52 材料的塑性变形.ppt

第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶5.2 5.2 材料的塑性变形材料的塑性变形 单晶体的单晶体的塑性变形塑性变形 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 合金的塑性变形合金的塑性变形 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶5.2.1 5.2.1 单晶体的单晶体的塑性变形塑性变形 塑性变形塑性变形是永久性变形。是永久性变形。常温或低温下，单晶体的常温或低温下，单晶体的塑性变形塑性变形主要有主要有滑移滑移、孪生孪生，还有，还有扭折扭折。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶1.1.滑滑 移移 (1)(1)滑移的显微观察滑移的显微观察 由由大大量量位位错错移移动动而而导导致致晶晶体体的的一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分，沿沿着着一一定定晶晶面面和和晶晶向向作作相相对对的的移移动动，即即晶晶体体塑塑性性变形的滑移机制。右下图铜中的滑移带（变形的滑移机制。右下图铜中的滑移带（500500）第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶（2 2）滑移线和滑移带）滑移线和滑移带滑滑移移带带（slip slip bandband）是是由由一一系系列列相相互互平平行行更更细细的的线线组组成成的的。这这些些线线为为滑滑移移线线（slip slip lineline）。滑滑移移线线实实际上是在晶体表面产生的小台阶。际上是在晶体表面产生的小台阶。下图滑移线和滑移带示意图下图滑移线和滑移带示意图第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶（3 3）滑移系）滑移系 滑滑移移是是沿沿着着特特定定的的晶晶面面(称称为为滑滑移移面面 slip slip plane)plane)和和晶晶向向(称称为为滑滑移移方方向向 slip slip direction)direction)上上运运动动。一一个个滑滑移移面面和和其其上上的的一一个个滑滑移移方方向向组组成成一一个个滑滑移移系系（slip slip systemsystem）。滑滑移移系系表表示示晶晶体体在在进进行行滑滑移移时时可可能能采采取取的的空间取向。空间取向。滑滑移移系系的的个个数数=(=(滑滑移移面面个个数数）（每每个个面面上上所所具具有有的滑移方向的个数）的滑移方向的个数）第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶结结结结论论论论:滑滑移移与与滑滑移移面面密密排排程程度度和和滑滑移移方方向向个个数数有有关关；滑滑移移面面和和滑滑移移方方向向往往往往是是金金属属晶晶体体中中原原子子排排列列的的最最密密排排面面和和最最密密排排晶晶向向。如如fccfcc：111111；bccbcc：110110、112112和和123123 ；hcphcp：00010001 滑滑移移系系主主要要与与晶晶体体结结构构有有关关。每每一一种种晶晶格格类类型型的的金金属属都都有有特特定定的的滑滑移移系系，且且滑滑移移系系数数量量不不同同。晶晶体体结结构构不不同同，滑滑移移系系不不同同；一一般般晶晶体体中中滑滑移移系系越越多多，滑滑移移越越容容易易进进行行，塑塑性性越越好好。如如：fccfcc中中有有（6262）1212个个,bccbcc中中有有1212（62621211212412414848）个个，hcphcp中有（中有（3131）3 3个。个。与同时开动滑移系数目有关（与同时开动滑移系数目有关（k k）第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶三种常见金属晶体结构的滑移系三种常见金属晶体结构的滑移系第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶（4 4）滑移的临界分切应力（）滑移的临界分切应力（k k）能能使使晶晶体体滑滑移移的的力力是是外外力力在在滑滑移移系系上上的的分分切切应应力力。