工程材料及應用第六章塑性變形

工程材料及應用第六章塑性變形第一頁，共四十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)概述一、變形過程中的名詞概念變形物體在外力的作用下,其形狀和尺寸的改變。應力物體內(nèi)部任一截面單位面積上的相互作用力。同截面垂直的稱為“正應力”或“法向應力”，同截面相切的稱為“剪應力”或“切應力”。應變物體形狀尺寸所發(fā)生的相對改變。

線應變物體內(nèi)部某處的線段在變形后長度的改變值同線段原長之比值；

剪應變(角應變)

物體內(nèi)兩互相垂直的平面在變形后夾角的改變值;

體積應變變形后物體內(nèi)任一微小單元體體積的改變同原單位體積之比值。第二頁，共四十二頁，2022年，8月28日二、變形宏觀過程第一節(jié)概述

在應力低于彈性極限σe時，材料發(fā)生的變形為彈性變形；應力在σe到σb之間將發(fā)生的變形為均勻塑性變形；在σb之后將發(fā)生頸縮；在K點發(fā)生斷裂。彈性變形特點服從虎克定律，及應力與應變成正比實質(zhì)在應力的作用下，材料內(nèi)部原子間距偏離平衡位置，但未超過其原子間的結合力。晶格發(fā)生了伸長(縮短)或歪扭。原子的相鄰關系未發(fā)生改變，故外力去除后，原子間結合力便可以使變形完全恢復。

第三頁，共四十二頁，2022年，8月28日三、塑性變形第一節(jié)概述不能恢復的永久性變形叫塑性變形。當應力大于彈性極限時，彈性變形－塑性變形同時發(fā)生；外力去除，變形不能得到完全的恢復，有殘留變形或永久變形。塑性變形定義實質(zhì)

在應力的作用下，材料內(nèi)部原子相鄰關系已經(jīng)發(fā)生改變，外力去除后，原子回到另一平衡位置，物體將留下永久變形。第四頁，共四十二頁，2022年，8月28日四、塑性變形的方式第一節(jié)概述按照材料的性質(zhì)、外界環(huán)境和受力方式不同，塑性變形的方式有：滑移、孿生、蠕變、流動?；凭w材料塑性變形的基本方式。非晶體材料原子為無規(guī)則堆積，像液體一樣只能以流動方式來進行，衡量變形難易程度的參數(shù)為粘度。在重力作用下能發(fā)生流動的為液體，可以維持自己形狀的為固體。第五頁，共四十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)單晶體的滑移

一、滑移概念

滑移

滑移是在外力作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相對于晶體的另一部分發(fā)生的相對滑動。第六頁，共四十二頁，2022年，8月28日二、滑移過程說明在切應力的作用下，晶格發(fā)生彈性歪扭，進一步將使晶格發(fā)生滑移；外力去除后，原子到了新的平衡位置，晶體不能恢復到原來的形狀，保留永久的變形。大量晶面的滑移將得到宏觀變形效果，在晶體的表面將出現(xiàn)滑移臺階。第二節(jié)單晶體的滑移第七頁，共四十二頁，2022年，8月28日三、滑移與晶體結構的關系

第二節(jié)單晶體的滑移滑移面滑移發(fā)生的晶面，通常為晶體的最密排晶面；滑移方向滑移滑動的方向，通常也為晶體的最密排方向；滑移系一種滑移面和該面上的一個滑移方向構成一個可以滑移的方式。

第八頁，共四十二頁，2022年，8月28日典型晶格的滑移系FCC第二節(jié)單晶體的滑移第九頁，共四十二頁，2022年，8月28日晶格類型BCCFCCCHP滑移面｛110｝6｛111｝4｛0001｝1滑移方向<111>2<110>3<1000>3滑移系數(shù)12123第十頁，共四十二頁，2022年，8月28日四、滑移與外力方向的關系滑移方向上的分切應力為：

稱為施密特定律，τc是一常數(shù)，等于或者大于一定的臨界值（臨界切應力）時，滑移才能發(fā)生。第二節(jié)單晶體的滑移第十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日五、滑移變形的特點

第二節(jié)單晶體的滑移滑移只能在切應力的作用下發(fā)生?；瞥Ｑ鼐w中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。在最密晶面之間的面間距最大，原子面之間的結合力最弱，沿最密晶向滑移的步長最小，因此這種滑移所需要的外加切應力最小?；瑒拥木嚯x為原子間距的整數(shù)倍，滑移的結果會在晶體的表面上造成臺階。

