1、金属学与热处理,主讲： 杨慧,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,6-1 金属的变形特性,6-2 单晶体的塑性变形,6-3 多晶体的塑性变形,6-4 合金的塑性变形,6-5 塑性变形对金属组织和性能的影响,3,塑性加工（压力加工）：利用金属在外力下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法。,概述:,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,塑性加工主要方式,轧制,挤压,拉拔,锻造,冲压,5,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,塑性变 形机理,研究意义：,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,7,第六章 金属及合金的塑性变形与
2、断裂,6-1 金属的变形特性,8,弹性阶段,弹性极限e,屈服阶段,屈服极限S,强化阶段,强度极限b,颈缩阶段,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,复习：应力-应变曲线,9,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,一、应力-应变公式：,应力：,应变：,伸长率：,断面收缩率：,10,弹性变形：金属受力发生变形，当外力去除，立即恢复原状的变形，叫做弹性变形。,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,二、金属的弹性变形,1、弹性变形的实质,金属晶格在外力作用下产生的晶格畸变。,11,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,2、弹性变形的特点,变形是可逆的 弹性应变很小应力与应变成正比,12,第六章 金属及合金的塑
3、性变形与断裂,正应力：,负应力：,3、胡克定律,13,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,6-2 单晶体的塑性变形,14,塑性变形：物体的外形尺寸发生了永久变化 的变形。 实质：原子相对移动距离超过了晶格中的原 子间距，使原子失去恢复到原始状态的能力。 塑变方式：滑移、孪生、扭折。,一、概述,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,15,1、滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分作相对的滑动。,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,二、 单晶体塑性变形机理,16,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,2.滑移特点：,（1）外力P在一定的晶面上分解为两种应力，一为平行于该晶面的切应力，另一
4、为垂直于该晶面的正应力。,图1（a）在正应力作用下的变形,在切应力作用下的变形,单晶体试样拉伸 变形示意图,显微镜下滑移的观察,（2） 切应力可使晶格发生弹性扭曲后，进一步造成滑移。,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,18,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,3.滑移带：,（1）滑移线和滑移带示意,19,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,（2）滑移的观察,4.滑移系： （1）定义：一个滑移面（发生滑移的晶面）和其上的一个滑移方向（发生滑移的方向）组成一个空间位向。,20,滑移系越多，晶体塑性越好 。fcc的塑性最好，bcc次之，hcp最差,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,21,滑移面总
5、是原子最密排面，滑移方向总是原子的最密排方向。 在晶体的原子密度最大的晶面上，原子间的结合力最强，而面与面之间的距离却最大，所以密排晶面之间的原子间结合力最弱，滑移的阻力最小，最易于滑移。 沿原子密度最大的晶向滑动时，阻力最小。,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,（2）滑移系的特点：,临界分切应力：使滑移系开动的最小分切应力。,22,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,5.滑移的临界分切应力：,以圆柱形金属单晶体试样为例： 试样的横截面积为； 轴向拉力为； 滑移面的法线与的夹角为；滑移方向与的夹角为；,23,滑移方向分切应力：,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,临界分切应力？（自学）,24
6、,取向因子（） ： （滑移面法线、滑移方向和外力轴三者 在同一平面上，则 90 ，当外力与截面积一定时）coscos,软取向：45,硬取向：0或90,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,25,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,6.滑移时晶体的转动：,依靠晶体整体滑移的塑性变形模型,实际金属单晶体滑移所需的力仅是理想晶体的百分之一到千分之一，为什么？,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,27,（1）晶体滑移的实质：不断的消耗位错，不断的产生新位错。,刃型位错移动造成滑移示意图,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,7.滑移的位错机制：,28,位错虽然移动了一个原子间距，但位错中心附近的少数原子只
7、作远小于一个原子间距的弹性偏移，而其他区域的原子仍处于正常位置，所以这样的位错运动只需一个很小的切应力即可实现。,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,（2）滑移的位错机制：,理想晶体,含有位错的晶体,位错运动使塑性变形容易,30,弗兰克瑞德位错源,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,8.位错的增殖：,弗兰克瑞德位错源,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,32,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,9.位错的交割与塞积：,（1）交割：位错线相交再通过的过程。,33,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,位错的交割动画示意图,34,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,交割的结果产生割阶：,增加了位错线
8、的长度。 还可能形成一种位错难以运动的固定割阶，造成位错缠结。,35,定义：当位错运动遇到障碍物（固定位错、杂质粒子、晶界）的阻碍时，领先的位错在障碍物前被阻止，后续的位错被堵塞。,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,（2）位错的塞积,36,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,位错的塞积示意图,37,塞积处产生的应力集中为： 0：塞积在障碍处产生的应力集中0：位错产生的应力在滑移方向的切应力：位错塞积数（n与正比，为位错源距障碍物的距离）结论： ,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,38,思考：多晶体与单晶体塑变的异同？同：都主要依靠滑移、孪生异：相邻的晶粒位向不同， 各晶粒之间存在晶界。,第