通通常常把把给给定定滑滑移移系系上上开开始始产产生生滑滑移移所所需需分分切切应应力力称称为为滑滑移移的的临界分切应力（临界分切应力（critical resolved shear stress）。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶 计算方法（计算分切应力的分析图）计算方法（计算分切应力的分析图）计算方法（计算分切应力的分析图）计算方法（计算分切应力的分析图）:对对一一个个单单晶晶圆圆柱柱体体(截截面面积积为为A)试试样样作作拉拉伸伸试试验验，滑滑移移面面的的面面积积A/cos,作作用用在在此此滑滑移移面面上上的的力力Fcos,作作用用在在滑滑移移面面上上的的分分切切应应力力=Fcoscos/A.分分切切应应力力作作用用在在滑滑移移方方向向使使晶晶体体产产生生滑滑移移，F/A为为s，则：，则：k=scoscos coscos为为取取向向因因子子（orientation factor），该该值值越越大大，越越大大，越越有有利利于于滑移。滑移。在在拉拉伸伸时时，可可以以粗粗略略认认为为金金属属单单晶晶体体在在外外力力作作用用下下，滑滑移移系系一一开开动动就就相相当当于于晶晶体体开开始始屈屈服服，此此时时，对对应应于于临临界界分分切应力的外加应力就相当于屈服强度切应力的外加应力就相当于屈服强度S第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶 当当滑滑移移面面法法线线方方向向、滑滑移移方方向向与与外外力力轴轴三三者者共共处处一一个个平平面面，则则=45=45时时，coscoscoscos=1/2=1/2，此此取取向向最最有有利利于于滑滑移移，即即以以最最小小的的拉拉应应力力就就能能达达到到滑滑移移所所需需的的分分切切应应力力，称称此此取取向向为为软软取取向向。当当外外力力 与与 滑滑 移移 面面 平平 行行 或或 垂垂 直直 时时（=90=90或或=0=0），则则s s，晶晶体体无无法法滑滑移移，称称此此取取向向为为硬硬取向取向。取向因子取向因子coscoscoscos对对s s的的影响在只有一组滑移面的密排六影响在只有一组滑移面的密排六方结构中尤为明显。方结构中尤为明显。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶（5 5）滑移时晶体的转动）滑移时晶体的转动 随随着着滑滑移移的的进进行行，晶晶体体的的取取向向发发生生改改变变的的现现象象称称为为晶晶体体的的转转动动。对对于于密密排排六六方方结结构构结结构构，这这种种现现象象尤尤为为明明显显。拉拉伸伸时时，滑滑移移面面和和滑滑移移方方向向逐逐渐渐趋趋于于平平行行于于拉拉伸伸轴轴线线方方向向。压压缩缩时时，滑滑移面逐渐趋于与压力轴线方向垂直。移面逐渐趋于与压力轴线方向垂直。滑滑移移时时不不仅仅滑滑移移面面发发生生转转动动，而而滑滑移移方方向向也也逐逐渐渐改改变变，滑滑移移面上的分切应力也随之改变。面上的分切应力也随之改变。=45=45时分切应力最大。时分切应力最大。经经滑滑移移转转动动后后，若若角角趋趋近近于于4545，则则分分切切应应力力逐逐渐渐增增大大，滑滑移移越越来来越越容容易易，称称为为几几何何软软化化(geometrical(geometrical softening)softening)；若若 角角 远远 离离4545，则则滑滑移移越越来来越越困困难难，称称为为几几何何硬硬化化(geometrical(geometrical hardening)hardening)。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶（6）多系滑移）多系滑移 单单滑滑移移：只只有有一一个个特特定定的的滑滑移移系系处处于于最最有有利利的的位位置置而而优优先先开开动动时时，形形成成单单滑滑移移。多多滑滑移移（multislip/polyslipmultislip/polyslip）由由于于变变形形时时晶晶体体转转动动的的结结果果，有有两组或几组滑移面同时转到有利位向，两组或几组滑移面同时转到有利位向，例例如如fccfcc中中滑滑移移系系：111110111，4 4个个111111面面构构成成一一个个八八面面体体，当当拉拉力力轴轴为为001001时时，由由图图中中可可以以得得出出：对对所所有有的的111111面面，角角都都是是相相同同的的，为为54.754.7。角角对对 T01T01、101101、011011、0T10T1也也是是相相同同的的，为为4545。