滑移的同時必然伴隨有晶體的轉動。

第十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日六、滑移的實質(zhì)是位錯的運動

大量的理論研究證明，滑移原來是由于滑移面上的位錯運動而造成的。圖示例子表示一刃型位錯在切應力的作用下在滑移面上的運動過程，通過一根位錯從滑移面的一側運動到另一側便造成一個原子間距的滑移。

第二節(jié)單晶體的滑移第十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日六、滑移的實質(zhì)是位錯的運動滑移過程，只需要位錯中心上面的兩列原子（實際為兩個半原子面）向右作微量的位移，位錯中心下面的一列原子向左作微量的位移，位錯中心便會發(fā)生一個原子間距的右移。通過位錯運動方式的滑移，并不需要整個晶體上半部的原子相對于其下半部一起位移，而僅需位錯中心附近的極少量的原子作微量的位移即可，需要的臨界切應力便遠遠小于整體剛性滑移。

第二節(jié)單晶體的滑移說明第十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日第三節(jié)多晶體的塑性變形

一、多晶體的塑性變形協(xié)調(diào)性

多晶體的變形中要保持晶界處的連續(xù)性，即晶界處的原子既不能堆積也不能出現(xiàn)空隙或裂縫，晶界兩邊的變形需要達到互相協(xié)調(diào)。

為滿足協(xié)調(diào)性，每個晶粒內(nèi)位錯在外力作用下發(fā)生運動，即以滑移方式產(chǎn)生塑性變形效果，需要臨近晶粒作出相應的變形。晶界兩邊的晶粒取向不一樣，靠單一的滑移系的動作將不能保證這種協(xié)調(diào)，要求鄰近晶粒的晶界附近區(qū)域有幾個滑移系動作，加上自身晶粒除了變形的主滑移系統(tǒng)外，也要有幾個滑移系統(tǒng)同時動作才行。所以晶粒的取向不同對滑移起到阻礙作用，增加了滑移要求的外力。第十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日二、晶界對滑移的影響位錯的塞積一個晶粒在某一滑移系發(fā)生滑移動作，位錯發(fā)生運動，位錯遇到晶界時，由于各個晶粒的位向不同，不能直接從一個晶粒移動到另一晶粒，便塞積起來；加之晶界處的雜質(zhì)原子也往往較多，增大其晶格畸變，在滑移時位錯運動的阻力較大，難以發(fā)生變形。晶界的存在可以提高材料的強度。第三節(jié)多晶體的塑性變形對純金屬、單相合金或低碳鋼都發(fā)現(xiàn)室溫屈服強度和晶粒大小有以下關系：d晶粒的平均直徑，k為比例常數(shù)。即霍爾-佩奇(Hall-Petch)關系。第十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日二、晶界對滑移的影響晶界數(shù)量的增加則材料的晶粒愈細，不僅強度愈高，而且塑性與韌性也較高。原因晶粒愈細，單位體積中的晶粒數(shù)便愈多，變形時同樣的形變量便可分散在更多的晶粒中發(fā)生，晶粒轉動的阻力小，晶粒間易于協(xié)調(diào)，產(chǎn)生較均勻的變形，不致造成局部的應力集中，而引起裂紋的過早產(chǎn)生和發(fā)展。因而斷裂前便可發(fā)生較大的塑性形變量，具有較高的沖擊載荷抗力。工業(yè)上通過各種方法(凝固、壓力加工、熱處理)使材料獲得細而均勻的晶粒，使目前提高材料力學性能的有效途徑之一。第三節(jié)多晶體的塑性變形第十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日三、塑性變形過程第三節(jié)多晶體的塑性變形局部不均勻性在多晶體金屬中，由于每個晶粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的分布不同，故在同一外力作用下，每個晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切應力便不同。軟位向施密特因子較大(接近1/2)，分切應力較大的必將首先發(fā)生滑移變形；硬位向滑移面或滑移方向處于或接近于與外力相平行或垂直，即施密特因子較小(接近0)的晶粒，它們所受的分切應力將較小，較難發(fā)生滑移。第十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日三、塑性變形過程第三節(jié)多晶體的塑性變形整體的均勻化多晶體材料在外力作用下，首批處于軟位向的晶粒發(fā)生滑移，而晶界的影響及其周圍處于硬位向的晶粒尚不能發(fā)生滑移，在首批晶粒的晶界附近造成位錯堆積，隨著外力增大至應力集中達到一定程度，形變才會越過晶界，傳遞到另一批晶粒中。隨著滑移的發(fā)生，晶粒的位向也在發(fā)生轉動，有位向硬化的晶粒和軟化的晶粒，軟位向的晶粒開始滑移變形。多晶體塑性變形是一批一批晶粒逐步地發(fā)生，從少量晶粒逐步擴大到大量的晶粒，從不均勻變形逐步發(fā)展到較均勻的變形，要比單晶體中復雜得多。第十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日四、其他塑性變形方式

