材料科學基礎-第6章塑性變形1課件

1Chapter6–塑性變形與再結(jié)晶材料科學基礎

–2ChapterOutline6.1晶體的塑性變形6.2

塑性變形對材料組織與性能的影響6.3回復與再結(jié)晶6.4

金屬的熱加工變形3圖6－1金屬表面的滑移帶（a）銅中的滑移帶（b）7％冷變形鋁的表面圖像Section6.1晶體的塑性變形6.1.1單晶體的塑性變形5

圖6－2滑移帶形成示意圖

6表6－1三種常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的滑移系2．滑移系金屬中的滑移是沿著一定的晶面和一定的晶向進行的，這些晶面稱為滑移面，晶向稱為滑移方向。7

6.1.1單晶體的塑性變形滑移面通常是晶體中原子排列最密的晶面，而滑移方向則是原子排列最密的晶向。這是因為密排面之間的距離最大，面與面之間的結(jié)合力較小，滑移的阻力小，故易滑動。而沿密排方向原子密度大，原子每次需要移動的間距小，阻力也小。一個滑移面和該面上的一個滑移方向組成一個滑移系。每個滑移系表示晶體進行滑移時可能采取的一個空間取向。晶體中的滑移系越多，滑移過程中可能采取的空間取向便越多，滑移越容易進行，故這種晶體的塑性便越好。密排六方晶體由于滑移系數(shù)目太少，故塑性較差。9

6.1.1單晶體的塑性變形3．滑移的臨界分切應力只有當外力在某一滑移系中的分切應力首先達到一定的臨界值時，這一滑移系開動，晶體才開始滑移。該分切應力即稱為滑移的臨界分切應力，以τk表示，它是使滑移系開動的最小分切應力。外力F在滑移方向上的分切應力為

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圖6－3單晶體滑移時分切應力的分析圖11

6.1.1單晶體的塑性變形m為取向因子，或稱施密特因子（Schmid）。單晶體的屈服強度σs將隨外力與滑移面和滑移方向之間的位向關系而變，即m發(fā)生改變時，σs也要改變。當外力與滑移面、滑移方向的夾角都呈45°時，m具有最大值，為0.5。此時分切應力最大，σs具有最低值，晶體材料最容易進行滑移，并表現(xiàn)出最大的塑性，這種取向稱為軟位向。當外力與滑移面平行(ψ＝90°)或垂直（λ＝90°）時，m為零，則無論τk的數(shù)值如何，σs均為無窮大，晶體在此情況下不能產(chǎn)生滑移，這種取向稱為硬位向。13Example6.1臨界分切應力已知Al的臨界分切應力為0.24MPa，計算要使面上產(chǎn)生[101]方向的滑移，應在[001]方向上施加多大的力？Example6.1SOLUTION對立方晶系，晶面（h1k1l1）法線和晶向[h2k2l2]的夾角為故滑移面的法線方向與拉力軸[001]的夾角為

同理，滑移方向[101]和拉力軸[001]的夾角為故14

6.1.1單晶體的塑性變形4．滑移時晶體的轉(zhuǎn)動單晶體滑移時，除了滑移面發(fā)生相對位移外，往往伴隨著晶面的轉(zhuǎn)動，從而使晶體的空間位向發(fā)生變化。位向改變的結(jié)果使滑移面和滑移方向逐漸平行于拉伸的軸線。圖6－6拉伸時晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動的示意圖15

6.1.1單晶體的塑性變形5．多系滑移與交滑移多滑移：若有多組滑移系相對于外力軸的方向相同，分切應力同時達到臨界值，滑移一開始就可以在兩個或多個滑移系同時進行。交滑移：在晶體中，還會發(fā)生兩個或兩個以上滑移面沿著同一個滑移方向同時或交替進行滑移的現(xiàn)象。

圖6－7交滑移的示意圖圖6－8拋光試樣的波紋狀交滑移帶17

6.1.1單晶體的塑性變形7．位錯的增殖塑性變形時，大量位錯掃過滑移面滑出晶體表面。變形后晶體中的位錯數(shù)目不但沒有減少，反而顯著增多了。位錯增殖的機制有多種，其中最常見的一種是弗蘭克—瑞德（Frank－Read）位錯增殖機制，F(xiàn)-R源。

圖6－10弗蘭克-瑞德位錯源18FigureTheFrank-Readsourcecangeneratedislocations.(a)Adislocationispinnedatitsendsbylatticedefects.(b)Asthedislocationcontinuestomove,thedislocationbows,eventuallybendingbackonitself.(c)finallythedislocationloopforms,and(d)anewdislocationiscreated.(e)ElectronmicrographofaFrank-Readsource(330,000).(AdaptedfromBrittain,J.,‘‘ClimbSourcesinBetaPrime-NiAl,’’MetallurgicalTransactions,Vol.6A,April1975.)19

