金属材料的塑性变形精选文档.ppt
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1、金属材料的塑性变形1本讲稿第一页,共三十二页第一节第一节概述概述塑性加工塑性加工包括锻压、轧制、包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。挤压、拉拔、冲压等方法。金金属属在在承承受受塑塑性性加加工工时时,产产生生塑塑性性变变形形,这这对对金金属属的的组织结构和性能会产生重要的影响。组织结构和性能会产生重要的影响。(a)轧制轧制(b)挤压挤压(c)拉拔拉拔(d)锻压锻压(e)冲压冲压压力加工方法示意图压力加工方法示意图2本讲稿第二页,共三十二页第二节第二节单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形单晶体的塑性变形的基本方式有两种:滑移和孪生。单晶体的塑性变形的基本方式有两种:滑移和孪生。一、滑移概念
2、一、滑移概念 滑移滑移:在切应力的作用下,晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对在切应力的作用下,晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对晶体晶体的的另一部分发生另一部分发生相对滑动相对滑动的现象。的现象。此晶面称滑移面,此晶向称滑移方向,通常是晶体中原子排列此晶面称滑移面,此晶向称滑移方向,通常是晶体中原子排列最紧密的晶面和晶向。最紧密的晶面和晶向。在滑移面及滑移方向上的切应力达到一定大小(临界值),滑移就在滑移面及滑移方向上的切应力达到一定大小(临界值),滑移就开始进行。开始进行。3本讲稿第三页,共三十二页第二节第二节单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形滑移的结果滑移的结果出现滑移带出现滑移带
3、4本讲稿第四页,共三十二页二、二、滑移与晶体结构的关系滑移与晶体结构的关系 第二节第二节单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形o滑移发生的晶面称为滑移发生的晶面称为滑移面滑移面,通常为晶体的最密排晶面;,通常为晶体的最密排晶面;o滑移滑动的方向称为滑移滑动的方向称为滑移方向滑移方向,通常也为晶体的最密排方向;,通常也为晶体的最密排方向;o 这是由于密排面之间、密排方向之间的原子间距最大,原这是由于密排面之间、密排方向之间的原子间距最大,原子间结合力最弱,因而所需外力最小。子间结合力最弱,因而所需外力最小。2.滑移系滑移系晶体中的一个滑移面加上此面上的一个滑移方向合称一个晶体中的一个滑移面加上
4、此面上的一个滑移方向合称一个滑移系滑移系。滑移系的数目越多,一个滑移面上的滑移方向越多,则晶体的滑移系的数目越多,一个滑移面上的滑移方向越多,则晶体的塑性越好。金属材料中塑性越好。金属材料中fcc的塑性最好,的塑性最好,bcc次之,次之,hcp最差。最差。5本讲稿第五页,共三十二页典型晶格的滑移典型晶格的滑移系系FCCFCC第二节第二节单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形66本讲稿第六页,共三十二页三、三、滑移的本质滑移的本质1.滑移只能在切应力作用下才会发生。滑移只能在切应力作用下才会发生。正应力只能使晶格的距离加大,不能使原子移动;正应力只能使晶格的距离加大,不能使原子移动;切应力可使
5、晶格沿滑移面上发生滑移。切应力可使晶格沿滑移面上发生滑移。第二节第二节单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形滑移方向上的分切应力为:滑移方向上的分切应力为:称为称为施密特定律施密特定律。coscos coscos 称为取向因子。称为取向因子。超过临界切应力的滑移系,可以滑移。超过临界切应力的滑移系,可以滑移。滑移的同时还会发生转动。滑移的同时还会发生转动。7本讲稿第七页,共三十二页三、滑移的本质三、滑移的本质 研究证明,滑移是由于滑移面上的位错运动而造成的。图示例子研究证明,滑移是由于滑移面上的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的运动过程,通过一表示一刃型位错
