第01章 塑形變形

1、11.3 1.3 塑性變形塑性變形定義定義：外載荷卸去后，不能恢復的變形外載荷卸去后，不能恢復的變形。塑性塑性：材料受力，應力超過屈服點后，仍能繼續(xù)變形材料受力，應力超過屈服點后，仍能繼續(xù)變形而不發(fā)生斷裂的性質(zhì)。而不發(fā)生斷裂的性質(zhì)?！啊?” 伸長率，伸長率，“”斷面收縮率。斷面收縮率。%100%100%，常稱為超塑性。，常稱為超塑性。一、塑性變形的方式及特點一、塑性變形的方式及特點1 1、塑性變形的方式、塑性變形的方式 滑移滑移 是金屬材料在切應力的作用下位錯沿滑移面和滑移是金屬材料在切應力的作用下位錯沿滑移面和滑移方向運動而進行的切變過程。方向運動而進行的切變過程。是最主要的變形機制是最主要

2、的變形機制； 孿生孿生 是重要的變形機制，一般發(fā)生在低溫形變或快是重要的變形機制，一般發(fā)生在低溫形變或快速形變時；孿生變形可以調(diào)整滑移面的方向，使新的滑移系開速形變時；孿生變形可以調(diào)整滑移面的方向，使新的滑移系開動，動，間接的對塑性變形有貢獻間接的對塑性變形有貢獻。 2（1 1）滑移）滑移 滑移面滑移面：原子最密排面；：原子最密排面； 滑移方向滑移方向：原子最密排方向。：原子最密排方向。 滑移系滑移系：滑移面和滑移向的組合。：滑移面和滑移向的組合。 滑移系越多，材料的塑性越好。滑移系越多，材料的塑性越好。3 （2 2）孿生）孿生 孿晶孿晶：外形對稱，好象由兩個相同晶體對接起來的晶：外形對稱，好

3、象由兩個相同晶體對接起來的晶體；內(nèi)部原子排列呈鏡面對稱于結合面。體；內(nèi)部原子排列呈鏡面對稱于結合面。 孿晶可分為孿晶可分為自然孿晶自然孿晶和和形變孿晶形變孿晶。 孿生的特點：孿生的特點： 比滑移困難；時間很短；變形量很?。粚\晶層在試樣比滑移困難；時間很短；變形量很??；孿晶層在試樣中僅為狹窄的一層，不一定貫穿整個試樣。中僅為狹窄的一層，不一定貫穿整個試樣。 孿生與滑移的交互作用，可促進金屬塑性變形的發(fā)展。孿生與滑移的交互作用，可促進金屬塑性變形的發(fā)展。4 2 2、塑性變形的特點、塑性變形的特點 （1 1）各晶粒變形的不同時性和不均勻性）各晶粒變形的不同時性和不均勻性 材料表面優(yōu)先材料表面優(yōu)先 與

4、切應力取向最佳的滑移系優(yōu)先與切應力取向最佳的滑移系優(yōu)先 （2 2）各晶粒變形的相互制約與協(xié)調(diào)）各晶粒變形的相互制約與協(xié)調(diào) 多晶體作為一個整體，不允許晶粒僅在一個滑移系多晶體作為一個整體，不允許晶粒僅在一個滑移系中變形，否則將造成晶界開裂。這就要求晶粒之間能夠中變形，否則將造成晶界開裂。這就要求晶粒之間能夠協(xié)調(diào)變形。協(xié)調(diào)變形。 馮馮米賽斯指出每個晶粒至少有五個獨立的滑移系米賽斯指出每個晶粒至少有五個獨立的滑移系開動，才能確保產(chǎn)生任何方向不受約束的塑性變形。開動，才能確保產(chǎn)生任何方向不受約束的塑性變形。5二、屈服與屈服強度二、屈服與屈服強度 1 1、屈服、屈服 在金屬塑性變形的開始階段，外力不增加

