第6章材料的塑性变形

1§6材料的塑性变形第一节金属的应力-应变曲线第二节单晶体的塑性变形第三节多晶体的塑性变形第四节合金的塑性变形第五节塑性变形对材料组织和性能的影响2纳米铜的室温超塑性§6材料的塑性变形材料的力学性能实质上是根据材料在外力作用下所表现的变形行为来评定的。强度----抵抗变形和断裂的能力。塑性----材料断裂前塑性变形的能力。决定工件的加工性能又是零件的重要使用性能§6.1金属的应力－应变曲线§6.1.1工程应力－应变曲线图工程应力－应变示意图0AP式中：P－作用在试样上的载荷；A0－试样的原始横截面积；l0－试样的原始标距部分长度；l－试样变形后标距部分长度。※应力和应变的计算中没有考虑变形后试样截面积与长度的变化，故工程应力—应变曲线与载荷—变形曲线的形状是一致的。4§6.1.1工程应力－应变曲线弹性变形－塑性变形－断裂§6.1.2真应力－真应变曲线图真应力应变曲线为了得出真实的变形特性，应当按真应力和真应变来进行分析。APT式中：P－作用在试样上的载荷；A－试样的实际横截面积。常数AllA006§6.2单晶体的塑性变形弹性变形与塑性变形常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折。§6.2.1滑移(1)滑移现象光镜观察到许多相互平行线----滑移带（无重现性）。电境观察到滑移带中还有更细的相互平行线----滑移线。将抛光的单晶体试样进行适当塑性变形图滑移带形成示意图7几何要素§6.2.1滑移(2)滑移系滑移系=滑移面+滑移方向(滑移面上)。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滑移方向（密排方向）滑移面（密排面）图面心立方晶体中的滑移系81)fcc:{111}×110，n＝12个。2)bcc低温时多为:{112}×111，n＝12个;中温时多为:{110}×111，n＝12个;高温时多为:{123}×111，n＝24个。3)hcp:当c/a接近或大于1.633时，{0001}×1120，n＝3个当c/a小于1.633时，{1010}×1120，n＝3个{1011}×1120，n＝6个§6.2.1滑移(2)滑移系9§6.2.1滑移(3)临界分切应力设:F--轴向拉伸载荷，A--横截面积，φ--滑移面法线与中心轴线夹角，λ--滑移方向与外力F夹角，滑移方向上的分切应力为：当上式中的分切应力达到临界值时，晶面间的滑移开始，这时F/A应当等于σs，即：coscosssτs--临界分切应力或＝90时，s；10§6.2.1滑移s＝scoscosc取决于金属的本性，不受，的影响；s的取值，＝45时，s最小，晶体易滑移；取向因子：coscos软取向：值大；硬取向：值小。(3)临界分切应力2sin21cos)90cos(coscos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。11§6.2.1滑移(4)滑移时晶体的转动12§6.2.1滑移1）多（双）滑移----在多（两）个滑移系上同时或交替进行的滑移。(5)多滑移与交滑移现象：形成两组或多组交叉滑移线。特点：滑移变形抗力提高。比单滑移困难。2）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。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。13§6.2.1滑移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。（6）滑移的表面痕迹§6.2.1滑移（7）滑移的位错机制晶体的滑移是借助于位错在滑移面上的运动来逐步进行的。位错就是已滑移区和未滑移区间的界线。以刃型位错为例：螺型位错的运动同样能导致晶体滑移。§6.2.1滑移（7）滑移的位错机制宏观上标志晶体滑移进行的临界分切应力应当与微观上克服位错运动阻力的外力相等。对纯金属而言，位错运动的阻力主要包含以下几方面：①位错运动的阻力首先来自于点阵阻力，派尔斯（Peierls）和纳巴罗（Nabarro）首先估算了这个力，所以又称为派－纳力（P-N力），它相当于简单立方晶体中刃型位错运动所需要的临界分切应力：式中：d为滑移面的面间距，b为滑移方向上的点阵间距，ν为泊松比。除了上述点阵阻力外，位错运动还会受到一些阻力：②与其它位错的交互作用阻力；③位错交割后形成的割阶与扭折；④位错与一些缺陷发生交互作用。采用上式，我们可以简单推算晶体的切变强度，对于简单立方结构，存在d=b，对金属，取ν=0.3，可得τP-N＝3.6×10-4G，比刚性模型理论计算值（约G/30）小得多，接近临界分切应力实验值。§6.2.2孪生晶体塑性变形的另一种常见方式。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。体心立方和面心立方晶体，变形温度很低，形变速度极快，以及其它原因使滑移难以进行，都可能出现。以孪生方式塑变密排六方结构的晶体，如锌、镁、镉等----滑移系较少。a.变形前b.滑移c.孪生图晶体滑移和孪生变形后的结构与外形变化示意图假设晶体内局部地区(面AH与GN之间)的若干层(111)面间沿[112]方向产生一个切动距离a/6[112]的均匀切变，即可得到如图所示情况。§6.2.2孪生以面心立方为例，说明孪生的具体过程：(a)孪晶面与孪生方向(b)孪生变形时晶面移动情况图面心立方晶体孪生变形示意图b=a/6[112]18§6.2.2孪生孪生的晶体学图锌晶体中的形变孪晶孪生方向A1112,A2111,A31011孪生面A1{111},A2{112},A3{1012}§6.2.2孪生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不全位错运动的结果§6.2.3晶体的扭折扭折现象----当受力的晶体处于不能进行滑移或孪生的某种取向时，它可能通过不均匀的局部塑性变形来适应所作用的外力。