6、在切应力的作用下在滑移面上的运动过程,通过一根位错从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的滑移。根位错从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的滑移。第二节第二节单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形2.滑移的本质是位错的运动滑移的本质是位错的运动刚性滑移所需的临界切应力值太大,不可能发生。实际金属滑移所刚性滑移所需的临界切应力值太大,不可能发生。实际金属滑移所需的切应力比理论值低几个数量级。见书上表需的切应力比理论值低几个数量级。见书上表6-2。8本讲稿第八页,共三十二页三、滑移的本质三、滑移的本质滑移时,仅需位错中心附近的极少滑移时,仅需位错中心附近的极少量的原子作微量的位移即
7、可,所以量的原子作微量的位移即可,所以它所需要的临界切应力便远远小于它所需要的临界切应力便远远小于整体刚性滑移。整体刚性滑移。第二节第二节单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形3.滑移时又会产生大量新的位错,即位错增殖。滑移时又会产生大量新的位错,即位错增殖。4.任何阻碍位错运动的因素都使滑移的阻力增大,任何阻碍位错运动的因素都使滑移的阻力增大,增加塑性变形的难度,就可以提高金属材料的强度。增加塑性变形的难度,就可以提高金属材料的强度。这就是强化金属的基本原理。这就是强化金属的基本原理。9本讲稿第九页,共三十二页四、孪生(一般了解)四、孪生(一般了解)在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分
8、沿一定晶面在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面孪生面)和晶和晶向向(孪生方向孪生方向)发生切变的变形过程称发生切变的变形过程称孪生孪生。孪生所需的临界切应力比滑移的孪生所需的临界切应力比滑移的大得多大得多。孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。HCP中常见。中常见。第二节第二节单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形10本讲稿第十页,共三十二页第三节第三节多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形 多晶体金属的塑性变形是由许多位向不同的小晶粒多晶体金属的塑性变形是由许多位向不同的小晶粒共同参与变形而完成的。每个晶粒可视为单晶体,因而共同参与
9、变形而完成的。每个晶粒可视为单晶体,因而它们的主要变形方式仍为它们的主要变形方式仍为滑移与孪生。滑移与孪生。多晶体的塑变与单晶体有相似,也有不同。多晶体的塑变与单晶体有相似,也有不同。一、多晶体塑性变形特点一、多晶体塑性变形特点1.1.不均匀的塑性变形过程不均匀的塑性变形过程 各晶粒的滑移系所受分切应力的大各晶粒的滑移系所受分切应力的大小不一,达到临界值的先后不一,故变小不一,达到临界值的先后不一,故变形不均匀。形不均匀。11本讲稿第十一页,共三十二页2.2.晶粒间位向差阻碍滑移晶粒间位向差阻碍滑移 邻近晶粒之间存在位向差。一个晶粒滑移时,也要邻近晶粒之间存在位向差。一个晶粒滑移时,也要引起周
10、围的晶粒滑移,否则就不能保持晶粒间的连续性。引起周围的晶粒滑移,否则就不能保持晶粒间的连续性。因此,晶粒塑性变形的抗力增大。因此,晶粒塑性变形的抗力增大。一、多晶体塑性变形特点一、多晶体塑性变形特点第三节第三节多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形3.3.晶界阻碍位错运动晶界阻碍位错运动位错运动到晶界时,由于各位错运动到晶界时,由于各个晶粒的位向不同,不能直接个晶粒的位向不同,不能直接从一个晶粒移动到另一晶粒,从一个晶粒移动到另一晶粒,便塞积起来;需要更大的外力便塞积起来;需要更大的外力才能继续变形,所以才能继续变形,所以晶界的存在晶界的存在可以提高材料的强度可以提高材料的强度。12本讲稿第
