金屬學(xué)變形物理基礎(chǔ)精編版

1、 University Of Science and Technology Beijing USTB 2 變形物理基礎(chǔ)變形物理基礎(chǔ) 切應(yīng)力及滑移 加工硬化與孿生 扭折帶和形變帶 復(fù)相合金的塑性形變 織構(gòu)與殘余內(nèi)應(yīng)力 影響冷形變金屬微觀組織的因素 University Of Science and Technology Beijing USTB 3 材料的強度和塑性是兩個重要的力學(xué)性能，它決定了零構(gòu)件的 加工成形的工藝性能，同時又是零構(gòu)件的重要使用性能。材料的力 學(xué)性能是結(jié)構(gòu)敏感的，它和材料的組織和結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，如晶體 缺陷密度。塑性形變的主要機制是滑移，滑移的臨界分切應(yīng)力可作 為起始塑性形變

2、切應(yīng)力的估計，它取決于位錯源開動所需的力以及 位錯運動所需克服的P-N力等阻力。起始塑性形變所需要的切應(yīng)力 越高，晶體材料的屈服強度越高。 研究金屬形變的意義 University Of Science and Technology Beijing USTB 4 位錯核心結(jié)構(gòu)對晶體的塑性變 形影響很大。只有位錯核心在滑移 面上是二維分布的場合，例如FCC 及HCP在基面滑移的金屬，才遵守 Schmid定律，且臨界分切應(yīng)力與溫 度的相關(guān)性不大。位錯核心不在滑 移面二維分布時，如BCC螺位錯核 心以及HCP在棱柱面滑移的螺位錯 的核心作非共面擴展，這時偏離 Schmid定律，并且臨界分切應(yīng)力與 溫

3、度的相關(guān)性很大。 臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力 University Of Science and Technology Beijing USTB 5 位錯核心結(jié)構(gòu)對 塑性變形的影響 螺位錯核心的非 共面擴展的難易 c與溫度的關(guān)系 c對溫度不敏感 c對溫度敏感 能 量 c對溫度的相關(guān)性及對應(yīng)的位錯能示意圖 University Of Science and Technology Beijing USTB 6 兩個或多個滑移面共同按1個滑移方向滑移稱交滑移交滑移。 交滑移形成的滑移線（帶）是折線形狀。 交滑移不是幾個面“同時”，而是“順序”滑動。 對低層錯能材料，位錯很難交滑移，位錯運動是平面型的，

4、稱平 面滑動。對高層錯能材料，位錯容易交滑移，滑移線呈波紋狀，稱波 紋滑動。交滑移容易與否，對材料的應(yīng)變硬化有很大的影響。層錯能 越低，位錯不易通過交滑移越過遇到的障礙，從而加大了應(yīng)變硬化。 交滑移交滑移 University Of Science and Technology Beijing USTB 7 多系滑移多系滑移 當(dāng)外力的取向使2個或多個滑移系上的分切應(yīng)力均達到臨界分 切應(yīng)力值時，這些滑移系可以同時開動而發(fā)生多系滑移。以fcc結(jié) 構(gòu)為例討論力軸在不同取向下發(fā)生的多系滑移。 fcc結(jié)構(gòu)的(001)標準極射赤面圖-滑移系的尋找方法 把3個001面的極點標為w， 把6個滑移方向的極 點分

5、別標上I、II、III、IV、 V、VI； 把4個111滑移面分別標 上A、B、C、D記號。 則一滑移系可表示為:BIV University Of Science and Technology Beijing USTB 8 開動的具體滑移系及數(shù)目與力軸的關(guān)系： 三角形內(nèi)：個；邊上：個；次軸上：個； 三次軸上：個；次軸上：個； University Of Science and Technology Beijing USTB 9 發(fā)生多系滑移時，在拋光表面看到不止一組的滑移線， 而是兩組或多組交叉的滑移線。由于多個滑移系開動，位 錯交截產(chǎn)生割階及位錯帶著割階運動等原因使位錯運動阻 力增加，因而

6、強度也增加。 外力軸處于只有1個滑移系開動的取向，材料的強度是比較 低的，這樣的取向稱為軟取向；外力軸處于易多滑移的取向 稱為硬取向。 University Of Science and Technology Beijing USTB 10 臨界分切應(yīng)力與溫度間的關(guān)系臨界分切應(yīng)力與溫度間的關(guān)系 長程交互作用引起的阻力隨溫度的變化是很小的。對于如位錯和林位 錯相截形成割階或帶著割階滑動等短程交互作用引起的阻力，因為這些過 程只涉及幾個原子間距，熱激活對這些過程會有很大作用。溫度上升使這 些過程易于進行，所以臨界分切應(yīng)力隨溫度上升而降低。當(dāng)溫度高時，熱 激活提供足夠的能量，使得臨界分切應(yīng)力不再隨溫

