Lecture8-金屬的物理屈服和形變強化

1、1p形變強化形變強化: 金屬材料在室溫下屈服后, 必須不斷增大載荷, 塑性變形才能繼續(xù)進(jìn)行, 這種現(xiàn)象稱為形變強化形變強化(加工硬化加工硬化、應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化); 金屬預(yù)先變形量越大, 屈服強度提高的幅度越大, 這也是形變強化。形變強化的本質(zhì)是位錯增殖和運動受阻的結(jié)果。形變強化的本質(zhì)是位錯增殖和運動受阻的結(jié)果。Lecture 8-金屬的物理屈服和形變強化金屬的物理屈服和形變強化2p金屬的物理屈服現(xiàn)象與機理p金屬的形變強化p影響形變強化的因素p金屬的頸縮現(xiàn)象和抗拉強度本講內(nèi)容提要本講內(nèi)容提要3金屬的物理屈服金屬的物理屈服金屬的物理屈服現(xiàn)象在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)應(yīng)力不增加, 時而有所降低, 而變形

2、仍在繼續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)象, 稱為物理屈服現(xiàn)象物理屈服現(xiàn)象。 4金屬的應(yīng)變時效金屬的應(yīng)變時效對于出現(xiàn)物理屈服的金屬，在均勻塑性變形階段卸載后，把試件在100-200下回火2h，再加載，則屈服強度升高，且又出現(xiàn)物理屈服現(xiàn)象，稱之為應(yīng)變時效應(yīng)變時效。 應(yīng)變時效時, 屈服強度會大幅增加, 而塑性指標(biāo)大幅降低, 脆性轉(zhuǎn)變溫度Tk上升, 冷脆出現(xiàn), 危害大。 5金屬的藍(lán)脆金屬的藍(lán)脆物理屈服現(xiàn)象的鋸齒形應(yīng)力-應(yīng)變曲線在一定條件會在塑性變形的整個過程中不間斷。如一般低碳鋼在200-300拉伸, 會出現(xiàn)這個現(xiàn)象, 它是金屬藍(lán)脆的一個重要標(biāo)志之一。金屬的藍(lán)脆6物理屈服機制物理屈服機制低碳鋼的物理屈服現(xiàn)象可以用位錯理論說

3、明，位錯受間隙原子釘扎形成柯氏氣團(tuán)柯氏氣團(tuán)，阻礙位錯的運動。柯氏氣團(tuán)柯氏氣團(tuán): 鐵素體中的間隙C、N原子聚集在位錯線的周圍，與刃型位錯交互作用，形成的氣團(tuán)稱為柯氏氣團(tuán)，位錯被氣團(tuán)釘扎，運動受阻。初始狀態(tài)下可動位錯密度很低，要使位錯運動, 須提高外力克服柯氏氣團(tuán)柯氏氣團(tuán)的阻礙，這就是上屈服點。位錯源開動擺脫柯氏氣團(tuán)釘扎后，材料塑性變形速率快速提高，由于變形的作用，應(yīng)力又下降，形成下屈服點。7物理屈服為何在塑性變形后不再出現(xiàn)?加熱時效后物理屈服現(xiàn)象為何再次出現(xiàn)？ 預(yù)先塑性變形全部破壞了柯氏氣團(tuán), 所以物理屈服現(xiàn)象不再出現(xiàn); 但如果卸載后加熱時效, C(N)原子又會擴(kuò)散至刃位錯周圍形成柯氏氣團(tuán), 第

4、二次加載開始屈服變形時, 就需要重新克服柯氏氣團(tuán)作用, 再次出現(xiàn)物理屈服。由于第二次加載時位錯密度較上一次高, 彈性極限升高, 故屈服平臺較上次應(yīng)力水平高。在200-300出現(xiàn)藍(lán)脆, 鋸齒形應(yīng)力-應(yīng)變, 是由于塑性使柯氏氣團(tuán)消失, 而200-300的加熱又使柯氏氣團(tuán)出現(xiàn), 這樣周而復(fù)始, 就形成鋸齒狀應(yīng)力-應(yīng)變曲線。8物理屈服的危害物理屈服的危害物理屈服實際上使這一段塑性變形失去加工硬化和均勻變形效果, 沖壓件很容易產(chǎn)生皺褶和制耳;應(yīng)變時效和藍(lán)脆會改變材料的力學(xué)性能, 一般為屈服強度升高, 而塑性指標(biāo)(, Ak, KIC等) 下降, 脆性轉(zhuǎn)變溫度Tk升高, 易于出現(xiàn)冷脆斷裂, 嚴(yán)重?fù)p害使用性能