第三節(jié)多晶體的塑性變形1.孿生第二十頁，共四十二頁，2022年，8月28日四、其他塑性變形方式

第三節(jié)多晶體的塑性變形孿生產(chǎn)生條件

在切應力作用下產(chǎn)生的，所需要的切應力比滑移要大得多，僅在滑移困難時才會發(fā)生。出現(xiàn)在滑移系很少的晶體結構的材料中(如密排六方)；2)在較低溫度或受沖擊時因來不及滑移又有較大的應力作用時產(chǎn)生孿生。2.蠕變

所謂蠕變是指材料在高溫下(高于0.3Tm)的變形不僅與應力有關，且和應力作用時間有關。蠕變現(xiàn)象可看著在應力作用下原子的擴散。原子的定向流動本身可造成材料的變形。第二十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日四、其他塑性變形方式

第三節(jié)多晶體的塑性變形3.粘滯性流動

在液體狀態(tài)下，原子呈無規(guī)則排列，沒有固定的形狀，處于可流動的狀態(tài)。液體的流動性用黏度來度量，當黏度大到可以維持自己的形狀時，材料就處于固態(tài)。在固態(tài)下處于非晶態(tài)的材料可以看著是過冷的液體，在外力作用下，非晶態(tài)的材料當能克服黏度的阻力時，可以象液體那樣發(fā)生流動，自己的形狀和尺寸發(fā)生變化，材料的性質(zhì)未發(fā)生改變，可視為一種塑性變形。

第二十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日第四節(jié)塑性變形對組織性能的影響一、對力學性能的影響加工硬化的工程意義：加工硬化是強化材料的重要手段，尤其是對于那些不能用熱處理方法強化的金屬材料。加工硬化有利于金屬進行均勻變形。因為金屬已變形部分產(chǎn)生硬化，將使繼續(xù)的變形主要在未變形或變形較少的部分發(fā)展。加工硬化給金屬的繼續(xù)變形造成了困難，加速了模具的損耗，在對材料要進行較大變形量的加工中將是不希望的，在金屬的變形和加工過程中常常要進行“中間退火”以消除這種不利影響，因而增加了能耗和成本。產(chǎn)生加工硬化材料在變形后，強度、硬度顯著提高，而塑性、韌性明顯下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。第二十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日二、對組織形貌的影響第四節(jié)塑性變形對組織性能的影響晶粒變形金屬塑性變形時，隨著外形的改變，內(nèi)部晶粒的形狀也相應變化。通常晶粒沿變形方向被拉長(拉伸)或壓扁(壓縮)。變形的程度愈大，則晶粒形狀的改變也愈大。第二十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日二、對組織形貌的影響晶界模糊變形量很大時，晶界變得模糊不清，原因：位錯移出晶粒在邊界造成的臺階使晶界交錯，進一步降低了晶界的耐腐蝕性。纖維組織在金屬變形較大時，材料中的夾雜物也沿變形方向被拉長，形成了纖維組織。纖維組織的出現(xiàn)造成材料在不同方向上表現(xiàn)出不同的力學性能，即產(chǎn)生一定程度的各向異性，一般沿纖維方向的強度和塑性遠大于垂直方向，等等。第四節(jié)塑性變形對組織性能的影響第二十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日二、對組織形貌的影響亞結構形成在金屬未變形或少量變形時，位錯密度的分布一般是均勻的。但在大量變形之后，由于位錯的運動和交互作用，位錯不均勻分布，并使晶粒碎化成許多位向略有差異的亞晶粒。亞晶粒邊界上聚集大量位錯，而內(nèi)部的位錯密度相對低得多。隨著變形量的增大，產(chǎn)生的亞結構也越細。整個晶粒內(nèi)部的位錯密度的提高將降低了材料的耐腐蝕性。第四節(jié)塑性變形對組織性能的影響第二十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日三、變形織構的產(chǎn)生