7、度變化。 鎘單晶基面滑移 鎂單晶 University Of Science and Technology Beijing USTB 11 單晶體的應(yīng)力單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及加工硬化應(yīng)變曲線及加工硬化 加工硬化現(xiàn)象：材料加工時強度和硬度隨應(yīng)變加大而增加； 應(yīng)力-應(yīng)變曲線：是定量描述加工硬化性質(zhì)的依據(jù)。 真應(yīng)變與工程應(yīng)變曲線的差異 University Of Science and Technology Beijing USTB 12 加工硬化理論加工硬化理論 多種機制： (1)位錯滑動和林位錯交割，增加阻力。 (2)林位錯使F-R源產(chǎn)生割階，帶割階的位錯運動阻力 加大。 (3)形成的L-C不

8、動位錯增大了形變的抗力。 (4)由局部應(yīng)力場（短程交互作用）引起硬化。 影響加工硬化行為的因素 內(nèi)部因素 晶體結(jié)構(gòu)、晶體取向或織構(gòu)、堆垛層錯能、化學(xué)成分、 顯微組織的幾何形狀和尺寸以及位錯亞結(jié)構(gòu)。 外部因素 溫度、應(yīng)變速率、形變模式。 University Of Science and Technology Beijing USTB 13 單晶應(yīng)力單晶應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 它是定量描述加工硬化性質(zhì)的依據(jù)。 前提：初始取向下只有1個滑移系開動。 單晶 多晶 University Of Science and Technology Beijing USTB 14 第I階段，斜率很低（10-4G）

9、， -易滑移階段。 該階段終止在應(yīng)變約0.050.2處。 第II階段，線性特征，斜率比第 I階段約大30倍，它與試樣相對 于力軸的取向、溫度甚至合金度 等關(guān)系不大，-線性硬化階段。 分為三個階段： 第III階段，拋物線；加工硬化率減少。 -拋物線(動態(tài)回復(fù))階段。在應(yīng)變 0.30.5處開始，與試驗溫度有關(guān)。 FCC單晶典型的t-g曲線 University Of Science and Technology Beijing USTB 15 影響因素： 第I,II和III階段存在范圍的大小取決于金屬的純度、形變溫度（和形 變速度）、晶體的原始取向、晶體的大小和形狀等因素。 溫度很低時第III階段

10、會消失。 金屬越純，第I階段越短，但1變化不大。 力軸相對于晶體是軟取向時（單滑移時），第I階段比較長，并且1 較?。涣S為硬取向時，特別在取向三角形靠近111和001邊上時， 1較大。 力軸取向?qū)I也有類似影響，但不如對1的影響大。 形變溫度越低，第I、II階段越長，但1和II與溫度無關(guān)。 第階段開始時的應(yīng)力tIII對溫度非常敏感，溫度越高，tIII越小。 形變速率的影響和溫度的影響相反，降低溫度的影響相當(dāng)于增加形 變速率的影響。 University Of Science and Technology Beijing USTB 16 箭頭為第三階段開始的位置，注意層錯能的影響。 Univ

11、ersity Of Science and Technology Beijing USTB 17 形變溫度對應(yīng)力應(yīng)變曲線三階段的影響 University Of Science and Technology Beijing USTB 18 上下屈服點效應(yīng) 如果體心立方金屬含有 微量的如碳、氮等間隙 原子，不論它是單晶體 或多晶體，它的應(yīng)力-應(yīng) 變曲線都會出現(xiàn)一個上 屈服點和下屈服點。 原因：溶質(zhì)氣團； University Of Science and Technology Beijing USTB 19 對性能的影響: 工件表面質(zhì)量; 呂德斯帶; 低碳鋼的拉伸曲線 防止方法: 去除C，N(I

12、F鋼)；預(yù)變形使位錯擺脫釘扎。 University Of Science and Technology Beijing USTB 20 形變孿生形變孿生 研究的意義： 形變的另一種機制； 在HCP金屬中尤其重要； 孿生現(xiàn)象/孿晶-對稱 孿晶特點： 原子排列以某一晶面成 鏡面對稱。 孿晶形成過程： 形變、晶體生長、退火 及相變。 (a)天然石英的孿晶的外形， (b)沿圖中方解石體對角線加壓力形成的孿晶。 University Of Science and Technology Beijing USTB 21 宏觀外形看不出 孿生或?qū)ΨQ關(guān)系 微觀原子排列 顯示出孿生關(guān)系 University O