5、、甚至下在金屬塑性變形的開始階段，外力不增加、甚至下降的情況下，而變形繼續(xù)進行的現(xiàn)象，稱為降的情況下，而變形繼續(xù)進行的現(xiàn)象，稱為屈服屈服。 下屈服點下屈服點s1:屈服過程中屈服過程中試驗力第一次發(fā)生下降時，試驗力第一次發(fā)生下降時，屈服階段中的最小應力。屈服階段中的最小應力。上屈服點上屈服點su:試樣發(fā)試樣發(fā)生屈服而力首次下降前生屈服而力首次下降前的最大應力。的最大應力。以以下屈服點下屈服點的應力作為材料的應力作為材料的屈服強度的屈服強度s62、屈服機理（屈服現(xiàn)象的解釋）、屈服機理（屈服現(xiàn)象的解釋） （外應力作用下，晶體中位錯萌生、增殖和運動過程）（外應力作用下，晶體中位錯萌生、增殖和運動過程）

6、（1）柯氏氣團）柯氏氣團概念：溶質(zhì)原子，雜質(zhì)，位錯和外力的相互作用概念：溶質(zhì)原子，雜質(zhì)，位錯和外力的相互作用 位錯與雜質(zhì)原子交互作用，位錯被釘扎。雜質(zhì)原子聚集在位錯線的周圍，形成氣團。 提高外應力，位錯才能運動；一旦運動，繼續(xù)發(fā)生塑性變形所需的外應力降低。7 但是，在20世紀60年代后，Gilman和Johnston發(fā)現(xiàn)：無位錯的銅晶須，低位錯密度的共價鍵晶體Si,Ge以及離子晶體LiF也存在屈服現(xiàn)象，怎么去解釋？ （2）金屬材料塑性變形的應變速率與可動位錯金屬材料塑性變形的應變速率與可動位錯密度、位錯運動速率及柏氏矢量成正比密度、位錯運動速率及柏氏矢量成正比83 3、屈服強度、屈服強度 s=

7、Fs/A 由于金屬材料存在上下屈服點，或者屈服點不明確，一般將一般將 0.20.2定為屈服強度定為屈服強度。 屈服強度是工程上從靜強度角度選擇韌性材料的依據(jù)。提高屈服強度，機件不易產(chǎn)生塑性變形；但過高，又不利于某些應力集中部位的應力重新分布，容易引起脆性斷裂。9 三、影響屈服強度的因素（提高屈服強度三、影響屈服強度的因素（提高屈服強度的途徑）的途徑）（一）影響屈服強度的內(nèi)因（一）影響屈服強度的內(nèi)因 （1 1）金屬本性及晶格類型）金屬本性及晶格類型屈服強度在理論上來說是使位錯開始運動的臨界切應力，其值由位錯運動所受的各種阻力決定。 位錯運動的阻力包括晶格阻力（晶格阻力（P-NP-N力）力）和位錯

8、交互位錯交互作用產(chǎn)生的阻力作用產(chǎn)生的阻力。（A)晶格阻力（派納力） 10（B) 位錯交互作用的阻力。交互產(chǎn)生的阻力包括平行位錯間交互作用產(chǎn)生的阻力平行位錯間交互作用產(chǎn)生的阻力和運動位錯與林位錯交互作用產(chǎn)生的阻力運動位錯與林位錯交互作用產(chǎn)生的阻力。劇烈冷變形位錯密度增加劇烈冷變形位錯密度增加4-54-5個數(shù)量級個數(shù)量級-形變強化形變強化！11（c）晶界阻力晶界阻力 晶界是位錯運動的障礙。 要使相鄰晶粒中的位錯源開動，必須加大外應力。 霍爾培奇關系式 細化晶粒，可以提高材料的強度（細晶強（細晶強化）?；?。12（d d）溶質(zhì)元素）溶質(zhì)元素 在純金屬中加入溶質(zhì)原子形成固熔合金，將顯著提高強度，此即為

9、固溶強化固溶強化。 在溶質(zhì)原子的周圍形成了晶格畸變應力場，該應力場與位錯應力場產(chǎn)生交互作用，使位錯運動受阻。從而提高提高了屈服強度。（e e）第二相）第二相對于不可變形的第二相質(zhì)點，根據(jù)位錯理論，位錯在運動過程中，只能繞過第二相質(zhì)點，在第二相質(zhì)點周圍留下位錯環(huán)，位錯環(huán)對后續(xù)位錯產(chǎn)生斥力，提高位錯的運動阻力。金屬中的第二相質(zhì)點有的可以用粉末冶金等方法獲得，稱為彌散強化彌散強化；有的可以用固溶處理加時效方法獲得，稱為沉淀強化或析出強化沉淀強化或析出強化。13 （二）外因（二）外因 溫度提高，位錯運動容易，s。 應變速率提高，s。 應力狀態(tài) 切應力，越有利于塑形變形，s14 四、應變硬化四、應變硬化

