第七章材料的塑性变形与再结晶.

第七章材料的塑性变形与再结晶在外力作用下，材料将发生变形：外力较小时，发生弹性变形；当外力较大时，将发生塑性变形，即产生不可逆的永久变形；当外力过大时，就会发生断裂。在实际生产中，有的利用材料的塑性变形进行固态成形，如锻造、轧制、拉拔、挤压等；有的因材料发生塑性变形而影响加工工效，如车、铣、钻、刨、磨等；有的要尽量避免材料发生塑性变形，如铸造、焊接、热处理等。概述7-1单晶体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和孪生方式进行，此外亦有扭折、微应变等方式。在高温下，单晶体的塑性变形还可通过扩散性变形等方式发生。7-1单晶体的塑性变形一、滑移（一）有关概念滑移：晶体相邻两部分沿着某一晶面在某个晶向上彼此间作相对的平行滑动。7-1单晶体的塑性变形滑移现象观察7-1单晶体的塑性变形（二）滑移面、滑移方向和滑移系晶体的滑移通常沿着一定的晶面和晶向进行，这些晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。面心立方晶体：滑移面{11l}，滑移方向110体心立方晶体：滑移面{110}，滑移方向111密排六方晶体：滑移面{0001}，滑移方向110由可知，滑移沿最密晶面和最密晶向进行。2baGNP)1(2exp127-1单晶体的塑性变形滑移系：一个滑移面和该面上的一个滑移方向。晶体的滑移面有主次之分，故滑移系也有主次之分。通常主滑移系数目决定着晶体滑移的难易程度。面心立方晶体主滑移系：{11l}110，共有43=12个体心立方晶体主滑移系：{110}111，共有62=12个密排六方晶体主滑移系：{0001}110，共有13=3个滑移由易到难依次为：面心立方体心立方密排六方27-1单晶体的塑性变形（三）临界分切应力沿某一滑移系发生滑移所需的最小分切应力。（四）施密特定律外力在某一滑移系上的分切应力为:施密特定律：称为取向因子或施密特因子。coscoscoscosAFcoscossccoscos7-1单晶体的塑性变形（五）单滑移、多滑移和交滑移单滑移：滑移只沿着一个滑移系进行。多滑移：滑移沿着两个或两个以上滑移系同时进行。交滑移：在两个或多个滑移面上沿某一个共同的滑移方向同时或交替进行。面心立方晶体中拉力轴为[001]时造成的多滑移7-1单晶体的塑性变形二、孪生（一）孪生的概念孪生：在相当大的切应力作用下，晶体沿着一定晶面上的某一特定晶向发生均匀切变。孪生是晶体塑性变形的另一种重要形式，它常作为滑移难于进行时的补充。7-1单晶体的塑性变形面心立方晶体孪生变形示意图a—孪生面和孪生方向;b—孪生变形时原子的移动情况ba孪生面孪生面（二）孪生变形过程7-1单晶体的塑性变形7-1单晶体的塑性变形（三）孪生面、孪生方向和孪生要素孪生面：孪生时所沿晶面。孪生方向：孪生时所沿晶向。孪生要素：一个孪生面和该面上的一个孪生方向。密排六方结构金属：孪生面{102}，孪生方向101体心立方结构金属：孪生面{112}，孪生方向111面心立方结构金属：孪生面{111}，孪生方向112117-1单晶体的塑性变形（四）孪生的特点（1）孪生变形是在切应力作用下发生的，孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多；（2）孪生是一种均匀切变，切变区中每层原子面相对于孪生面的切变量与该层晶面离开孪生面的距离成正比；（3）孪晶与未切变的晶体间形成镜面对称的位向关系；（4）与滑移相比，孪生对晶体变形量的直接贡献较小，但孪晶的形成可改变晶体的位向，激发进一步的滑移和晶体变形。7-1单晶体的塑性变形三、加工硬化（一）加工硬化的概念金属材料经冷加工变形后，其强度、硬度显著提高，而塑性、韧性则急剧下降，这种现象即称为加工硬化。塑性变形过程中位错密度的增加及其对位错滑移的阻碍作用是导致加工硬化的决定性因素。可通过对材料进行冷加工变形（如冷轧、冷拉、冷拔等），使之发生加工硬化，从而提高材料的强度。