13、f Science and Technology Beijing USTB 22 面心立方晶體孿晶的高分辨率電鏡照片-實驗證實 University Of Science and Technology Beijing USTB 23 孿生和滑移的差別：孿生和滑移的差別： (1)滑移使滑移面兩側(cè)相對滑動一個完整的平移矢量（柏氏矢量），而孿生則 在孿晶內(nèi)所有的面都滑動，滑動的距離并非是完整的平移矢量，每個面的滑 動量和距孿生面的距離成正比。 (2)滑移后整個晶體的位向沒有改變，而孿生則使孿晶部分的位向與基體成對 稱。 (3)滑移使表面出現(xiàn)臺階（滑移線），表面重新拋光后，滑移線消失；孿生則 使表面出

14、現(xiàn)浮凸，因?qū)\晶與基體的取向不同，表面重新拋光后并浸蝕后仍能 看到。 孿生 滑移 University Of Science and Technology Beijing USTB 24 鋅形變組織 (a)拋光后變形；滑移、孿生都可看到； (b)再拋光并浸蝕；滑移看不見，孿晶仍存在； University Of Science and Technology Beijing USTB 25 一些合金的孿生元素 注意：切變后要保持原子對稱的關(guān)系、同時晶體結(jié)構(gòu) 又不能改變，孿生只能在特定面和方向進行。 University Of Science and Technology Beijing USTB

15、26 孿生的一般特點 (1)出現(xiàn)的頻率和尺寸 取決于晶體結(jié)構(gòu)和層錯 能的大小。 (2)常在高應(yīng)力集中處 形核，出現(xiàn)孿生時s-e 曲線有突然下降。 Cu-Si合金中的層錯和孿晶fcc (a)Cd；(b)Au-Ag合金； University Of Science and Technology Beijing USTB 27 (3)根據(jù)孿晶幾何的分析，孿生區(qū)域應(yīng)由2個與基體共格的孿生面為邊界。 非共格孿晶界 孿生導(dǎo)致裂紋 (4)由孿生提供的形變量是很小的，特別是在六方結(jié)構(gòu)晶體中。 University Of Science and Technology Beijing USTB 28 扭折帶和形變

16、帶扭折帶和形變帶 扭折： 塑性形變的一種形式。出現(xiàn)條件:滑移和孿生困難時發(fā)生。 壓縮方向平行于滑移面，不 容易滑移的，為松弛外力， 局部晶格繞某軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)而 形成扭折。在扭折帶中包含 大量不均勻堆積的滑移位錯， 在扭折面K兩邊的滑移線雖 然是鏡面對稱的，但晶格卻 并非是對稱的。 鎘單晶體壓縮時出現(xiàn)扭折帶外貌及示意圖 University Of Science and Technology Beijing USTB 29 鋅單晶在拉伸形變時出現(xiàn)的扭折帶外貌和 描述扭折帶的示意圖。 University Of Science and Technology Beijing USTB 30 形變帶：

17、晶粒局部轉(zhuǎn)動使晶體從單一的取向分裂成兩種互補的取向的局部區(qū)域。 形變前的單晶相對于模子的取 向是： 001平行于壓縮軸方向，110 和110分別平行于槽的縱向 (X1)和槽的橫向(X3)。70%壓縮 后，晶體取向以X3軸相對轉(zhuǎn)動 分裂成兩種取向：一種是(112) 面平行于壓縮面，111平行于 X1軸，另一種是(112)面平行于 壓縮面，111平行于X1軸。 鋁單晶Channel Die壓縮時形成形變帶 University Of Science and Technology Beijing USTB 31 形變帶和扭折帶都是在特殊條件下滑移的表現(xiàn)，它們都是因 形變形成取向與晶體其余部分不同的區(qū)

18、域，在它們的邊緣并不是 晶界，它有一定的寬度，是取向逐漸過渡的區(qū)域，稱這個過渡的 邊界為過渡（Transition Band）。 形變鋁中的過渡帶 University Of Science and Technology Beijing USTB 32 在很多立方系結(jié)構(gòu)金屬形變時都觀察到形變帶，但在六方結(jié)構(gòu) 金屬形變時卻很少出現(xiàn)形變帶。 鎂合金形變時易出現(xiàn) 切變帶，隨后的形變 集中在切變帶內(nèi)；過 度的切動造成裂紋的 形成。 University Of Science and Technology Beijing USTB 33 形變織構(gòu)形變織構(gòu) 織構(gòu)(擇優(yōu)取向)的概念： 多晶體晶粒取向集中分布

