材料的塑性变形

1第六章塑性变形2第六章塑性变形SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E利用材料的塑性，我们可以对材料进行压力加工（如轧制、锻造、挤压、拉拔、冲压等)，为金属材料的成型提供了经济有效的途径。3纳米铜的室温超塑性4第一节金属变形概述第六章塑性变形第一节金属变形概述退火低碳钢工程应力-应变曲线SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E一、金属的应力－应变曲线1、工程应力－应变曲线5第一节金属变形概述第六章塑性变形第一节金属变形概述应力σ：应变ε：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。6第一节金属变形概述第六章塑性变形第一节金属变形概述从曲线上可以看出，材料在拉伸过程中，一般经历三个阶段：弹性变形→弹塑变形→断裂弹性变形：在应力低于弹性极限(σe)时,σ和ε之间保持线性关系:σ=Eε,其特点是，外力去除后，变形可以完全恢复。弹塑变形：当外力大于σe后，小于σb，除了弹性变形外，开始发生均匀塑性变形。其特点是这时若去掉外力，弹性变形部分恢复，但留下了永久变形，即塑性变形（均匀塑性变形）。断裂：当外力达到σb之后，试样开始发生不均匀塑性变形，产生缩颈，变形量迅速增大，最终发生断裂。7第一节金属变形概述第六章塑性变形第一节金属变形概述弹性变形与塑性变形8第一节金属变形概述第六章塑性变形第一节金属变形概述延伸率：断裂后试样的残余总变形量与原始长度的百分比断面收缩率：试样的原始橫截面积F0和断裂时的橫截面积Fk之差与F0的百分比9第一节金属变形概述第六章塑性变形第一节金属变形概述工程应力—应变曲线：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真应力—真应变曲线：在实际的塑性变形过程中，试样的截面积与长度也在不断地发生着变化，特别是当变形较大时，工程应力、应变将与材料的真实应力、应变存在明显的差异，因此，在研究金属塑性变形规律时，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。10第一节金属变形概述第六章塑性变形第一节金属变形概述真应力σT：真应变εT：P－作用在试样上的载荷；A－试样的实际横截面积；l0－试样的原始标距部分长度；l1、2…..－试样变形后标距部分长度。11第一节金属变形概述第六章塑性变形第一节金属变形概述真应力σT与工程应力的关系：根据体积的恒定性：12第一节金属变形概述第六章塑性变形第一节金属变形概述讨论：将一根长为20m、直径为14mm的铝棒通过孔径为12.7mm的模具拉拔，试求：这根铝棒拉拔后的尺寸。13第一节金属变形概述第六章塑性变形第一节金属变形概述区分塑性和脆性：拉伸14第一节金属变形概述第六章塑性变形第一节金属变形概述区分塑性和脆性：三点弯曲弯曲实验-塑性.swf弯曲实验-脆性.swf15第一节金属变形概述第六章塑性变形第一节金属变形概述区分塑性和脆性：压缩压缩实验-塑性.swf压缩实验-脆性.swf16第二节单晶体的塑性变形虽然工程中应用的通常是多晶，但多晶体的变形是和其中各个晶粒变形相关的。因此，单晶体的变形是金属变形的基础。第六章塑性变形第二节单晶体塑变常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生。17第二节单晶体的塑性变形一滑移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。第六章塑性变形第二节单晶体塑变18第二节单晶体的塑性变形一滑移光镜下：滑移带2滑移的表象学电境下：滑移线台阶：第六章塑性变形第二节单晶体塑变铜单晶塑性变形后的滑移带19第二节单晶体的塑性变形一滑移3滑移系：金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的，这些晶面称为滑移面，晶向称为滑移方向。滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。第六章塑性变形第二节单晶体塑变20第二节单晶体的塑性变形一滑移4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）第六章塑性变形第二节单晶体塑变滑移系的个数:(滑移面个数）×（每个面上所具有的滑移方向的个数）这是由于最密排面的面间距最大，因而点阵阻力最小，容易发生滑移，而沿最密排方向上的点阵间距最小，从而使导致滑移的位错的柏氏矢量也最小。21第二节单晶体的塑性变形面心立方：第六章塑性变形第二节单晶体塑变面心立方晶体的滑移系共有{111}41103=12个22第二节单晶体的塑性变形体心立方：第六章塑性变形第二节单晶体塑变体心立方晶体，沿{110}晶面滑移，滑移系共有{110}61112=12个23第二节单晶体的塑性变形体心立方：第六章塑性变形第二节单晶体塑变体心立方晶体，沿{112}晶面滑移，滑移系共{112}121111=12个24第二节单晶体的塑性变形体心立方：第六章塑性变形第二节单晶体塑变体心立方晶体，沿{123}晶面滑移，故滑移系共{123}241111=24个25第二节单晶体的塑性变形体心立方：第六章塑性变形第二节单晶体塑变由于体心立方结构是一种非密排结构，因此其滑移面并不稳定，一般在低温时多为{112}，中温时多为{110}，而高温时多为{123}，不过其滑移方向很稳定，总为111，因此其滑移系可能有12-48个。体心立方晶体，可同时沿{110}{112}{123}晶面滑移，故滑移系共有{110}61112+{112}121111+{123}241111=48个26第二节单晶体的塑性变形密排六方：第六章塑性变形第二节单晶体塑变27第六章塑性变形第二节单晶体塑变SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E28第二节单晶体的塑性变形一滑移4滑移的晶体学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）。