金屬與熱力學(xué)6.2 多晶體的塑性變形-.

1、1金屬的變形特性金屬的變形特性晶體的塑性變形晶體的塑性變形組織與性能的變化組織與性能的變化多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形合金的塑性變形合金的塑性變形2 彈性變形的實(shí)質(zhì)是在應(yīng)力的作用下，材料內(nèi)部原子間彈性變形的實(shí)質(zhì)是在應(yīng)力的作用下，材料內(nèi)部原子間距就偏離了平衡位置，但未超過(guò)其原子間的結(jié)合力。晶體距就偏離了平衡位置，但未超過(guò)其原子間的結(jié)合力。晶體材料反映為晶格發(fā)生了伸長(zhǎng)材料反映為晶格發(fā)生了伸長(zhǎng)( (縮短縮短) )或歪扭。原子的相鄰關(guān)或歪扭。原子的相鄰關(guān)系還未發(fā)生改變，故外力去除后，原子間結(jié)合力便可以使系還未發(fā)生改變，故外力去除后，原子間結(jié)合力便可以使變形完全恢復(fù)。

2、變形完全恢復(fù)。 3n 定義：不能恢復(fù)的永久性變形叫定義：不能恢復(fù)的永久性變形叫塑性變形塑性變形。當(dāng)應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力大于彈性極限時(shí)，材料不但發(fā)生彈性變形，而且還大于彈性極限時(shí)，材料不但發(fā)生彈性變形，而且還發(fā)生塑性變形，即在外力去除后，其變形不能得到發(fā)生塑性變形，即在外力去除后，其變形不能得到完全的恢復(fù)，而具有殘留變形或永久變形。完全的恢復(fù)，而具有殘留變形或永久變形。n 塑性：是指材料能發(fā)生塑性變形的量或能力，用伸塑性：是指材料能發(fā)生塑性變形的量或能力，用伸長(zhǎng)率長(zhǎng)率(%)(%)或斷面減縮率或斷面減縮率(%)(%)表示。表示。 n 實(shí)質(zhì)：塑性變形的實(shí)質(zhì)是在應(yīng)力的作用下，材料內(nèi)實(shí)質(zhì)：塑性變形的實(shí)質(zhì)是在應(yīng)力

3、的作用下，材料內(nèi)部原子相鄰關(guān)系已經(jīng)發(fā)生改變，故外力去除后，原部原子相鄰關(guān)系已經(jīng)發(fā)生改變，故外力去除后，原子回到另一平衡位置，物體將留下永久變形。子回到另一平衡位置，物體將留下永久變形。 46.2 6.2 單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形常溫下塑性變形的主要方式：常溫下塑性變形的主要方式：滑移滑移、孿生孿生。 ：在切應(yīng)力作用下，晶：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分體的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的晶面（沿著一定的晶面（滑移面滑移面）和晶向（和晶向（滑移方向滑移方向）產(chǎn)生相）產(chǎn)生相對(duì)位移，且不破壞晶體內(nèi)部對(duì)位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。原子排列規(guī)律性的塑變方式。5 晶體

4、中的滑移只能沿一定的晶面和該面上一定的晶體晶體中的滑移只能沿一定的晶面和該面上一定的晶體學(xué)方向進(jìn)行，將其稱為學(xué)方向進(jìn)行，將其稱為和和。 滑移面和滑移方向往往是晶體中滑移面和滑移方向往往是晶體中原子最密排的晶原子最密排的晶面和晶向面和晶向。 每個(gè)滑移面以及此面上的一個(gè)滑移方向稱為一個(gè)每個(gè)滑移面以及此面上的一個(gè)滑移方向稱為一個(gè)滑移系滑移系?；葡档膫€(gè)數(shù)：滑移系的個(gè)數(shù)：(滑移面?zhèn)€數(shù)）滑移面?zhèn)€數(shù)）（每個(gè)面（每個(gè)面上所具有的滑移方向的個(gè)數(shù)）上所具有的滑移方向的個(gè)數(shù)）。6 n 滑移面為滑移面為111n 滑移方向?yàn)榛品较驗(yàn)閚 滑移系共有滑移系共有 4312個(gè)個(gè) 7 bcc晶體112 和123面的滑移系n

5、低溫時(shí)滑移面為低溫時(shí)滑移面為112，中溫時(shí)多為，中溫時(shí)多為110，而高溫時(shí)多為，而高溫時(shí)多為123n 滑移方向?yàn)榛品较驗(yàn)閚 滑移系為滑移系為11062+ 112121+ 123241，其滑移，其滑移系可能有系可能有12-48個(gè)。個(gè)。 8 n 密排六方晶體中，滑移方向一般都是密排六方晶體中，滑移方向一般都是n當(dāng)當(dāng)c/a接近或大于接近或大于1.633時(shí)，時(shí)，0001為最密排面，滑移為最密排面，滑移系即為系即為0001，共有三個(gè)，共有三個(gè)n當(dāng)當(dāng)c/a小于小于1.633時(shí)，時(shí)，0001不再是密排面，滑移面將不再是密排面，滑移面將變?yōu)橹孀優(yōu)橹?010或斜面或斜面1011，滑移系分別為三個(gè)和六，滑移