锥锥体体底底面面上上的的两两个个方方向向与与001001垂垂直直,则则8 8面面体体上上有有42=842=8个个取取向向因因子子相相同同的的滑滑移移系系，当当=k k时时可可同同时时开开动动。但但这这些些滑滑移移系系由由不不同同的的滑滑移移面和滑移方向构成，滑移时发生交互作用，产生交割和反应。面和滑移方向构成，滑移时发生交互作用，产生交割和反应。等等效效滑滑移移系系：各各滑滑移移系系的的滑滑移移面面和和滑滑移移方方向向与与力力轴轴夹夹角角分分别别相相等等的的一一组组滑滑移系。移系。交交滑滑移移（cross-slipcross-slip）：指指两两个个或或多多个个滑滑移移面面共共同同沿沿着着一一个个滑滑移移方方向向的的滑滑移移。交交滑滑移移的的实实质质是是螺螺位位错错在在不不改改变变滑滑移移方方向向的的情情况况下下，从从一一个个滑滑移移面面滑滑到到交交线线处处，转转到到另另一一个个滑滑移移面面的的过过程。程。bcc bcc结构中最易发生交滑移。结构中最易发生交滑移。注意多系滑移和交滑移的区别？注意多系滑移和交滑移的区别？注意多系滑移和交滑移的区别？注意多系滑移和交滑移的区别？第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶滑移的表面痕迹滑移的表面痕迹 单单单单滑滑滑滑移移移移：单单一一方方向的滑移带；向的滑移带；多多多多滑滑滑滑移移移移：相相互互交交叉的滑移带；叉的滑移带；交交交交滑滑滑滑移移移移：波波纹纹状状的滑移带。的滑移带。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶（7 7）滑移中的位错机制）滑移中的位错机制 滑滑移移是是借借助助于于位位错错在在滑滑移移面面上上运运动动来来逐逐步步进进行行的的；晶晶体体的的滑滑移移必必在在一一定定外外力力作作用用下下才才能能发发生生，说说明明位位错错运运动动要要克克服服阻力阻力，该，该阻力来自点阵阻力阻力来自点阵阻力，称为，称为PNPN力力，其大小为：，其大小为：P P P PN N N N=2Gexp=2Gexp=2Gexp=2Gexp（2W/b2W/b2W/b2W/b）/（1 1 1 1）P PN N与与W W呈指数关系，呈指数关系，d d增大，增大，w=d/w=d/（1 1）增大，增大，b b减小，减小，则则P PN N下降，滑移阻力小下降，滑移阻力小,滑移容易进行。滑移容易进行。位错的阻力：点阵阻力、位错间的交互作用力产生的阻力、位错的阻力：点阵阻力、位错间的交互作用力产生的阻力、位错交割后的钉扎作用、位错与其他点缺陷的作用产生的阻位错交割后的钉扎作用、位错与其他点缺陷的作用产生的阻力。这些均导致位错的强化。力。这些均导致位错的强化。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶刃位错的滑移示意图刃位错的滑移示意图刃位错的滑移示意图刃位错的滑移示意图刃位错和螺位错的滑移模型刃位错和螺位错的滑移模型第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶 2.2.孪生孪生 (1)(1)孪孪生生变变形形：是是在在切切应应力力作作用用下下，晶晶体体的的一一部部分分沿沿一一定定晶晶面面(孪孪晶晶面面：twining twining planeplane)和和一一定定方方向向(孪孪生生方方向向；twining twining directiondirection)相相对对于于另另一一部部分分作作均均匀匀的的切切变变（协协同同位位移移）所所产产生生的的变变形形。但但是是不不同同的的层层原原子子移移动动的的距距离离也也不不同同。变变形形与与未未变变形形的的两两部部分分晶晶构构成成镜镜面面对对称称,合合称称为为孪孪晶晶（twintwin）。均均匀匀切切变变区区与未切变区的分界面称为与未切变区的分界面称为孪晶界孪晶界。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶FCCFCCFCCFCC晶体孪生变形晶体孪生变形晶体孪生变形晶体孪生变形FCCFCC晶体的孪生面是（晶体的孪生面是（111111），孪生），孪生方向是方向是11-2 11-2。图。图2 2是是FCCFCC晶体孪晶体孪生示意图。生示意图。fccfcc中孪生时每层晶面中孪生时每层晶面的位移是借助于一个不全位错的位移是借助于一个不全位错（b=a/611-2b=a/611-2）的移动造成的，）的移动造成的，各层晶面的位移量与其距孪晶面的各层晶面的位移量与其距孪晶面的距离成正比。