第18講 金屬及合金的塑性變形與斷裂Ⅱ

第十七講

金屬及合金的塑性變形與斷裂Ⅱ2/1/20231上講內(nèi)容回顧三元相圖總結(jié)三元系的兩相平衡三元系的三相平衡三元系的四相平衡相區(qū)接觸法則金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線單晶體的塑性變形2/1/20232第六章金屬及合金的塑性變形與斷裂內(nèi)容提要§6-1金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線§6-2單晶體的塑性變形§6-3多晶體的塑性變形§6-4合金的塑性變形§6-5塑性變形對金屬組織和性能的影響§6-6金屬的斷裂（自學(xué)內(nèi)容）

作業(yè)2/1/20233§6-2單晶體的塑性變形一、微觀現(xiàn)象二、塑性變形方式返回2/1/20234二、塑性變形方式在室溫或溫度不高時單晶體變形基本方式有兩種：1.滑移2.孿生3.兩種變形方式的異同點返回2/1/202351.滑移⑴滑移的概念⑵滑移面和滑移方向⑶滑移時臨界分切應(yīng)力⑷滑移時晶體的轉(zhuǎn)動⑸多滑移⑹滑移與位錯返回2/1/20236⑹滑移與位錯滑移的機(jī)制滑移是通過位錯的運(yùn)動來實現(xiàn)的：晶體中原子排列不是完全規(guī)則的，存在著一個正刃型位錯，在切應(yīng)力作用下，通過這個多余半原子面從一側(cè)到另一側(cè)的運(yùn)動，每移出晶體一次即造成一個原子間距的變形量。①位錯的運(yùn)動與晶體的滑移②位錯的增殖③位錯的交割與塞積返回2/1/20237①位錯的運(yùn)動與晶體的滑移理想晶體在切應(yīng)力的作用下，晶體的上下兩部分沿滑移面作整體剛性的滑移，此時所需的臨界切應(yīng)力τK與實際強(qiáng)度相差十分懸殊。例如銅，理論計算的τK≈1500MN／㎡，而實際測出的τK≈0.98MN／㎡，兩者相差竟達(dá)1500倍！對這一矛盾現(xiàn)象的研究，導(dǎo)致了位錯學(xué)說的誕生。2/1/20238實際晶體的滑移是通過位錯在切應(yīng)力的作用下沿著滑移面逐步移動的結(jié)果，如圖6-9所示?；凭€的實質(zhì)：當(dāng)一條位錯線移到晶體表面時，便會在晶體表面上留下一個原子間距、大小為柏氏矢量模的滑移臺階，大量位錯移到晶體表面時，就會在晶體表面形成滑移線。圖6-9晶體通過刃型位錯移動造成滑移的示意圖

2/1/20239晶體在滑移時并不是滑移面上的全部原子一齊移動，而是位錯中心的原子由一個平衡位置轉(zhuǎn)移到另一個平衡位置，如圖6-10所示，圖中的實線表示位錯（半原子面PQ）原來的位置，虛線表示位錯移動了一個原子間距（P′Q′）后的位置。圖6-10刃型位錯的滑移正刃型位錯負(fù)刃型位錯

2/1/202310可見，位錯雖然移動了一個原子間距，但位錯中心附近的少數(shù)原子只作遠(yuǎn)小于一個原子間距的彈性偏移，而晶體其它區(qū)域的原子仍處于正常位置。顯然，這樣的位錯運(yùn)動只需要一個很小的切應(yīng)力就可實現(xiàn)，這就是實際滑移的τK比理論計算的τK低得多的原因。圖6-10刃型位錯的滑移正刃型位錯負(fù)刃型位錯

返回2/1/202311②位錯的增殖問題1：晶體在塑性變形時產(chǎn)生大量的滑移帶就需要為數(shù)極多的位錯。晶體中有如此大量的位錯嗎？問題2：滑移是位錯掃過沿移面并移出晶體表面造成的，隨著塑性變形過程的進(jìn)行，晶體中的位錯數(shù)目應(yīng)越來越少，最終會形成無位錯的理想晶體？問題3：退火金屬中的位錯密度為1010m-2，經(jīng)劇烈塑性變形后，位錯密度增至1015～1016m-2。這些增加的位錯是怎樣來的？2/1/202312弗蘭克-瑞德位錯源晶體中的位錯呈空間網(wǎng)絡(luò)狀分布，各個位錯線段不會位于同一個晶面上。這樣，相交于一個結(jié)點的幾個位錯線段在滑移時不能一致行動，只有位于滑移面上的位錯線才能運(yùn)動。因此，位錯網(wǎng)絡(luò)上的結(jié)點即可能成為固定的結(jié)點（圖6-11）。圖6-11