6、系分別為三個(gè)和六個(gè)。個(gè)。 9 滑移過(guò)程開(kāi)始時(shí)的分切應(yīng)力就稱為滑移過(guò)程開(kāi)始時(shí)的分切應(yīng)力就稱為臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力。假設(shè)其橫截面積為假設(shè)其橫截面積為A， 為滑移面法線與中心軸線夾為滑移面法線與中心軸線夾角，角， 為滑移方向與外力為滑移方向與外力F夾角。夾角。 s稱為稱為臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力。 稱稱為為取向因子取向因子或或schmid因子。因子。n 軟取向軟取向n 硬取向硬取向 10 11 拉伸時(shí)拉伸時(shí), ,滑移面和滑移方向趨于平行于力軸方向；滑移面和滑移方向趨于平行于力軸方向； 壓縮時(shí)，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。壓縮時(shí)，晶面逐漸趨于垂直于壓力軸線。 幾何硬化：幾何硬化： ， 遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離45

7、45 ，滑移變得困難；，滑移變得困難； 幾何軟化：幾何軟化： ， 接近接近4545 ，滑移變得容易。，滑移變得容易。12滑移過(guò)程沿兩個(gè)以上滑移系同時(shí)或交替進(jìn)行，這種滑移過(guò)程沿兩個(gè)以上滑移系同時(shí)或交替進(jìn)行，這種滑移過(guò)程就稱為稱滑移過(guò)程就稱為稱。13晶體在兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿同一滑移方晶體在兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿同一滑移方向進(jìn)行的滑移。向進(jìn)行的滑移。交滑移后的螺位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回到與原滑移面平行交滑移后的螺位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回到與原滑移面平行的平面滑移。的平面滑移。14單一方向的滑移帶單一方向的滑移帶相互交叉的滑移帶相互交叉的滑移帶狀的滑移帶狀的滑移帶15位錯(cuò)的易動(dòng)性n 原子的微小移動(dòng)導(dǎo)致晶體產(chǎn)生一個(gè)原子間距

8、的位移。原子的微小移動(dòng)導(dǎo)致晶體產(chǎn)生一個(gè)原子間距的位移。n 多個(gè)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體的宏觀變形。多個(gè)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體的宏觀變形。16 退火狀態(tài)金屬的位錯(cuò)密度為106108/cm2。冷加工狀態(tài)金屬的位錯(cuò)密度為10101012/cm2，說(shuō)明位錯(cuò)增殖。金屬晶須金屬晶須退火態(tài)退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2) 171819 在滑移面上運(yùn)動(dòng)的某一位錯(cuò)，必與穿過(guò)此滑移面上在滑移面上運(yùn)動(dòng)的某一位錯(cuò)，必與穿過(guò)此滑移面上的其它位錯(cuò)（稱為的其它位錯(cuò)（稱為“林位錯(cuò)林位錯(cuò)”）相交割，該過(guò)程即為）相交割，該過(guò)程即為“位錯(cuò)交割位錯(cuò)交割”。 位錯(cuò)相互切割后，將使位錯(cuò)產(chǎn)生彎折，

9、生成位錯(cuò)折位錯(cuò)相互切割后，將使位錯(cuò)產(chǎn)生彎折，生成位錯(cuò)折線，這種折線有兩種：線，這種折線有兩種： 割階割階：垂直滑移面的折線：垂直滑移面的折線 扭折扭折：在滑移面上的折線：在滑移面上的折線2021 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中除遇到其它位錯(cuò)而發(fā)生交截外，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中除遇到其它位錯(cuò)而發(fā)生交截外，還可能遇到晶界，孿晶界，相界等障礙物而產(chǎn)生還可能遇到晶界，孿晶界，相界等障礙物而產(chǎn)生“塞積塞積”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 2223滑移滑移孿生孿生相同點(diǎn)相同點(diǎn)1 1 切變；切變；2 2 沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；3 3 不改變結(jié)不改變結(jié)構(gòu)。構(gòu)。不不同同點(diǎn)點(diǎn)晶體位向晶體位向不改變不改變改變，形成鏡面對(duì)稱關(guān)系改變

