材料科学基础塑性变形课件.pptx
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1、11Chapter Outline o6.1晶体的塑性变形晶体的塑性变形o6.2 塑性变形对材料组织与性能的影响塑性变形对材料组织与性能的影响o6.3 回复与再结晶回复与再结晶o6.4 金属的热加工变形金属的热加工变形22图图61 金属表面的滑移带金属表面的滑移带(a)铜中的滑移带)铜中的滑移带 (b)7冷变形铝的表面图像冷变形铝的表面图像Section 6.1 晶体的塑性变形6.1.1 单晶体的塑性变形33 常温下晶体材料塑性变形主要方式有滑移和孪生。常温下晶体材料塑性变形主要方式有滑移和孪生。(一)(一)滑移滑移1.滑移带与滑移线滑移带与滑移线塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶
2、面和塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动,这种变形方式称为晶向发生相对滑动,这种变形方式称为滑移滑移。晶体的滑移是不均匀的,滑移集中在某些晶面上,而滑移晶体的滑移是不均匀的,滑移集中在某些晶面上,而滑移线之间的晶体并未发生变形。线之间的晶体并未发生变形。6.1.1 单晶体的塑性变形44 图图62 滑移带形成示意图滑移带形成示意图 55表表61 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2滑移系滑移系金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的,金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的,这些晶面称为这些晶面称为滑移面滑移面,晶向称为,晶向称为滑
3、移方向滑移方向。66 6.1.1 单晶体的塑性变形o滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面,而滑移方向滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面,而滑移方向则是原子排列最密的晶向。这是因为密排面之间的距则是原子排列最密的晶向。这是因为密排面之间的距离最大,面与面之间的结合力较小,滑移的阻力小,离最大,面与面之间的结合力较小,滑移的阻力小,故易滑动。而沿密排方向原子密度大,原子每次需要故易滑动。而沿密排方向原子密度大,原子每次需要移动的间距小,阻力也小。移动的间距小,阻力也小。o一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系滑移系。每个滑移系表示晶体进行滑移时可能
4、采取的一个空间每个滑移系表示晶体进行滑移时可能采取的一个空间取向。取向。o晶体中的滑移系越多,滑移过程中可能采取的空间取向晶体中的滑移系越多,滑移过程中可能采取的空间取向便越多,滑移越容易进行,故这种晶体的塑性便越好。便越多,滑移越容易进行,故这种晶体的塑性便越好。密排六方晶体由于滑移系数目太少,故塑性较差。密排六方晶体由于滑移系数目太少,故塑性较差。77 6.1.1 单晶体的塑性变形o晶体塑性的好坏,不仅取决于滑移系的多少,还与滑移晶体塑性的好坏,不仅取决于滑移系的多少,还与滑移面上原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关。面上原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关。例如体心立方金属例如体
