ch4-2PlasticDeformation

1、第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 4.2 4.2 金屬的塑性變形金屬的塑性變形OUTLINE塑性變形（滑移變形）的微觀機(jī)制？塑性變形（滑移變形）的微觀機(jī)制？金屬塑性變形（主要是滑移變形）的特點(diǎn)？金屬塑性變形（主要是滑移變形）的特點(diǎn)？塑性變形對金屬組織、性能的影響（特別是加工塑性變形對金屬組織、性能的影響（特別是加工硬化）？硬化）？回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 學(xué)習(xí)思路學(xué)習(xí)思路以：以：化學(xué)成分組織結(jié)構(gòu)性能應(yīng)用加工工藝為綱，加深理解本章內(nèi)容為綱，加深理解本章內(nèi)容第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 一、靜載單向靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(低碳鋼 )四階

2、段四階段 簡單回顧簡單回顧第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 一一 、金屬材料的塑性變形、金屬材料的塑性變形變形變形是工程材料在外力作用下會發(fā)生的最基本的失效方式，變形通常包括彈性變形與塑性變形兩種。工程意義：n 抵抗塑性變形是一般工程構(gòu)件的基本要求，不希望結(jié)構(gòu)件在抵抗塑性變形是一般工程構(gòu)件的基本要求，不希望結(jié)構(gòu)件在承載時(shí)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形；承載時(shí)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形；n 塑性變形是金屬材料的一種重要加工成形方法，在材料加工塑性變形是金屬材料的一種重要加工成形方法，在材料加工過程中，人們希望它易于加工變形。過程中，人們希望它易于加工變形。塑性變形還可改變材料內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)并影響其

3、宏觀性能。塑性變形還可改變材料內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)并影響其宏觀性能。第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) ( (一）、單晶體的塑性變形一）、單晶體的塑性變形單晶體變形規(guī)律：滑移晶體學(xué)單晶體變形規(guī)律：滑移晶體學(xué)多晶的變形是各個(gè)晶粒的變形的總和。多晶的變形是各個(gè)晶粒的變形的總和。（A）塑性變形方式：滑移. 塑性變形方式塑性變形方式滑移和孿生滑移和孿生 在外加切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一在外加切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）部分沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）發(fā)生相對的滑動發(fā)生相對的滑動第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu)

4、 外力外力P在滑移面上的分解在滑移面上的分解正應(yīng)力正應(yīng)力：僅使晶格產(chǎn)生彈性伸長，當(dāng)超過原子間結(jié)合力時(shí)，使將晶：僅使晶格產(chǎn)生彈性伸長，當(dāng)超過原子間結(jié)合力時(shí)，使將晶體拉斷；體拉斷；切應(yīng)力切應(yīng)力 ：使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，在超過滑移抗力時(shí)引起滑移面兩：使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，在超過滑移抗力時(shí)引起滑移面兩側(cè)的晶體發(fā)生相對滑動。側(cè)的晶體發(fā)生相對滑動。第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) Why? 滑移面（方向）滑移面（方向）最大密排面最大密排面（晶向）（晶向）自然過程的發(fā)生總是沿著阻力最小的方式進(jìn)行！自然過程的發(fā)生總是沿著阻力最小的方式進(jìn)行！第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 滑移系：滑移系：滑移

5、面和該面上的一個(gè)滑移方向滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向 金屬三種常見晶格的滑移系金屬三種常見晶格的滑移系第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) Why? 體心立方（體心立方（-Fe）和面心立方金屬（）和面心立方金屬（Cu、Al）滑移）滑移系數(shù)目相同，但面心立方金屬的塑性變形能力更好系數(shù)目相同，但面心立方金屬的塑性變形能力更好?ThenThen， 晶體的滑移就是晶體滑移面兩側(cè)部分作晶體的滑移就是晶體滑移面兩側(cè)部分作整體整體的相對移動（剛性移動）？的相對移動（剛性移動）？How?How?第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 滑移的位錯機(jī)制滑移的位錯機(jī)制位錯位錯滑移滑移塑性變形塑性變形 Ho

