金属的变形特性

1第6章金属及合金的塑性变形2本章知识结构金属的变形特性晶体的塑性变形组织与性能的变化多晶体的塑性变形单晶体的塑性变形合金的塑性变形36.1金属的变形特性纳米铜的室温超塑性45作用在机件上的外力——载荷FFF=F’（MPa）外力——内力——应力F’F静载荷动载荷σ=F’/SSFSF'6拉伸实验kbb—极限载荷点0lkl0dFee—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点拉伸曲线FFLkdl应力—应变曲线0SF0ll缩颈sFeFbFo7强度当材料单位面积上所受的应力σeσσs时，只产生微量的塑性变形。当σσs时，材料将产生明显的塑性变形。材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。（a）屈服强度（σS）指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。σS=Fs/S0（MPa）它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。8σb=Fb/S0（MPa）（b）抗拉强度（σb）抗拉强度是材料在拉断前承受最大载荷时的应力。它表征了材料在拉伸条件下所能承受的最大应力。抗拉强度—是脆性材料选材的依据。bFlbFo9常用δ和ψ作为衡量塑性的指标。伸长率：断面收缩率:%10000lllk%10000sssk0lkl0dFFLkd良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。10弹性变形材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。（1）两种基本变形特点变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢复，变形消失。在弹性变形范围内，应力与应变之间保持单值线性函数关系。材料的最大弹性变形量随材料的不同而不同。11在弹性变形范围内，应力与应变服从虎克定律。式中，σ、τ分别为正应力和切应力，ε、γ分别为正应变和切应变；比例系数E称为弹性模量（杨氏模量），G称为切变模量，它反映材料对弹性变形的抗力，代表材料的“刚度”。弹性模量σoεσe12弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小。在给定应力下，弹性模量大的材料只发生很小的弹性应变，而弹性模量小的材料则发生比较大的弹性应变。结合能是影响弹性模量的主要因素，结合键之间的结合键能越大，则弹性模量越大，结合键能与弹性模量之间有很好的对应关系。13金刚石具有最高的弹性模量，E＝1000GPa工程陶瓷如碳化物、氮化物、氧化物等结合键能也比较高，它们的弹性模量为250~600GPa金属键结合的金属材料弹性模量要抵一些，常用金属材料的弹性模量约为70～350GPa聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为0.7～3.5GPa14弹性变形的本质弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子间距就偏离了平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶体材料反映为晶格发生了伸长(缩短)或歪扭。原子的相邻关系还未发生改变，故外力去除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。15定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸长率(δ%)或断面减缩率(ψ%)表示。实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。塑性变形16塑性变形过程－－屈服屈服：材料开始发生塑性变形。屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形，这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿状的平台。这是部分材料所具有的特征。思考：为什么会出现屈服现象？17塑性变形过程－－屈服屈服强度：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗力，也称为屈服极限，用σs表示。对具有屈服现象的材料用屈服现象发生时对应的应力表示；对屈服现象不明显的材料，则以所产生的塑性应变变0.2%时的应力值表示。18塑性变形过程－－均匀变形均匀变形：在屈服后的变形阶段，试样整体进行均匀的塑性变形。如果不再增加外力，材料的变形将不能继续下去。原因：维持材料均匀变形的原因是材料发生了加工硬化。已经发生变形处的强度提高，进一步变形困难，即变形要在更大的应力作用下才能进行。下一步的变形发生在未变形或变形相对较小的位置，达到同样变形后，在更大的应力作用下发生变形。19塑性变形过程－－颈缩颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形，产生了颈缩，即塑性变形集中在一局部区域进行。特点：颈缩发生后，宏观表现为外力在下降，工程应力在减小，但颈缩区的材料承受的真实应力依然在上升。20塑性变形过程－－颈缩开始发生颈缩时对应的工程应力σb，这时试样出现失稳，颈缩真实应力依然在上升，但能承受的总外力在下降。21塑性变形过程－－断裂韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂叫“韧性断裂”。在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。断裂：变形量大至K点，试样发生断裂。实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力，原子间的结合破坏而分离。22塑性变形过程－－断裂脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口常具有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂”。脆性断裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂”，断口凹凸不平；脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为“穿晶断裂”，断口比较平坦。沿晶脆性断口23塑性变形的方式材料在外力作用下发生塑性变形，依材料的性质、外界环境和受力方式不同，进行塑性变形的方式也不相同，通常发生塑性变形的方式有：滑移、孪生、蠕变、流动。