第六章金属及合金的塑性变形与断裂

1第六章金属及合金的塑性变形与断裂第一节金属的变形特性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金属组织和性能的影响第六节金属的断裂2铸态组织的缺点晶粒粗大、不均匀改善铸态组织组织不致密成分偏析、不均匀材料的性能？压力加工（塑性变形）轧制、锻造、挤压塑性变形热塑性变形冷塑性变形强度塑性塑性强度缩松制成型材或工件3§6-1金属的变形特性低碳钢σ—ε曲线一、工程应力——应变曲线弹性变形（elasticdeformation）弹塑性变形（plasticdeformation）断裂（fracture）利用金属的应力—应变曲线（载荷—变形曲线），研究金属变形特点应力（工程应力或名义应力）0AF应变（工程应变或名义应变）00LLLF载荷0A试样的原始截面积0L试样的原始标距长度L试样变形后的长度金属变形4§6-1金属的变形特性：弹性变形阶段，线性阶段服从虎克定律：σ=Eεee：弹性极限，材料保持完全弹性变形时的最大应力：微量塑性变形起始阶段ess：屈服极限，材料开始发生塑性变形的最小应力:2.0条件屈服极限，材料无明显屈服时，产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限表示材料对起始微量塑性变形的抗力(1)(2)(3)sb:均匀塑性变形阶段:抗拉强度,b材料对最大均匀塑性变形的抗力5§6-1金属的变形特性(4)之后：b不均匀塑变阶段试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈塑性断裂:产生一定量塑性变形后的断裂：条件断裂强度k材料的塑性：材料在断裂前的塑性变形量塑性指标：延伸率δ和断面收缩率ψ材料的韧性：材料对断裂的抵抗能力;可以由应力-应变曲线下面的面积进行度量材料对塑性变形的极限抗力bk?假象0AFF载荷0A原始截面积在变形过程中截面积不断变化A瞬时截面积；6§6-1金属的变形特性AFt0ln0LLLdLLLt真实应力二、真应力－真应变曲线真实应变FA:瞬时截面积：瞬时载荷F随变形量的增加，塑性变形抗力不断增加的现象P163图6-3真应力-应变曲线加工硬化(形变强化):7§6-1金属的变形特性排斥能吸引能结合能AB原子间距do吸引能排斥能EAB－F排斥力引力结合力AB原子间距dodc＋F吸引力排斥力d0双原子模型理论抗拉强度三、金属的弹性变形金属晶格在外力作用下产生的弹性畸变。实质：平衡位置：作用力为零受到外力作用，偏离平衡位置：作用力不为零所加外力小于原子之间的结合力时，两者处于平衡状态去除外力，在原子之间的结合力的作用下，原子立即恢复平衡位置，金属晶体在外力作用下产生的宏观变形随之消失⇒弹性变形取决于原子间结合力的大小E（弹性模量）：σ=Eε虎克定律8第六章金属及合金的塑性变形与断裂第一节金属的变形特性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金属组织和性能的影响第六节金属的断裂9§6-2单晶体的塑性变形常温和低温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生一、滑移3.25%Si-Fe单晶体中的平直滑移带滑移线在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面和晶向产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑性变形方式滑移面滑移方向滑移带放大塑性变形后在晶体表面产生的一个个小台阶单晶体表面抛光塑性变形光镜观察10光镜下：滑移带电境下：滑移线滑移的表象学§6-2单晶体的塑性变形滑移线和滑移带的示意图滑移的特点：⑴滑移只能在切应力的作用下发生。：产生滑移的最小切应力临界切应力11⑵滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面（密排面）和晶向（密排晶向）发生。§6-2单晶体的塑性变形滑移的特点：滑移面滑移方向滑移系？