孪晶在显微镜下观察距离成正比。孪晶在显微镜下观察呈带状或透镜状。每层（呈带状或透镜状。每层（111111）面）面的原子都相对于邻层（的原子都相对于邻层（111111）晶面）晶面在在11-2 11-2 方向移动了此晶向原子方向移动了此晶向原子间距的一个分数值。间距的一个分数值。右图右图2 2中带浅咖啡色的部分为原子中带浅咖啡色的部分为原子移动后形成的孪晶。可以看出，孪移动后形成的孪晶。可以看出，孪晶与未变形的基体间以孪晶面为对晶与未变形的基体间以孪晶面为对称面成镜面对称关系。如把孪晶以称面成镜面对称关系。如把孪晶以孪晶面上的孪晶面上的11-2 11-2 为轴旋转为轴旋转180180度，度，孪晶将与基体重合。其他晶体结构孪晶将与基体重合。其他晶体结构也存在孪生关系，但各有其孪晶面也存在孪生关系，但各有其孪晶面和孪晶方向。和孪晶方向。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶铜中的变形孪晶铜中的变形孪晶锌中的变形孪晶锌中的变形孪晶第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶(2)(2)孪生的特点孪生的特点 孪孪生生变变形形是是在在切切应应力力作作用用下下发发生生的的，并并通通常常出出现现于于滑滑移移受受阻阻的的应应力力集集中中区区。因因此此孪孪生生的的kk比比滑滑移移大大得得多多。hcphcp中中常常以以孪孪生生方方式式变变形形，bccbcc中中在在冲冲击击或或低低温温也也可可能能借借助助于于孪孪生生变变形形，fccfcc中一般不发生孪生变形。中一般不发生孪生变形。孪孪生生是是一一部部分分晶晶体体沿沿孪孪晶晶面面相相对对于于另另一一部部分分晶晶体体作作均均匀匀切变。而滑移是不均匀的。切变。而滑移是不均匀的。孪孪生生的的两两部部分分晶晶体体的的位位向向不不同同，形形成成镜镜面面对对称称的的位位向向关关系。而滑移后晶体各部分的位向并未改变。系。而滑移后晶体各部分的位向并未改变。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶 孪孪生生对对塑塑性性变变形形的的贡贡献献比比滑滑移移小小得得多多。但但孪孪生生能能改改变变晶晶体体取取向向，使使滑滑移转到有利位置。移转到有利位置。由于孪生变形后，局部切变可达较大数量，所以在变形试样的抛光面由于孪生变形后，局部切变可达较大数量，所以在变形试样的抛光面上可以看到浮凸，经重新抛光后，表面浮凸可以去掉，但因已变形区和未上可以看到浮凸，经重新抛光后，表面浮凸可以去掉，但因已变形区和未变形区的晶体位向不同，所以在偏光下或侵蚀后变形区的晶体位向不同，所以在偏光下或侵蚀后有明显的衬度，有明显的衬度，仍能看到仍能看到孪晶。而滑移变形后的试样经抛光后滑移带消失。孪晶。而滑移变形后的试样经抛光后滑移带消失。形变孪晶常见于密排六方和体心立方晶体（密排六方金属很容易产生孪形变孪晶常见于密排六方和体心立方晶体（密排六方金属很容易产生孪生变形），面心立方晶体中很难发生孪生。生变形），面心立方晶体中很难发生孪生。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶(3)(3)孪晶的类型及形成孪晶的类型及形成 按按 孪孪 晶晶（twintwin）形形 成成 原原 因因 可可 将将 孪孪 晶晶 分分 为为：变变 形形 孪孪 晶晶（deformation twinningdeformation twinning）、）、生长孪晶、退火孪晶生长孪晶、退火孪晶 变形孪晶变形孪晶变形孪晶变形孪晶(机械孪晶机械孪晶机械孪晶机械孪晶)：机械变形产生的孪晶。：机械变形产生的孪晶。特特征征：透透镜镜状状或或片片状状。其其形形成成通通过过形形核核和和长长大大两两个个阶阶段段生生产产。形形核核是是在在晶晶体体变变形形时时以以极极快快速速度度爆爆发发出出薄薄片片孪孪晶晶；生生长长是是通通过过孪孪晶晶界界的的扩扩展展使使孪孪晶晶增增宽宽。孪孪生生变变形形在在曲曲线线上上表表现现为为锯锯齿状变化，如下图。齿状变化，如下图。孪孪生生变变形形与与晶晶体体结结构构类类型型有有关关。hcphcp中中易易发发生生，fccfcc一一般般不不易易发发生生，但在极低温度下才会产生。但在极低温度下才会产生。生生生生长长长长孪孪孪孪晶晶晶晶：晶晶体体自自气气态态，液液态，或固体中长大时形成的孪晶。