10、 或稱形變硬化，加工硬化或稱形變硬化，加工硬化 1.定義：定義：當外力達到屈服強度后，塑性變形需要不斷增加外力才能繼續(xù)進行。這表明金屬材料有一定的阻止繼續(xù)塑性變形的能力，這就是應變硬化性能。 塑性應變是硬化的原因，硬化是塑性應變的結果。應變硬化是位錯增殖，運動受阻所致。152 2、應變硬化指數(shù)、應變硬化指數(shù) Hollomon關系式： S=keS=ken n （描述了塑性變形后真應力與真應變之間的關系） n應變硬化指數(shù)；k硬化系數(shù) 應變硬化指數(shù)應變硬化指數(shù)n n反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。是表征金屬材料應變硬化行為的性能指標。變形的能力。是表征金屬材料應變硬化

11、行為的性能指標。 n=1，理想彈性體;n=0材料無硬化能力。大多數(shù)金屬材料的n值在0.1-0.5之間。n n與屈服強度與屈服強度 s s成反比的關系，即成反比的關系，即n ns=常數(shù)常數(shù)16 3 3、形變強化的意義、形變強化的意義（1）應變硬化和塑性變形適當配合，可使金屬進行均勻塑性形變。（2）使構件具有一定的抗偶然過載能力。（3）形變硬化是材料強化手段之一。特別是無相變強化材料，通過噴丸和冷擠壓對表面進行強化。如1Cr18Ni9Ti 40%形變強化，強度提高數(shù)倍；17五、縮頸現(xiàn)象 1 1、縮頸、縮頸 （1）縮頸的意義 變形集中于局部區(qū)域；失穩(wěn)的臨界條件。 （2）縮頸的判據(jù) S=ds/de (

12、式1-22) 在縮頸點處，Sb=keBn 經(jīng)過積分，得eB=n 即：金屬材料的應變硬化指數(shù)等于最大真實均勻塑金屬材料的應變硬化指數(shù)等于最大真實均勻塑性變量時，縮頸便產(chǎn)生。性變量時，縮頸便產(chǎn)生。 18 2 2、抗拉強度、抗拉強度 b 實際材料在靜拉伸條件下的最大承載能力。 意義意義： （1）易于測定，重現(xiàn)性好,廣泛用作產(chǎn)品規(guī)格說明或質(zhì)量控制指標。 （2）作為脆性材料設計參數(shù)，就是脆性材料的斷裂強度。 （3）s/b對材料成型加工極為重要。 （4）b1/3HBW（布氏硬度）；淬火鋼-11/2b（疲勞極限）19六、靜力韌度六、靜力韌度 韌性：韌性：材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力,或指材料抵抗裂

13、紋擴展的能力。 J/m2 靜力韌度：靜力韌度：靜拉伸時，單位體積材料斷裂所吸收的功。J/m3 UT=b b或者或者U UT T=1/2(=1/2(b+ s) 20七 彈性與塑性的應用 1.在工程上彈性與塑性的應用準則：在工程上彈性與塑性的應用準則： 構件的服役應力不能超過彈性極限或屈服強度。應用：精密機床，儀表彈簧。 2.材料剛度：由彈性模量表征材料剛度：由彈性模量表征 構件構件的剛度由構件的幾何形狀，尺寸和材料的剛度決定。 3.結論：結論： 服役中的材料應提高彈性極限或屈服強度，加工中的材料應降低彈性極限或屈服強度。21 金屬斷裂的性質(zhì)和機理取決于一系列的內(nèi)因和外因：內(nèi)因是指金屬材料的組織結