6.1.1單晶體的塑性變形8．位錯的交割與塞積在多系滑移時，由于各滑移面相交，因而在不同滑移面上運動著的位錯必然相遇，發(fā)生交割。此外，在滑移面上運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。不在原位錯線的滑移面上的位錯線，故稱之為割階。有的割階的產(chǎn)生并不影響位錯的運動，但由于增加了位錯線的長度、需消耗一定的能量。除此之外，還會發(fā)生刃型位錯與螺型位錯、螺型位錯與螺型位錯的交割，交割的結(jié)果都要形成割階，這一方面增加了位錯線的長度，另一方面還可能形成一種難以運動的固定割階，成為后續(xù)位錯運動的障礙，造成位錯纏結(jié)，從而產(chǎn)生較強的加工硬化效果。

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圖6－11兩個垂直刃型位錯交割22

圖6-12位錯塞積

圖6-13不銹鋼晶界前位錯塞積的透射電鏡圖像23

6.1.1單晶體的塑性變形（二）孿生孿生是在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面(孿晶面或?qū)\生面)與晶向(孿生方向)產(chǎn)生一定角度的均勻切變。2．孿生變形的特點(與滑移相比)孿生所需的臨界切應力遠遠高于滑移時的臨界切應力。因此，只有在滑移難以進行的條件下，晶體才發(fā)生孿生變形，如一些HCP結(jié)構(gòu)的金屬，，常以孿生方式進行塑性變形；而BCC結(jié)構(gòu)的金屬滑移系較多，如α-Fe等，只有在室溫以下或受到?jīng)_擊裁荷作用時，才發(fā)生孿生變形；而FCC結(jié)構(gòu)的金屬，由于其對稱性高，滑移系多，所以很少發(fā)生孿生變形。

25圖6－15面心立方晶體孿生變形示意圖（a）孿晶面和孿晶方向（b）孿生變形時原子的移動

圖6－14鋅晶體中的變形孿晶組織26

6.1.2多晶體的塑性變形1.晶粒取向的影響處于軟位向的晶粒，開始產(chǎn)生滑移，滑移面上的位錯源開動，源源不斷的位錯沿著滑移面進行運動，而后，位錯在晶界處受阻，形成位錯的平面塞積群。位錯塞積造成很大的應力集中，隨著外力的增加，使相鄰晶粒某些滑移系中的分切應力達到臨界值，于是，相鄰晶粒位錯源也開始啟動，并產(chǎn)生相應的滑移。塑性變形從一個晶粒傳遞到另一個晶粒，一批批晶粒如此傳遞下去，使整個試樣產(chǎn)生了宏觀的塑性變形。晶粒間須通過多系滑移來保證其協(xié)調(diào)性?；葡递^多的FCC和BCC晶體，通過多系滑移表現(xiàn)出良好的塑性，而HCP晶體的滑移系少，晶粒之間的協(xié)調(diào)性差，故塑性變形能力低。

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6.1.2多晶體的塑性變形晶粒細小而均勻時，不僅常溫下材料的強度較高，而且塑性和韌性較好。因為晶粒越細，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，在同樣變形量下，變形分散在更多的晶粒內(nèi)進行，變形較均勻，引起的應力集中減小。使材料在斷裂之前能承受較大的變形量，所以具有較大的延伸率和斷面收縮率。晶粒越細，晶界越曲折，越不利于裂紋沿晶界的傳播，從而在斷裂過程中可以吸收更多的能量，表現(xiàn)出較高的韌性。

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6.1.3合金的塑性變形（一）單相固溶體合金的塑性變形固溶強化合金為單相固溶體時，隨溶質(zhì)原子含量的增加，合金的強度、硬度增加，塑性、韌性有所下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。同時，溶質(zhì)原子還使固溶體合金的加工硬化率提高。影響固溶強化效果的因素：溶質(zhì)原子的濃度越高，固溶強化作用越大，但不保持線性關系。溶質(zhì)原子與溶劑金屬的原子尺寸相差越大，強化作用也越大。