态，或固体中长大时形成的孪晶。退退退退火火火火孪孪孪孪晶晶晶晶：形形变变金金属属在在其其再再结晶过程中形成的孪晶。结晶过程中形成的孪晶。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶(4)(4)孪晶的位错机制孪晶的位错机制 孪孪生生变变形形（deformation deformation twinningtwinning）是是整整个个孪孪晶晶区区发发生生均均匀匀切切变变，其其各各层层面面的的相相对对位位移移是是借借助助于于一一个个ShockleyShockley不不完完全全位位错错移移动动而而造造成的。成的。形形变变孪孪晶晶是是通通过过位位错错增增值值的的极极轴轴机机制制形形成成的的。(如：如：L L型扫动位错型扫动位错)第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶3.3.扭折（扭折（linklink）扭扭折折与与孪孪生生不不同同的的是是它它使使扭扭折折区区晶晶体体的的取取向向发发生了不对称性的变化生了不对称性的变化。扭扭折折区区上上下下界界面面是是由由符符号号相相反反的的两两列列刃刃型型位位错错所所构构成成，而而每每一一弯弯曲曲区区是是由由同同号号位位错错堆堆积积而而成成，取向是逐渐弯曲过渡的。扭折还伴随形变孪晶。取向是逐渐弯曲过渡的。扭折还伴随形变孪晶。扭扭折折是是不不均均匀匀塑塑性性变变形形的的一一种种形形式式，它它是是在在滑滑移移和和孪孪生生难难以以实实现现，或或者者在在变变形形受受到到某某种种约约束束时时才才出出现现的的。在在扭扭折折带带中中，晶晶体体位位向向有有突突变变，有有可可能能使使该该区区域域内内的的滑滑移移系系处处于于有有利利的的位位置，从而产生滑移。置，从而产生滑移。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶4.4.位错塞积位错塞积 在在切切应应力力的的作作用用下下，F FR R位位错错源源所所产产生生的的大大量量位位错错沿沿滑滑移移面面的的运运动动过过程程中中，如如果果遇遇到到障障碍碍物物（固固定定位位错错、杂杂质质粒粒子子、晶晶界界）的的阻阻碍碍，领领先先的的位位错错在在障障碍碍前前被被阻阻止止，后后续续的的位位错错被被堵堵塞塞起起来来。形成位错的平面塞积群，称为形成位错的平面塞积群，称为位错塞积位错塞积。位位错错塞塞积积群群的的位位错错数数n n与与障障碍碍物物至至位位错错源源的的距距离离L L呈呈正正比比。塞塞积群在障碍处产生高度应力集中，其值积群在障碍处产生高度应力集中，其值为：为：=n=n0 00 0为滑移方向的分切应力值。为滑移方向的分切应力值。L L越大，越大，n n越多，越多，越大。越大。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶5.2.2 5.2.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 1.1.1.1.晶粒取向的影响晶粒取向的影响晶粒取向的影响晶粒取向的影响 晶界具有阻滞效应晶界具有阻滞效应晶界具有阻滞效应晶界具有阻滞效应：90%90%以上的晶界是大角度晶界，其结构以上的晶界是大角度晶界，其结构复杂，由约几个纳米厚的原子排列紊乱的区域与原子排列较整复杂，由约几个纳米厚的原子排列紊乱的区域与原子排列较整齐的区域交替相间而成，这种晶界本身使滑移受阻而不易直接齐的区域交替相间而成，这种晶界本身使滑移受阻而不易直接传到相邻晶粒，晶界附近变形较晶粒内部小。传到相邻晶粒，晶界附近变形较晶粒内部小。原因原因原因原因(1)1)晶界的特点：原子排列不规则晶界的特点：原子排列不规则,分布有大量缺陷。分布有大量缺陷。(2)(2)晶界对变形的影响晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界滑移、孪生多终止于晶界,极少极少穿过。穿过。晶界具有取向差效应晶界具有取向差效应晶界具有取向差效应晶界具有取向差效应：多晶体中，不同位向晶粒的滑移系：多晶体中，不同位向晶粒的滑移系取向不相同，滑移不能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中。取向不相同，滑移不能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶 在在在在变变变变形形形形过过过过程程程程中中中中各各各各晶晶晶晶粒粒粒粒具具具具有有有有相相相相互互互互制制制制约约约约和和和和协协协协调调调调性性性性。