14、構，而外因則指施加于材料或結構件上的應力、加載方式、溫度和環(huán)境等。在工程應用中，總是希望材料處于韌性狀態(tài)，而避免脆性狀態(tài)。1.4 金屬的斷裂金屬的斷裂22 材料完全破斷為兩個部分以上的現(xiàn)象，叫斷裂斷裂。（斷裂使材料失去完整性）（機件三大失效形式之一）一、斷裂的基本類型 1、根據(jù)斷裂前塑性變形大小分類 脆性斷裂；韌性斷裂 2、根據(jù)斷裂面的取向分類 正斷；切斷 3、根據(jù)裂紋擴展的途徑分類 穿晶斷裂；沿晶斷裂 4、根據(jù)斷裂機理分類 解理斷裂，微孔聚集型斷裂；純剪切斷裂235%斷面收縮率：斷面收縮率：作為分界點，粗略作為分界點，粗略分為脆性斷裂和韌性分為脆性斷裂和韌性斷裂。斷裂。24二、斷裂及斷口特征

15、（一）韌性斷裂與脆性斷裂（宏觀）（一）韌性斷裂與脆性斷裂（宏觀） 1 1、韌性斷裂；、韌性斷裂；（1）斷裂特點： 斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀變形；過程緩慢； 斷裂面一般平行于最大切應力，并與主應力成45o角。（2）斷口特征 斷口呈纖維狀，灰暗色。杯錐狀。 斷口特征三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇 （3）危害，不及脆性斷裂，斷裂前機件已變形失效。25韌性斷裂（延性斷裂）：韌性斷裂（延性斷裂）：指金屬斷裂前產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形的斷裂，指金屬斷裂前產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形的斷裂，這種斷裂有一個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴展過程中不斷消耗能量這種斷裂有一個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴展過程中不斷消耗能量.微觀形貌的一個

16、典型特征就是微觀形貌的一個典型特征就是韌窩韌窩。26韌性斷裂過程與杯錐狀斷口的形成韌性斷裂過程與杯錐狀斷口的形成（如何產(chǎn)生了這種韌窩狀的端口形貌呢？）（如何產(chǎn)生了這種韌窩狀的端口形貌呢？）內(nèi)頸縮內(nèi)頸縮27微孔形核和長大的位錯模型：微孔形核和長大的位錯模型：28 2 2、脆性斷裂、脆性斷裂（1）斷裂特點 斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，無明顯前兆； 斷口與正應力垂直。（2）斷口特征 平齊光亮，常呈放射狀或結晶狀； 人字紋花樣的放射方向與裂紋擴展方向平行。 材料的韌性與脆性行為會隨環(huán)境條件而改變。 例如：T、脆性。脆性斷裂：解理斷裂和沿晶斷裂解理斷裂和沿晶斷裂。29解理斷裂：解理斷裂：指金屬材料在一定的

17、條件下，當外加正應力達到一定指金屬材料在一定的條件下，當外加正應力達到一定 數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學平面產(chǎn)生的數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學平面產(chǎn)生的穿晶穿晶斷斷 裂。解離面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面。裂。解離面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面。30（二）解理斷裂的微觀斷口特征電鏡觀察（1）河流狀 解理臺階，匯合臺階高度足夠大形成河流狀花樣。 裂紋跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。 解理臺階是沿兩個高度不同的平行解理面上擴展的解理裂紋相交時形成的。 河流的方向與裂紋擴展的方向是一致的，河流的方向與裂紋擴展的方向是一致的，可根據(jù)可根據(jù)“河流河流”的流向確定解理裂紋的擴展

18、的流向確定解理裂紋的擴展方向，方向，“河流河流”反方向獲得裂紋源。反方向獲得裂紋源。31解理裂紋沿孿晶解理裂紋沿孿晶界擴展留下的舌頭界擴展留下的舌頭狀凹坑或凸臺。狀凹坑或凸臺。不管是河流狀還是舌不管是河流狀還是舌狀的解理斷裂，都有狀的解理斷裂，都有一個特點：一個特點：表面是平表面是平整的。整的。舌狀花樣舌狀花樣32準解理：微觀形態(tài)特征是解離的小平面上有明顯的撕裂棱，斷裂面準解理：微觀形態(tài)特征是解離的小平面上有明顯的撕裂棱，斷裂面 由平直的解離面和韌窩所組成。具有少量的河流花樣。由平直的解離面和韌窩所組成。具有少量的河流花樣。由于晶體內(nèi)存在彌散硬由于晶體內(nèi)存在彌散硬質(zhì)點，解理裂紋起源于質(zhì)點，解理裂紋起源于晶內(nèi)硬質(zhì)處點晶內(nèi)硬質(zhì)處點，形成從，形