1、第五第五(1)(1)章章 材料塑性变形材料塑性变形 The plastic deformation of materials材料不一样，其弹、塑性性能差异很大材料不一样，其弹、塑性性能差异很大塑性变形，对锻、轧、拉、挤有主要作用，塑性变形，对锻、轧、拉、挤有主要作用，对铸造、热处理则对铸造、热处理则 要尽可能防止要尽可能防止 弹性变形（弹性变形（elastic deformation）塑性变形（塑性变形（plastic deformation）外力外力 材料材料外形尺寸改变外形尺寸改变内部组织、性能改变内部组织、性能改变 塑性变形塑性变形第1页 1.1.弹性和粘弹性弹性和粘弹性(Elastic
2、ity and(Elasticity and Viscoelasticity)Viscoelasticity)一一.弹性变形弹性变形(Elastic Deformation)二二.低碳钢拉伸试验低碳钢拉伸试验三三.弹性变形弹性变形:可逆性可逆性四四.外力去处后可完全恢复外力去处后可完全恢复五五.第2页 r=r0 原子处于平衡位置原子处于平衡位置 位能位能 U 为为 Umin 最稳定最稳定 F=0 r r0 即偏离其平衡位置即偏离其平衡位置 F引力引力 斥力斥力 力图使原子恢复其力图使原子恢复其 原来平衡位置原来平衡位置 变形消失变形消失本质本质:可从原子间结协力角可从原子间结协力角度来了解之度
3、来了解之第3页应力应力-应变关系应变关系(Stress-Strain behavior)虎克定律虎克定律(Hookes law)s s=Ee el t t=Gg gl l 广义虎克定律广义虎克定律 矩阵表示式矩阵表示式二二 弹性模量弹性模量 E(Elastic modulus)表征晶体中原子间结协力强弱物理量表征晶体中原子间结协力强弱物理量,反应原子间结协力反应原子间结协力,是组织结构不敏感参数。对晶体而言，系各向异性是组织结构不敏感参数。对晶体而言，系各向异性 沿原子最密排晶向沿原子最密排晶向 Emax 沿原子最疏晶向沿原子最疏晶向 Emin 工程上工程上E系材料刚度度量系材料刚度度量 弹性
4、变形量随材料不一样而异弹性变形量随材料不一样而异 E-modulus of elasticity(Youngs modulus)G-shear modulus u-poissons ratioG=E/2(1+u)第4页 2.单晶体塑性变形单晶体塑性变形Plastic Deformation of Single Crystal 塑性变形塑性变形滑移滑移 Slip孪生孪生 Twinning晶界滑动晶界滑动 Grain boundary Sliding扩散性蠕变扩散性蠕变 Diffusional Creep第5页一一 滑移（滑移（Slip）l1.现象现象单晶体拉伸试验单晶体拉伸试验塑性变形不均匀性塑
5、性变形不均匀性滑移带（滑移带（Slip band)滑移线滑移线（Slip line）沿一定晶面、一定晶向进行沿一定晶面、一定晶向进行滑移面滑移面Slip plane滑移方向滑移方向Slip direction第6页l2.滑移晶体学特征滑移晶体学特征 滑移面和滑移方向滑移面和滑移方向 晶体中原子密度最大面和方向晶体中原子密度最大面和方向 Slip plane&Slip direction 为何为何?fcc：滑移面：滑移面111 滑移方向滑移方向 hcp:0001 c/a1.633 0001,1010,1011 c/a1.633 bcc:Tm/4 112 Tm/4 Tm/2 110 0.8Tm 1
6、23滑移系滑移系 晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成滑移空间取向滑移空间取向（Slip system）第7页晶体结构不一样，滑移系数目不一样晶体结构不一样，滑移系数目不一样（Number of slip systems）fcc：111 有四组，而每个有四组，而每个(111)面上共有三个面上共有三个 110，故共有故共有 4312 个滑移系个滑移系 hcp：1个个(0001)面面 3个个方向方向133个滑移系个滑移系 bcc：110面共有面共有6组，每个组，每个110上有上有2个个方向方向 12组组 112 1个个 24组组 123 1个个 故共有故