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6.1.3合金的塑性變形間隙型溶質(zhì)原子比置換原子具有較大的固溶強化效果。間隙溶質(zhì)原子引起的點陣畸變比置換原子大；間隙原子在晶體中引起非對稱性點陣畸變時，其強化作用大于對稱性點陣畸變。由于間隙原子在晶體中的固溶度較小，數(shù)量少，故實際強化效果有限。溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)相差越大，固溶強化作用越顯著，即固溶體的屈服強度隨合金電子濃度的增加而提高。

32FigureTheeffectsofseveralalloyingelementsontheyieldstrengthofcopper.Nickelandzincatomsareaboutthesamesizeascopperatoms,butberylliumandtinatomsaremuchdifferentfromcopperatoms.Increasingbothatomicsizedifferenceandamountofalloyingelementincreasessolid-solutionstrengthening.33Fromtheatomicradii,showwhetherthesizedifferencebetweencopperatomsandalloyingatomsaccuratelypredictstheamountofstrengtheningfoundinFigureExampleSolid-SolutionStrengtheningFigureTheeffectsofseveralalloyingelementsontheyieldstrengthofcopper.Nickelandzincatomsareaboutthesamesizeascopperatoms,butberylliumandtinatomsaremuchdifferentfromcopperatoms.Increasingbothatomicsizedifferenceandamountofalloyingelementincreasessolid-solutionstrengthening.34Foratomslargerthancopper—namely,zinc,aluminum,andtin—increasingthesizedifferenceincreasesthestrengtheningeffect.Likewiseforsmalleratoms,increasingthesizedifferenceincreasesstrengthening.ExampleSOLUTIONTheatomicradiiandpercentsizedifferenceareshownbelow:35FigureTheeffectofadditionsofzinctocopperonthepropertiesofthesolid-solution-strengthenedalloy.Theincreasein%elongationwithincreasingzinccontentisnottypicalof

solid-solutionstrengthening.36

6.1.3合金的塑性變形固溶強化的實質(zhì)由于溶質(zhì)原子與位錯的彈性交互作用、電交互作用和化學交互作用，阻礙了位錯的運動。彈性交互作用：溶質(zhì)原子聚集在位錯的周圍，形成“柯氏氣團”?？率蠚鈭F對位錯有“釘扎”作用，增大了位錯運動的阻力，從而提高了固溶體合金的塑性變形抗力。

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6.1.3合金的塑性變形2.屈服現(xiàn)象與應變時效某些單相固溶體合金，特別是含有間隙原子的體心立方金屬（例如低碳鋼），它們的應力－應變曲線，具有明顯的屈服現(xiàn)象。在屈服過程中，各處的應變是不均勻的，當應力達到上屈服點時，首先在應力集中處開始塑性變形，這時在光滑試樣表面，出現(xiàn)與拉伸軸成45°的應變痕跡，稱為呂德斯（Lüders）帶，同時應力下降到下屈服點，然后呂德斯帶開始擴展。當呂德斯帶擴展到整個試樣后，這個平臺延伸階段就結(jié)束了。

圖6－25低碳鋼的應力－應變曲線圖6－26低碳鋼的拉伸試驗a－預塑性變形；b－去載后立即再行拉伸；c－去載后放置一段較長的時間或經(jīng)200℃左右短時加熱后再拉伸圖6－27低碳鋼工件深沖后表面的不平整39

6.1.3合金的塑性變形如果在試驗之前，對試樣進行少量的塑性變形，屈服點可暫不出現(xiàn)。如果將預塑性變形的試樣放置一段較長的時間，或經(jīng)200℃左右短時加熱后再拉伸，則屈服點又重新出現(xiàn)，且屈服應力提高，此現(xiàn)象稱為應變時效?？率蠚鈭F對位錯的“釘扎”作用，提高了固溶體合金的屈服強度；而位錯一旦掙脫氣團的釘扎，便可在較小的應力下運動，這時拉伸曲線上出現(xiàn)下屈服點。已經(jīng)屈服的試樣，立即重新加載拉伸時，由于位錯已擺脫溶質(zhì)原子氣團的釘扎，故不出現(xiàn)屈服點。但若卸載后，放置較長時間或適當加熱后，溶質(zhì)原子通過擴散又聚集到位錯周圍，形成氣團，再進行拉伸時，屈服現(xiàn)象又重新出現(xiàn)。

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6.1.3合金的塑性變形屈服現(xiàn)象的出現(xiàn)還與位錯的增值有關。晶體塑性變形時，會引起位錯的增值。位錯密度增大后，在維持一定的應變速率時，塑性變形應力有所降低，造成下屈服點。具有屈服現(xiàn)象與應變時效的金屬材料，在拉伸和深沖過程中，由于變形不均勻，會造成工件表面不平整，為避免這種缺陷，可采取以下措施：（1）在合金中加入少量能夠與溶質(zhì)原子形成穩(wěn)定化合物的元素，減少間隙原子的含量，從而減輕或消除屈服現(xiàn)象。例如，在低碳鋼中加入AL、V、Ti、Nb、B等元素。（2）板材在深沖之前，進行少量的塑性變形，然后盡快的進行深沖。41

