金屬的塑性變形和加工硬化課件

1、第3章金屬的塑性變形和加工硬化，3.1單晶的塑性變形和加工硬化在金屬的塑性變形中，變形程度增加，其強度和硬度增加，而塑性降低。為什么金屬在冷塑性變形過程中會強化？如何實現(xiàn)強化？哪些因素受到影響，其強化的變化規(guī)律如何？1。為了學習交流PPT，首先分析了純金屬單晶的塑性變形過程。圖3.1典型金屬的應力-應變曲線在各種結構的金屬中，面心立方金屬的硬化機理得到了深入的研究，并以面心立方金屬為例進行了說明。2，學習交流PPT，1。面心立方晶格單晶的成形變形1。應力應變曲線，圖3.2面心立方單晶的典型應力應變曲線，3。學習交流PPT，典型曲線有三個階段特征：第一階段特征：1)加工硬化率低()；2)滑移線細

2、、長且分布均勻；3)加工硬化速率對晶體取向和雜質非常敏感；4)滑移線上的位錯數(shù)量可能非常大；5)三種晶體結構中沒有螺旋位錯，這可能是由于兩個不同數(shù)目的螺旋位錯在相鄰滑移面相遇時被湮沒所致。螺旋位錯只能在低堆垛層錯能的合金中看到(如銅-10%鋁)。位錯組態(tài)通常是邊緣位錯多極排列。4、學會交流PPT，第二階段的特點是：1)加工硬化率()很高，且與應變呈線性關系；2)加工硬化速率對金屬或合金成分的種類(只要它是面心立方晶體)和晶體的取向不敏感；3)滑移線長度具有以下隨變量變化的規(guī)律：4)每條滑移線中的位錯數(shù)大致不變；5)位錯結構纏結形成細胞結構。5，學會交流PPT，第三階段特征：1)加工硬化率()降

3、低，曲線呈拋物線狀；2)變形溫度和堆垛層錯能對第三階段有影響；3)該階段是一個熱激活過程，隨著溫度的升高，該階段開始時的應力迅速降低；4)內(nèi)部構造的變化以滑移帶的出現(xiàn)為特征。隨著變形的增加，滑移集中在滑移區(qū)，滑移區(qū)之間不再出現(xiàn)新的滑移痕跡，但在滑移區(qū)可以看到交叉滑移。6、學會溝通PPT，在加工硬化的第三階段有軟化現(xiàn)象?？铺乩谞柡退雇锌税l(fā)現(xiàn)，如果純鋁在90K變形到第二階段，然后溫度升高，然后在室溫下進行實驗，會有明顯的產(chǎn)量下降。這表明低溫下的硬化會突然被部分消除，顯然低溫變形時形成的位錯結構是不穩(wěn)定的，并在室溫下發(fā)生變化。因此，證明了鋁在室溫下的屈服點不是由點缺陷的擴散或雜質原子偏析成位錯線和釘

4、扎位錯引起的。從上述實驗結果可以看出，易滑移階段只在主滑移系統(tǒng)上移動，次滑移系統(tǒng)上的位錯參與了第二階段的滑移變形，螺旋位錯的交叉滑移發(fā)生在第三階段。2、影響應力-應變曲線的主要因素，1)取向的影響面心立方金屬單晶應力-應變曲線的形狀與樣品的取向密切相關。圖3.3拉伸-室溫下不同取向單晶鋁的應力-應變曲線；77K，8，學習交換PPT，2)堆垛層錯能和金屬純度的影響，堆垛層錯能影響第一階段前的變形發(fā)展。對于室溫下具有高堆垛層錯能的金屬，擴展位錯容易成束并產(chǎn)生交叉滑移，其值小于4-5，應力-應變曲線迅速進入第一階段；低堆垛層錯能金屬的堆垛層錯能大于20，因為它很難捆綁和傳遞位錯，也很難產(chǎn)生多系統(tǒng)滑移