6、w?切應(yīng)力作用下，晶體中的位錯沿著滑移面逐步移動，最后移出切應(yīng)力作用下，晶體中的位錯沿著滑移面逐步移動，最后移出表面，留下一個(gè)大小等于該位錯矢量模的臺階。表面，留下一個(gè)大小等于該位錯矢量模的臺階。 大量位錯（原子距）大量位錯（原子距）移出晶體移出晶體滑移線（滑移線（1000原子距）原子距）滑移帶滑移帶第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 滑移的位錯機(jī)制：滑移的位錯機(jī)制：晶體的滑移是通過位錯在滑移面上的動晶體的滑移是通過位錯在滑移面上的動動來實(shí)現(xiàn)的，而勿需使晶體的兩部分作整體動來實(shí)現(xiàn)的，而勿需使晶體的兩部分作整體相對移動。相對移動。 滑移的實(shí)現(xiàn)滑移的實(shí)現(xiàn) 借助于位錯運(yùn)動。（剛性滑移模型計(jì)算

7、出的借助于位錯運(yùn)動。（剛性滑移模型計(jì)算出的臨界切應(yīng)力值實(shí)測值）臨界切應(yīng)力值實(shí)測值）金屬計(jì)算值 (MN/m2)實(shí)測值 (MN/m2)計(jì)算值與實(shí)測值之比銅銀金鎳鎂鋅64004500450011000300048001.00.50.925.80.830.94640090004900190036005100自然過程的發(fā)生總是沿著阻力最小的方式進(jìn)行！自然過程的發(fā)生總是沿著阻力最小的方式進(jìn)行！第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 滑移系數(shù)目滑移系數(shù)目，材料塑性，材料塑性；滑移方向滑移方向，材料塑性，材料塑性,（滑移方向的作用大于滑移面（滑移方向的作用大于滑移面的作用）的作用）FCC和和BCC的滑移系

8、為的滑移系為12個(gè)，個(gè)，HCP為為3個(gè)；個(gè)；FCC的滑移方向多于的滑移方向多于BCC。金屬塑性：金屬塑性：Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。）。 第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 晶體的一切分相對于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方晶體的一切分相對于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變。向）發(fā)生切變。金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生面兩側(cè)形成鏡金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生面兩側(cè)形成鏡面對稱關(guān)系。面對稱關(guān)系。發(fā)生孿生的部分（切變部分）稱為孿生帶或?qū)\晶。發(fā)生孿生的部分（切變部分）稱為孿生帶或?qū)\晶。（B）塑性變形方式）塑性變形方式 ：孿生：孿

9、生為什么發(fā)生孿生變形？何種情況下才易發(fā)生？為什么發(fā)生孿生變形？何種情況下才易發(fā)生？特點(diǎn)：均勻切變，切變部分位向改變，均勻切變，切變部分位向改變，但點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不變；發(fā)生孿生時(shí)各但點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不變；發(fā)生孿生時(shí)各原子移動的距離是不相等的。原子移動的距離是不相等的。臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力滑移分切應(yīng)力；滑移分切應(yīng)力；形變量很??；形變量很?。?.1. 形變速度快，接近聲速。形變速度快，接近聲速。第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 孿生僅會在滑移不易產(chǎn)生的情況下發(fā)生：. FCC金屬一般不發(fā)生孿生，少數(shù)（金屬一般不發(fā)生孿生，少數(shù)（Cu、Ag、Au）在極）在極低溫度下發(fā)生。低溫度下發(fā)生。. BCC金屬僅在室