19、在某一個或某些取向附近的現(xiàn)象。 晶粒取向 隨機分布 晶粒取向 擇優(yōu)分布 各向異性多晶體、各向異性、晶粒取向的關(guān)系 University Of Science and Technology Beijing USTB 34 出現(xiàn)織構(gòu)的原因： 形變總是在取向有利的滑移系和孿生系上發(fā)生，結(jié)果使得形變 后晶體的取向并非是任意的。隨著形變進行，各晶粒的取向會逐漸 轉(zhuǎn)向某一個或多個穩(wěn)定的取向，這些穩(wěn)定的取向取決于金屬材料的 晶體結(jié)構(gòu)及形變方式。 例： 拉伸時，滑移方向力圖與力軸平 行，應(yīng)是；兩個同時開動時 可以是；孿生時則有一固定 轉(zhuǎn)動關(guān)系，如FCC是72o， HCP是86.3o；都導(dǎo)致取向 擇優(yōu)。 Uni

20、versity Of Science and Technology Beijing USTB 35 晶體取向的描述 晶體取向：指晶體的3個晶軸在給定參考坐標系內(nèi)的相對方位。 1個晶軸的方向在坐標系中由3個變量 （晶軸單位矢量在3個坐標軸的分量） 確定。3個晶軸共有九個參量，但這9個 參量并非完全獨立的。例如，單位矢量 在3個坐標軸的分量的平方和等于1，這 樣就有3個約束條件；另外，晶系的3個 晶軸之間也有確定的關(guān)系，例如立方系 3個晶軸相互垂直，這樣它們也有3個約 束條件。所以只需3個獨立的參數(shù)就可 以描述晶體的取向。 University Of Science and Technology

21、Beijing USTB 36 復(fù)相合金的塑性形變復(fù)相合金的塑性形變 取決于基體的性能及第二相的性質(zhì)、數(shù)量、形狀和分布。 當(dāng)兩個相的塑性較好時，一般有兩種近似處理方法： (1)設(shè)兩相具有同樣的應(yīng)變，設(shè)兩相具有同樣的應(yīng)變，s1和和s2必不同，平均應(yīng)力為：必不同，平均應(yīng)力為： (2)設(shè)兩相應(yīng)力相同，應(yīng)變設(shè)兩相應(yīng)力相同，應(yīng)變e1和和e2必不同，平均應(yīng)變?yōu)椋罕夭煌骄鶓?yīng)變?yōu)椋?University Of Science and Technology Beijing USTB 37 實際上，這兩種假設(shè)都不完全正確。形變過程中各晶粒中的形變已是 極不均勻的，第二相的存在更加大了這種不均勻性，所以，第一種

22、應(yīng)變相 同的假設(shè)與實際不符；按第二種應(yīng)力相同的假設(shè)，兩相間應(yīng)變必不連續(xù)分 布，則在界面處會出現(xiàn)裂縫，這也是和實際不符。實際情況是，形變總是 從較弱的相開始，隨著形變量的增加，在某些界面處的應(yīng)力集中導(dǎo)致較硬 的相形變。在形變過程要求跨過相界面的應(yīng)力和應(yīng)變都要保持連續(xù)性。 University Of Science and Technology Beijing USTB 38 另一相是脆性相，則除兩相的相對量外，脆性相的形狀和分布對合金塑性起 重大作用。三種情況： (1)脆性相連續(xù)地沿塑性相晶界分布； (2)脆性相不連續(xù)地分布在塑性相的晶界上； (3)脆性相不連續(xù)地分布在塑性相內(nèi)。 實例：Bi在Cu、Au中的膜狀分布； Fe3C在鋼中的網(wǎng)狀分布； 硬粒子周圍的高形變區(qū) University Of Science and Technology Beijing USTB 39 形變后的殘余內(nèi)應(yīng)力形變后的殘余內(nèi)應(yīng)力 金屬形變時，外力作功 的大部分以熱的形式散 掉，只有一小部分（約 10%15%）以殘余內(nèi)應(yīng) 力的方式儲存在形變金 屬中（稱儲存能），它 隨形變量加大而加大， 但它占形變總