5、心立方金属Fe,与面心立方金属的滑移系,与面心立方金属的滑移系同样多,都为同样多,都为12个。但它的滑移方向没有面心立方金个。但它的滑移方向没有面心立方金属多,同时滑移面间距离较小,原子间结合力较大,属多,同时滑移面间距离较小,原子间结合力较大,必须在较大的应力作用下才能开始滑移,所以它的塑必须在较大的应力作用下才能开始滑移,所以它的塑性要比铝、铜等面心立方金属差。性要比铝、铜等面心立方金属差。88 6.1.1 单晶体的塑性变形3滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力o只有当外力在某一滑移系中的分切应力首先达到一定的只有当外力在某一滑移系中的分切应力首先达到一定的临界值时,这一滑移系开动,晶体才
6、开始滑移。该分临界值时,这一滑移系开动,晶体才开始滑移。该分切应力即称为切应力即称为滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力,以,以k表示,它是使表示,它是使滑移系开动的最小分切应力。滑移系开动的最小分切应力。o外力外力F在滑移方向上的分切应力为在滑移方向上的分切应力为 99 图图63 单晶体滑移时分切应力的分析图单晶体滑移时分切应力的分析图1010 6.1.1 单晶体的塑性变形om为为取向因子取向因子,或称,或称施密特因子(施密特因子(Schmid)。o单晶体的屈服强度单晶体的屈服强度s将随外力与滑移面和滑移方向之间将随外力与滑移面和滑移方向之间的位向关系而变,即的位向关系而变,即m发生改变时,
7、发生改变时,s也要改变也要改变。o当外力与滑移面、滑移方向的夹角都呈当外力与滑移面、滑移方向的夹角都呈45时,时,m具有具有最大值,为最大值,为0.5。此时分切应力最大,。此时分切应力最大,s具有最低值,具有最低值,晶体材料最容易进行滑移,并表现出最大的塑性,这晶体材料最容易进行滑移,并表现出最大的塑性,这种取向称为种取向称为软位向软位向。o当外力与滑移面平行当外力与滑移面平行(90)或垂直(或垂直(90)时,)时,m为零,则无论为零,则无论k的数值如何,的数值如何,s均为无穷大,晶体在均为无穷大,晶体在此情况下不能产生滑移,这种取向称为此情况下不能产生滑移,这种取向称为硬位向硬位向。1111
8、 图图64 镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系1212Example 6.1 临界分切应力已知已知Al的临界分切应力为的临界分切应力为0.24MPa,计算要使,计算要使 面上产面上产生生101方向的滑移,应在方向的滑移,应在001方向上施加多大的力?方向上施加多大的力?Example 6.1 SOLUTION对立方晶系,晶面(对立方晶系,晶面(h1k1l1)法线和晶向)法线和晶向h2k2l2的夹角为的夹角为故滑移面故滑移面 的法线方向与拉力轴的法线方向与拉力轴001的夹角为的夹角为 同理,滑移方向同理,滑移方向101和拉力轴和拉力轴001的夹角为的夹角为故
9、故 1313 6.1.1 单晶体的塑性变形4滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动o单晶体滑移时,除了滑移面发生相对位移外,往往伴随单晶体滑移时,除了滑移面发生相对位移外,往往伴随着晶面的转动,从而使晶体的空间位向发生变化。着晶面的转动,从而使晶体的空间位向发生变化。o位向改变的结果使滑移面和滑移方向逐渐平行于拉伸的位向改变的结果使滑移面和滑移方向逐渐平行于拉伸的轴线。轴线。图图66 拉伸时晶体发生转动的示意图拉伸时晶体发生转动的示意图1414 6.1.1 单晶体的塑性变形5多系滑移与交滑移多系滑移与交滑移o多滑移多滑移:若有多组滑移系相对于外力轴的方向相同,分若有多组滑移系相对于外力轴的方向相同,