7、共有6212124148个滑移系个滑移系 普通滑移系愈多，滑移过程中可能采取空间取向也就愈多，普通滑移系愈多，滑移过程中可能采取空间取向也就愈多，这种材料塑性就愈好。这种材料塑性就愈好。第8页3.3.滑移所需临界分切应力滑移所需临界分切应力滑移所需临界分切应力滑移所需临界分切应力 CriticalCritical（resolvedresolved）shear stressshear stress滑移滑移圆柱形试样单向拉伸时作用在滑移面上沿滑移方向圆柱形试样单向拉伸时作用在滑移面上沿滑移方向其中其中为作用在试样横断面上拉伸应力为作用在试样横断面上拉伸应力为取向因子（为取向因子（Schmid）第9
8、页晶体滑移晶体滑移 必须使必须使t t t tc（临界分切应力）（临界分切应力）t tc 取决晶体中原子间结协力，即与晶体类型、纯度（杂取决晶体中原子间结协力，即与晶体类型、纯度（杂 质）、温度以及变形速度相关，与外力无关。质）、温度以及变形速度相关，与外力无关。一切影响位错滑移难易程度原因均影响一切影响位错滑移难易程度原因均影响 t tc屈服强度屈服强度当当 90或或 90 时，时，s 晶体不能产生滑移晶体不能产生滑移只有当只有当 45 时，时，smin 首先发生滑移首先发生滑移 2t tc第10页快速确定含有最大取向因子coscos滑移系方法映象规则：映象规则：利用投影图中心部分八个取向三
9、角形利用投影图中心部分八个取向三角形第11页第12页第13页4.4.晶体在滑移时转动晶体在滑移时转动晶体在滑移时转动晶体在滑移时转动 （rotationrotation）滑移面上发生相对位移滑移面上发生相对位移晶体转动晶体转动空间取向发生改变空间取向发生改变晶体滑移晶体滑移在拉伸时使滑移面和滑移方在拉伸时使滑移面和滑移方向逐步转到与应力轴平行向逐步转到与应力轴平行在压缩时使滑移面和滑移方向在压缩时使滑移面和滑移方向逐步转到与应力轴垂直逐步转到与应力轴垂直第14页转动原因转动原因两对力偶：两对力偶：为上下两滑移面法向分应力为上下两滑移面法向分应力在该力偶作用下，使滑移面转至轴在该力偶作用下，使滑
10、移面转至轴向平行向平行垂直于滑移方向分切应力垂直于滑移方向分切应力在该力偶作用下，使滑移方向转到最大在该力偶作用下，使滑移方向转到最大分切应力方向分切应力方向是是/滑移方向真正引发滑移滑移方向真正引发滑移有效分切应力有效分切应力第15页晶体滑移晶体滑移晶体转动晶体转动位向改变位向改变取向因子改变取向因子改变 分切应力值改变分切应力值改变几何几何硬硬软软化现象化现象5.多系滑移多系滑移 Multiple slip 外力下，滑移首先发生在分切应力最大，且外力下，滑移首先发生在分切应力最大，且t tc滑移滑移系原始滑移系（系原始滑移系（primary slip system）上。但因为伴随）上。但因
11、为伴随晶体转动晶体转动空间位向改变空间位向改变另一组原取向不利（硬取向）另一组原取向不利（硬取向）滑移系逐步转向比较有利取向（软取向），从而开始滑移，滑移系逐步转向比较有利取向（软取向），从而开始滑移，形成两组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称为多形成两组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称为多系滑移。系滑移。第16页总而言之，滑移变形基本特点：总而言之，滑移变形基本特点：)滑移变形系不均匀切变，它只集中在一些晶面上；滑移变形系不均匀切变，它只集中在一些晶面上；)滑移结果两部分晶体产生相对移动，移动距离滑移结果两部分晶体产生相对移动，移动距离nb，仍保持晶体学一致性；仍保持晶体学一致性；
12、)沿着一定晶面和晶向进行，滑移系较多材料为（沿着一定晶面和晶向进行，滑移系较多材料为（fcc）普通含有很好塑性；普通含有很好塑性；)在切应力作用下，且在切应力作用下，且t t t tc；）滑移同时，滑移面和滑移方向将发生转动；）滑移同时，滑移面和滑移方向将发生转动；）实质位错沿滑移面运动过程）实质位错沿滑移面运动过程第17页二二 孪生孪生（Twin）滑移系较少滑移系较少hcp，或在低温下或者当滑移受阻时晶体会，或在低温下或者当滑移受阻时晶体会 以另一个变形方式以另一个变形方式孪生变形进行孪生变形进行 Deformation by twinning 1.孪生变形过程孪生变形过程 孪生是在切应力作