金屬晶粒的取向一般是無規(guī)則的隨機排列，盡管每個晶粒有各向異性，宏觀性能表現(xiàn)出各向同性。當金屬經(jīng)受大量(70%以上)的一定方向的變形之后,晶粒的轉動造成晶粒取向趨于一致，形成了“擇優(yōu)取向”，即某一晶面在某個方向出現(xiàn)的幾率明顯高于其他方向。金屬大變形后形成的這種有序化結構叫做變形織構，它使金屬材料表現(xiàn)出明顯的各向異性。第四節(jié)塑性變形對組織性能的影響對工程應用的影響：在大多數(shù)情況下是不利的，如有織構的金屬板材沖制筒形零件，不同方向上塑性的差別較大，深沖后零件的邊緣不齊出現(xiàn)“制耳”現(xiàn)象；另外在不同方向上變形不同，制成的零件的硬度和壁厚會不均勻，等等。但織構有時也能帶來好處，制造變壓器鐵芯的硅鋼片，利用織構可大大提高變壓器的效率。第二十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日四、增加了殘余內(nèi)應力

塑性變形后材料內(nèi)部的殘余內(nèi)應力明顯增加，主要是由于材料在外力作用下內(nèi)部變形不均勻所造成的。第四節(jié)塑性變形對組織性能的影響第一類內(nèi)應力材料表層和心、這一部分和那一部分變形不均勻，造成平衡于它們之間的宏觀內(nèi)應力.第二類內(nèi)應力相鄰晶粒取向不同引起變形不均勻，或晶內(nèi)不同部位變形不均勻，會造成微觀內(nèi)應力.第三類內(nèi)應力位錯等缺陷的增加，會造成晶格畸變.

第三類內(nèi)應力占絕大部分，是變形金屬強化的主要原因。但耐腐蝕性下降。第一、二類內(nèi)應力占的比例不大，但當進一步加工會打破原有平衡，引起材料的變形；或者和零件使用應力發(fā)生疊加，引起材料的破壞。所以一般都要用退火的辦法盡量將其消除。第二十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日第五節(jié)變形后金屬的加熱變化引言

1)冷變形后的金屬材料存在加工硬化和殘余內(nèi)應力等性能變化，在很多情況下并不是人門希望的，可以通過加熱引起的組織變化來改變這些性能。

2)在材料的內(nèi)部的晶粒破碎拉長，位錯等缺陷大量增加和存在的內(nèi)應力都使材料存在彈性應變能，使其內(nèi)能升高處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，系統(tǒng)本身就存在釋放能量的潛力，當溫度提高后，原子的活動能力增強，原子在熱運動中會使材料朝著減少缺陷、降低能量的方向發(fā)展，造成組織和性能的變化。第二十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日一、冷變形后的材料加熱轉變對冷變形的塑性材料重新加熱，隨著加熱的溫度和保溫時的不同，發(fā)生的變化大致可以分為三個階段：回復、再結晶和晶粒的長大，他們都是減少或消除結構缺陷的過程。材料的內(nèi)應力、晶粒尺寸、強度、塑性等性能也發(fā)生對應變化。

第五節(jié)變形后金屬的加熱變化第三十頁，共四十二頁，2022年，8月28日二、回復第五節(jié)變形后金屬的加熱變化回復概念

在加熱溫度較低時，僅因金屬中的一些點缺陷和位錯的遷移而引起的某些晶內(nèi)的變化?；貜碗A段一般加熱溫度在0.4Tm以下?；貜偷慕M織性能變化宏觀應力基本去除，微觀應力仍然殘存；物理性能，如電阻率，有明顯降低，有的可基本回到未變形前的水平；力學性能，如硬度和流變應力，覺察不到有明顯的變化；光學金相組織看不出任何變化，溫度較高發(fā)生回復，在電子顯微鏡下可間到晶粒內(nèi)部組織的變化。第三十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日三、再結晶第五節(jié)變形后金屬的加熱變化1.基本過程

經(jīng)過塑性變形后的金屬材料在加熱到較高溫度時(一般大于0.4Tm)，可以發(fā)生晶粒的重新改組。同結晶過程類似，首先在材料中變形嚴重，即位錯或其他缺陷集中處，形成新的無畸變的小晶粒，這些小晶粒消耗周圍發(fā)生過變形的晶體而不斷長大，同時也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒全部代替變形過的晶體。這個過程也是一形核和核心長大，稱為再結晶。