(图1）扭折带有时也伴随着孪生而发生。孪生变形时，在有约束的情况下，在靠近孪晶区域的应变更大(图2a所示)。为了适应其约束条件，往往形成扭折带以实现过渡，如图2b所示。图1晶体的扭折示意图图2伴随着孪生的扭折现象21§6.3多晶体的塑性变形多晶的塑性变形抗力都较单晶高，尤其对密排六方的金属更显著。原因：多晶体一般是由许多不同位向的晶粒所构成的，每个晶粒在变形时要受到晶界和相邻晶粒的约束，变形时，既要克服晶界的阻碍，又要与周围晶粒发生相适应的变形，以保持晶粒间的结合及体积上的连续性。图锌的单晶体与多晶体的应力－应变曲线22§6.3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）（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。§6.3多晶体的塑性变形对只有两个晶粒的双晶试样拉伸结果表明，室温下拉伸变形后，呈现竹节状，如图1所示。晶界处的晶体部分变形较小，而晶内变形量则大得多，整个晶粒的变形不均匀。导致晶体产生变形的位错滑移在晶界处受阻，如图2所示。图1双晶拉伸图2位错塞积24§6.3多晶体的塑性变形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（Hall-Patch）原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。晶粒越多，变形分散在更多的晶粒内进行，且每个晶粒中塞积的位错少，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，裂纹扩展曲折，在断裂过程中可吸收较多能量,表现高韧性。§6.4合金的塑性变形§6.4.1固溶体的塑性变形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。图铜镍合金相图及其固溶体性能与成分的关系①溶质原子与位错发生弹性交互作用----柯氏气团钉扎2）强化机制②静电交互作用----电离程度不同的溶质离子与位错区发生短程的静电交互作用，溶质离子或富集于拉伸区或富集在压缩区均产生固溶强化。③化学交互作用（Suzuki）----成分的偏聚导致位错运动受阻。（1）固溶强化26（2）屈服和应变时效1）现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。2）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,且强度会有所提高。3）原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。§6.4合金的塑性变形§6.4.1固溶体的塑性变形图低碳钢的屈服现象在屈服过程中，试样的应力集中处开始塑性变形，这时能在试样表面观察到与拉伸轴成45°的应变痕迹，称为吕德斯（Lüders）带27§6.4.1固溶体的塑性变形（3）固溶强化的影响因素不同溶质原子引起的固溶强化效果是不同的，其影响因素很多，主要有以下几个方面：①溶质原子的浓度----浓度越高，一般其强化效果也越好，但并不是线性关系，低浓度时显著；②原子尺寸因素----溶质与溶剂原子尺寸相差越大，其强化作用越好,但通常原子尺寸相差较大时，溶质原子的溶解度也很低；③溶质原子类型----间隙型溶质原子的强化效果好于置换型，特别是体心立方晶体中的间隙原子；④相对价因素（电子因素）----溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化效果越显著。§6.4.2多相合金的塑性变形常按第二相的尺度大小将其分为两大类：聚合型:第二相尺寸与基体相尺度属同一数量级，如图1所示；弥散型:第二相尺寸非常细小，并且弥散分布于基体相中，如图2所示。图1聚合型合金组织－Al青铜图2弥散型第二相合金组织－铁黄铜塑性变形取决于：①基体相性质②第二相的性质、形状、大小、数量和分布等——在塑性变形中往往起着决定性作用§6.4.2多相合金的塑性变形（1）聚合型两相合金的塑性变形对聚合型两相合金而言，如果两个相都具有塑性，则合金变形阻力决定于两相的体积分数。σm=f1σ1+f2σ2上式f1、f2分别为两个相的体积分数，σ1、σ2分别为两个相在此应变时的流变应力；ε1、ε2分别为两个相在此应力时的应变。εm=f1ε1+f2ε2由上两式可见，只有第二相为较强的相时，合金才能强化。第二相为硬脆相时，合金的性能取决于相的相对量硬脆相的形状、尺寸和分布——很大程度取决30§6.4.2多相合金的塑性变形第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；两相呈层片状分布（片状珠光体）；第二相呈颗粒状分布（球状珠光体）。以碳钢为例，其组织就是以渗碳体（Fe3C，硬脆相）分布在铁素体中构成的，渗碳体的存在方式将显著影响碳钢的力学性能。位错绕过第二相粒子过程示意图§6.4.2多相合金的塑性变形（2）弥散分布型合金的塑性变形沉淀强化（时效强化）：第二相微粒是通过过饱和固溶体的时效处理沉淀析出所引起合金强度提高的现象。弥散强化：微粒是借粉末冶金方法外加的，所产生的合金强化现象。1）位错绕过机制（第二相为不可变形颗粒）位错弯曲至半径R时所需切应力为：RGb2R为颗粒间距λ一半时，切应力最小：