13、用下沿特定晶面（孪生是在切应力作用下沿特定晶面（twin plane）与）与晶向（晶向（twin direction）产生均匀切变。发生孪生区域称）产生均匀切变。发生孪生区域称为孪晶带（为孪晶带（twin band）。）。第18页l不一样晶体结构往往有不一样孪生面和孪生方向：不一样晶体结构往往有不一样孪生面和孪生方向：l fcc：111 hcp:1012l bcc:1122.孪晶形成孪晶形成变形（机械）孪晶：变形产生变形（机械）孪晶：变形产生 呈透镜状或片状呈透镜状或片状生生 长长 孪孪 晶晶 ：晶体生长过程中形成：晶体生长过程中形成退退 火火 孪孪 晶晶 ：退火过程中形成：退火过程中形成形核
14、形核长大长大两个阶段两个阶段变形孪晶生长大致可分为变形孪晶生长大致可分为第19页 孪生临界切应力比滑移大得多，只有在滑移极难进行孪生临界切应力比滑移大得多，只有在滑移极难进行条件下才会发生。比如，条件下才会发生。比如，Mg孪生所需孪生所需t tc=4.934.3=4.934.3MPa,而而滑移时滑移时t tc仅为仅为0.49MPa。但孪晶长大速度极快（与冲击波。但孪晶长大速度极快（与冲击波速度相当）有相当数量能量被释放出来，故常可听见显著速度相当）有相当数量能量被释放出来，故常可听见显著可闻可闻“咔、嚓咔、嚓”声，也称孪生呼啸。声，也称孪生呼啸。经过单纯孪生到达变形量是极为有限，如经过单纯孪生
15、到达变形量是极为有限，如Zn单晶，孪生只单晶，孪生只能取得能取得7.27.4伸长率，远小于滑移所作贡献。不过孪生伸长率，远小于滑移所作贡献。不过孪生变形改变了晶体位向，从而可使晶体处于更有利于发生滑变形改变了晶体位向，从而可使晶体处于更有利于发生滑移位置，激发深入滑移，取得很大变形量，故间接贡献却移位置，激发深入滑移，取得很大变形量，故间接贡献却很大。很大。孪生机制：孪生时每层晶面位置是借助一个不全位错孪生机制：孪生时每层晶面位置是借助一个不全位错 （肖克莱）移动而成，是借助位错增殖（肖克莱）移动而成，是借助位错增殖 极轴机制来实现。极轴机制来实现。3.孪生形变意义孪生形变意义第20页l孪生主
16、要特点孪生主要特点：l）孪生是均匀切变，）孪生是均匀切变，l）相对移动距离不是孪生方向原子间距整数）相对移动距离不是孪生方向原子间距整数 倍，孪生面两边晶体位向不一样成镜面对称；倍，孪生面两边晶体位向不一样成镜面对称；l）切变区内与孪生面平行每一层原子面均相对）切变区内与孪生面平行每一层原子面均相对 其邻面沿孪生方向位移了一定距离，且每一层其邻面沿孪生方向位移了一定距离，且每一层 原子相对于孪生面切变量和它与孪生面距原子相对于孪生面切变量和它与孪生面距 离成正比；离成正比；l）孪生改变了晶体取向，所以出现孪晶试样经）孪生改变了晶体取向，所以出现孪晶试样经 重新抛光，腐蚀后仍能显现出来。重新抛光
17、，腐蚀后仍能显现出来。l）在切应力作用下，且）在切应力作用下，且t tt tc c但但t tc c(孪生孪生)t tc c(滑移滑移)l）实质借助一个不全位错运动而成，存在形核与）实质借助一个不全位错运动而成，存在形核与 长大过程。长大过程。第21页三三 扭折扭折 Kink hcpCd压缩时，外力与压缩时，外力与(0001)面平行，故面平行，故在在(0001)面面t t0，若此时孪生过程阻力也很，若此时孪生过程阻力也很大，不能进行。为了使晶体形状与外力相适大，不能进行。为了使晶体形状与外力相适应，当外力超出某一临界值时，晶体将会产应，当外力超出某一临界值时，晶体将会产生局部弯曲，即出现扭折现象
18、。生局部弯曲，即出现扭折现象。扭折区晶体取向发生了不对称改变。扭折区晶体取向发生了不对称改变。扭折是为适应外力而发生不均匀局部塑性变形方式，对扭折是为适应外力而发生不均匀局部塑性变形方式，对变形起一定协调作用，使应力得到松弛，使晶体不致发生断变形起一定协调作用，使应力得到松弛，使晶体不致发生断裂。另外因为扭折引发晶体再取向，即有可能使扭折带区域裂。另外因为扭折引发晶体再取向，即有可能使扭折带区域中滑移系处于有利取向，促使晶体形变能力深入发挥。中滑移系处于有利取向，促使晶体形变能力深入发挥。造成扭折原因是滑移面位错在局部地域集中，从而引造成扭折原因是滑移面位错在局部地域集中，从而引发晶格弯曲。发
19、晶格弯曲。第22页四四四四 塑变位错机制塑变位错机制塑变位错机制塑变位错机制1.滑移位错机制滑移位错机制 依据刚性滑移模型推导出理论切变强度依据刚性滑移模型推导出理论切变强度(G普通为普通为104105MPa），即使采取修正值），即使采取修正值与实测值（约为与实测值（约为110MPa）之间相差）之间相差34个数量级。个数量级。位错概念引入处理这一矛盾。因为位错运动时只要求位错概念引入处理这一矛盾。因为位错运动时只要求其中心附近少数原子移动很小距离（小于一个原子间距），其中心附近少数原子移动很小距离（小于一个原子间距），所以所需应力要比晶体作整体刚性滑移时小得多。这么借助所以所需应力要比晶体作整