阻力小密排面上原子间的结合力最大，密排面之间的距离最大，密排面之间原子结合力最弱。同理，密排晶向上滑移阻力小一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系（slipsystem）12§6-2单晶体的塑性变形滑移系主要与晶体结构有关。滑移系表示晶体在进行滑移时可能采取的空间取向。FCCHCP三种常见金属结构的滑移系{111}{110}{0001}1101111120--BCC密排面？密排晶向？13§6-2单晶体的塑性变形BCCFCC12264312HCP133三种常见金属结构的滑移系{111}{110}{0001}1101111120--密排面×密排方向滑移系数量=晶体结构不同，滑移系数量不同如何影响金属塑性？14晶体中滑移系越多，滑移越容易进行，塑性越好金属塑性的好坏，与滑移面上原子的密排程度、滑移方向的数目有关，密排程度愈高、滑移方向愈多，塑性愈好。1226§6-2单晶体的塑性变形密排面×密排方向=滑移系面心立方结构塑性优于体心立方结构对比BCC和FCC的塑性4312FCCBCC122615（三）滑移的临界分切应力coscoscosAAcosFF§6-2单晶体的塑性变形：产生滑移的最小切应力滑移只能在切应力的作用下发生。k设对一单晶圆柱体试样作拉伸试验分切应力达到临界值,晶体开始滑移,宏观上金属开始屈服s：屈服极限，材料开始发生塑性变形的最小应力AF临界切应力KScoscoskcoscossk：取向因子coscos16•临界分切应力取决于金属本性•在一定条件下，为一个定值。45coscos=059090coscos=0.或§6-2单晶体的塑性变形硬取向软取向kscoscoscoscosks或金属最容易开始滑移.σs具有最小值，金属无法滑移.σs无穷大，硬取向软取向σs随取向因子变化17§6-2单晶体的塑性变形（四）滑移时晶体的转动随着滑移的进行，晶体取向发生改变的现象称晶体的转动，包括滑移面的转动和滑移方向的改变18拉伸时滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴方向。压缩时滑移面逐渐趋于与压力轴线方向垂直•几何硬化：•由软取向逐渐变为硬取向，使滑移越来越困难的现象•几何软化：•由硬取向逐渐变为软取向，使滑移越来越容易的现象FFFFFFFF§6-2单晶体的塑性变形19（六）滑移的位错机制§6-2单晶体的塑性变形1.位错的运动及晶体的滑移晶体的滑移不是晶体的一部分相对另一部分作整体的刚性移动，而是位错在一定切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果。理论计算值与实测数据的差别悬殊发现问题位错学说解决问题位错移动一个原子间距时，位错中心附近的少数原子只作远小于一个原子间距的弹性偏移，需要很小的切应力就可实现。：滑移；孪生20多脚虫的爬行§6-2单晶体的塑性变形21滑移线的实质：一条位错线移动到晶体表面时，会在留下一个原子间距的滑移台阶，其大小等于柏氏矢量长度。大量的位错线移动到晶体表面后，形成显微镜能够观察到的滑移痕迹，即为滑移线。滑移线和滑移带的示意图§6-2单晶体的塑性变形滑移带极多的位错？滑移线上千个位错晶体中有如此大量的位错吗？由于滑移线是位错移动到晶体表面而形成的，随着塑性变形地进行，位错数量应该减少，最终形成无位错的理想晶体。事实恰恰与此相反。？222.位错的增值弗兰克－瑞德位错增值机制Si中的位错源位错线弯曲，产生线张力，使位错恢复直线的倾向线速度相同；角速度不同位错蜷线⇒位错环+位错线23弗兰克位错源产生的大量位错沿滑移面运动，遇到障碍物（固定位错、杂质、晶界等）的阻碍，领先的位错在障碍物前被阻止，后续位错被塞积，形成平面塞积群，并在障碍物的前端形成高度的应力集中。§6-2单晶体的塑性变形3.位错的塞积0n应力集中n：位错数0：滑移方向上的分切应力晶粒尺寸应力集中24二、孪生孪生是冷塑性变形的另一种重要形式，常作为滑移不易进行时的补充。一些密排六方的金属如Zn，Mg等常发生孪生变形。体心立方及面心立方结构的金属在形变温度很低．形变速率极快时，也会通过孪生方式进行塑变。