10、，形成鏡面對(duì)稱關(guān)系位移量位移量滑移方向上原子間距滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，較大。的整數(shù)倍，較大。小于孿生方向上的原子間小于孿生方向上的原子間距，較小。距，較小。對(duì)塑變的貢獻(xiàn)對(duì)塑變的貢獻(xiàn)很大，總變形量大。很大，總變形量大。有限，總變形量小。有限，總變形量小。變形應(yīng)力變形應(yīng)力有一定的臨界分切壓有一定的臨界分切壓力力所需臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于所需臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移滑移變形條件變形條件一般先發(fā)生滑移一般先發(fā)生滑移滑移困難時(shí)發(fā)生滑移困難時(shí)發(fā)生變形機(jī)制變形機(jī)制全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果24形變的基本概念形變的基本概念晶體的塑性變形晶體的塑性變形組織與性能的變化組織與

11、性能的變化回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形合金的塑性變形合金的塑性變形動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶25266.3 6.3 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形單個(gè)晶粒變形與單晶體相似單個(gè)晶粒變形與單晶體相似, ,多晶體變形比單晶體復(fù)雜。多晶體變形比單晶體復(fù)雜。鋅的的應(yīng)力應(yīng)變曲線鋅的的應(yīng)力應(yīng)變曲線 2728每一晶粒的取向每一晶粒的取向“軟軟”和和“硬硬”不不同，形變先后及形同，形變先后及形變量也不同。變量也不同。為保持整體的連續(xù)為保持整體的連續(xù)性，每個(gè)晶粒的形性，每個(gè)晶粒的形變必受相鄰晶粒所變必受相鄰晶粒所制約。制約。2930(1)

12、 跨過(guò)晶界的延伸率變化是連續(xù)的；跨過(guò)晶界的延伸率變化是連續(xù)的；(2) 靠近晶界處的延伸率較?。豢拷Ы缣幍难由炻瘦^??；(3) 細(xì)晶粒形變較均勻且強(qiáng)度高；細(xì)晶粒形變較均勻且強(qiáng)度高； 相反，大晶粒形變不均勻，強(qiáng)度低。相反，大晶粒形變不均勻，強(qiáng)度低。31雙晶拉伸實(shí)驗(yàn)雙晶拉伸實(shí)驗(yàn) 3233Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位錯(cuò)塞積界的位錯(cuò)塞積34屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系圖 210kds35一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。36 3738晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度關(guān)系晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度關(guān)系39

13、n金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高。金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高。n因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變 形的晶粒數(shù)目也越形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強(qiáng)大的塑性變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加度和塑性同時(shí)增加,金屬在斷裂前消耗金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其的功也大，因而其韌性也比較好。韌性也比較好。應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)力塑性材料塑性材料脆性脆性材料材料40通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)同時(shí)通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度、硬提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方度、塑性和韌性的方法稱法稱細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶

14、強(qiáng)化。41等強(qiáng)溫度示意圖 當(dāng)溫度升高時(shí)，隨著原子活動(dòng)性的加強(qiáng)，晶界也變得當(dāng)溫度升高時(shí)，隨著原子活動(dòng)性的加強(qiáng)，晶界也變得逐漸不穩(wěn)定，這將導(dǎo)致其強(qiáng)化效果逐漸減弱，甚至出現(xiàn)晶逐漸不穩(wěn)定，這將導(dǎo)致其強(qiáng)化效果逐漸減弱，甚至出現(xiàn)晶界弱化的現(xiàn)象。當(dāng)溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，晶界強(qiáng)度高于晶界弱化的現(xiàn)象。當(dāng)溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)強(qiáng)度，反之則晶界強(qiáng)度小于晶內(nèi)強(qiáng)度。內(nèi)強(qiáng)度，反之則晶界強(qiáng)度小于晶內(nèi)強(qiáng)度。 42下節(jié)內(nèi)容下節(jié)內(nèi)容：合金的塑性變形210kds4344 72214301cos424314321cos45Pa1069. 172424109 . 765s4647m/MN10899. 92102 . 027 . 0222211922bFaaab48n 變形變形：物體在外力的作用下，其形狀和尺寸的改變。：物體在外力的作用下，其形狀和尺寸的改變。n 應(yīng)力應(yīng)力：物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。：物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力?？煞譃榭煞譃檎龖?yīng)力和切應(yīng)力正應(yīng)力和切應(yīng)力。n 應(yīng)變應(yīng)變：物體形狀尺寸所發(fā)生的相對(duì)改變?？煞譃檎龖?yīng)：物體形狀尺寸所發(fā)生的相對(duì)改變?？煞譃檎龖?yīng)變和切應(yīng)變。變和切應(yīng)變。n 彈性變形彈性變形：n 塑性變形塑性變形：49滑移是在外力作用下，晶體的一部分沿著一定滑移是在外力作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面的晶面( (滑移面滑移面) )的一定方向