5、。雜質原子顯然會影響舞臺的長度。主要從兩個方面：雜質原子對堆垛層錯能的影響和分散第二相的形成。9，學會交流PPT，3)溫度的影響，w，10，研究面心立方金屬變形單晶的表面現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)無論堆垛層錯能是高還是低，只要它在同一階段發(fā)生變形，它就具有相同的表面現(xiàn)象。各階段的觀察和研究結果總結如下：階段1；光學顯微鏡一般看不到滑移線。階段：暗視野下光學顯微鏡可以看到滑移線，滑移線長度隨著應變的增加而減小。電子顯微鏡觀察到的單滑移線比第一階段的滑移線粗而短。第一階段：出現(xiàn)滑動帶，包括相互靠近的滑移線。當應變增加時，在帶之間沒有增加新的線，變形集中在原始帶中，并且?guī)У哪┒吮黄茐?。所謂碎裂現(xiàn)象是指相互連接的滑動

6、帶的橫向運動現(xiàn)象。11，學習交流PPT，2。BCC晶格單晶的塑性變形，高純BCC金屬在室溫下的應力-應變曲線與面心立方金屬相似。如果含有少量雜質原子或在低溫下變形，會產(chǎn)生明顯的屈服現(xiàn)象，不能得到三階段硬化曲線。圖3.4鈮單晶的加工硬化，12。學習交流PPT，3。HCP晶格單晶的塑性變形。HCP金屬應力-應變曲線第一階段的硬化速率與面心立方金屬相似，但通常限于一組基底滑移，并且出現(xiàn)較長的第一階段，遠遠超過其他結構的晶體，因此樣品在第一階段充分發(fā)揮作用之前就斷裂了。但當條件成熟時，將有三個完整的階段。圖3.5鋅單晶的加工硬化，13。學習交流PPT，3.2金屬多晶的塑性變形，其中大部分是多晶。多晶是

7、具有不同取向、形狀和尺寸以及不同成分和結構的晶粒通過晶界的集合。多晶的塑性變形是許多單晶塑性變形的集合。然而，由于不同的晶粒取向、晶界和晶粒尺寸，多晶體的塑性變形和強化具有許多不同于單晶的特征。1.晶界在塑性變形中的作用。為了顯示晶界對變形的影響，可以對由幾個晶粒組成的大晶體進行變形，并且可以觀察和測量其變形分布。下圖：圖3.6當總變形相同時，多晶鋁的幾個晶粒的實際變形；15.學習交流PPT，從圖中可以看出：1)當總變形相同時，不僅每個晶粒的實際變形不同，而且每個晶粒內(nèi)部的實際變形程度也不一致。2)晶界處的變形程度小于晶粒內(nèi)部的變形程度，表明晶界處很難變形；這也表明晶界在促進變形不均勻分布中起

8、著重要作用。16、學會交換PPT，晶界對塑性變形過程的影響主要是晶界阻礙低溫滑移引起的阻礙強化和變形連續(xù)性所需的晶界附近多系統(tǒng)滑移引起的強化。1.晶界勢壘強化由于晶界兩側晶粒取向不同，不易從一個晶粒滑移到下一個晶粒，晶界具有阻礙塑性變形的作用。為了將塑性變形從一個晶粒傳遞到下一個晶粒，需要施加更大的外力，這就是晶界的阻隔強化效應。17，學會交換PPT，2。多系統(tǒng)滑移強化，在多晶材料中，一個晶粒在不破壞晶界連續(xù)性的情況下產(chǎn)生滑移變形，相鄰晶粒必須有相應的協(xié)調(diào)變形。一旦變形擴展到相鄰晶粒，多晶的塑性變形產(chǎn)生多系統(tǒng)滑移。位錯運動比單系統(tǒng)滑移遇到更多的障礙，阻力增加。此外，隨著變形量的增加，阻力迅速增