弗蘭克－瑞德位錯源

m、n為異號螺位錯b產(chǎn)生一個柏氏矢量位移區(qū)域返回2/1/202313③位錯的交割與塞積在多滑移時，由于各滑移面相交，因而在不同滑移面上運(yùn)動著的位錯也就必然相遇，發(fā)生相互交割。在滑移面上運(yùn)動著的位錯還要與晶體中原有的以不同角度穿過滑移面的位錯相交割。圖6-12兩個相互垂直的刃型位錯的交割交割前交割后mn-割階2/1/202314位錯的交割（刃型與刃型、刃型與螺型、螺型與螺型）都會形成割階，一方面增加了位錯線的長度，一方面還可能形成一種位錯難以運(yùn)動的固定割階，成為后續(xù)位錯運(yùn)動的障礙，造成位錯纏結(jié)。這就是多滑移加工硬化效果較大的主要原因。在切應(yīng)力的作用下，大量位錯沿滑移面的運(yùn)動過程中，如果遇到障礙物（固定位錯、雜質(zhì)粒子、晶界等）的阻礙，領(lǐng)先的位錯在障礙前被阻止，后續(xù)的位錯被堵塞起來，結(jié)果形成位借的平面塞積群，并在障礙物的前端形成高度應(yīng)力集中。2/1/202315位錯塞積群的位錯數(shù)，與障礙物至位錯源的距離L成正比。L越大，則塞積的位錯數(shù)目越多，造成的應(yīng)力集中便越大。經(jīng)計算，塞積群在障礙處產(chǎn)生的應(yīng)力集中。為：τ=nτ0

τ0：滑移方向的分切應(yīng)力值，此式說明，在塞積群前端產(chǎn)生的應(yīng)力集中τ是τ0的n倍。返回2/1/2023162.孿生孿生是晶體的一部分沿一定的晶面（孿生面）和一定的晶向（孿生方向）相對于另一部分發(fā)生均勻切變。每層原子的切變量不同，遠(yuǎn)離孿晶面切變量大，層間切變量一般小于1個原子間距。這種切變雖不改變晶體類型，但孿晶面兩側(cè)位向發(fā)生變化，形成鏡面對稱。圖6-13面心立方晶體的孿生變形過程示意圖a）孿晶面與孿生方向b）孿生變形時的晶面移動情況2/1/202317在孿晶面之間切變部分為孿晶帶或?qū)\晶，拋光浸蝕后可看到痕跡。密排六方金屬及低溫下的體心立方金屬常以孿晶變形。孿生的變形速度極大，常引起沖擊波，發(fā)出響聲。孿生對塑性變形的貢獻(xiàn)比滑移小得多，例如鋼單純依靠孿生變形只能獲得7.4%的延伸率。但是，由于孿生后變形部分的晶體位向發(fā)生改變，可使原來處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠欣∠颍@樣就可以激發(fā)起晶體的進(jìn)一步滑移。2/1/202318滑移和孿生兩者交替進(jìn)行，即可獲得較大的變形量。正是由于這一原因，當(dāng)金屬中存在大量孿晶時，可以較順利地進(jìn)行形變?？梢?，對于滑移系少的密排六方金屬來說，孿生對于塑性變形的貢獻(xiàn)，還是不能忽略的。

返回2/1/202319比較點滑移孿生相同點沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；不改變結(jié)構(gòu)。不同點晶體位向不改變（對拋光面觀察無重現(xiàn)性）改變，鏡面對稱關(guān)系（對拋光面觀察有重現(xiàn)性）位移量位移量較大?；品较蛏显娱g距的整數(shù)倍。位移量較小。小于孿生方向上的原子間距。塑變貢獻(xiàn)很大，總變形量大有限，總變形量小均勻性不均勻切變，只集中在某些晶面上大量進(jìn)行均勻切變變形應(yīng)力有一定的臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移變形條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時發(fā)生變形機(jī)制全位錯運(yùn)動的結(jié)果分位錯運(yùn)動的結(jié)果3.兩種變形方式的異同點返回2/1/202320§6-3多晶體的塑性變形塑性變形基本方式：滑移和孿生多晶體與單晶體塑性變形過程的區(qū)別：⑴受到晶界的阻礙及位向不同晶粒的影響；⑵為保持晶粒間的結(jié)合和整個晶體的連續(xù)性，晶粒的塑性變形需要周圍晶粒協(xié)同變形來配合。1.多晶體的塑性變形過程2.多晶體變形的特點3.晶粒大小對塑性變形的影響返回2/1/2023211.多晶體的塑性變形過程由于各晶粒的位向不同，則各滑移系的取向不同，在外力的作用下，各滑移系的分切應(yīng)力值相差很大，只有那些位向有利晶粒的滑移系，首先達(dá)到τk值，開始塑性變形，而此時周圍位向不利的晶粒仍處于彈性狀態(tài)。2/1/202322位向有利的晶粒已開始塑性變形，即位錯開始沿滑移面運(yùn)動，但由于周圍晶粒位向不同，運(yùn)動著的位錯在晶界處受阻，形成位錯的平面塞積群。在晶界處造成很大的應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力集中與外加應(yīng)力相迭加，使相鄰晶粒相互協(xié)調(diào)就要求相鄰晶粒必須在幾個滑移系（包括有利位向與不太有利位向）上進(jìn)行滑移。在外加應(yīng)力以及滑移晶粒內(nèi)位錯平面塞積群所造成的應(yīng)力集中的推動下，越來越多的晶粒參與塑性變形。