6.1.3合金的塑性變形（二）多相合金的塑性變形1.聚合型合金的變形（第二相粒子與基體晶粒尺寸屬同一數(shù)量級）兩相都具有較好的塑性。第二相為脆性相，合金的性能除與相的相對量有關外，在很大程度上取決于第二相的形狀和分布。滲碳體脆性相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布于珠光體晶界上時，鋼的塑性變形能力大大降低。珠光體中的滲碳體以層片狀分布，鋼的強硬度提高。通過球化退火使?jié)B碳體球化，鋼的強度降低，塑性、韌性得到改善。42

6.1.3合金的塑性變形2.彌散型合金的變形（第二相粒子細小而彌散地分布在基體中）彌散強化不可變形顆粒對位錯運動的阻礙作用-奧羅萬（E.Orowan）機制-位錯繞過粒子的機制?？勺冃晤w粒對位錯運動的阻礙作用-位錯切過粒子的機制。

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圖6－28位錯繞過第二相粒子的示意圖

圖6－29第二相顆粒周圍位錯環(huán)的電鏡觀察位錯繞過粒子前進時，運動的阻力增加，且隨著位錯環(huán)的增多，繼續(xù)變形時必須增大外加應力，使得金屬的變形抗力迅速提高。44

圖6－30位錯切割粒子的示意圖

圖6－31位錯切割粒子的電鏡觀察第二相為硬度不高、尺寸較小的可變形顆粒時，位錯將切過粒子，此時，會生成一個臺階，增加了表面積，提高了界面能；由于第二相的結(jié)構(gòu)往往與基體不同，位錯切過粒子時，造成滑移面上原子的錯排，引起能量升高；顆粒周圍存在彈性應力場（由于顆粒與基體的比容差別，而且顆粒與基體之間往往保持共格或半共格結(jié)合）與位錯交互作用，對位錯運動有阻礙作用。這些因素都增大了位錯運動的阻力，使得金屬變形抗力增加。增大粒子尺寸和增加體積分數(shù)，有利于提高合金的強度。Section6.2塑性變形對材料組織與性能的影響1．顯微組織的變化晶粒的形狀會發(fā)生相應的變化：如在軋制過程中，隨著變形量的增加，原來的等軸晶粒沿延伸方向逐漸伸長，當變形量很大時，晶界變得模糊不清，各晶粒難以分辨，呈現(xiàn)出纖維狀的條紋，通常稱之為纖維組織。纖維的分布方向就是金屬流變伸展的方向。纖維組織使金屬的性能具有明顯的方向性，其縱向的強度和塑性高于橫向。金屬中有夾雜物存在時，塑性雜質(zhì)沿變形方向被拉長為細條狀，脆性雜質(zhì)破碎，沿變形方向呈斷續(xù)狀分布。456.2.1塑性變形對材料組織的影響46

99%壓縮率圖6－32銅經(jīng)不同程度冷軋后的光學顯微組織30%壓縮率 50%壓縮率47FigureThefibrousgrainstructureofalowcarbonsteelproducedbycoldworking:(a)10%coldwork,(b)30%coldwork,(c)60%coldwork,and(d)90%coldwork(250).(Source:FromASMHandbookVol.9,MetallographyandMicrostructure,(1985)ASMInternational,MaterialsPark,OH44073.6.2.1塑性變形對材料組織的影響2．亞結(jié)構(gòu)的細化隨著變形量的增大，晶體中的位錯密度迅速提高。當形變量較小時，形成位錯纏結(jié)結(jié)構(gòu)；當變形量繼續(xù)增加時，大量位錯發(fā)生聚集，形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，稱為形變亞晶或形變胞。胞壁由位錯構(gòu)成，胞內(nèi)位錯密度較低，相鄰胞間存在微小取向差；隨著形變量的增加，這種胞的尺寸減小，數(shù)量增加；如果變形量非常大時，如強烈冷變形或拉絲，則會構(gòu)成大量排列緊密的細長條狀形變胞。變形亞晶對滑移過程有巨大的阻礙作用，可使金屬的變形抗力顯著升高，是產(chǎn)生加工硬化的主要原因之一。4849

