塑性加工力學(xué)--第2章-金屬性基礎(chǔ)

1、第第2 2章章 金屬塑性變形概述金屬塑性變形概述 2.1 2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 2.2 2.2 三種常見的晶格三種常見的晶格 2.2.3 3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)：實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)： 2.2.4 4 單晶體的單晶體的彈性變形和塑性變形彈性變形和塑性變形 2.2.5 5 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形 2.2.6 6 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2.1 2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 一切固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）的聚集狀態(tài)可分為兩大類：晶體和非晶體。 晶體和非晶體晶體和非晶體: 所謂晶體，系原子（或分子）在三維空間作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列

2、的固體，而非晶體就不具備這一特點(diǎn)，這是兩者的根本區(qū)別。所有固態(tài)金屬和合金都是晶體。金屬原子間的結(jié)合形式：金屬原子間的結(jié)合形式： 金屬內(nèi)原子間的作用力：金屬內(nèi)原子間的作用力： 圖21金屬鍵的模型 圖22雙原子作用模型金屬內(nèi)原子間的作用力：金屬內(nèi)原子間的作用力：金屬內(nèi)原子都處在異號電荷的吸引力和同號電荷的排斥力的作用下。一種是相互吸引作用，它來自金屬正離子與周圍電子氣之間的靜電吸引力，它促使原子彼此接近；另一種是相互排斥作用，它來自正離子與正離子之間和電子與電子之間的靜電排斥力，它促使原子彼此離開。當(dāng)原子間距離過大時，吸引力大于排斥力，原子互相吸引，自動靠近；當(dāng)原子間距離過近時，排斥力大于吸引力，

3、原子便互相排斥，自動離開。當(dāng)原子間時，吸引力和排斥力恰好相等，原子既不會自動靠近，也不會自動離開，恰好處于平衡位置。 幾個概念：幾個概念： 晶體晶體 : 原子按一定的幾何規(guī)律在空間作周期性排列 . 晶格晶格 : 通過直線把晶體內(nèi)各原子中心聯(lián)結(jié)起來，構(gòu)成一空間格子，即假想處于平衡狀態(tài)的各原子都位于該空間格子的各結(jié)點(diǎn)上。這種描述原子排列形式的空間格子，簡稱晶格。圖 晶格 晶胞：晶胞： 晶格中能反映晶格特征的最基本的幾何單元，稱為晶胞。晶胞的各邊尺寸a、b、c，即原子間距離，稱為晶格常數(shù)（或點(diǎn)陣常數(shù)）。單位為埃（ 厘米）。n 各種晶體的主要差別，就在于晶格形式和晶格常數(shù)的不同。8101 ,AA 晶面

4、晶面 ：晶體中，由原子組成的平面 晶向晶向 ：晶體中，由原子組成的直線22 三種常見的晶格三種常見的晶格 如上述，晶格是由一些最基本的幾何單元晶胞堆砌而成。工業(yè)上使用的幾十種金屬中，最常見的金屬晶格結(jié)構(gòu)有下面三種： 面心立方面心立方 : Al Ni Cu -Fe 體心立方體心立方 : Cr V Mo W -Fe -Ti 密排六方密排六方 : Zn Mg Be -Ti等 面心立方面心立方 : Al Ni Cu -Fe 體心立方體心立方 : Cr V Mo W -Fe -Ti 密排六方密排六方 : Zn Mg Be -Ti等c/a=1.57-1.64 23 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)：實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)：

5、 晶體分為單晶體和多晶體：晶體分為單晶體和多晶體：單晶體：單晶體：單晶體是一塊以原子或原子團(tuán)為單位沿著空間的前后、左右、上下三個方向整整齊齊地堆垛成的固體。（可以在實(shí)驗(yàn)室生成）晶晶 粒：粒：由許多位向基本一致的晶胞組成，類似單晶體，稱為晶粒或小晶體。（晶粒在顯微鏡下可以看到）多晶體：多晶體：多晶體則是由許多取向不同的晶粒組成的一塊固體，多晶體中的每一個晶粒內(nèi)部都有嚴(yán)格的周期性，但是晶粒之間沒有周期性的聯(lián)系。晶界晶界 :就是相鄰晶粒的邊界,它是兩個位向不同晶粒之間的過渡區(qū). 金屬的結(jié)構(gòu)：金屬的結(jié)構(gòu)： 工業(yè)用金屬是在凝固時產(chǎn)生大量的結(jié)晶核心，然后晶核長大，完成的結(jié)晶過程，它們由許多尺寸很小、位向不