在在多多晶晶体体中中，外外力力作作用用下下处处于于有有利利位位向向的的晶晶粒粒首首先先滑滑动动 位位错错开开动动，增增殖殖 晶晶界界上上位位错错塞塞积积 应应力力集集中中（k k）相相邻邻晶晶粒粒位位错错源源开开动动相相邻邻晶晶粒粒变变形形塑塑变变，各晶粒间变形而得到相互协调与配合。各晶粒间变形而得到相互协调与配合。原原因因：（1 1）各各晶晶粒粒之之间间变变形形具具有有非非同同时时性性。（2 2）要要求求各各晶晶粒粒之之间间变变形形相相互互协协调调否否则则独独立立变变形形会会导导致致晶晶体体分分裂裂。（3 3）理理论论分分析析指指出出，多多晶晶体体塑塑性性变变形形时时要要求求每每个个晶晶粒粒至至少少能能在在5 5个个独独立立的的滑滑移移系系进进行行滑滑移移，保保证证晶晶粒粒形形状状的的自由变化。能否满足该要求与晶体的结构类型有关。自由变化。能否满足该要求与晶体的结构类型有关。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶2.2.2.2.晶界对性能的影响晶界对性能的影响晶界对性能的影响晶界对性能的影响 晶界对晶粒变形具有阻碍作用。晶界对晶粒变形具有阻碍作用。拉拉伸伸试试样样变变形形后后在在晶晶界界处处呈呈竹竹节节状状，每每个个晶晶粒粒中中的的滑滑移移带带均均终终止止于于晶晶界界附附近近，晶晶界界附附近近位位错错塞塞积积，塞塞积数目积数目n n为：为：n=kn=kn=kn=k0 0 0 0l/Gbl/Gbl/Gbl/Gb第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶 位位错错塞塞积积，密密度度增增高高，材材料料强强度度提提高高。因因此此，晶晶粒越细，晶界越多，材料强度（粒越细，晶界越多，材料强度（包括包括s，b，-1）越越高高，塑塑性性较较好好，称称为为细细细细晶晶晶晶强强强强化化化化（grain grain size size strenthingstrenthing），其），其ss与与d d关系如下：关系如下：s s s s=0 0 0 0kdkdkdkd-1/2-1/2-1/2-1/2 HallHallHallHallPetchPetchPetchPetch公式公式公式公式晶粒直径（晶粒直径（m）400501052下屈服点（下屈服点（KN/m2）861211802423451010钢钢钢钢 s s与晶粒大小的关系与晶粒大小的关系与晶粒大小的关系与晶粒大小的关系第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶晶界对硬度的影响晶界对硬度的影响低碳钢的低碳钢的b b与晶粒直径的关系与晶粒直径的关系第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶锌的单晶和多晶的拉伸曲线比较锌的单晶和多晶的拉伸曲线比较由上图锌的拉伸曲线可以看出：由上图锌的拉伸曲线可以看出：比较：同一材料比较：同一材料多晶体多晶体的的强度高强度高，但，但塑性较低塑性较低。单晶塑性高。单晶塑性高。原因：多晶中各个晶粒的取向不同。在外力作用下，某些晶粒的滑移面处原因：多晶中各个晶粒的取向不同。在外力作用下，某些晶粒的滑移面处于有利的位向，受到大于于有利的位向，受到大于k k的切应力，位错开始滑移。当相邻晶粒处于不利的切应力，位错开始滑移。当相邻晶粒处于不利位向，不能开动滑移系时，则变形晶粒中的位向，不能开动滑移系时，则变形晶粒中的位错不能越过晶粒晶界位错不能越过晶粒晶界，而是塞，而是塞积在晶界附，这个晶粒的变形便受到约束，整个多晶的变形困难得多。积在晶界附，这个晶粒的变形便受到约束，整个多晶的变形困难得多。结果：只有结果：只有加大外力加大外力，才能使那些滑移面位向不利的晶粒逐渐加入滑移，才能使那些滑移面位向不利的晶粒逐渐加入滑移，结果多晶试样强度上升，塑性下降结果多晶试样强度上升，塑性下降。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶晶粒越细，强度和塑韧性越高的原因：晶粒越细，强度和塑韧性越高的原因：晶粒越细，强度和塑韧性越高的原因：晶粒越细，强度和塑韧性越高的原因：（1 1）晶粒越细，强度越高晶粒越细，强度越高晶粒越细，强度越高晶粒越细，强度越高 （细晶强化细晶强化：霍尔配奇公式：霍尔配奇公式 s=0+kd-1/2）。）