10、溫或受沖擊時(shí)發(fā)生。金屬僅在室溫或受沖擊時(shí)發(fā)生。. HCP金屬較容易發(fā)生孿生。金屬較容易發(fā)生孿生。第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) (C）滑移和孿生滑移和孿生均在切應(yīng)力作用下，沿一定晶面的一定晶向進(jìn)行，產(chǎn)生塑性變形。 孿生借助于切變進(jìn)行，所需切應(yīng)力大，速度快，在滑移較難進(jìn)行時(shí)發(fā)生 滑移原子移動的相對位移是原子間距的整數(shù)值不引起晶格位向的變化；孿生原子移動的相對位移是原子間距的分?jǐn)?shù)值孿晶晶格位向改變促進(jìn)滑移 孿生產(chǎn)生的塑性變形量小（滑移變形量的10）， 但引起的晶格畸變大。第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) ( (二）、實(shí)際金屬（多晶）的塑性變形二）、實(shí)際金屬（多晶）的塑性變形主

11、要影響因素：晶界、晶粒和位向（A）晶界：）晶界： .滑移的主要障礙：原子混亂排列區(qū)，較不規(guī)則缺陷、雜質(zhì)集中?；撇荒軓囊粋€(gè)晶粒直接延續(xù)到另一個(gè)晶粒中去。.協(xié)調(diào)變形：晶界自身變形以維持相鄰晶粒變形保持連續(xù)。位錯塞積位錯塞積位錯運(yùn)動到晶界附近，位錯運(yùn)動到晶界附近，受到晶界阻礙而堆積起來。受到晶界阻礙而堆積起來。第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) （B）晶粒. Hall-Pitch. Hall-Pitch關(guān)系：關(guān)系：s=0+Kyd-1/2 .細(xì)晶強(qiáng)化：細(xì)晶強(qiáng)化：晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化強(qiáng)度提高、塑性提高、韌性提高，硬度強(qiáng)度提高、塑性提高、韌性提高，硬度晶粒小晶粒小晶界面積大晶界面積大變形抗力大變形抗

12、力大強(qiáng)度大強(qiáng)度大晶粒小晶粒小單位體積晶粒多單位體積晶粒多變形分散變形分散相鄰晶粒不同滑移系相互協(xié)調(diào)相鄰晶粒不同滑移系相互協(xié)調(diào)晶粒小晶粒小晶界多晶界多不利于裂紋的傳播不利于裂紋的傳播斷裂前承受較大的塑性變形斷裂前承受較大的塑性變形細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種非常重要的強(qiáng)韌化手段！細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種非常重要的強(qiáng)韌化手段！第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 晶粒形貌及結(jié)構(gòu)變化 晶粒拉長，纖維組織晶粒拉長，纖維組織各同異性各同異性a.纖維組織（組織）b. b. 亞結(jié)構(gòu)形成（晶內(nèi)結(jié)構(gòu)變化）亞結(jié)構(gòu)形成（晶內(nèi)結(jié)構(gòu)變化）形變形變 位錯密度位錯密度（ - -）位錯纏結(jié)位錯纏結(jié) 胞壁胞壁亞晶亞晶鋼的纖維組織（變

13、形度鋼的纖維組織（變形度80%二、二、塑性變形對金屬組織與性能的影響塑性變形對金屬組織與性能的影響( (一）冷塑性變形對金屬組織性能的影響一）冷塑性變形對金屬組織性能的影響第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 織構(gòu)織構(gòu)擇優(yōu)取向（組織）擇優(yōu)取向（組織）擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向變形量足夠大時(shí)，原來處于不同位向的晶粒在空變形量足夠大時(shí)，原來處于不同位向的晶粒在空間位向上會呈現(xiàn)出一定程度的一致。間位向上會呈現(xiàn)出一定程度的一致。 形變織構(gòu)形變織構(gòu)金屬塑性變形到很大程度（70%）時(shí)，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，使各晶粒的位向趨于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向，這種有序化的結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材