7-1单晶体的塑性变形（二）加工硬化曲线第I阶段—易滑移阶段：其斜率I即加工硬化率低；第II阶段—线性硬化阶段：随应变量增加，应力呈线性增大，加工硬化十分显著，II大；第III阶段—抛物线型硬化阶段：随应变量增加，应力上升缓慢，呈抛物线型，III逐渐减小。纯金属单晶体的典型应力应变曲线切应力一、晶粒取向和晶界对多晶体塑性变形的影响（一）晶粒取向和晶界对多晶体塑性变形的影响1.晶粒取向的影响:（1）位向不同的各个晶粒所受应力并不一致，各晶粒不能同时开始变形，其中处于有利取向的晶粒首先发生滑移，处于不利取向的晶粒则未滑移；（2）多晶体中的每个晶粒都处于其他晶粒包围之中，它的变形必然与其邻近晶粒相互协调，否则难以进行变形。2.晶界的影响：多晶体的屈服强度明显地高于同样材料的单晶体，且在同一种多晶体材料中，晶粒越细小，其屈服强度越高。7-2多晶体的塑性变形二、晶界强化（一）晶界强化机制多晶体中晶界对位错滑移的阻力主要源于两个方面：(1)晶界两侧晶粒间的位向差造成的阻力；(2)晶界本身造成的阻力。由于晶界对晶体中位错的滑移产生阻碍作用，使得变形过程中位错不能越过晶界而是在晶界附近产生位错塞积，形成位错塞积群，从而引起材料强度的提高。晶粒越细，晶界数量越多，晶界强化作用越大，材料的强度越高。7-2多晶体的塑性变形7-2多晶体的塑性变形位错在相邻晶粒中的作用示意图应力集中与应力场晶界位错源位错源位错源7-2多晶体的塑性变形（二）霍尔-佩奇公式晶界的数量直接取决于晶粒的大小，故晶界对多晶体屈服强度的影响可由晶粒大小直接表征。多晶体的屈服强度s与晶粒平均直径d之间的关系可用霍尔-佩奇（Hall-Petch）公式表示，即：其中0表示位错在晶粒内滑移的阻力，相当于单晶体的屈服强度；K表示晶界对变形影响的程度，与晶界结构有关。210Kds思考题：1.指出三种典型结构金属晶体的滑移面和滑移方向并比较其滑移难易程度。2.何谓加工硬化？3.运用位错理论说明细化晶粒可以提高材料强度的原因。7-2多晶体的塑性变形一、单相材料的塑性变形（一）单相固溶体合金的塑性变形方式单相固溶体合金的塑性变形方式也以滑移和孪生为主。（二）固溶强化现象及固溶强化机制1.固溶强化现象：单相固溶体中存在溶质原子，这种溶质原子无论以置换还是间隙方式溶入溶剂金属中，都会和位错之间发生交互作用，增加位错滑移的阻力，故单相固溶体的塑性变形抗力（强度、硬度）高于纯溶剂金属。7-3单相与多相材料的塑性变形2.固溶强化机制溶质原子和位错之间发生交互作用，导致溶质原子偏聚于位错线附近，形成包围位错线的溶质原子气团，使位错的能量降低。因此，溶质原子气团会对位错产生钉扎作用。位错要运动，必须在更大的应力作用下才能挣脱溶质原子气团的钉扎，因而增加了位错滑移的阻力，产生固溶强化。7-3单相与多相材料的塑性变形3.影响固溶强化的因素①固溶体中溶质原子的含量越高，强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的原子半径相差越大，强化作用越大；③间隙型溶质原子比置换型溶质原子具有更大的固溶强化效果；④溶质原子与溶剂原子的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。7-3单相与多相材料的塑性变形二、多相材料的塑性变形多相合金与单相固溶体合金的不同之处在于：除基体相外，尚有其他相（统称为第二相）存在。根据第二相粒子的尺寸大小可将多相合金分为两大类：第二相粒子尺寸与基体相晶粒尺寸属同一数量级的多相合金称为聚合型合金；第二相粒子细小而弥散地分布在基体相晶粒中的多相合金称为弥散型合金。7-3单相与多相材料的塑性变形二、多相材料的塑性变形（一）聚合型合金的塑形变形（1）当组成聚合型合金的两相均为塑性相时，合金的变形能力取决于两相的体积分数。此类合金发生塑性变形时，滑移往往首先发生在较软的相中。如果较强相的体积分数较少，则强化效果甚微，只有当较强相的体积分数大于30%时，才有可能起到明显的强化作用。（2）当聚合型合金的两相中一个是塑性相而另一个是脆性相时，则合金的性能不仅取决于两相的相对数量，而且与脆性相的形状、大小和分布密切相关。