5、。 消除方法消除方法 對于應(yīng)變時效, 采用預(yù)先塑性變形, 越過物理屈服平臺再加工成型, 檢查成型后的力學(xué)性能; 對于藍(lán)脆, 需采用相應(yīng)的熱處理避開這一危害。9金屬的形變強化金屬的形變強化金屬材料在室溫下屈服后，必須不斷增大外部應(yīng)力，塑性變形才能繼續(xù)進(jìn)行，說明屈服塑性變形后，金屬內(nèi)部出現(xiàn)一種阻止繼續(xù)塑性變形的能力，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化（加工硬化應(yīng)變硬化（加工硬化、形變強化形變強化）。金屬預(yù)先變形量越大，屈服強度提高幅度越大，這種現(xiàn)象也是形變強化，其本質(zhì)是位錯增殖和運動受阻結(jié)果。10單晶體的變形曲線dd1dd1第I階段形變強化系數(shù)1較小, 為10-4G數(shù)量級。單晶體的形變強化曲線單晶體的形變強化曲

6、線第第I階段階段: 易滑移階段，最易滑移的滑移系發(fā)生滑移, 這一階段位錯運動阻力較小, 僅發(fā)生單系滑移。11形變強化速率大,IIG/300, 變形曲線為直線, 多個滑移系被開動, 產(chǎn)生多系交叉滑移, 形成割階、固定位錯和胞狀結(jié)構(gòu)等障礙, 阻礙位錯運動, 表現(xiàn)為形變強化速率升高. 單晶體的變形曲線第第II階段：線性強化階段階段：線性強化階段第第III階段：拋物線強化階段階段：拋物線強化階段強化曲線呈拋物線狀, III隨變形增加而減少。對于那些容易交滑移的晶體, 如BCC金屬和層錯能高的FCC等, 其第II階段很短, 位錯滑移快速進(jìn)入第III階段。12面心立方（銅）體心立方（鈮）密排六方（鎂） 單

7、晶金屬加工硬化曲線單晶金屬加工硬化曲線aedcbfg1、面心立方金屬形變強化能力大于其它結(jié)構(gòu)金屬；2、隨應(yīng)變增大，面心立方金屬經(jīng)歷初期弱的形變強化階段后，發(fā)生強的形變強化，隨后形變強化能力減弱；3、體心立方金屬和密排六方金屬初始弱形變強化階段長度大于面心立方金屬。三種單晶體金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線13多晶體金屬的形變強化多晶體金屬的形變強化多晶體是由無數(shù)任意排列的單晶體組成, 位錯開始滑移即塞滿滑移面, 造成應(yīng)力集中, 從而開動其他滑移面的滑移。故多晶體塑性變形一開始就是多系交叉滑移, 即單晶體形變強化的第II階段, 形變強化指數(shù)多單, 這是由于晶界使大量位錯被阻塞, 第III階段來得很早。lg e

8、lg SK多晶體在均勻塑性變性階段應(yīng)力應(yīng)變之間符合Hollomon關(guān)系式:nKeS 上式中S和e分別為真實應(yīng)力和真實應(yīng)變, K為形變強化系數(shù), n為形變強化指數(shù)。14Hollomon方程表明，變形抗力與變形量之間成指數(shù)關(guān)系, 形變強化指數(shù)n越大, 強化效果越明顯。n是表征金屬材料形變強化行為的性能指標(biāo)。部分金屬的層錯能和應(yīng)變硬化指數(shù)部分金屬的層錯能和應(yīng)變硬化指數(shù)n15e與S之間對數(shù)呈線性關(guān)系, 常用這個關(guān)系來測定K、n值。n值與層錯能有關(guān), 一般層錯能越大, n值越小.lg elg sKe與S之間的對數(shù)關(guān)系enKSlnlnlnn=0時, S=K=常數(shù), 應(yīng)力與應(yīng)變之間沒有關(guān)系, 材料為理想塑性

9、體, 無應(yīng)變硬化能力;n=1時, S=Ke, 為胡克定律描述的線性關(guān)系, 材料為理想彈性體。顯然, 金屬材料的n值介于0-1之間, 大多數(shù)金屬材料n值在0.1-0.5之間16常見金屬的應(yīng)變硬化指數(shù)常見金屬的應(yīng)變硬化指數(shù)n和強度系數(shù)和強度系數(shù)K17形變強化的工程意義形變強化的工程意義形變強化指數(shù)n值的意義十分明顯:(1) 若金屬n值較大, 機件在服役時承受偶然過載的能力 也較大, 有利于局部超載情況下的安全服役;(2) n對材料冷變形工藝有重要影響, 使金屬塑性變形均 勻進(jìn)行, 保證冷變形順利進(jìn)行;(3) 與合金化、熱處理一樣, 形變強化是一種重要的金屬強化方法;(4) 形變強化可降低塑性, 改