50%壓縮率（30000×）圖6－33銅經(jīng)不同程度冷軋后的透射電鏡圖像30%壓縮率（30000×）

99%壓縮率（30000×）6.2.1塑性變形對材料組織的影響3．變形織構(gòu)（擇優(yōu)取向）當塑性變形量不斷增加時，多晶體中原本取向隨機的各個晶粒，會逐漸調(diào)整到其取向趨于一致，這一現(xiàn)象稱為晶粒的擇優(yōu)取向(變形織構(gòu))。絲織構(gòu)其特征是各晶粒的某一晶向趨向平行于拉拔方向。如鋁拉絲為<111>織構(gòu)，冷拉鐵絲為<110>織構(gòu)；板織構(gòu)特征為各晶粒的某一晶面和晶向趨向平行于軋面和軋向。如冷軋黃銅的{110},<112>織構(gòu)。變形織構(gòu)造成材料的各向異性，多數(shù)情況下是有害的。所謂的“制耳”現(xiàn)象。但有時，織構(gòu)的存在卻是有利的，例如，采用具有((100)[001])織構(gòu)的硅鋼片制作電動機或變壓器的鐵心時，將可以提高導磁率，減少損耗。5051

圖6－34形變織構(gòu)的示意圖（a）絲織構(gòu)（b）板織構(gòu)圖6－35變形織構(gòu)造成的“制耳”現(xiàn)象52FigureAnisotropicbehaviorinarolledaluminum-lithiumsheetmaterialusedinaerospaceapplications.Thesketchrelatesthepositionoftensilebarstothemechanicalpropertiesthatareobtained536.2.1塑性變形對材料組織的影響4．殘余應力材料在塑性變形過程中，外力所作的功大部分轉(zhuǎn)化為熱能散失了，只有不到10%被保留在材料內(nèi)部（即儲存能）。儲存能以殘余內(nèi)應力和點陣畸變的形式表現(xiàn)出來。第一類內(nèi)應力（宏觀殘余應力）。它是由于工件各部分間的宏觀變形不均勻而引起的，其作用范圍是整個工件。易產(chǎn)生變形、開裂。一般不希望工件內(nèi)部存在宏觀內(nèi)應力。第二類內(nèi)應力（微觀殘余應力）。它是由晶?；騺喚ЯＶg的變形不均勻而產(chǎn)生的。其作用范圍為幾個晶?；驇讉€亞晶粒。雖然這種內(nèi)應力所占的比例不大(約占全部內(nèi)應力的1%—2％)，但在某些局部區(qū)域，有時微觀殘余應力很大，致使工件在不大的外力作用下即產(chǎn)生顯微裂紋，并進而導致工件的斷裂。546.2.1塑性變形對材料組織的影響第三類內(nèi)應力（點陣畸變）。它是由于材料在塑性變形中，產(chǎn)生大量點陣缺陷，而造成的晶格畸變。其作用范圍更小，在幾十至幾百納米范圍內(nèi)，它使金屬的硬度、強度升高，而塑性和抗腐蝕性能下降。塑性變形后晶體中存在的儲存能，特別是點陣畸變，導致系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，外界條件合適時，將會發(fā)生向平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，即回復和再結(jié)晶現(xiàn)象。一般殘余應力的存在對材料的性能是有害的，它導致材料及工件的變形、開裂和產(chǎn)生應力腐蝕。殘余應力可以通過適當方式的熱處理加以消除。但是，工件表面殘留一層壓應力時，對提高使用壽命有利。例如，采用噴九和化學熱處理方法使工件表面產(chǎn)生一層壓應力，可以有效地提高工件（如彈簧和齒輪等）的疲勞抗力。5556FigureThecompressiveresidualstressescanbeharmfulorbeneficial.(a)Abendingforceappliesatensilestressonthetopofthebeam.Sincetherearealreadytensileresidualstressesatthetop,theload-carryingcharacteristicsarepoor.(b)Thetopcontainscompressiveresidualstresses.Nowtheload-carryingcharacteristicsareverygoods6.2.2塑性變形對材料性能的影晌1．對材料力學性能的影響隨著形變量的增加，材料的強度、硬度顯著升高，而塑性、韌性則顯著下降，這一現(xiàn)象稱為加工硬化。加工硬化的機理：隨著塑性變形的進行，位錯密度不斷增加，因此，位錯運動時的相互交割加劇，產(chǎn)生位錯塞積群、割階、纏結(jié)網(wǎng)等障礙，增大了位錯運動的阻力，引起變形抗力增加，從而提高了材料的強度。5758CharacteristicsofColdWorkingFigureAcomparis