20、体刚性滑移时小得多。这么借助于位错运动就可实现晶体逐步滑移。于位错运动就可实现晶体逐步滑移。第23页 位错运动首先碰到点阵阻力位错运动首先碰到点阵阻力派纳力派纳力：从上式可知从上式可知ab则则t t 故晶体滑移通常发生在原子最密集晶故晶体滑移通常发生在原子最密集晶面并沿着最密集晶向进行。面并沿着最密集晶向进行。除点阵阻力外，位错与点缺点、其它位错、晶界、第二相除点阵阻力外，位错与点缺点、其它位错、晶界、第二相 质点等交互作用，对位错滑移运动均会产生阻力，造成晶体强质点等交互作用，对位错滑移运动均会产生阻力，造成晶体强化化 *晶体在滑移过程中位错增殖晶体在滑移过程中位错增殖,位错密度增大位错密度
21、增大,相互作用相互作用,造成造成强化强化,即即加工硬化加工硬化.t t0:无加硬化时所需切应力无加硬化时所需切应力a:a:与材料相关常数与材料相关常数0.30.50.30.5第24页2.孪生机制孪生机制 孪晶区域各晶面相对位移距离是孪生方向原子间孪晶区域各晶面相对位移距离是孪生方向原子间距分数值，这表明孪生时每层晶面位移应借一个不全距分数值，这表明孪生时每层晶面位移应借一个不全位错移动而造成。位错移动而造成。位错增殖极轴机制：位错增殖极轴机制：fcc 中中 OA、OB和和OC三条三条位错线相交于结点位错线相交于结点O，OA、OB不在滑移面上，属不不在滑移面上，属不动位错动位错极轴位错，极轴位错
22、，OC为可动不全位错，且只能为可动不全位错，且只能绕极轴转动，每当它在（绕极轴转动，每当它在（111）面上扫过一圈，就产）面上扫过一圈，就产生一个单原子层孪晶，同时又沿着螺旋面上升一层，生一个单原子层孪晶，同时又沿着螺旋面上升一层，这么不停转动，上述过程逐层地重复进行，就在晶体这么不停转动，上述过程逐层地重复进行，就在晶体中形成一个孪晶区域。中形成一个孪晶区域。至于扭折带晶体位向有突变，这个取向改变过渡至于扭折带晶体位向有突变，这个取向改变过渡区系由一系列同号刃型位错排列所组成。区系由一系列同号刃型位错排列所组成。第25页 3.3.多晶体塑性变形多晶体塑性变形 Plastic Deformat
23、ion of polycrystalline MaterialsPlastic Deformation of polycrystalline Materials 多晶体变形要受到晶界和相邻不一样位向晶粒约束。周围多晶体变形要受到晶界和相邻不一样位向晶粒约束。周围晶粒同时发生相适应变形来配合。普通多晶体为多系滑移，高晶粒同时发生相适应变形来配合。普通多晶体为多系滑移，高加工硬化率，变形抗力增大，强度显著提升，应力加工硬化率，变形抗力增大，强度显著提升，应力-应变曲线无应变曲线无只出现只出现、阶段。阶段。一一.晶粒取向影响晶粒取向影响 外力外力F作用下作用下处于有利取向晶粒先开始滑移处于有利取向晶
24、粒先开始滑移处于不利取向晶粒还末开始滑移处于不利取向晶粒还末开始滑移变形不均匀变形不均匀为保持连续性，周围晶粒变形必须相互制约，相互协调为保持连续性，周围晶粒变形必须相互制约，相互协调第26页 多晶体塑性变形时要求最少有多晶体塑性变形时要求最少有5个独立滑移系进行滑移。个独立滑移系进行滑移。任意变形均可用任意变形均可用 e exx e eyy e ezz n nxy n nyz n nxz fcc,bcc 滑移系多滑移系多 塑性好塑性好 hcp 滑移系少滑移系少 塑性差塑性差二二.晶界阻滞效应晶界阻滞效应 多晶体塑性变形另一个特点是晶界对变形过程妨碍作用。多晶体塑性变形另一个特点是晶界对变形过
25、程妨碍作用。对只有对只有23个晶粒试样拉伸后呈竹结状。个晶粒试样拉伸后呈竹结状。因晶界（尤其是大角晶界）处因晶界（尤其是大角晶界）处原子排列不规则，点阵畸变严原子排列不规则，点阵畸变严重，再加上晶界两侧晶粒取向重，再加上晶界两侧晶粒取向不一样，滑移面和滑移方向彼不一样，滑移面和滑移方向彼此不一致之缘故。此不一致之缘故。晶内发生较大变形，晶界晶内发生较大变形，晶界处变形量较少，塑变抗力处变形量较少，塑变抗力大，可观察到位错塞积大，可观察到位错塞积第27页位错在晶界上位错在晶界上产生塞积产生塞积第28页注意注意 晶界本身强度对多晶体加工硬化贡献不大，而多晶晶界本身强度对多晶体加工硬化贡献不大，而多