。原原因因：晶晶粒粒越越细细，晶晶界界越越多多，位位错错运运动动的的阻阻力力越越大大。（有有尺寸限制）尺寸限制）（2 2）晶粒越细，塑韧性提高晶粒越细，塑韧性提高晶粒越细，塑韧性提高晶粒越细，塑韧性提高 原原因因：晶晶粒粒越越多多，变变形形均均匀匀性性提提高高由由应应力力集集中中导导致致的的开开裂裂机机会减少，可承受更大的变形量，表现出会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性高塑性。细细晶晶粒粒材材料料中中，应应力力集集中中小小，裂裂纹纹不不易易萌萌生生；晶晶界界多多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量,表现表现高韧性高韧性。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶 s s s s=0 0 0 0kdkdkdkd-1/2 -1/2 -1/2 -1/2 具具有有广广泛泛的的适适用用性性)ss 亚亚 晶晶 d d、ssSoSo(片片)。不不仅仅适适用用于于屈屈服服强强度度，同同时时也也适适用用于于整整个个流流变变范范围围以以至至断断裂裂强强度度。细细小小而而均均匀匀的的晶晶粒粒使使材材料料具具有有较较高高的的强强度度和和硬硬度度，同同时时具具有有良良好好的的塑塑性性和和韧韧性性，即即具具有有良良好好的的综综合力学性能。合力学性能。CuCu和和AlAl的的ss与亚晶尺寸的关系与亚晶尺寸的关系第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶 1 1各各晶晶粒粒变变形形的的不不同同时时性性和和不不均均匀匀性性。晶晶体体中中各各晶晶粒粒的的空空间取向不同，多相材料在较软相的晶粒中首先发生塑性变形。间取向不同，多相材料在较软相的晶粒中首先发生塑性变形。2 2各各晶晶粒粒变变形形的的相相互互制制约约性性与与相相互互协协调调性性，通通过过各各晶晶粒粒的的多多系系滑滑移移来来保保证证相相互互协协调调性性。变变形形需需要要五五个个以以上上的的独独立立滑滑移移系系同同时时动动作作。fccfcc和和bccbcc金金属属能能满满足足五五个个以以上上独独立立滑滑移移系系的的条条件件，塑性通常较好；而塑性通常较好；而hcphcp金属独立滑移系少，塑性通常不好。金属独立滑移系少，塑性通常不好。3 3滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。4 4多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。由由于于晶晶界界阻阻滞滞效效应应及及取取向向差差效效应应，使使多多晶晶体体的的变变形形抗抗力力比比单单晶晶体体大大，其其中中，取取向向差差效效应应是是多多晶晶体体加加工工硬硬化化更更主主要要的的原原因因，一一般般说说来来，晶晶界界阻阻滞滞效效应应只只在在变变形形早早期期较较重重要要。hcphcp系系的的多多晶晶体体金金属属与与单单晶晶体体比比较较，前前者者具具有有明明显显的的晶晶界界阻阻滞滞效效应应和和极极高高的的加加工工硬硬化化率率，而而在在立立方方晶晶系系金金属属中中，多多晶晶和和单单晶晶试试样样的的应应力力应应变曲线就没有那么大的差别。变曲线就没有那么大的差别。5 5塑性变形时，导致一些物理、化学性能的变化。塑性变形时，导致一些物理、化学性能的变化。二、多晶体的塑性变形的特点二、多晶体的塑性变形的特点第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶5.2.3 5.2.3 合金的塑性变形合金的塑性变形 合金分类：合金分类：单相固溶体合金单相固溶体合金 多相合金多相合金 合金的塑性变形：合金的塑性变形：单相固溶体合金塑性变形单相固溶体合金塑性变形 多相合金塑性变形多相合金塑性变形第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶一一.单相固溶体合金塑性变形单相固溶体合金塑性变形 溶溶质质原原子子的的作作用用主主要要表表现现在在固固溶溶强强化化(Solidsolution Solidsolution StrentheningStrenthening)作作用用，提提高高塑塑性性变变形抗力。形抗力。1.1.1.1.