9、六章 金属及合金的塑性变形与断裂,39,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,6-3 多晶体的塑性变形,40,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,一、多晶体的塑性变形过程,1、塑性变形过程,晶界处位错塞积,产生应力集中,相邻晶粒滑移,软取向的晶粒先滑移,41,各晶粒变形的不同时性,各晶粒变形的相互协调性,晶界阻碍滑移的进行,各晶粒变形的不均匀性,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,2、多晶体变形的特点,42,通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高的现象。,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,二、晶粒大小对塑性变形的影响,细晶强化：,43,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,第六章
10、金属及合金的塑性变形与断裂,6-4 合金的塑性变形,44,单相固溶体合金,以基体金属为基的固溶体,多相合金,第二相,固溶体,化合物,合金,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,概述：,45,固溶强化：由于溶质原子存在使强度、硬度增高，塑性、韧性下降的现象。强化机制：,1、发生晶格畸变，阻碍位错运动,2、形成柯氏气团,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,一、单相固溶体合金的塑性变形,46,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,二、多相合金的塑性变形,合金的变形能力为两相的平均值：,式中： 和是 两相的强度极限和是两相的体积分数,1、合金中两相的性能相近,47,（1）第二相网状分布于晶界：,珠光体+二
11、次渗碳体,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,2、合金中两相的性能相差很大,使合金的脆性增加，塑性和强度下降,48,珠光体中渗碳体片的变形,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,（2）两相呈层片状分布：,2、合金中两相的性能相差很大,强度、硬度比纯金属高得多，塑、韧性有所下降,49,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,（3）第二相呈颗粒状分布：,第二相是较为粗大的颗粒,对位错的阻碍作用小于片状，所以强度、硬度降低，塑性、韧性升高。,50,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,第二相呈细小、弥散分布，阻碍位错运动，显著提高强度。,51,弥散强化,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,A：位错绕过机制：
12、硬质点，位错绕过质点。,52,位错绕过机制示意动画,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,53,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,B：位错切过机制：软质点。,沉淀强化：,54,位错切过机制示意动画,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,55,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,6-5 塑性变形对金属组织和性能的影响,56,变形10% 100,变形40% 100,变形80% 纤维组织 100,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,一、塑性变形对组织结构的影响,1、显微组织的变化,纤维组织：晶粒拉长，性能呈现各向异性。,57,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,2、
13、亚结构的细化,亚结构：位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。,58,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,3、形变织构,（1）形变织构的分类,形变织构：金属塑性变形使晶粒具有择优取向的组织。,形变织构分为两类,59,例如：变压器的硅钢片和“制耳”现象。,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,（2）织构在生产中的应用,“制耳”现象示意图,60,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,二、塑性变形对组织性能的影响,1、加工硬化,（1）加工硬化的定义,加工硬化：随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象。,61,位错密度的增加，使位错进一步运动阻力增大。,位错之间交互作
14、用，使位错进一步运动阻力增大。,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,（2）加工硬化的原因,62,具有一定抗偶然过载的能力，保证安全,是冷变形工件成型的重要因素,强化金属的重要工艺手段,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,（3）加工硬化的应用,IF钢板,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,64,优点： 广泛用来提高金属材料的强度,并有利于金属进行均匀变形缺点： 会给金属进一步加工造成困难。,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,（4）加工硬化的优缺点,65,导电率、导磁率下降，比重、热导率下降,结构缺陷增多，扩散加快,化学活性提高，腐蚀加剧,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,2、塑性变形对其他性
15、能的影响,66,分类 第一类残余应力（）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起。第二类残余应力（）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起。第三类残余应力（）：点阵畸变，由位错、空位等引起。利弊 利：预应力处理，如提高疲劳极限。弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳腐蚀开裂。消除残留应力 去应力退火,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,3、残余应力,67,1.金属单晶体塑性变形的本质： 滑移、滑移的晶体学知识、滑移的位错机制 2.多晶体塑性变形的特点： 3.合金的强化机制： 4.塑性变形后组织与性能的变化,本章小结,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,68,1.名词解释：滑移、滑移系、弥散强化、沉淀强化、加
16、工硬化 2、金属的塑性变形有哪几种方式？在什么条件下会发生滑移变形？说明滑移机理？ 3、铜晶体在受力时发生滑移，其滑移面和滑移方向分别为( )。,作业,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,69,4、说明下列现象产生的原因？（小组作业） （1）滑移面是原子密度最大的晶面，滑移方向是原子密度最大的方向？ （2） 实际测得的晶体滑移所需的临界切应力比理论计算的数值小 （3）Zn、-Fe、Cu的塑性不同 （4）晶界处滑移的阻力最大,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,70,5、为什么细晶粒强度高，塑性、韧性也好？利用塑形变形的原理解释之。（个人作业）6、多晶体塑性变形的特点？在多晶体中，哪些晶粒最先滑移？ 7、金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,71,