26、晶 体加工硬化主要原因来自晶界两侧晶粒位向差体加工硬化主要原因来自晶界两侧晶粒位向差 晶界阻滞效应只在变形早期影响较大，因早期晶界阻滞效应只在变形早期影响较大，因早期位错位错较小较小 晶界阻滞效应大小还与晶体结构类型相关晶界阻滞效应大小还与晶体结构类型相关 hcp结构晶界阻滞效应要比结构晶界阻滞效应要比 fcc，bcc 类型晶体显著类型晶体显著 滑移系较小滑移系较小三三 晶粒大小对机械性能影响晶粒大小对机械性能影响 1.对室温机械性能影响对室温机械性能影响 晶粒愈细、晶界愈多晶粒愈细、晶界愈多强化效应强化效应细晶强化细晶强化 s ss s sb HV Strengthening by Grai
27、n Size Re-duction 很好塑性很好塑性,因细晶晶内和晶界附近应变差较小，变形较均匀，因细晶晶内和晶界附近应变差较小，变形较均匀，有可能断裂前承受大量变形有可能断裂前承受大量变形 细晶含有良好综合机械性能。细晶含有良好综合机械性能。第29页平衡时平衡时依据每个位错受力情况，可导出每个位错位置，以依据每个位错受力情况，可导出每个位错位置，以xi表表示从障碍物开始计到第示从障碍物开始计到第i个位错距离：个位错距离：塞积群周围所产生应力场与一个含有塞积群周围所产生应力场与一个含有nb大位错所产生应力大位错所产生应力场相当。显然（场相当。显然（1）此应力场反作用于位错源，并有可能）此应力场
28、反作用于位错源，并有可能使其停顿开动使其停顿开动加工硬化加工硬化由此可见在塞积群中位错分布是不均匀，越靠近障碍物，由此可见在塞积群中位错分布是不均匀，越靠近障碍物，位错间距越小。位错间距越小。位错塞积群一个主要效应就是在它前端会引发应力集中，位错塞积群一个主要效应就是在它前端会引发应力集中，其数值等于外加切应力其数值等于外加切应力n倍：倍：t t0:无外加硬化时所需切应力无外加硬化时所需切应力a:a:与材料相关常数与材料相关常数0.30.50.30.5第30页Hall-Petch公式：公式：屈服强度屈服强度相当于单晶体屈服强度相当于单晶体屈服强度晶粒平均直径晶粒平均直径常数，相邻晶粒位向差对位
29、错运动影响关系与常数，相邻晶粒位向差对位错运动影响关系与晶界结构相关晶界结构相关系普遍关系式，金属材料如此，亚晶尺寸与系普遍关系式，金属材料如此，亚晶尺寸与 s关系，塑性材料流关系，塑性材料流变应力和晶粒尺寸，脆性材料脆断应力与晶粒大小关系以及金属变应力和晶粒尺寸，脆性材料脆断应力与晶粒大小关系以及金属疲劳强度与晶粒大小间关系也可用霍尔疲劳强度与晶粒大小间关系也可用霍尔-佩奇公式来表示佩奇公式来表示第31页位错在晶界上产生塞积位错在晶界上产生塞积位错塞积群一个主要效应就是在它前端会引发位错塞积群一个主要效应就是在它前端会引发应力集中，其数值等于外加切应力应力集中，其数值等于外加切应力n倍：倍：
30、开启相邻晶粒内位错源所需临界应力开启相邻晶粒内位错源所需临界应力:第32页2.对高温强度影响对高温强度影响 低温时：晶界强度低温时：晶界强度晶内强度晶内强度 加上晶界两侧晶粒位加上晶界两侧晶粒位向差影响向差影响 晶界对滑移有阻滞作晶界对滑移有阻滞作用用等强温度等强温度Tk：s晶界晶界 s晶内晶内第33页高温时则不一样，有两种不一样变形机制：高温时则不一样，有两种不一样变形机制：（1）晶粒沿晶界滑动（晶界滑动机制）晶粒沿晶界滑动（晶界滑动机制）当当T Tm/2时，以晶粒沿晶界相对滑移方式进行时，以晶粒沿晶界相对滑移方式进行 T扩散能力扩散能力，且原子沿晶界扩散速率，且原子沿晶界扩散速率 沿晶内。
31、沿晶内。故高温时晶界似流体一样，展现粘滞性故高温时晶界似流体一样，展现粘滞性变形抗力变形抗力 沿晶界滑移沿晶界滑移（2）扩散性蠕变机制）扩散性蠕变机制 蠕变：在一定蠕变：在一定t C（300 C）下，当）下，当应力大于某一力大于某一值时，即使外力不再增加，而塑性即使外力不再增加，而塑性变形随形随时间延延长而会而会迟缓地增加地增加现象。象。第34页 ABCD为多晶体中一为多晶体中一晶粒，晶粒，AB、CD晶界晶界受拉，在其附近易于受拉，在其附近易于产生空位，空位浓度产生空位，空位浓度较高，较高，AC、BD受压，受压，空位浓度较低。空位浓度较低。扩散扩散空位空位蠕变蠕变与与相关相关存在空位浓度梯度造
