材料科学基础材料的塑性变形

1第一节金属变形概述弹性变形－塑性变形－断裂SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E2第一节金属变形概述第七章塑性变形第一节金属变形概述弹性变形：变形可逆；应力应变呈线性关系。弹性模量：原子间结合力的反映和度量。3第二节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。一滑移1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。SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E4第二节单晶体的塑性变形一滑移光镜下：滑移带（无重现性）。2滑移的表象学电境下：滑移线。SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E5第二节单晶体的塑性变形3滑移的晶体学滑移面（密排面）（1）几何要素滑移方向（密排方向）6第二节单晶体的塑性变形3滑移的晶体学（2）滑移系滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。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）7SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E8第二节单晶体的塑性变形3滑移的晶体学（2）滑移系滑移系数目与材料塑性的关系一般滑移系越多，塑性越好；与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；与同时开动滑移系数目有关（c）。9第二节单晶体的塑性变形3滑移的晶体学（3）滑移的临界分切应力（c）c：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。(外力在滑移方向上的分解)c＝scoscos10第二节单晶体的塑性变形3滑移的晶体学（3）滑移的临界分切应力（c）c取决于金属的本性，不受，的影响；或＝90时，s；c＝scoscoss的取值，＝45时，s最小，晶体易滑移；软取向：值大；取向因子：coscos硬取向：值小。11第二节单晶体的塑性变形4滑移时晶体的转动（1）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。几何硬化：，远离45，滑移变得困难；（2）取向因子的变化几何软化；，接近45，滑移变得容易。12第二节单晶体的塑性变形5多滑移（1）滑移的分类多滑移：在多个（2）滑移系上同时或交替进行的滑移。双滑移：单滑移：（2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。2h13第二节单晶体的塑性变形6交滑移（1）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。（2）机制螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程；螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。14第二节单晶体的塑性变形7滑移的表面痕迹单滑移：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。15第二节单晶体的塑性变形二孪生（1）孪生：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。孪生面A1{111},A2{112},A3{1012}（2）孪生的晶体学孪生方向A1112,A2111,A31011孪晶区16第二节单晶体的塑性变形二孪生17第二节单晶体的塑性变形二孪生（3）孪生变形的特点滑移孪生相同点1切变；2沿一定的晶面、晶向进行；3不改变结构。不同点晶体位向不改变（对抛光面观察无重现性）。改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）位移量滑移方向上原子间距的整数倍，较大。小于孪生方向上的原子间距，较小。对塑变的贡献很大，总变形量大。有限，总变形量小。变形应力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于滑移变形条件一般先发生滑移滑移困难时发生变形机制全位错运动的结果分位错运动的结果18第三节多晶体的塑性变形19第三节多晶体的塑性变形1晶粒之间变形的传播位错在晶界塞积应力集中相邻晶粒位错源开动相邻晶粒变形塑变2晶粒之间变形的协调性（1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。（2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）（3）条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变化）20第三节多晶体的塑性变形3晶界对变形的阻碍作用（1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。（2）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。21第三节多晶体的塑性变形3晶界对变形的阻碍作用（3）晶粒大小与性能的关系a晶粒越细，强度越高(细晶强化：霍尔－配奇公式)s=0+kd-1/2原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有尺寸限制）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。b晶粒越细，塑韧性提高细晶粒材料中，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,表现高韧性。22第四节合金的塑性变形一固溶体的塑性变形1固溶体的结构2固溶强化（1）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。晶格畸变，阻碍位错运动；（2）强化机制柯氏气团强化。23第四节合金的塑性变形一固溶体的塑性变形2固溶强化（3）屈服和应变时效现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后放置一段时间或200℃加热后再加载出现屈服。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。4h24第四节合金的塑性变形一固溶体的塑性变形2固溶强化（4）固溶强化的影响因素溶质原子含量越多，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；…………………价电子数差越大，强化效果越好；间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。25第四节合金的塑性变形二多相合金的塑性变形1结构：基体＋第二相。2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）；a结构两相呈层片状分布（珠光体）；第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。26第四节合金的塑性变形二多相合金的塑性变形2性能（2）软基体＋硬第二相位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错运动)b弥散强化位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻碍位错运动）27第五节塑性变形对材料组织和性能的影响一对组织结构的影响晶粒拉长;1形成纤维组织杂质呈细带状或链状分布。28第五节塑性变形对材料组织和性能的影响一对组织结构的影响2形成形变织构（1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）（2）类型板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行于主变形方向。（轧制时形成）29第五节塑性变形对材料组织和性能的影响一对组织结构的影响2形成形变织构力学性能：利:深冲板材变形控制;弊：制耳。（3）对性能的影响(各向异性)物理性能:硅钢片{100}[100]织构可减少铁损。30第五节塑性变形对材料组织和性能的影响一对组织结构的影响3形成位错胞变形量位错缠结位错胞（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。)31第五节塑性变形对材料组织和性能的影响二对性能的影响1对力学性能的影响（加工硬化）（1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。32第五节塑性变形对材料组织和性能的影响二对性能的影响1对力学性能的影响（加工硬化）强化金属的重要途径；利提高材料使用安全性；（2）利弊材料加工成型的保证。弊变形阻力提高，动力消耗增大；脆断危险性提高。33第五节塑性变形对材料组织和性能的影响二对性能的影响2对物理、化学性能的影响导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；结构缺陷增多，扩散加快；化学活性提高，腐蚀加快。34第五节塑性变形对材料组织和性能的影响三残余应力（约占变形功的10％）第一类残余应力（Ⅰ）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起。1分类第二类残余应力（Ⅱ）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起。第三类残余应力（Ⅲ）：点阵畸变，由位错、空位等引起。80-90%。Ⅰ35第五节塑性变形对材料组织和性能的影响三残余应力（约占变形功的10％）利：预应力处理，如汽车板簧的生产。2利弊弊：引起变形、开裂,如黄铜弹壳的腐蚀开裂。3消除：去应力退火。6h