14、料的結(jié)構(gòu) . . 加工硬化（形變硬化）（冷作硬化）（性能）加工硬化（形變硬化）（冷作硬化）（性能）加工硬化加工硬化金屬在冷態(tài)下進(jìn)行塑性變形時(shí)，隨著變形度的增加，金屬在冷態(tài)下進(jìn)行塑性變形時(shí)，隨著變形度的增加，其強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降其強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 加工硬化機(jī)理1 1）一種重要的強(qiáng)化手段，對不能用熱處理方法強(qiáng)化的）一種重要的強(qiáng)化手段，對不能用熱處理方法強(qiáng)化的合金尤其重要；合金尤其重要；2 2）冷加工成形得以順利進(jìn)行；）冷加工成形得以順利進(jìn)行；3 3）金屬具有較好的變形強(qiáng)化能力，具有防止短時(shí)超載）金屬具有較好的變形強(qiáng)化能力，具有防止

15、短時(shí)超載斷裂能力，保證構(gòu)件安全性；斷裂能力，保證構(gòu)件安全性；4 4）塑性，塑性，切削性能切削性能不利：塑性變形困難不利：塑性變形困難中間退火中間退火消除消除塑性變形位錯移動位錯大量增殖相互作用運(yùn)動阻力加大變形抗力彈度、硬度、塑性、韌性位錯強(qiáng)化：位錯密度位錯強(qiáng)化：位錯密度強(qiáng)度、硬度強(qiáng)度、硬度工程意義：工程意義：第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 4 4殘余內(nèi)應(yīng)力（性能）殘余內(nèi)應(yīng)力（性能）第一類內(nèi)應(yīng)力第一類內(nèi)應(yīng)力宏觀，表面和心部，塑性變形不均勻造成；宏觀，表面和心部，塑性變形不均勻造成；第二類內(nèi)應(yīng)力第二類內(nèi)應(yīng)力微觀，晶粒間或晶內(nèi)不同區(qū)域變形不均；微觀，晶粒間或晶內(nèi)不同區(qū)域變形不均；第三類內(nèi)

16、應(yīng)力第三類內(nèi)應(yīng)力超微觀，晶?；儯ǔ⒂^，晶粒畸變（90%）。）。去除外力后殘留于且平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。去除外力后殘留于且平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 1、塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 ( (二）金屬在加熱的條件下的塑性變形：二）金屬在加熱的條件下的塑性變形： 1 1）回復(fù)）回復(fù)原子擴(kuò)散能力較小，物理化學(xué)性能恢復(fù)，內(nèi)應(yīng)力顯著降低，強(qiáng)度和硬度略有降低去應(yīng)力退火。驅(qū)動力：金屬變形儲存能（晶格畸變能）2 2）再結(jié)晶）再結(jié)晶新的形核一長大過程，無新相生成加工硬化消除，力學(xué)性能恢復(fù)，顯微組織發(fā)生顯著變化等軸晶粒，強(qiáng)度大大下降再結(jié)晶退火：消除加工硬化的熱處理工藝驅(qū)

17、動力：金屬變形儲存能（晶格畸變能）3 3）晶粒長大）晶粒長大性能惡化，特別是塑性明顯下降。在工藝處理應(yīng)注意防止產(chǎn)生。第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 影響再結(jié)晶晶粒度的因素影響再結(jié)晶晶粒度的因素 n溫度TD晶界遷移長大n預(yù)變形度第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 冷加工： TR（再結(jié)晶溫度）以下的加工。熱加工：TR以上加工，不引起加工硬化提高金屬致密度、消除枝晶偏析，打碎柱狀晶 ，樹枝晶，流線分布 4）、熱加工對金屬組織性能的影響）、熱加工對金屬組織性能的影響再結(jié)晶溫度：純金屬 TR=0.4-0.35Tm(K) 合金：TR=0.5-0.7Tm(K)判斷冷、熱加工的依據(jù)？ 鉛、錫 TR 25 OC 鎢：TR 1200 OC第三章第三章 工程材料的結(jié)構(gòu)工程材料的結(jié)構(gòu) 表表 3-1 塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響 變形類型變形類型 工藝方法工藝方法