2.結果

材料發(fā)生了再結晶后，由于全部用新生成的晶粒替換了原發(fā)生過塑性變形的晶粒，所以材料經(jīng)過再結晶后，由冷塑性變形帶來的所有性能變化就全部消失，材料的組織發(fā)生了變化，性能完全徹底回到變形前的狀態(tài)。第三十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日三、再結晶第五節(jié)變形后金屬的加熱變化3.特點再結晶過程不是相變，盡管冷塑性變形后的發(fā)生再結晶，晶粒以形核和晶核長大來進行，但變化前后的晶粒成分相同，晶體結構并未發(fā)生變化，因此它們是屬于同一個相。再結晶沒有確定的轉變溫度，再結晶是在溫度達到一定程度后，原子活動能力增強發(fā)生遷移進行晶格位置的重排，溫度愈高，完成愈快，沒有固定溫度，但有一溫度下限，這個溫度稱為再結晶開始溫度。決定再結晶溫度的因素有：材料冷變形程度愈大，再結晶開始溫度愈低；熔點高、雜質(zhì)原子多(純度低），再結晶開始溫度愈高；延長加熱的保溫時間可以在較低溫度下達到同樣效果。工程用金屬材料，一般再結晶溫度可用0.4TM來估計。第三十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日四、晶粒長大第五節(jié)變形后金屬的加熱變化1.長大動力

再結晶完成后，金屬獲得均勻細小的晶粒，但潛伏著長大的趨勢，因為晶粒長大后，晶粒變大，則晶界的總面積減小，總界面能也就減小。所以只要條件滿足，晶粒就會自行長大。2.晶粒的正常長大

在長大過程中，所有能長大晶粒都處在大致相同的環(huán)境，長大后的晶粒大小分布統(tǒng)計結果相同。長大方式以大吃小的兼并方式進行。晶粒長大的最終結果是材料的晶粒平均尺寸變大。3.晶粒的非正常長大在長大過程中，一般晶粒在正常緩慢長大時，如果有少數(shù)晶粒處在特別優(yōu)越的環(huán)境，這些大量吞食周圍晶粒，迅速長大。第三十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日晶粒非正常長大圖片

第五節(jié)變形后金屬的加熱變化第三十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日五、再結晶后的晶粒尺寸

1、預先變形量1)在臨界變形量(不同材料不相同,一般金屬在2—10%之間)以下,材料不發(fā)生再結晶，維持原來的晶粒尺寸；2)臨界變形量附近,因核心數(shù)量很少而再結晶后的尺寸很大,有時甚至可得到單晶;3)通常隨著變形量增加，再結晶的晶粒尺寸不斷減小,當變形量過大(>70%)后，可能產(chǎn)生明顯織構，在退火溫度高時發(fā)生晶粒的異常長大。第三十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日五、再結晶后的晶粒尺寸

2、退火溫度和時間其它條件相同時，退火溫度高、保溫時間長，所得到的晶粒尺寸愈大。再結晶剛結束時，晶粒尺寸一般相差不明顯，但退火溫度高，完成再結晶用的時間少，長大的時間就長，長大速度快。隨退火溫度的提高而晶粒尺寸增大。再結晶退火一般均采用保溫2小時，保證再結晶充分完成而晶粒不過分長大，延長保溫時間顯然會造成晶粒尺寸的長大。第五節(jié)變形后金屬的加熱變化第三十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日六、再結晶應用第五節(jié)變形后金屬的加熱變化回復去應力退火，消除應力，穩(wěn)定組織；再結晶再結晶退火，消除加工硬化效果，消除組織各向異性；晶粒長大在工藝過程中避免產(chǎn)生。第三十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日第六節(jié)金屬的熱塑性變形引言

冷態(tài)對材料進行塑性變形會產(chǎn)生加工硬化，當材料成形需要較大的變形量時，可以經(jīng)過一段變形后，進行一次再結晶退火，再來繼續(xù)進行塑性變形，再退火，直到達到需要的變形程度。金屬材料的強度和硬度會隨溫度的上升而下降，塑性會隨溫度的升高而升高。在較高的溫度下進行塑性變形，材料的抗力小，變形所用的動力(外加