§6-2单晶体的塑性变形：滑移；孪生25孪生：在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的均匀切变。一定晶面：孪生面一定方向：孪生方向不改变晶体结构，改变变形部分的位向§6-2单晶体的塑性变形二、孪生滑移：在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分产生相对位移。一定晶面：滑移面；一定晶向：滑移方向不破坏晶体内部原子排列规律性（晶体结构）晶体的孪生面和孪生方向与其晶体结构类型有关。{112}-111{111}-112-1011-{1012}bccfcchcp孪生面孪生方向26§6-2单晶体的塑性变形二、孪生27锌中的变形孪晶§6-2单晶体的塑性变形二、孪生孪生变形后晶体的变形部分与未变形部分以孪晶界为分界面构成了镜面对称的位向关系．金相显微镜下一般呈条带状，有时为透镜状。对称的两部分晶体孪晶切变区域内，与孪生面平行的每一层原子的切变量与它距孪生面的距离成正比，并且不是原子间距的整数倍子，而是分数倍。28孪生的变形特点只有在滑移很难进行，晶体才发生孪生变形切变时原子移动的距离是孪生方向原子间距的分数倍；滑移是整数倍孪生后晶体的变形部分的位向发生了改变，滑移后晶体各部分位向均未改变。孪生是均匀的切变，变形速度极大；滑移只集中在一些滑移面进行，不均匀孪生对塑变的直接贡献比滑移小很多§6-2单晶体的塑性变形29第六章金属及合金的塑性变形与断裂第一节金属的变形特性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金属组织和性能的影响第六节金属的断裂30受到晶界的阻碍和位向不同的晶粒的影响保持晶粒之间的结合和整个物体的连续性多晶体晶粒晶界单晶体§6-3多晶体的塑性变形滑移（主）；孪生等塑性变形方式：31§6-2单晶体的塑性变形形成位错的平面塞积群形成高度应力集中应力集中+外加应力相邻晶粒某些滑移系上的分切应力达到临界切应力值位错源开动，开始塑性变形一、多晶体的塑性变形过程32晶粒变形的不同时性即各晶粒的变形有前有后，不是同时进行各晶粒变形的相互协调性bcc和fcc金属的滑移系多，各个晶粒的变形协调得好，塑性好。hcp的涓移系少，很难使晶粒的变形彼此协调，塑性差，冷加工较困难。§6-3多晶体的塑性变形一、多晶体的塑性变形过程各晶粒变形的不均匀性33晶界的存在使变形的晶粒中的位错在晶界处受阻，每一晶粒中的滑移带都终止在晶界附近，晶界越多，阻力越大；各晶粒存在位相差，为了协调变形，每个晶粒都进行多滑移，必然产生位错的交割，晶粒越多，割阶越多，阻力越大§6-3多晶体的塑性变形二、晶粒大小对塑性变形的影响金属材料的强度细晶强化：细化晶粒增加晶界提高金属强度的方法晶粒愈细，强化效果愈好34§6-3多晶体的塑性变形210kds常温下，金属材料的屈服强度σs与晶粒直径d有如下关系式霍尔—配奇公式晶粒大小与金属强度关系二、晶粒大小对塑性变形的影响，K：材料常数035§6-3多晶体的塑性变形细晶强化的原因根据τ=nτ0关系式，应力集中的大小决定于塞积的位错数目n，n越大，则应力集中也越大。n与晶界到位错源的距离L成正比。晶粒越大，晶界到位错源的距离L越大，应力集中越大，位错运动所需外部施加的应力需要越小，宏观表现强度越低。晶粒越小，位错运动所需外部施加的应力需要越大，宏观表现强度越高形成位错的平面塞积群形成高度应力集中应力集中+外加应力相邻晶粒某些滑移系上的分切应力达到临界切应力值位错源开动，开始塑性变形36§6-3多晶体的塑性变形细化晶粒，能够改善材料的塑性和韧性应力集中引起的开裂的机会少在相同的外力作用下细小晶粒内部和晶界附近的应变差较小变形较均匀在断裂前承受较大的变形量，所以可得到较大的延伸率和收缩率材料的塑性：材料在断裂前的塑性变形量材料的韧性：材料对断裂的抵抗能力37第六章金属及合金的塑性变形与断裂第一节金属的变形特性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金属组织和性能的影响第六节金属的断裂38§6-4