32、成空位向存在空位浓度梯度造成空位向AC、BD定向移动，定向移动，原子向原子向AB、CD定向移动，从而使晶粒沿拉伸方向定向移动，从而使晶粒沿拉伸方向伸长，即使在恒应力情况下，随时间延长也会不伸长，即使在恒应力情况下，随时间延长也会不停发生应变停发生应变扩散性蠕变扩散性蠕变第35页 T，d 扩散性蠕变速率扩散性蠕变速率 所以普通高温合金都希望含有较粗晶粒所以普通高温合金都希望含有较粗晶粒四四.多晶体应力多晶体应力-应变曲线应变曲线与单晶相比，普通不出现硬化第一阶段，易滑移阶段。只与单晶相比，普通不出现硬化第一阶段，易滑移阶段。只有有、线性硬化和抛物性硬化阶段，展现显著晶界阻滞线性硬化和抛物性硬化阶
33、段，展现显著晶界阻滞效应和很高硬化系数。效应和很高硬化系数。面心立方晶体面心立方晶体密排六方晶体密排六方晶体第36页 4.合金塑性变形合金塑性变形 Plastic Deformation of AlloysPlastic Deformation of Alloys一一 单相固溶体合金塑性变形单相固溶体合金塑性变形 Plastic Deformation of SinglePhase alloy 1.屈服现象屈服现象 yield phenomenon 拉伸曲线拉伸曲线 没有显著屈服点没有显著屈服点Yield point 0.20.2第37页 应力平台应力点称为下屈服点，在几乎是恒定应力下发生应力
34、平台应力点称为下屈服点，在几乎是恒定应力下发生延长称为屈服伸长。应力平台上每一个波动对应于一个新形变延长称为屈服伸长。应力平台上每一个波动对应于一个新形变带，即新带，即新Lders bond，当，当Lders bond扩展至试样整个长度后，扩展至试样整个长度后，屈服伸长阶段就告结束，应力又随应变单调增加，开始均匀塑屈服伸长阶段就告结束，应力又随应变单调增加，开始均匀塑性变形阶段。性变形阶段。拉伸曲线应力突然下降点称上屈服点：拉伸曲线应力突然下降点称上屈服点：试样开始屈服，发生显著塑性变形。试样开始屈服，发生显著塑性变形。在试样表面观察到与纵轴（拉伸轴）在试样表面观察到与纵轴（拉伸轴）约呈约呈4
35、5应变痕迹应变痕迹吕德斯带吕德斯带（Lders bond）它与试样未变形部）它与试样未变形部分有显著界限。它与滑移带不一样，分有显著界限。它与滑移带不一样，Lders bond穿过了试样横截面上各穿过了试样横截面上各个晶粒。它是一个宏观可见皱纹，也个晶粒。它是一个宏观可见皱纹，也称表面桔皮，在冲压产品中需防止。称表面桔皮，在冲压产品中需防止。第38页 屈服现象机理屈服现象机理 溶质原子与位错之间交互作用溶质原子与位错之间交互作用(Cottrell气团气团)来解释位错来解释位错 钉扎作用。位错运动必须摆脱这气团，因而所需应力较钉扎作用。位错运动必须摆脱这气团，因而所需应力较 高高上屈服点；一旦摆
36、脱气团钉扎后便能在较低应力上屈服点；一旦摆脱气团钉扎后便能在较低应力 下运动下运动下屈服点。下屈服点。可动位错密度很低之缘故可动位错密度很低之缘故 材料塑性变形应变速率材料塑性变形应变速率 与可动位错密度与可动位错密度 之间关系：之间关系：因为塑性变形前因为塑性变形前r rm较低，维持一定较低，维持一定 势必要求势必要求v，即需，即需要较大应力要较大应力上屈服点，一旦变形开始后，位错快速增殖上屈服点，一旦变形开始后，位错快速增殖r rm,为维持一定为维持一定 ，则必定，则必定v t t 下屈服点下屈服点位错柏氏矢量位错柏氏矢量位错运动平均速度位错运动平均速度由试验机夹头运动速度决定，靠由试验机
37、夹头运动速度决定，靠近于恒值近于恒值应力敏感系数应力敏感系数位错作单位速度位错作单位速度运动所需应力运动所需应力位错受到有效切应力位错受到有效切应力第39页2.应变时效应变时效 Strain ageing对含有显著屈服现象材料而言，对含有显著屈服现象材料而言，s屈服屈服塑变塑变卸载卸载拉伸拉伸无屈服现象无屈服现象 室温停留几天或室温停留几天或150 C时效效 拉伸拉伸 屈服现象屈服现象 而且上屈服点比原来升高，这种现象称为应变时效而且上屈服点比原来升高，这种现象称为应变时效第40页 不难想象，此时屈服现象重新产生是因为在室温停留不难想象，此时屈服现象重新产生是因为在室温停留或时效时溶质原子（或
38、时效时溶质原子（C、N）经过扩散重新聚集到位错附）经过扩散重新聚集到位错附近，重新形成柯垂气团之故。近，重新形成柯垂气团之故。在生产中为防止在生产中为防止Lders bond产生，（致使工件表面生，（致使工件表面失去平整与光滑）失去平整与光滑）尽可能降低材料中尽可能降低材料中杂质元素含量元素含量 加入少加入少许能与溶能与溶质元素形成元素形成稳定化合物定化合物Me，如如Al、V、Ti、Nb 在板材深冲在板材深冲变形前形前进行超出屈服伸行超出屈服伸长范范围预变形形第41页3.固溶强化固溶强化 SolidSolution Strengthening 溶质原子溶质原子点阵畸变点阵畸变 溶质含量溶质含量
