第3章金属材料的塑性变形课件.ppt

第3章 金属材料的塑性变形 金属材料经塑性变形后，内部组织会发生很大变化，使金属的性能得到改善和提高。 §3．1 单晶体和多晶体的塑性变形 3.1.1 单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进行。 1．滑移： 金属塑性变形最常见的方式就是滑移。晶体在切应力的作用下，一部分沿一定的晶面（亦称滑移面）和晶向（也称滑移方向）相对于另一部分产生滑移。 实际上，单晶体的滑移变形除了晶体内两部分彼此以刚性的整体相对滑移外，晶体内部的各种缺陷（尤其是位错）的运动更容易产生滑移，而且位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。当位错运动到晶体表面时，晶体就产生了塑性变形。 金属晶体的滑移遵循一定的规律。 ⑴当金属晶体发生滑移时，原子移动的距离是晶格常数的整数倍，所以滑移后仍然可以保持晶体结构的完整性，滑移后晶体结构的取向也没有发生变化。 ⑵由于金属晶体中各类晶面和晶向的原子密度并不相等，各类晶面之间距离和不同晶向的原子之间距离也不相等，所以当外应力或分切应力一定时，金属晶体必定会以晶面间距较大即晶面之间结合力较小的最密排面作为滑移面进行滑移。反之，原子密度小的晶面，由于面间距离小，即晶面之间的结合力甚强而难于进行滑移。 ⑶同理，滑移方向一般也是金属晶体中的最密排方向。 ⑷将滑移面和滑移方向的组合数（即两者的乘积）称为滑移系。 ⑸金属的晶体结构不仅会影响滑移的临界分切应力的大小，还会对滑移系的多少产生影响。这两个因素都与金属的塑性直接有关。所以常见的金属中，面心立方金属塑性较好，体心立方金属塑性稍差，密排六方金属塑性更差。 2．孪生 晶体变形的另一种方式是孪生。孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分对应于一定的晶面（孪晶面）沿一定方向进行的相对移动。原子移动的距离与原子离开孪晶面的距离成正比，每个相邻原子间的位移只有一个原子间距的几分之一，但许多层晶面累积起来的位移便可形成比原子间距大许多的变形。 3.1.2 多晶体金属塑性变形的特点 1．晶粒取向对塑性变形的影响 多晶体中各个晶粒的取向不同，在大小和方向一定的外力作用下，各个晶粒中沿一定滑移面和一定滑移方向上的分切应力并不相等，因此在某些取向合适的晶粒中，分切应力有可能先满足滑移的临界应力条件而产生位错运动，这些晶粒的取向称为软位向。 另一些晶粒由于取向的原因可能还不符合发生滑移的临界应力条件而不会发生位错运动，这些晶粒的取向称为硬位向。在外力作用下，金属中处于软位向的晶粒中的位错首先发生滑移运动，但这些晶粒变形到一定程度后就会受到处于硬位向、尚未发生变形的晶粒的阻碍，只有当外力进一步增加才能使处于硬位向的晶粒也满足滑移的临界应力条件，产生位错运动从而出现均匀的塑性变形。 所以在多晶体金属中，由于各个晶粒取向不同，一方面使塑性变形表现出很大的不均匀性，另一方面也会产生强化作用。同时，在多晶体金属中，当各个取向不同的晶粒都满足临界应力条件后，每个晶粒既要沿各自的滑移面和滑移方向滑移，又要保持多晶体金属的结构连续性，所以实际的滑移变形过程比单晶体金属复杂、困难得多。 2．晶界对塑性变形的影响 在多晶体金属中，晶界原子的排列是不规则的，局部晶格畸变十分严重，还容易产生杂质原子和空位等缺陷的偏聚。当位错运动到晶界附近时容易受到晶界的阻碍。在常温下多晶体金属受到一定的外力作用时，首先在各个晶粒内部产生滑移或位错运动，只有当外力进一步增大后，位错的局部运动才能通过晶界运动，从而出现更大的塑性变形。 这表明多晶体金属的晶界可以起到强化作用，金属晶粒越细小，晶界在多晶体中占有的体积百分比越大，它对位错运动产生的阻碍也越大，因此细化晶粒可以对多晶体金属起到明显强化作用。同时在一定的外力作用下，当总的塑性变形量一定时，细化晶粒后可以使位错在更多的晶粒中产生运动，这就会使塑性变形更均匀，因而不容易产生应力集中，所以细化晶粒在提高金属强度的同时也改善了金属材料的韧性。 §3．2 金属的形变强化 3.2.1 形变强化现象 金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化，最明显的特点是强度随变形程度的增加而大为提高，其塑性却随之有较大的降低，这种现象称为形变强化，也称为加工硬化或冷作硬化。 利用形变强化现象来提高金属材料的强度，在工业上应用甚广。例如冷拉钢丝。尤其是对于纯金属以及不能用热处理强化的合金，这种方法格外重要。 冷态压力加工后位错密度大增，晶格畸变很大，电阻有所增大，抗蚀性降低；冷变形产品尺寸精度高、表面质量好，但塑性下降，进一步加工困难。 3.2.2 塑性变形后金属的组织结构变化 ⑴晶粒碎化，亚结构增多。 ⑵晶粒拉长，出现纤维状组织。 塑性变形会使多晶体金属的晶粒、晶界形状、晶界上杂质元素的分布都出现沿变形方向的延伸。如果塑性变形量很大，晶界会变得模糊不清，只