10、分切应力同时达到临界值,滑移一开始就可以在两个或切应力同时达到临界值,滑移一开始就可以在两个或多个滑移系同时进行。多个滑移系同时进行。o交滑移交滑移:在晶体中,还会发生两个或两个以上滑移面沿在晶体中,还会发生两个或两个以上滑移面沿着同一个滑移方向同时或交替进行滑移的现象着同一个滑移方向同时或交替进行滑移的现象。图图67 交滑移的示意图交滑移的示意图 图图68 抛光试样的波纹状交滑移带抛光试样的波纹状交滑移带1515 6.1.1 单晶体的塑性变形6.滑移的位错机制滑移的位错机制o实际晶体中的滑移,不是晶体的一部分相对于另一部分实际晶体中的滑移,不是晶体的一部分相对于另一部分同时作整体的刚性的移动
11、,而是通过位错在切应力的同时作整体的刚性的移动,而是通过位错在切应力的作用下,沿着滑移面逐步移动的结果。作用下,沿着滑移面逐步移动的结果。o当一条位移线移到晶体表面时,便在晶体表面留下当一条位移线移到晶体表面时,便在晶体表面留下个个原子间距的滑移台阶,其大小等于柏氏矢量。如果有原子间距的滑移台阶,其大小等于柏氏矢量。如果有大量位错重复按此方式滑过晶体,就会在晶体表面形大量位错重复按此方式滑过晶体,就会在晶体表面形成大量的滑移台阶,在显微镜下便能观察到滑移痕迹,成大量的滑移台阶,在显微镜下便能观察到滑移痕迹,即滑移线。即滑移线。o实际滑移的临界切应力实际滑移的临界切应力k远低于理论计算值的原因远
12、低于理论计算值的原因。1616 6.1.1 单晶体的塑性变形7位错的增殖位错的增殖o塑性变形时,大量位错扫过滑移面滑出晶体表面。塑性变形时,大量位错扫过滑移面滑出晶体表面。o变形后晶体中的位错数目不但没有减少,反而显著增多了。变形后晶体中的位错数目不但没有减少,反而显著增多了。o位错增殖的机制有多种,其中最常见的一种是弗兰克位错增殖的机制有多种,其中最常见的一种是弗兰克瑞德瑞德(FrankRead)位错增殖机制,)位错增殖机制,F-R源。源。图图610 弗兰克弗兰克-瑞德位错源瑞德位错源1717Figure The Frank-Read source can generate dislocat
13、ions.(a)A dislocation is pinned at its ends by lattice defects.(b)As the dislocation continues to move,the dislocation bows,eventually bending back on itself.(c)finally the dislocation loop forms,and(d)a new dislocation is created.(e)Electron micrograph of a Frank-Read source(330,000).(Adapted from
14、Brittain,J.,Climb Sources in Beta Prime-NiAl,Metallurgical Transactions,Vol.6A,April 1975.)1818 6.1.1 单晶体的塑性变形8位错的交割与塞积位错的交割与塞积o在多系滑移时,由于各滑移面相交,因而在不同滑移面在多系滑移时,由于各滑移面相交,因而在不同滑移面上运动着的位错必然相遇,发生交割。此外,在滑移上运动着的位错必然相遇,发生交割。此外,在滑移面上运动着的位错还要与晶体中原有的以不同角度穿面上运动着的位错还要与晶体中原有的以不同角度穿过滑移面的位错相交割。过滑移面的位错相交割。o不在原位错线的滑移
15、面上不在原位错线的滑移面上的位错线的位错线,故称之为,故称之为割阶割阶。有有的的割阶的产生并不影响位错的运动,但由于增加了位割阶的产生并不影响位错的运动,但由于增加了位错线的长度、需消耗一定的能量。除此之外,还会发错线的长度、需消耗一定的能量。除此之外,还会发生刃型位错与螺型位错、螺型位错与螺型位错的交割,生刃型位错与螺型位错、螺型位错与螺型位错的交割,交割的结果都要形成割阶,这一方面增加了位错线的交割的结果都要形成割阶,这一方面增加了位错线的长度,另一方面还可能形成一种难以运动的长度,另一方面还可能形成一种难以运动的固定割阶固定割阶,成为后续位错运动的障碍,造成位错缠结,从而产生成为后续位错
