1、第五章 金属材料的塑性变形 工程材料学 引子 例： 3.5mm的 16Mn合金钢板，经冷轧压延为1.2mm厚时，其硬度和强度分别由 HB150和 b 510MN/m2, 提高到 HB270和 b 510MN/m2。 但是，如果继续进行压延变形，一方面需要更大的压力，另一方面则有可能将其压裂。 金属变形后为什么强度提高？有什么办法使其恢复变形能力？ 例：晶体的实际强度与理论强度相差 103-104，为什么？ 多晶体的塑性变形 2 Outline 单晶体的塑性变形 1 变形后金属的加热变化 3 金属热塑性变形 4 金属的强化与韧化 5 金属变形的基本形式 三阶段： I、弹性变形、 II、塑形变形、
2、 III、断裂 工程材料学 第一节 单晶体的塑性变形 塑性变形的基本方式方式 :滑移和孪生 一、滑移 1。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另一部分发生滑动位移的现象。 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），滑移就开始进行。 工程材料学 第一节 单晶体的塑性变形 一、滑移 工程材料学 其特征是： 滑移量是滑移方向上原子间距的整数倍， 滑移后滑移面两侧的晶体位向保持不变， 滑移的结果使晶体产生台阶。 工程材料学 1、单晶体的滑移 铜单晶塑性变形后表面的滑移带 单晶体塑性变形时滑移带的形成过
3、程 工程材料学 2、 晶体中的孪生 ： 2、孪生 晶体孪生示意图 滑移与孪生后表面形貌的差别 孪生变形是晶体特定晶面（孪晶面）的原子沿一定方向（孪生方向）协同位移（称为切变）的结果，但是不同的层原子移动的距离也不同。 一般是滑移系少，如 Mg,Zn合金是 HCP结构，或体心立方金属低温变形易产生孪生变形。 工程材料学 3、滑移系 滑移系 晶体中一个滑移的晶面与其上的一个可发生晶体滑移的方向合称为一个 滑移系 。 密排面与非密排面原子滑移过程的比较 非密排面 密排面 密排面之间较易发生滑移； 密排原子方向也是容易发生滑移的方向 工程材料学 晶体中的滑移系比较 1、 FCC中的滑移系 ： 滑移面：
4、 111，滑移方向： 4 X 3 = 12 (滑移系 ) 2、 BCC中的滑移系 ： 滑移面： 110，滑移方向： 滑移系 = 6 X 2 = 12(个 ) 3、 HCP中的滑移系 ： 滑移面 ： (0001), 滑移方向： 1210 2110 1120 滑移系： = 1 X 3 = 3 工程材料学 部分 FCC、 BCC及 HCP晶体的滑移系 晶体结构 滑移面 滑移方向 滑移系数量 FCC： Cu, Al, Pb, Au, Ag, -Fe 111 4X3=12 BCC: -Fe, W, Mo, -黄铜 110 6X2=12 -Fe,Mo,W,Na 211 12X1=12 -Fe, K 321
5、 24X1=24 HCP: Cd, Zn, Mg, Ti, Be 0001 1X3=3 工程材料学 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。 故金属材料中 fcc 的塑性最好， bcc次之， hcp最差。 工程材料学 4 滑移的临界分切应力 1、作用在滑移面上的剪切应力为 ： c o sc o sc o sc o s00 co s/co sAFAF 290 21 s i n)c o s (c o s m其中： 故当 =45 时 m有最大值 1/2。 m称为 Schmit因子（取向因子） 工程材料学 4 临界分切应力定律（ Schmit定律 ） 晶体的取向不同，虽然试样开
6、始屈服时（即开始滑移时）的屈服强度变化很大，但是计算出的分切应力总是一个定值，这个值称为临界分切应力，这个规律叫临界分切应力定律。 临界分切应力是真正表示晶体屈服实质的一个物理量，它不随试样的取向而变化，只决定于晶体内部的实际状况。 实验证明 工程材料学 二、滑移的本 质 1、在切应力作用下，晶体将会发生滑移，但滑移如何进行？ 问题： 滑移是一次性地整体同时发生？还是一其它方式进行？ 2. 实际金属滑移所需的切应力比理论值低几个数量级 ，如 金属 滑移理论切应力 滑移实测切应力 Cu 6272 MPa 0.98 MPa Ag 4410 MPa 0.588 Mpa Zn 4704 Mpa 0.9
7、21 Mpa 为什么理论值与实际值会有如此大的差别呢？ 工程材料学 1930年代，英国物理学家Tayler 研究证明： 滑移是通过位错运动进行的。 滑移时又会产生大量新的位错，即位错增殖。 工程材料学 滑移的实质是位错的运动 工程材料学 刃型位错运动 螺型位错运动 工程材料学 在这张照片中 ,“ 菱型”为位错在样品中的位置 . 放大倍数为 750. 材料为 LiF 工程材料学 阻碍位错运动可以提高材料强度 研究证明： 滑移是通过位错运动进行的。 滑移时又会产生大量新的位错，即位错增殖。 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。 这就是强化金属的基
8、本原理。 工程材料学 第二节 多晶体的塑性变形 多晶变形特点多晶体的塑性变形协调性 多晶体的变形中要保持晶界处的连续性，即晶界处的原子既不能堆积也 不能出现空隙或裂缝 ，晶界两边的变形需要达到互相协调。 为了达到这种协调性，每个晶粒内位错在外力作用下发生运动，即以滑移方式产生塑性变形效果，需要临近晶粒作出相应的变形。 晶界两边的晶粒取向不一样，靠单一的滑移系的动作将不能保证这种协调，要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，加上自身晶粒除了变形的主滑移系统外，也要有 几个滑移系统同时动作 才行。 所以晶粒的取向不同对滑移起到阻碍作用，增加了滑移要求的外力。 工程材料学 第二节 多晶体金属的塑
9、性变形 一、多晶体塑性变形的特点 多晶体受外力作用时，各晶粒的滑移系上均受到分切应力的作用，但 1。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，故变形不均匀。 2。因晶界及晶粒取向的影响，变形更困难。 工程材料学 1、不均匀的塑性变形过程 首先“开动”的是“软取向”，同时这些晶粒发生转动，而变成“硬取向”。 2、晶粒间位向差阻碍滑移进行 3、晶界阻碍位错运动 多晶体的塑性变形过程 工程材料学 二、细晶粒钢具有优良的综合力学性能 细晶强化 1。晶粒越细，则晶界越多，位错运动更困难，强度就越高。 工程材料学 Hall-Petch公式： s = 0 + Kd 1/2 2。晶粒越细，变形分散，应力集中小，裂纹不易产生和发 展，塑性和韧性就越好 。 工程材料学 三、塑性变形对金属组织性能的影响 1。对组织结构的影响 显微组织呈现纤维状 晶粒及夹杂物沿变形方向伸长及分布，使纵向力学性能大于横向。 工程材料学 （ 2）、晶粒中亚晶粒增多 ； 因塑性变形时的位错运动、增殖和其间复杂的交互作用，位错密度增加，产生位错缠结，使晶粒碎化成更小的亚晶粒。 a b 位错缠结 工程材料学 （ 3）、产生形变织构 工程材料学 b b 扎制硅钢的织构 沿 方向易磁化，可提变压器铁芯的导磁率，降低铁损。 轧向和横向磁滞回线 (a) 轧向 (b) 横向