其中滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。而非晶体材料原子为无规则堆积，像液体一样只能以流动方式来进行，衡量变形的难易程度的参数为粘度。在重力作用下能发生流动的为液体，可以维持自己形状的为固体。246.2单晶体的塑性变形常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折。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。1滑移25（1）滑移线和滑移带滑移带形成示意图滑移变形的不均匀性：在滑移线内部以及滑移带之间的晶面都没有发生明显的滑移。工业纯铜中的滑移线26（2）滑移系晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面上一定的晶体学方向进行，将其称为滑移面和滑移方向。滑移面和滑移方向往往是晶体中原子最密排的晶面和晶向。每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个滑移系。滑移系的个数：(滑移面个数）×（每个面上所具有的滑移方向的个数）。27面心立方晶体中的滑移系滑移面为{111}滑移方向为110滑移系共有4×3＝12个28bcc晶体{112}和{123}面的滑移系体心立方晶体中的滑移系低温时滑移面为{112}，中温时多为{110}，而高温时多为{123}滑移方向为111滑移系为{110}61112+{112}121111+{123}241111，其滑移系可能有12-48个。29密排六方晶体中的滑移系密排六方晶体中，滑移方向一般都是1120当c/a接近或大于1.633时，{0001}为最密排面，滑移系即为{0001}1120，共有三个当c/a小于1.633时，{0001}不再是密排面，滑移面将变为柱面{1010}或斜面{1011}，滑移系分别为三个和六个。303132滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格,体心立方晶格好于密排六方晶格。33（3）滑移的临界分切应力滑移过程开始时的分切应力就称为临界分切应力。假设其横截面积为A，为滑移面法线与中心轴线夹角，λ为滑移方向与外力F夹角。coscoscoscoscoscosAFAF外力F在滑移方向上的分力为而滑移面的面积则为A/cosFcosλ在滑移方向上的分切应力τ为：34当分切应力达到临界值时，晶面间的滑移开始，这也与宏观上的屈服相对应，因此这时F/A应当等于s，即：式中，s称为临界分切应力，是一个与材料本性以及试验温度、加载速度等相关的量，与加载方向等无关，可通过实验测得。coscos称为取向因子或schmid因子，因为取向因子coscos大则材料在较小s作用下即可达到临界分切应力s，从而发生滑移，因此被称为软取向，反之则称为硬取向。s＝scoscos35金属温度纯度（%）滑移面滑移方向临界切应力（MPa）Ag室温99.99{111}1100.47Al室温-{111}1100.79Cu室温99.9{111}1100.98Ni室温99.8{111}1105.68Fe室温99.96{110}11127.44Nb室温-{110}11133.8Ti室温99.99{1010}112013.7Mg室温99.95{0001}11200.81Mg室温99.98{0001}11200.76Mg330℃99.98{0001}11200.64Mg330℃99.98{1011}11203.92一些金属晶体的临界分切应力值36（4）滑移时晶面的转动3738位向和晶面的变化拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向；压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。取向因子的变化几何硬化：，远离45，滑移变得困难；几何软化：，接近45，滑移变得容易。39（5）多滑移滑移过程沿两个以上滑移系同时或交替进行，这种滑移过程就称为称多滑移。40对所有的{111}面，φ角是相同的，为54.7°。对[101]、[101]、[011]和[011]方向，λ角也是相同的，为45°。锥体底面上的两个110方向和[001]垂直。因此，锥体上有4×2个滑移系具有相同的施密特因子，当达到临界切应力时可同时开动。图fcc晶体中多滑移41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。双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到与原滑移面平行的平面滑移。交滑移42单滑移：单一方向的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带；交滑移：波纹状的滑移带。滑移的表面痕迹43位错的易动性原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。（6）滑移的位错机制44滑移面滑移台阶ττ45刃型位错当位错运动到晶体表面时，整个上半部晶体相对下半部移动了一个柏氏矢量晶体表面产生了高度为b的台阶。刃型位错滑移导致晶体塑性变形的过程46螺型位错沿滑移面运动时，在切应力作用下，螺型位错使晶体右半部沿滑移面上下相对低移动了一个原子间距。螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程47螺型位错的移动方向与b垂直。此外因螺型位错b与ξ平行，故通过位错线并包含b的随所有晶面都可能成为它的滑移面。48位错密度是指单位体积内位错线的总长度。其表达式为式中：ρ是体位错密度；L是位错线的总长度；V是晶体的体积。位错的增殖2cmVL49经常用穿过单位面积的位错数目来表示位错密度。式中：是穿过截面的位错数；是截面面积。位错密度的单位是cm-2。AnlAnl50金属的位错密度为104～1012/cm2位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。金属晶须退火态(105-108/cm2)加工硬化态(1011-1012/cm2)51弗兰克-瑞德源52Si单晶中的F-R源，位错线以Cu沉淀缀饰后，以红外显微镜观察53（2）孪生孪生是晶体塑性变形的另一种常见方式，是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分发生均匀切变的过程。a.变形前b.滑移c.孪生晶体滑移和孪生变形后的结构与外形变化示意图54面心立方晶体孪晶的高分辨率电镜照片55(a)孪晶面与孪生方向(b)孪生变形时晶面移动情况面心立方晶体孪生变形示意图发