16、运动的障碍,造成位错缠结,从而产生较强的加工硬化效果。较强的加工硬化效果。1919 6.1.1 单晶体的塑性变形o在切应力的作用下,弗兰克在切应力的作用下,弗兰克瑞德位错源所产生的大量瑞德位错源所产生的大量位错沿滑移面的运动过程中,如果遇到障碍物位错沿滑移面的运动过程中,如果遇到障碍物(固定位固定位错、杂质粒子、晶界等错、杂质粒子、晶界等)的阻碍,领先的位错在障碍前的阻碍,领先的位错在障碍前被阻止,后续的位错被阻塞起来,结果形成位错的平被阻止,后续的位错被阻塞起来,结果形成位错的平面塞积群,并在障碍物的前端形成高度应力集中。面塞积群,并在障碍物的前端形成高度应力集中。o位错塞积群的位错数位错塞
17、积群的位错数n与障碍物至位错源的距离与障碍物至位错源的距离L成正成正比。塞积群在障碍处产生的应力集中比。塞积群在障碍处产生的应力集中n0。在塞积群在塞积群前端产生的应力集中是前端产生的应力集中是0的的n倍。倍。L越大,则塞积的位越大,则塞积的位错数目错数目n越多,造成的应力集中便越大。越多,造成的应力集中便越大。2020 图图611 两个垂直刃型位错交割两个垂直刃型位错交割2121 图图6-12 位错塞积位错塞积 图图6-13 不锈钢晶界前位错塞积的透射电镜图像不锈钢晶界前位错塞积的透射电镜图像2222 6.1.1 单晶体的塑性变形(二)孪生(二)孪生 o孪生孪生是在切应力作用下,晶体的一部分
18、相对于另一部分是在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面沿一定的晶面(孪晶面或孪生面孪晶面或孪生面)与晶向与晶向(孪生方向孪生方向)产生产生一定角度的均匀切变。一定角度的均匀切变。2孪生变形的特点孪生变形的特点(与滑移相比与滑移相比)o孪生所需的临界切应力远远高于滑移时的临界切应力。孪生所需的临界切应力远远高于滑移时的临界切应力。因此,只有在滑移难以进行的条件下,晶体才发生孪生因此,只有在滑移难以进行的条件下,晶体才发生孪生变形,如一些变形,如一些HCP结构的金属,常以孪生方式进行塑结构的金属,常以孪生方式进行塑性变形;而性变形;而BCC结构的金属滑移系较多,如结构的金属滑移系较
19、多,如-Fe等,只等,只有在室温以下或受到冲击裁荷作用时,才发生孪生变形;有在室温以下或受到冲击裁荷作用时,才发生孪生变形;而而FCC结构的金属,由于其对称性高,滑移系多,所以结构的金属,由于其对称性高,滑移系多,所以很少发生孪生变形很少发生孪生变形。2323 6.1.1 单晶体的塑性变形o孪生变形速度极快,常引起冲击波,并伴随响声。孪生变形速度极快,常引起冲击波,并伴随响声。o孪生是一种均匀切变,且每一层原子相对于孪生面的切孪生是一种均匀切变,且每一层原子相对于孪生面的切变量跟它与孪生面的距离成正比。而滑移变形是不均变量跟它与孪生面的距离成正比。而滑移变形是不均匀的,只集中在一些滑移面上。匀
20、的,只集中在一些滑移面上。o孪生的两部分晶体形成晶面对称的位向关系。孪生的两部分晶体形成晶面对称的位向关系。o与滑移相比,孪生对晶体塑性变形的贡献较小,但孪生与滑移相比,孪生对晶体塑性变形的贡献较小,但孪生的形成改变了晶体的位向,使某些处于不利取向的滑的形成改变了晶体的位向,使某些处于不利取向的滑移系转变到有利于滑移的位置,于是,可以激发进一移系转变到有利于滑移的位置,于是,可以激发进一步的滑移变形,使金属的变形能力得到提高。步的滑移变形,使金属的变形能力得到提高。2424图图615 面心立方晶体孪生变形示意图面心立方晶体孪生变形示意图(a)孪晶面和孪晶方向)孪晶面和孪晶方向(b)孪生变形时)