返回2/1/2023232.多晶體變形的特點⑴變形的不同時性

軟位向晶粒先變形，逐批變形。⑵變形的相互協(xié)調(diào)性立方晶系滑移系多，變形協(xié)調(diào)性好，塑性好。⑶變形的不均勻性由于晶界及晶粒位向的影響，各個晶粒的變形是不均勻的，有的晶粒變形量大，有的小。對每一個晶粒來說，晶粒中心變形大，晶界及附近變形小。返回2/1/2023243.晶粒大小對塑性變形的影響晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，位錯運(yùn)動時越易受阻，材料的強(qiáng)度越高，這就是“晶界強(qiáng)化”(細(xì)晶強(qiáng)化)。根據(jù)理論分析和實驗，σs與晶粒直徑存在以下關(guān)系：σ0—常數(shù)，相當(dāng)于單晶體金屬的屈服強(qiáng)度；d—多晶體中各晶粒的平均直徑；

k—表征晶界對強(qiáng)度影響的常數(shù)。霍爾-配奇公式

2/1/202325多晶體的塑性變形開始由外加應(yīng)力直接引起變形的晶粒只占少數(shù)，不引起明顯的宏觀效果，主要決定于已滑移晶粒晶界附近的位錯塞積群所產(chǎn)生的應(yīng)力集中，能否激發(fā)相鄰晶?；葡档奈诲e源啟動。根據(jù)τ=nτ0的關(guān)系，應(yīng)力集中τ的大小決定于塞積的位錯數(shù)目n，n越大，則τ越大。2/1/202326當(dāng)外加應(yīng)力和其它條件一定時，n與引起塞積的障礙物—晶界到位錯源的距離成正比。晶?！鶯↑→n↑→τ↑。反之，亦然。因此，在同樣的外加應(yīng)力下，大晶粒的位錯塞積所造成的τ激發(fā)相鄰晶粒塑性變形要容易。小晶粒的τ小，則需要在較大的外加應(yīng)力下才能使相鄰晶粒塑性變形。這就是晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高的主要原因。2/1/202327晶界強(qiáng)化不但可以提高材料的強(qiáng)度，同時還可以改善材料的塑性和韌性。因為晶粒越細(xì)，不同位向晶粒分布越均勻，變形的不均勻性越小，位錯塞積造成的應(yīng)力集中小，裂紋不易形成，斷裂前的總變形量增加（裂紋擴(kuò)展遇晶界改變方向消耗能量，所以裂紋不易擴(kuò)展），塑性、韌性增加。返回2/1/202328§6-4合金的塑性變形合金的基本相是固溶體和金屬化合物，因此合金可能是：單相固溶體、多相固溶體的混合物、固溶體與化合物的混合物（以固溶體為基體，化合物量少作為第二相）。

1.單相固溶體的塑性變形

2.多相合金的塑性變形返回2/1/2023291.單相固溶體的塑性變形單相固溶體塑性變形與純金屬多晶體塑性變形相似，區(qū)別在于溶質(zhì)原子的存在，引起晶格畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場，對位錯運(yùn)動產(chǎn)生額外阻力。溶質(zhì)原子在位錯線附近的偏聚，形成柯氏氣團(tuán)。圖6-14溶質(zhì)原子在位錯附近的分布溶質(zhì)原子大于溶劑原子溶質(zhì)原子小于溶劑原子間隙固溶體2/1/202330置換固溶體中小原子溶質(zhì)存在于刃型位錯受擠壓部位，大原子及間隙原子往往擴(kuò)散到位錯受拉應(yīng)力部位，這樣，偏聚于位錯周圍的原子好象形成了一個溶質(zhì)原子的氣團(tuán)，稱為“柯氏氣團(tuán)”，柯氏氣團(tuán)的形成，減小了晶格畸變能，降低了位錯的易動性，對位錯起了釘