10、善低碳鋼切削加工性能。18形變強化的影響因素形變強化的影響因素p金屬本性和晶格類型金屬本性和晶格類型層錯能低的金屬材料容易產(chǎn)生比較高的應(yīng)力集中, 應(yīng)變硬化程度高；FCC金屬中, 層錯能低的擴(kuò)展位錯寬度大, 難以合并為全位錯, 很難交滑移, 所以形變趨勢大；層錯能高的形變強化趨勢低；體心立方金屬中位錯很難擴(kuò)展，所以強化趨勢低。19晶粒大小晶粒大小晶粒細(xì)化提高屈服強度外, 還可以提高形變強化程度；形變強化的本質(zhì)是位錯增殖和位錯運動受阻的結(jié)果, 晶粒細(xì)化導(dǎo)致位錯塞積群長度變小, 塞積位錯數(shù)目變少, 變形分配到更多的晶粒中, 更容易發(fā)生均勻變形。20合金化合金化合金固溶體不僅屈服強度高于純金屬, 而且

11、形變強化也高于純金屬:(1) 溶質(zhì)元素的畸變場影響位錯運動狀態(tài)；(2) 合金元素通過降低層錯能, 阻止交滑移, 奧氏體不銹鋼中加入鐵素體形成元素可以降低層錯能。幾種金屬的變形曲線幾種金屬的變形曲線21形變強化總是隨溫度的升高而降低, 通常有兩種情況:I: 對多數(shù)面心立方金屬來說, 降低溫度對屈服強度影響較小, 但卻使形變強化趨勢增大;II: 對體心立方金屬來說, 降低溫度其屈服強度顯著增大, 但對形變強化趨勢影響不大。溫度的影響溫度的影響含0.13% C的低碳鋼22頸縮現(xiàn)象和抗拉強度頸縮現(xiàn)象和抗拉強度頸縮頸縮: 在拉伸過程中, 金屬由均勻塑性變形階段過渡到不均勻集中塑性變形階段時, 變形集中于

12、局部區(qū)域的現(xiàn)象,頸縮的起點就是外加載荷的最高點, 即抗拉強度b。頸縮是均勻塑性變形和不均勻塑性變形二者取一的結(jié)果, 塑性變形產(chǎn)生兩個變化: 一是形變強化, 二是橫截面積減小。23頸縮判據(jù)頸縮判據(jù)nKS金屬在拉伸試驗時, 塑性變形是由一段段變形實現(xiàn)的, 每段變形由開始、變形、停止、轉(zhuǎn)出完成的。如果某一段變形停不了, 轉(zhuǎn)不出, 這段就要發(fā)生集中塑性變形-頸縮。頸縮頸縮在拉伸曲線的b點開始發(fā)生, 這點dF=0, 可以進(jìn)行下列推導(dǎo):nKAF24對上式進(jìn)行全微分, 并利用dF=0, 有01dnFdAAFdKAndAKdFnnAdAldld由于0AdAnFdAAF要使等式成立, 必有=n, 此時與n對應(yīng)的

13、為最大均勻變形量b。即應(yīng)變硬化指數(shù)在數(shù)值上等于能夠發(fā)生的最大均應(yīng)變硬化指數(shù)在數(shù)值上等于能夠發(fā)生的最大均勻變形量勻變形量。意味著材料在發(fā)生n值大小的均勻塑性變形后, 如果再加大變形量, 必然出現(xiàn)頸縮, 這就是頸縮判據(jù)頸縮判據(jù)。材料在加工過程中一次變形的均勻變形量不能大于n值。25抗拉強度是金屬試樣在拉伸過程中所能承受的最大拉伸應(yīng)力, 反應(yīng)金屬最大均勻塑性變形的抵抗力?？估瓘姸瓤估瓘姸萊m (b)對于不同性質(zhì)的材料, 抗拉強度有不同的內(nèi)涵：(1) 韌性金屬材料,b表示靜拉伸條件下的最大承載應(yīng)力;(2) 脆性金屬材料,b表示金屬的斷裂強度;(3) b大小取決于屈服強度和應(yīng)變硬化指數(shù), 抗拉強度主要取決于材料內(nèi)部