9、加，這是多系統(tǒng)滑移引起的強化效應。在不同的晶體結構中，多系統(tǒng)滑移強化和勢壘強化的效果不同。體心立方和面心立方晶體金屬中有許多滑移系統(tǒng)，多系統(tǒng)滑移強化的效果遠大于障礙物當外力作用在多晶上時，由于晶粒取向不同，作用在各晶粒滑移系上的剪應力也不同，因此各晶粒的變形也不同。在單一晶粒中，在晶界附近很難變形。一般來說，晶界處的變形低于晶粒中心處的變形。與不同尺寸的晶粒相比，細晶粒具有更大的強化效果。細晶組織的硬度一般高于粗晶組織，因為細晶組織中的晶界比例大于粗晶組織中的晶界比例。19，學會交換PPT，2，晶界的本質，1，晶界處的晶格畸變大，并且有晶界能；2.晶界原子排列的不規(guī)則性；3.晶界上的原子偏離它

10、們的平衡位置，具有較高的動能；4.晶界上有許多缺陷，如空位和位錯。5.原子在晶界的擴散速度很快。6.晶界熔點低。20。學會交換PPT。第三，晶界對晶體強度的影響。多晶和單晶變形的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下兩個方面：1)多晶材料有晶界；2)多晶體中各晶粒的取向不同。實驗表明，多晶材料的流變應力與晶粒直徑的平方根成反比，即Hall- Petch關系=* kd-1/2，21，學習交替PPT第四，金屬多晶應力-應變曲線，該金屬流變曲線很好地表現(xiàn)了金屬塑性變形過程的特征。應力應變曲線常用于描述金屬在塑性變形過程中的強化規(guī)律。影響金屬變形強化的各種因素(如晶格類型、金屬類型、晶粒尺寸、變形溫度、變形速度、加載方式

11、等)。)會影響應力-應變曲線的特征和數(shù)值。22，學習交流PPT，1。面心立方晶格金屬多晶的變形、多晶面心立方晶格金屬的典型應力應變曲線通常用拋物線來描述。人們經(jīng)常提出不同的關系表達式來概括描述它們。典型方程是：圖3.7鋁多晶在77K，23時的應力-應變曲線。學習交流PPT，第一階段，在12%應變之前，拋物線關系是：然后是曲線的直線部分(第二階段)；最后第二個拋物線部分(第三階段):24，這個明顯的屈服點是由間隙原子如碳、氮和氧雜質的少量富集引起的。體心立方晶格的大部分曲線低于面心立方晶格金屬的曲線，即體心立方晶格金屬的加工硬化率實際上很低。圖3.8不同溫度下區(qū)域精鐵的應力-應變曲線，25。學習

12、交流電PPT和BCC晶格金屬的屈服理論。與HCP晶格金屬和面心立方晶格金屬相比，當溫度低于0.2Tm左右時，面心立方晶格金屬對屈服應力影響較大，屈服應力與應變速率明顯相關。顯然，為了解釋這一現(xiàn)象，有必要解釋與溫度密切相關的位錯釘扎或位錯阻塞機制。解釋屈服應力的最重要機制是：1)間隙原子位錯氣團；2)位錯上的細小沉淀；3)Peeris-Nabarro力阻礙位錯運動，26。學習交流PPT，3。致密六方晶格多晶體的塑性變形。密排六方晶格多晶體的塑性變形與單晶的變形方式不同，在多晶體孿晶、扭結帶形成和非基底滑移中起著基本作用，但沿基底平面很難發(fā)生易滑移。對密排六方晶格金屬雙晶和多晶性能的觀察表明，它們