21、孪生变形时原子的移动原子的移动 图图614 锌晶体中的锌晶体中的变形孪晶组变形孪晶组织织2525 6.1.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形1.晶粒取向的影响晶粒取向的影响o处于软位向的晶粒,开始产生滑移,滑移面上的位错源处于软位向的晶粒,开始产生滑移,滑移面上的位错源开动,源源不断的位错沿着滑移面进行运动开动,源源不断的位错沿着滑移面进行运动,而后,而后,位错在晶界处受阻,形成位错的平面塞积群。位错在晶界处受阻,形成位错的平面塞积群。o 位错塞积造成很大的应力集中,随着外力的增加,使位错塞积造成很大的应力集中,随着外力的增加,使相邻晶粒某些滑移系中的分切应力达到临界值,于是,相邻晶粒某些滑
22、移系中的分切应力达到临界值,于是,相邻晶粒位错源也开始启动,并产生相应的滑移。相邻晶粒位错源也开始启动,并产生相应的滑移。o塑性变形从一个晶粒传递到另一个晶粒,一批批晶粒如塑性变形从一个晶粒传递到另一个晶粒,一批批晶粒如此传递下去,使整个试样产生了宏观的塑性变形。此传递下去,使整个试样产生了宏观的塑性变形。o晶粒间须通过多系滑移来保证其协调性。滑移系较多的晶粒间须通过多系滑移来保证其协调性。滑移系较多的FCC和和BCC晶体,通过多系滑移表现出良好的塑性,晶体,通过多系滑移表现出良好的塑性,而而HCP晶体的滑移系少,晶粒之间的协调性差,故塑晶体的滑移系少,晶粒之间的协调性差,故塑性变形能力低。性
23、变形能力低。2626 6.1.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形2.晶界的影响晶界的影响o晶界上原子排列不规则,点阵畸变严重。同时,晶界晶界上原子排列不规则,点阵畸变严重。同时,晶界两侧的晶粒取向不同,滑移系的位向彼此不一致,因两侧的晶粒取向不同,滑移系的位向彼此不一致,因此,滑移从一个晶粒延续到另一个晶粒是很困难的,此,滑移从一个晶粒延续到另一个晶粒是很困难的,晶界对滑移有阻碍作用。此外,多晶体的塑性变形具晶界对滑移有阻碍作用。此外,多晶体的塑性变形具有不均匀性。有不均匀性。3.晶粒大小对塑性变形的影响晶粒大小对塑性变形的影响o材料的强度随晶粒细化而提高。材料的强度随晶粒细化而提高。满足满
24、足HallPetch公公式式。o晶粒越细,单位体积材料中晶粒的数目越多,晶界的晶粒越细,单位体积材料中晶粒的数目越多,晶界的总面积越大,对材料塑性变形的阻力越大,这就是细总面积越大,对材料塑性变形的阻力越大,这就是细晶强化的实质。晶强化的实质。2727 图图6-17 位错的平面塞积群位错的平面塞积群 图图618 拉伸后晶界处呈竹节状拉伸后晶界处呈竹节状2828 6.1.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形o晶粒细小而均匀时,不仅常温下材料的强度较高,而晶粒细小而均匀时,不仅常温下材料的强度较高,而且塑性和韧性较好。且塑性和韧性较好。o因为晶粒越细,在因为晶粒越细,在一一定体积内的晶粒数目越多,
25、在同定体积内的晶粒数目越多,在同样变形量下,变形分散在更多的晶粒内进行,变形较样变形量下,变形分散在更多的晶粒内进行,变形较均匀,引起的应力集中减小。使材料在断裂之前能承均匀,引起的应力集中减小。使材料在断裂之前能承受较大的变形量,所以具有较大的延伸率和断面收缩受较大的变形量,所以具有较大的延伸率和断面收缩率。率。o晶粒越细,晶界越曲折,越不利于裂纹沿晶界的传播,晶粒越细,晶界越曲折,越不利于裂纹沿晶界的传播,从而在断裂过程中可以吸收更多的能量,表现出较高从而在断裂过程中可以吸收更多的能量,表现出较高的韧性。的韧性。2929 6.1.3 合金的塑性变形合金的塑性变形(一)单相固溶体合金的塑性变
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