固溶强化固溶强化固溶强化固溶强化 固固溶溶强强化化：固固溶溶体体合合金金的的曲曲线线：由由于于溶溶质质原原子子溶溶入入基基体体金金属属使使s s 和和整整个个曲曲线线的的水水平平提提高高，变变形形能能力力下下降降，加加工工硬化率硬化率n n提高提高。右右上上图图为为Cu-NiCu-Ni固固溶溶体体的的力力学学性性能能与与成成分分的的关关系系，右右下下图图为为AlAl溶溶有有MgMg后的应力应变曲线。后的应力应变曲线。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶影响固溶强化的因素影响固溶强化的因素：溶溶质质原原子子类类型型及及浓浓度度。对对于于同同一一溶溶质质，固固溶体的屈服强度一般与其含量成直线关系。溶体的屈服强度一般与其含量成直线关系。溶溶质质原原子子与与基基体体金金属属的的原原子子尺尺寸寸差差。相相差差大时强化作用大。大时强化作用大。间间隙隙型型溶溶质质原原子子比比置置换换型型溶溶原原子子固固溶溶强强化化效果好。效果好。溶溶质质原原子子与与基基体体金金属属价价电电子子数数差差。价价电电子子数差越大，强化作用大。数差越大，强化作用大。固固固固溶溶溶溶强强强强化化化化的的的的实实实实质质质质是是溶溶质质原原子子与与位位错错的的弹弹性性交交互互作用、化学交互作用和静电交互作用。作用、化学交互作用和静电交互作用。强化效果公式：强化效果公式：5.135.13式式第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶2.2.2.2.屈服现象与应变时效屈服现象与应变时效屈服现象与应变时效屈服现象与应变时效 上上屈屈服服点点：试试样样开开始始屈屈服时对应的应力。服时对应的应力。下下屈屈服服点点：载载荷荷首首次次降降低低的的最最低低载载荷荷或或不不变变载载荷。荷。屈屈服服过过程程：试试样样继继续续伸伸长长，应应力力保保持持为为定定值值或或有有微微小小的的波波动动，在在拉拉伸伸曲曲线线上上出出现现一一个个应应力力平平台台区区，试试样样在在此此恒恒定定应应力下的伸长力下的伸长。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶 吕吕德德斯斯带带：在在发发生生屈屈服服延延伸伸阶阶段段，试试样样的的应应变变是是不不均均匀匀的的，在在试试样样表表面面可可观观察察到到与与纵纵轴轴约约呈呈4545交交角角的的应应变变痕痕迹迹，称称为为吕吕德德斯斯(LdersLders)带带。吕吕德德斯斯带带会会造造成成拉拉伸伸和和深深冲冲过过程程中中工工件件表表面面不平整不平整。第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶屈服现象的理论解释之一屈服现象的理论解释之一 （1 1）与与金金属属中中微微量量的的溶溶质质原原子子有有关关，即即柯柯氏氏气气团团理理论论 溶溶质质原原子子与与位位错错的的应应力力场场发发生生弹弹性性交交互互作作用用，形形成成柯柯氏氏气气团团（CottrellCottrell）钉钉扎扎位位错错运运动动，必必须须在在更更大大的的应应力力作作用用下下才才能能产产生生新新的的位位错错或或使使位位错错脱脱钉钉，表表现现为为上上屈屈服服点点；一一旦旦脱脱钉钉，使使位位错错继继续续运运动动的的应应力力就就不不需需开开始始时时那那么么大大，故故应应力力值值下下降降到到下下屈屈服服点点，试试样样继继续伸长，应力保持为定值或有微少的波动。续伸长，应力保持为定值或有微少的波动。材材料料塑塑性性变变形形时时应应变变速速度度与与晶晶体体中中可可动动位位错错的的密密度度、位位错错运运动动的的平平均均速速度度及及位位错错的的柏柏氏氏矢矢量量成成正正比比。关系式为关系式为5.5.1414式式 第五章第五章第五章第五章 材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶材料的变形与再结晶屈服现象的理论解释之二屈服现象的理论解释之二 （2 2）位错运动与增殖理论位错运动与增殖理论:应变速率应变速率 m mb bv v，位错运动速度位错运动速度v=v=（/0/0）mm 开开始始变变形形时时，m m低低，欲欲使使应应变变速速率率固固定定，需需要要较较大大的的v v值值，故故需需要要较较高高的的应应力力 ，表表现现为为上上屈屈服服点点；一一旦旦塑塑性性变变形形开开始始后后，位位错错迅迅速速增增殖殖，mm 增增加加，必必然然导导致致v v的的突突然然下下降降（为为保保持持应应变变速速率率固固定定），所所以以所所需的应力需的应