39、固溶体合金强度、硬度固溶体合金强度、硬度而塑性、韧性而塑性、韧性 定量关系式：定量关系式：点阵畸变引发临点阵畸变引发临界分切应力增量界分切应力增量常数常数溶质原子百分数溶质原子百分数柏氏矢量柏氏矢量溶剂点阵常数溶剂点阵常数 溶质原子浓度溶质原子浓度固溶强化原因固溶强化原因 rx/rm相差愈大相差愈大固溶强化固溶强化 间隙原子强化效果比置换原子强间隙原子强化效果比置换原子强 溶质原子与基体金属价电子数相差愈大，固溶强化溶质原子与基体金属价电子数相差愈大，固溶强化 效果愈显著效果愈显著固溶强化影响原因固溶强化影响原因第42页二二二二.多相合金塑性变形多相合金塑性变形多相合金塑性变形多相合金塑性变形
40、 Plastic Deformation of multiphase alloyPlastic Deformation of multiphase alloy多相合金除基体相外，存在第二相多相合金除基体相外，存在第二相 1.聚合型合金塑性变形聚合型合金塑性变形 a）两相晶粒尺寸属同一数量级且均为塑性相，合金变形决定于两相）两相晶粒尺寸属同一数量级且均为塑性相，合金变形决定于两相体积分数体积分数 若两对应变相等时，合金平均流变应力为若两对应变相等时，合金平均流变应力为 f1 、f2 为两相体积分数为两相体积分数两对应力相等时，则合金平均应变为两对应力相等时，则合金平均应变为:这类合金在发生形变时
41、，滑移往往首先发生在较软相中，当较强相这类合金在发生形变时，滑移往往首先发生在较软相中，当较强相数量小时，则塑性变形基本上在较弱相中；只有当第二相较强时，数量小时，则塑性变形基本上在较弱相中；只有当第二相较强时，且占有一定体积分数（如且占有一定体积分数（如f20.3）才能起显著强化作用。）才能起显著强化作用。（）b）一相为塑性相，另一相为脆性相时，则合金机械性能在很大程度）一相为塑性相，另一相为脆性相时，则合金机械性能在很大程度 上取决于硬脆相存在数量及其形状、大小和分布情况。上取决于硬脆相存在数量及其形状、大小和分布情况。钢中钢中Fe3C存在数量和形貌就是显著一例存在数量和形貌就是显著一例第
42、43页2.弥散分布型合金变形弥散分布型合金变形 当第二相以细小弥散微粒均匀分布于基体相中时，将会产当第二相以细小弥散微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著强化作用。生显著强化作用。a）不可变形粒子强化作用）不可变形粒子强化作用 当运动位错与其相遇时，将受到粒子阻挡，位错线当运动位错与其相遇时，将受到粒子阻挡，位错线绕着它发生弯曲，伴随外加应力绕着它发生弯曲，伴随外加应力，位错线弯曲更剧，最，位错线弯曲更剧，最终形成包围着粒子位错环留下，而位错线其余部分则越过终形成包围着粒子位错环留下，而位错线其余部分则越过粒子继续运动。粒子继续运动。依据位错理论可知，为使位错弯曲所需切应力为：依据位错理论可知
43、，为使位错弯曲所需切应力为：位错弯曲曲率半径位错弯曲曲率半径粒子间距粒子间距当第二相微粒愈弥散即粒子间距当第二相微粒愈弥散即粒子间距l 强化作用强化作用沉淀硬化沉淀硬化 Precipitation Hardening第44页b）可变形微粒强化作用）可变形微粒强化作用 位错可切过微粒，使之随同基体一起变形。位错可切过微粒，使之随同基体一起变形。强化机制：强化机制：位错切过粒子位错切过粒子产生新表面积产生新表面积总界面能总界面能 当粒子为有序结构时，位错切过会打乱滑移面上下有序排列，产生反相当粒子为有序结构时，位错切过会打乱滑移面上下有序排列，产生反相畴界畴界总能量总能量 第二相粒子与基体晶体点阵
44、不一样，位错切过粒子后在其滑移面上引发第二相粒子与基体晶体点阵不一样，位错切过粒子后在其滑移面上引发原子错排，需额外做功，给位错运动带来困难原子错排，需额外做功，给位错运动带来困难 粒子周围弹性应力场与位错会产生交互作用，对位错运动产生妨碍粒子周围弹性应力场与位错会产生交互作用，对位错运动产生妨碍 基体与质点滑移面取向并不一致，故切过后，必定产生一割阶基体与质点滑移面取向并不一致，故切过后，必定产生一割阶阻力阻力 基体与质点层错能不一样，当扩展位错切过后，其宽度会发生改变，引基体与质点层错能不一样，当扩展位错切过后，其宽度会发生改变，引发能量升高发能量升高第45页 5.5.塑性变形后组织与性能
