性变形过程中形成的，在切应力的作用下位错源所产生的大量位错沿滑移面运动时，将遇到各种阻碍位错运动的障碍物，如晶界，第二相颗粒及割阶，造成位错缠结。金属中便出现了由高密度的缠结位错分隔开的位错密度较低的区域，形成形变亚结构3形变织构这种由于金属的塑性变形使晶粒具有择优取向的组织叫做形变织构丝织构在拉拔时形成，其特征是各晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行板织构在轧制时形成的，其特征是各晶粒的某一晶面平行于轧制平面，而某一晶向平行于轧制方向当出现织构时，多晶体金属就不再表现为等向性而显示出各向异性具有形变织构的多晶材料性能在一定程度上会呈现出单晶体的特点，即强烈的各向异性。对于深冲用冷轧薄板，如果存在形变织构，则板材各方向上塑性会出现各向异性，如果在长度和宽度方向塑性相差太大，深冲时会出现“制耳”现象加工硬化：随着变形程度的增加，金属的强度，硬度增加，而塑性，韧性下降。原因：随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时相互交割加剧，产生固定割阶，位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力的增加，因此提高了金属的强度利：强化金属的重要途径、提高材料使用安全性；材料加工成型的保证。弊