例如：体心立方金属α－Fe，与面心立方金属的滑移系相比，多12个。但它的滑移方向没有面心立方金属多，同时滑移面密排程度小，所以它的塑性要比铝、铜等面心立方金属差。总结：塑性hcpbccfcc第六章塑性变形第二节单晶体塑变29第二节单晶体的塑性变形一滑移5滑移的临界分切应力（k）滑移发生的条件：晶体受力时，并非所有的滑移系都同时参与滑移，而是由受力状态决定的。只有当外力在某一滑移系中的分切应力首先达到一定的临界值时，这一滑移系开动，晶体才开始滑移。该分切应力即称为滑移的临界分切应力，以τk表示，它是使滑移系开动的最小分切应力。k：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)第六章塑性变形第二节单晶体塑变30第二节单晶体的塑性变形第六章塑性变形第二节单晶体塑变31第二节单晶体的塑性变形第六章塑性变形第二节单晶体塑变32第二节单晶体的塑性变形5滑移的临界分切应力（k）第六章塑性变形第二节单晶体塑变m——取向因子33第二节单晶体的塑性变形第六章塑性变形第二节单晶体塑变34第二节单晶体的塑性变形第六章塑性变形第二节单晶体塑变35第二节单晶体的塑性变形第六章塑性变形第二节单晶体塑变36第二节单晶体的塑性变形5滑移的临界分切应力（k）k取决于金属的本性，与外力无关；或＝90时，s；k＝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。第六章塑性变形第二节单晶体塑变37第二节单晶体的塑性变形第六章塑性变形第二节单晶体塑变38第二节单晶体的塑性变形6滑移时晶体的转动第六章塑性变形第二节单晶体塑变39第二节单晶体的塑性变形6滑移时晶体的转动第六章塑性变形第二节单晶体塑变40第二节单晶体的塑性变形6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。第六章塑性变形第二节单晶体塑变41第二节单晶体的塑性变形7多滑移和交滑移单滑移：只有一个滑移系进行滑移。多滑移：若有几组滑移系相对于外力轴的取向相同，分切应力同时达到临界值，或者由于滑移时的转动，使另一组滑移系的分切应力也达到临界值，则滑移就在两组或多组滑移系上同时或交替地进行，这种过程叫作“双滑移”或“多滑移”。第六章塑性变形第二节单晶体塑变面心立方晶体的多系滑移力轴为[001]方向42第二节单晶体的塑性变形7多滑移和交滑移多滑移：光学显微镜下可看到晶粒内出现交叉滑移线第六章塑性变形第二节单晶体塑变铝中的滑移带43第二节单晶体的塑性变形8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；第六章塑性变形第二节单晶体塑变44第二节单晶体的塑性变形9多滑移和交滑移的区别：（1）滑移的表面痕迹单滑移：单一方向的滑移带，滑移线呈一系列彼此平行的直线；多滑移：相互交叉的滑移带，成一定角度；交滑移：波纹状的滑移带，这是螺旋位错在不同滑移面上反复进行扩张的结果。第六章塑性变形第二节单晶体塑变（2）单滑移只有一个滑移系进行滑移；多滑移是由完全不同的两个滑移系分别或交替进行滑移；交滑移是由具有同一滑移方向的两个或多个滑移系同时启动而进行。一般来说，只有螺位错可以引起交滑移。45第二节单晶体的塑性变形10滑移的位错机制实验证明，滑移是位错在切应力作用下运动的结果，滑移线是位错运动到晶体表面所产生的台阶。当一条位错线移动到晶体表面时，便会留下一个原子间距的台阶。同一滑移面上若有大量的位错线不断地移出，则滑移台阶就不断增大，直到形成显微观察到的滑移线（带）。第六章塑性变形第二节单晶体塑变全位错运动的结果46第二节单晶体的塑性变形讨论：1、确定下列情况下的工程应变e和真应变T，说明何者更能反映真实的变形特性：a）由L伸长至1.1L；b）由h压缩至0.9h；c）由L伸长至2L；d）由h压缩至0.5h。2、面心立方晶体沿[001]方向拉伸，可能有几个滑移系开动？请写出各滑移系指数，并分别绘图示之。3、有一bcc晶体的(110)[111]滑移系的临界分切力为60MPa，试问在[001]和[010]方向必须施加多少的应力才会产生滑移？4、什么是单滑移、多滑移、交滑移?三者滑移线的形貌各有何特征?5、位错线和滑移线相同吗？为什么？6、在室温下，多数金属材料的塑性比陶瓷材料好很多，为什么？纯铜与纯铁这两种金属材料哪个塑性好？说明原因。第六章塑性变形第二节单晶体塑变47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(孪晶面）和晶向（孪生方向）发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。第六章塑性变形第二节单晶体塑变48第二节单晶体的塑性变形二孪生2孪生的形成过程：孪生是一种均匀切变过程，而滑移则是不均匀切变；发生孪生的部分与原晶体形成了镜面对称关系，而滑移则没有位向变化。第六章塑性变形第二节单晶体塑变4950第二节单晶体的塑性变形二孪生2孪生的形成过程：第六章塑性变形第二节单晶体塑变51第二节单晶体的塑性变形第六章塑性变形第二节单晶体塑变525354第二节单晶体的塑性变形二孪生第六章塑性变形第二节单晶体塑变孪晶在显微镜下呈带状或透镜状，见下图：锌中的变形孪晶×200α铁的变形孪晶（纽曼带）55第二节单晶体的塑性变形二孪生第六章塑性变形第二节单晶体塑变3孪生的位错机制：在孪生的形成过程中，我们已经看到，整个孪晶区域作了均匀切变，其各层的相对移动距离是孪生方向原子间距的分数值，这表明孪生时每层晶面的位移可以借助于一个不全位错的移动而形成。56第二节单晶体的塑性变形二孪生4滑移和孪生的比较第六章塑性变形第二