45、改变塑性变形后组织与性能改变塑性变形后组织与性能改变塑性变形后组织与性能改变一一.显微组织改变显微组织改变 1.晶粒形状改变晶粒形状改变 纤维状组织纤维状组织强烈冷变形特征强烈冷变形特征 各向异性各向异性 2.亚结构改变亚结构改变 胞状亚结构：变形晶粒是由许多胞状亚结构：变形晶粒是由许多“胞胞”所组成，各个胞之间有着所组成，各个胞之间有着微小取向差，高密度缠结位错主要集中在胞周围地带组成微小取向差，高密度缠结位错主要集中在胞周围地带组成“胞壁胞壁”，而胞内位错密度很低。且随变形量，而胞内位错密度很低。且随变形量，胞数量，胞数量，尺寸，尺寸 变形材料中胞状亚结构形成不但与变形量相关，还决定于材料
46、变形材料中胞状亚结构形成不但与变形量相关，还决定于材料类型：类型：对于层错能较高晶体，易形成胞状亚结构对于层错能较高晶体，易形成胞状亚结构 对于层错能较低晶体，位错通常分解为较宽扩展位错对于层错能较低晶体，位错通常分解为较宽扩展位错交滑移交滑移困难，位错可移动性困难，位错可移动性，普通这类材料冷变形后胞状亚结构不显著，普通这类材料冷变形后胞状亚结构不显著第46页铜材经过不一样程度冷轧后光学显微组织及薄膜投射电镜像铜材经过不一样程度冷轧后光学显微组织及薄膜投射电镜像第47页二二.性能改变性能改变 1.加工硬化加工硬化 Work Hardening 塑性变形后在性能上最为突出是强度（硬度）显著提升
47、，塑性快速下塑性变形后在性能上最为突出是强度（硬度）显著提升，塑性快速下降，这就是加工硬化现象降，这就是加工硬化现象 加工硬化是材料强化一个主要路径，尤其是对于那些不能采取热处理加工硬化是材料强化一个主要路径，尤其是对于那些不能采取热处理伎俩来强化材料，同时因为材料含有加工硬化特征，形变才得以传递和伎俩来强化材料，同时因为材料含有加工硬化特征，形变才得以传递和扩展使整个零件在宏观上能够均匀变形。扩展使整个零件在宏观上能够均匀变形。加工硬化现象与位错间交互作用相关加工硬化现象与位错间交互作用相关 钉扎（割阶、林位错、面角位错、钉扎（割阶、林位错、面角位错、位错缠结位错缠结）继续变形发生困难，必须
48、加大应力才能继续变形继续变形发生困难，必须加大应力才能继续变形加工硬化加工硬化定量关系式定量关系式第48页影响加工硬化原因：影响加工硬化原因：晶体结构：晶体结构：fcc，bcc 滑移系较多，易于产生多系滑移，位错常易于滑移系较多，易于产生多系滑移，位错常易于发生交截，加工硬化率较大，而发生交截，加工硬化率较大，而 hcp 滑移系较少，加工硬化率小；滑移系较少，加工硬化率小；另外多晶体加工硬化率比单晶体高另外多晶体加工硬化率比单晶体高 变形速率和变形温度影响变形速率和变形温度影响塑变过程中发生塑变过程中发生强化过程强化过程软化过程：软化过程：位错依靠原子热运动越过位错依靠原子热运动越过短程障碍，
49、在较高温度甚短程障碍，在较高温度甚至发生回复再结晶至发生回复再结晶低温时：有强化过程无软化过程低温时：有强化过程无软化过程高温时：主要为软化过程高温时：主要为软化过程中温时：变形速率影响较显著，中温时：变形速率影响较显著，加大变形速率可使加工硬化显著提升加大变形速率可使加工硬化显著提升变形速率对加工变形速率对加工硬化影响不大硬化影响不大第49页 溶质原子影响：普通溶质原子（常指置换原子）加入溶质原子影响：普通溶质原子（常指置换原子）加入可增大加工硬化率，因为可增大加工硬化率，因为 a）一些溶质原子可降低层错能）一些溶质原子可降低层错能扩展位错变宽扩展位错变宽 不易交滑移；不易交滑移；b）溶质原
50、子周围弹性应力场可使位错线成为）溶质原子周围弹性应力场可使位错线成为 波浪形，而不再为纯螺型位错，难发生交滑移；波浪形，而不再为纯螺型位错，难发生交滑移；c）溶质原子妨碍回复现象）溶质原子妨碍回复现象 晶粒大小影响：普通细晶粒材料加工硬化率要大于粗晶粒大小影响：普通细晶粒材料加工硬化率要大于粗晶粒材料晶粒材料 加工硬化除了有利一面外还有不利一面，如对必须加工硬化除了有利一面外还有不利一面，如对必须进行大变形量零件，要使零件成型势必增大设备功率，进行大变形量零件，要使零件成型势必增大设备功率，增加动力消耗，加工硬化会使材料塑性大为下降增加动力消耗，加工硬化会使材料塑性大为下降开开裂现象；加工过程