11、十二页,共三十二页二、细晶粒钢具有优良的综合力学性能二、细晶粒钢具有优良的综合力学性能1。晶粒越细,则晶界越多,位错运动更困难,强度就越。晶粒越细,则晶界越多,位错运动更困难,强度就越高。高。Hall-Petch公式:公式:s=0+Kd1/22。晶粒越细,变形分散,晶粒转动的阻力小,晶粒间。晶粒越细,变形分散,晶粒转动的阻力小,晶粒间易易于协调,于协调,产生较均匀的变形,使得应力集中小,裂纹不产生较均匀的变形,使得应力集中小,裂纹不易产生和发易产生和发展,塑性和韧性就越好。展,塑性和韧性就越好。第三节第三节多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形13本讲稿第十三页,共三十二页三、三、塑性变形对
12、金属的影响塑性变形对金属的影响第三节第三节多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形1 1、对组织结构的影响、对组织结构的影响 产生纤维组织产生纤维组织晶粒及夹杂物沿变形方晶粒及夹杂物沿变形方向伸长及分布,使纵向向伸长及分布,使纵向力学性能大于横向。力学性能大于横向。变形前后晶粒形状变化变形前后晶粒形状变化 变形后晶粒内滑移带增多变形后晶粒内滑移带增多 晶粒被拉长晶粒被拉长14本讲稿第十四页,共三十二页1 1、对组织形貌的影响、对组织形貌的影响第三节第三节多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形亚结构细化亚结构细化因塑性变形时的位错运动、增殖和其间复杂的交互因塑性变形时的位错运动、增殖和其间复杂
13、的交互作用,位错密度增加,产生位错缠结,使晶粒碎化成更作用,位错密度增加,产生位错缠结,使晶粒碎化成更小的亚晶粒。小的亚晶粒。位错密度的提高将降低了材料的耐腐蚀位错密度的提高将降低了材料的耐腐蚀性。性。15本讲稿第十五页,共三十二页1 1、对组织形貌的影响、对组织形貌的影响(3)(3)产生形变织构产生形变织构:当金属经受大量:当金属经受大量(70%以上以上)的一定方向的变形之后的一定方向的变形之后,由于晶粒的转动造成晶粒位向趋于一致,形成了由于晶粒的转动造成晶粒位向趋于一致,形成了“择优取向择优取向”,即,即某一晶面在某个方向出现的几率明显高于其他方向,这种有序化结构某一晶面在某个方向出现的几
14、率明显高于其他方向,这种有序化结构叫做叫做形变织构形变织构。例如低碳钢经高度冷拔后例如低碳钢经高度冷拔后,其其平行于拔丝方平行于拔丝方向向,各晶粒的,各晶粒的100100平行于轧制板面平行于轧制板面。形变织构形变织构使金属材料表现出明使金属材料表现出明显的各向异性。显的各向异性。第三节第三节多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形对工程应用的影响对工程应用的影响:大多数情况下不:大多数情况下不利,如深冲之后零件的边缘不齐出现利,如深冲之后零件的边缘不齐出现“制耳制耳”现象。现象。但织构有时也能带来好处,制造但织构有时也能带来好处,制造变压器铁芯的硅钢片,变压器铁芯的硅钢片,最最易磁化,可大大提
15、高变压器的效易磁化,可大大提高变压器的效率。率。16本讲稿第十六页,共三十二页(1)(1)产生加工硬化产生加工硬化:随着塑性变形量的增加,金属的强度、随着塑性变形量的增加,金属的强度、硬度显著提高,而塑性、韧性明显下降的现象称为硬度显著提高,而塑性、韧性明显下降的现象称为加工硬加工硬化化。也叫。也叫形变强化形变强化或或冷变形强化冷变形强化。第三节第三节多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形2 2、对力学性能的影响、对力学性能的影响位错密度及其它晶体缺陷的增加是加工硬化的原因位错密度及其它晶体缺陷的增加是加工硬化的原因加工硬化的工程意义加工硬化的工程意义:加工硬化是强化材料的重要手段,尤其是加
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