7-3单相与多相材料的塑性变形（二）弥散型合金的塑形变形第二相以细小弥散的粒子形式均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。1.第二相粒子的类型通常可将第二相粒子分为“不可变形的”和“可变形的”两大类：一般地，弥散强化型合金中的第二相粒子（借助粉末冶金方法加人的）属于不可变形的，而沉淀相粒子（通过时效处理由过饱和固溶体中析出）多属可变形的，但当沉淀相粒子在时效过程中长大到一定程度后，也能起到不可变形粒子的作用。7-3单相与多相材料的塑性变形2.第二相强化（弥散强化、沉淀硬化）机制（1）绕过机制对于不可变形的第二相粒子，当运动位错与其相遇时，将受到粒子的阻碍，使位错线绕其发生弯曲。随着外加应力的增加，位错线受阻部分的弯曲程度更大，最形成包围粒子的位错环，而位错线的其余部分则越过粒子继续滑移。位错弯曲绕过第二相粒子和留下的位错环对后续位错滑移的阻碍作用将导致强化。7-3单相与多相材料的塑性变形位错绕过第二相粒子示意图7-3单相与多相材料的塑性变形（2）切过机制当第二相粒子为可变形粒子时，位错将切过粒子并使之随同基体一起变形，由于位错切过粒子后会增加界面面积，同时粒子和基体相的晶体结构不同、比容不同以及滑移面取向不一致，会对位错滑移产生阻碍作用，引起强化。位错切过第二相粒子示意图思考题：1.单相固溶体合金的强度均高于纯溶剂组元的强度，试用位错理论分析之。2.合金化是提高材料强度的一种有效途经，试运用所学理论分析合金化可以提高材料强度的原因。7-3单相与多相材料的塑性变形一、显微组织的变化随着变形量的增加，等轴晶粒将逐渐沿着变形方向伸长，当变形量很大时，形成纤维组织。7-4塑性变形后材料的组织与性能铜经不同程度冷轧加工后的光学显微组织300×a—30%压缩率;b—50%压缩率;c—99%压缩率cab二、亚结构的变化经一定量的塑性变形后，形成位错缠结；继续增大变形量，发展成胞状亚结构；变形量非常大时，演化为形变胞。7-4塑性变形后材料的组织与性能铜经不同程度冷轧加工后的透射电镜像30000×a—30%压缩率;b—50%压缩率;c—99%压缩率abc胞状亚结构的形成不仅与变形程度有关，而且还取决于材料的层错能。层错能较高的金属材料（如铝、铁、镍等），容易出现明显的胞状亚结构，而较低的金属材料（如不锈钢、黄铜等），经大量塑性变形后，位错杂乱地排列于晶体中，构成位错分布较均匀的复杂位错网络，不易出现胞状亚结构。7-4塑性变形后材料的组织与性能经20%室温变形后，纯铁中的胞状亚结构经冷轧变形2%后，不锈钢中的复杂位错网络三、性能变化（一）力学性能强度、硬度显著提高，塑性、韧性则明显降低。（二）物理性能电阻率明显增高，电阻温度系数降低，热导率和磁导率下降，铁磁材料的磁滞损耗及矫顽力增大。（三）化学性能金属的化学活性增大，腐蚀速度加快。7-4塑性变形后材料的组织与性能四、形变织构随着变形量的增加，各个晶粒的滑移面和滑移方向将向主变形方向转动，多晶体中各个晶粒的取向逐渐趋于一致，这一现象称为择优取向，相应的组织状态称为形变织构。随加工变形方式不同，形变织构主要有两种类型：拔丝时形成的织构称为丝织构，其主要特征为各晶粒的某一晶向大致与拔丝方向相平行；轧板时形成的织构称为板织构，其主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向分别趋于同轧面与轧向相平行。7-4塑性变形后材料的组织与性能五、冷加工储存能与内应力塑性变形期间外力所作的功除大部分转化成热之外，还有一小部分以畸变能的形式储存于变形材料的内部，这部分能量称为冷加工储存能。储存能的具体表现方式为残余应力，包括：宏观残余应力、微观残余应力、点阵畸变。残余应力是一种内应力。按照内应力平衡范围的不同，通常可将其分为三类。7-4塑性变形后材料的组织与性能（一）第一类内应力（宏观残余应力）它是由工件不同部分的宏观变形不均匀引起的，故其平衡范围为整个工件。这类内应力仅占总储存能的0.1%左右。7-4塑性变形后材料的组织与性能金属棒材弯曲后的残余