13、的形變強化主要依賴于非基面滑移的存在。27，學會交換PPT，晶粒尺寸對六方晶格多晶體的塑性和流動應力有影響。在具有緊密六邊形晶格的金屬和合金中，高的Ky值是由滑移系的限制和大的取向因子m決定的。大的取向因子m及其值表明對晶粒尺寸有很強的依賴性。流動應力隨著晶粒尺寸的減小而增加，這不是由于晶界的存在，而是由于被晶界分隔的晶粒之間的相互作用。變形的可能性，28，學習交流PPT，5。影響多晶體1應力-應變曲線的主要因素受晶格類型和金屬類型的影響，體心立方金屬的硬化速率大致相同，其硬化效果比面心立方金屬差。然而，也是面心立方晶體的金屬的硬化速率是非常不同的。其原因是體心立方金屬存在許多滑移系，容易產(chǎn)生

14、橫向滑移，這是其硬化率低的主要原因之一。面心立方晶體硬化速率差異很大的現(xiàn)象可能是由于不同的堆垛層錯能造成的。29、學習交流PPT，應力-應變曲線的另一個特點是明顯的屈服效應和體心立方金屬的動態(tài)變形時效現(xiàn)象。原因是雜質原子在晶界附近容易分離。由于溶質原子，特別是間隙原子和位錯之間的強相互作用，歌迪亞氣團被牢牢釘在位錯上，應力-應變曲線出現(xiàn)屈服效應現(xiàn)象。當溫度從室溫升高時，發(fā)生動態(tài)變形時效，上下屈服點反復出現(xiàn)。這種現(xiàn)象被稱為波特模式李沙特里效應。圖3.9鋼的動態(tài)應變時效，30，學習PPT，2。變形溫度和應變速率的影響，溫度對加工硬化有很大影響。隨著溫度的升高，硬化系數(shù)降低，對應于一定變形程度的屈服

15、應力也降低。原因是：1)隨著溫度的升高，可能會啟動新的滑移系統(tǒng)；2)隨著溫度的升高，變形過程中會出現(xiàn)回復和再結晶現(xiàn)象；3)隨著溫度的升高，可能會出現(xiàn)新的塑性變形機制。31，學習交換PPT，體心立方晶體對溫度的敏感性特別突出。在低溫下，屈服應力的上升尤為突出。其原因如下：1)體心立方晶體的晶格電阻更依賴于溫度，其晶格電阻因位錯寬度窄而對屈服強度起重要作用。2)體心立方晶體中的位錯與溶質原子，特別是間隙原子強烈相互作用。在低溫下，體心立方晶體的屈服應力值非常高，并且容易發(fā)生脆性斷裂，即，體心立方晶體在低溫下是脆性的。此外，體心立方晶體的屈服效應明顯，存在動態(tài)變形時效溫度范圍。32，學會交換PPT，

16、應變率對加工硬化的影響是雙重的，包括兩個因素：應變率效應，它由于應變率的增加和軟化機制的延遲而引起屈服應力的增加；在變形過程中，由于高應變率(正如變形熱在絕熱過程中損失太晚一樣)，塑性功轉變變熱，這增加了變形物體的溫度，并產(chǎn)生降低屈服應力的溫度效應。法律很復雜。應變速率對加工硬化的影響用屈服應力的相對增加值(單位應變速率增加時屈服應力增量與原始屈服應力值的比值)來表示，稱為速率效應。圖3.10溫度對應變率效應的影響高溫區(qū)(完全軟化區(qū))的應變率效應影響最大。在此溫度范圍內(nèi)，塑性變形機制基本上是擴散機制和晶間滑動機制。過渡區(qū)的應變率效應在中間。在此溫度范圍內(nèi)，它具有回復和再結晶軟化機制。低溫區(qū)的影響最小，控制該溫度區(qū)的變形機制是剪切機制。3.3溫度和應變速率對流變應力的影響。許多金屬晶體的流變應力隨著溫度的升高和應變率的降低而降低，但當溫度升高到一定值時，流變應力不再發(fā)生變化(如果剪切模量不受溫度影響，流變應力是一個恒定值)。西格將流動應力分為兩部分：前一