6、同的小晶體或晶粒組成，是多晶體。晶體由于內(nèi)在結(jié)構(gòu)不同而表現(xiàn)出：晶體由于內(nèi)在結(jié)構(gòu)不同而表現(xiàn)出： 單晶體的各向異性：單晶體的各向異性： 由于單晶體在于不同的晶面晶向上，原子排列不同，原子的密度和原子間的結(jié)合力大小不同，因而引起機(jī)械、物理、化學(xué)性能的差異。 多晶體的各向同性：多晶體的各向同性： 由于多晶體是由許多不同位向的晶粒組成，晶粒的各向異性被互相抵消，因而多晶體一般不顯示方向性，稱之為各向同性。實(shí)際金屬晶體中存在的各種缺陷：實(shí)際金屬晶體中存在的各種缺陷： 在實(shí)際金屬的晶體中，原子并非固定不動，而是以晶格結(jié)點(diǎn)平衡位置為中心不停地作熱振動，原子的規(guī)則排列由于種種原因受到干擾和破壞，存在著一系列的缺

7、陷。常見的缺陷：常見的缺陷：點(diǎn)缺陷：包括空位、間隙原子、異質(zhì)原子。 刃型位錯 線缺陷： ：長度范圍內(nèi)存在晶體的微觀缺陷。 螺型位錯 混合型位錯 （螺型+刃型 ）面缺陷：晶體的面缺陷包括晶體外表面和內(nèi)表面的缺陷。 晶體的面缺陷包括晶體外表面和內(nèi)表面的缺陷: 晶體外表面原子缺陷晶體外表面原子缺陷 所處的環(huán)境與晶體內(nèi)部的原子不同，原子只有一側(cè)被內(nèi)層原子包圍，另一例則暴露在其他介質(zhì)中。因此，表面原子所受的作用力不是均勻?qū)ΨQ的，它們就會偏離平衡位置，處于能量較高的畸變狀態(tài)。晶體內(nèi)表面的缺陷晶體內(nèi)表面的缺陷 主要有晶界、亞晶界等。晶界對金屬的機(jī)械、物理及化學(xué)性能以及晶體內(nèi)部的轉(zhuǎn)變都有重要的影響。Strai

8、ned bondBroken bond(dangling bond)Grain boundaryVoid, vacancySelf-interstitial type atomForeign impurityFig. 1.51: The grain boundaries have broken bonds, voids, vacancies,strained bonds and interstitial type atoms. The structure of the grainboundary is disordered and the atoms in the grain boundari

9、es have higherenergies than those within the grains.From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2002)http:/Materials.Usask.Ca2.2.4 4 單晶體的單晶體的彈性變形和塑性變形彈性變形和塑性變形 彈、塑性變形： 物體在外力的作用下，會發(fā)生形狀和尺寸的改變，稱為變形。外力除去后能恢復(fù)原狀的變形，稱為彈性變形；外力除去后不能恢復(fù)原狀的變形，稱為塑性變形。彈塑性物質(zhì)：金屬和合金

10、在外力的作用下既能產(chǎn)生彈性變形，也能產(chǎn)生塑性變形。單晶體發(fā)生彈性變形的原因： 當(dāng)晶體在拉應(yīng)力的作用下，使原子離開了原來的平衡位置，原子間距離增大，產(chǎn)生了拉伸變形。這時由于原子間距離增大，原子間的排斥力便減小，原子間的吸引力必將增大，超過排斥力的吸引力和拉應(yīng)力平衡。外力除去，新的平衡消失，原子便回到原來的平衡位置，晶體恢復(fù)原狀。同樣，晶體在壓應(yīng)力的作用下，原子間距離縮短，排斥力大于吸引力，與壓力建立新的平衡。外力除去，原子便回到原來的平衡位置，晶體恢復(fù)原狀。晶體的彈性變形 單晶體發(fā)生塑性變形的原因是：單晶體發(fā)生塑性變形的原因是：當(dāng)晶體在剪應(yīng)力作用下，剪應(yīng)力達(dá)到一定值時，晶體便由彈性變形（剪切變形

11、）過渡到塑性變形。由于這時原子移動了原子間距離的倍數(shù)，移到了新的平衡位置，原子又處于穩(wěn)定狀態(tài)，即使外力除去，也不可能使晶體恢復(fù)原狀了。 a一變形前 b一彈性變形 c一塑性變形 圖 晶體的塑性變形單晶體塑性變形的主要兩種方式：單晶體塑性變形的主要兩種方式： 方式一：滑移方式一：滑移 晶體一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對另一部分發(fā)生相對移動和切變。產(chǎn)生宏觀的塑性變形?；?移移 面：面：原子排列密度最大的晶面。 滑移方向滑移方向：原子排列密度最大的方向。 滑滑 移移 系系: 一種滑移面及其上的一個滑移方向構(gòu)成滑移系：滑移系：每一個滑移面和該面上的一個滑移方向合起來構(gòu)成一個滑移系。每

12、一個滑移系表示金屬晶體在進(jìn)行滑移時可能采取的一個空間取向，在其他條件相同時，滑移系愈多，金屬的塑性愈好。這是因?yàn)榛葡涤?，滑移過程可能采取的空間取向便愈多，滑移容易進(jìn)行，因此這種金屬的塑性愈好。一般說來，面心立方和體心立方金屬的滑移系較多，因此比密排六方金屬的塑性好。但金屬塑性的好壞，不僅取決于滑移系的多少，還與滑移面上原子密排程度和滑移方向的數(shù)目等有關(guān)。如aFe，雖然滑移系相同，但滑移方向沒有面心立方晶體多，原子密排的程度也較面心立方晶體低，所以其塑性比面心立方晶體的金屬的Cu、Al、Ag等低。 方式二：方式二：孿晶或雙晶 單晶體塑性變形的另一種形式是李生。孿生是以晶體中一定的晶面（稱為孿

13、晶面）沿著一定的晶向（孿生方向）移動而發(fā)生的。2.2.5 5 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形 多晶體的塑性變形的特點(diǎn)：多晶體的塑性變形的特點(diǎn)：不同位向晶粒的相互協(xié)調(diào)性不同位向晶粒的相互協(xié)調(diào)性 在多晶體中，由于各個晶粒的取向不同，在一定外力作時下的受力情況使各不相同，處于有利位向的晶粒首先開始滑移，處于不利位向的晶粒的滑移則開始較晚。先滑移的晶粒必然會受到周圍晶粒的約束和限制，因而一方面使得處于有利取向晶粒的變形阻力增大，另一方面要求每個晶粒的變形必須與周圍的晶粒相互協(xié)調(diào)和配合。晶界對變形過程的阻礙作用晶界對變形過程的阻礙作用 在多晶體中，滑移線和孿晶帶大多中止于晶界處，這表明晶界對變形過程有

14、著明顯的阻礙作用。這種阻礙作用以及晶界本身的結(jié)構(gòu)都與指鄰晶粒的取向差有著密切的關(guān)系。在總變形量相同時，晶界的變形要比晶粒內(nèi)部的變形小。變形的不均勻性變形的不均勻性 在多晶體中，由于各個晶粒的空間位向不同，同一晶粒各個部位所受外界環(huán)環(huán)境的制約也不相同。這就使得各個晶粒或晶粒各部分的變形量和發(fā)展方例不同，因此多晶體的變形是不均勻的。2.2.6 6 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 1、纖維組織：、纖維組織：多晶體經(jīng)變形后，各晶粒沿變形方向伸廠，當(dāng)變形程度很大時，多晶體晶粒顯著地沿同一方向拉長呈纖維狀，這種晶粒組織稱為纖維組織。圖 金屬變形前后的晶粒形狀2 2、變形、變形 織構(gòu)織構(gòu)多晶體各