金屬及合金的塑性變形與斷裂.pptx

1 第六章金屬及合金的塑性變形與斷裂 第一節(jié)金屬的變形特性第二節(jié)單晶體的塑性變形第三節(jié)多晶體的塑性變形第四節(jié)合金的塑性變形第五節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響第六節(jié)金屬的斷裂 2 鑄態(tài)組織的缺點 晶粒粗大 不均勻 改善鑄態(tài)組織 組織不致密 成分偏析 不均勻 材料的性能 壓力加工 塑性變形 軋制 鍛造 擠壓 塑性變形 熱塑性變形 冷塑性變形 強度 塑性 塑性 強度 縮松 制成型材或工件 3 6 1金屬的變形特性 低碳鋼 曲線 一 工程應(yīng)力 應(yīng)變曲線 彈性變形 elasticdeformation 彈塑性變形 plasticdeformation 斷裂 fracture 利用金屬的應(yīng)力 應(yīng)變曲線 載荷 變形曲線 研究金屬變形特點 應(yīng)力 工程應(yīng)力或名義應(yīng)力 應(yīng)變 工程應(yīng)變或名義應(yīng)變 載荷 試樣的原始截面積 試樣的原始標距長度 試樣變形后的長度 金屬變形 4 6 1金屬的變形特性 彈性變形階段 線性階段 服從虎克定律 E 彈性極限 材料保持完全彈性變形時的最大應(yīng)力 微量塑性變形起始階段 屈服極限 材料開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力 條件屈服極限 材料無明顯屈服時 產(chǎn)生0 2 殘余變形的應(yīng)力值為其屈服極限 表示材料對起始微量塑性變形的抗力 1 2 3 抗拉強度 材料對最大均勻塑性變形的抗力 5 6 1金屬的變形特性 4 之后 不均勻塑變階段 試樣開始發(fā)生不均勻塑性變形并形成縮頸 塑性斷裂 產(chǎn)生一定量塑性變形后的斷裂 條件斷裂強度 材料的塑性 材料在斷裂前的塑性變形量 塑性指標 延伸率 和斷面收縮率 材料的韌性 材料對斷裂的抵抗能力 可以由應(yīng)力 應(yīng)變曲線下面的面積進行度量 材料對塑性變形的極限抗力 假象 載荷 原始截面積 6 6 1金屬的變形特性 真實應(yīng)力 二 真應(yīng)力 真應(yīng)變曲線 真實應(yīng)變 瞬時截面積 隨變形量的增加 塑性變形抗力不斷增加的現(xiàn)象 加工硬化 形變強化 7 6 1金屬的變形特性 雙原子模型 三 金屬的彈性變形 金屬晶格在外力作用下產(chǎn)生的彈性畸變 實質(zhì) 平衡位置 作用力為零 受到外力作用 偏離平衡位置 作用力不為零 所加外力小于原子之間的結(jié)合力時 兩者處于平衡狀態(tài) 去除外力 在原子之間的結(jié)合力的作用下 原子立即恢復(fù)平衡位置 金屬晶體在外力作用下產(chǎn)生的宏觀變形隨之消失 彈性變形 取決于原子間結(jié)合力的大小 彈性模量 8 第六章金屬及合金的塑性變形與斷裂 第一節(jié)金屬的變形特性第二節(jié)單晶體的塑性變形第三節(jié)多晶體的塑性變形第四節(jié)合金的塑性變形第五節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響第六節(jié)金屬的斷裂 9 6 2單晶體的塑性變形 常溫和低溫下塑性變形的主要方式 滑移 孿生 一 滑移 3 25 Si Fe單晶體中的平直滑移帶 滑移線 在切應(yīng)力作用下 晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面和晶向產(chǎn)生相對位移 且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑性變形方式 滑移面 滑移方向 滑移帶 塑性變形后在晶體表面產(chǎn)生的一個個小臺階 10 光鏡下 滑移帶 電境下 滑移線 滑移的表象學(xué) 6 2單晶體的塑性變形 滑移線和滑移帶的示意圖 滑移的特點 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生 產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力 臨界切應(yīng)力 11 滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面 密排面 和晶向 密排晶向 發(fā)生 6 2單晶體的塑性變形 滑移的特點 滑移系 阻力小 密排面上原子間的結(jié)合力最大 密排面之間的距離最大 密排面之間原子結(jié)合力最弱 同理 密排晶向上滑移阻力小 一個滑移面和其上的一個滑移方向組成一個滑移系 slipsystem 12 6 2單晶體的塑性變形 滑移系主要與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān) 滑移系表示晶體在進行滑移時可能采取的空間取向 FCC HCP 三種常見金屬結(jié)構(gòu)的滑移系 111 110 0001 BCC 13 6 2單晶體的塑性變形 BCC FCC HCP 三種常見金屬結(jié)構(gòu)的滑移系 111 110 0001 密排面 密排方向 滑移系數(shù)量 晶體結(jié)構(gòu)不同 滑移系數(shù)量不同 如何影響金屬塑性 14 晶體中滑移系越多 滑移越容易進行 塑性越好金屬塑性的好壞 與滑移面上原子的密排程度 滑移方向的數(shù)目有關(guān) 密排程度愈高 滑移方向愈多 塑性愈好 6 2單晶體的塑性變形 密排面 密排方向 滑移系 面心立方結(jié)構(gòu)塑性優(yōu)于體心立方結(jié)構(gòu) 對比BCC和FCC的塑性 FCC BCC 15 三 滑移的臨界分切應(yīng)力 6 2單晶體的塑性變形 產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生 設(shè)對一單晶圓柱體試樣作拉伸試驗 分切應(yīng)力達到臨界值 晶體開始滑移 宏觀上金屬開始屈服 屈服極限 材料開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力 臨界切應(yīng)力 取向因子 16 臨界分切應(yīng)力取決于金屬本性在一定條件下 為一個定值 6 2單晶體的塑性變形 硬取向 軟取向 金屬最容易開始滑移 金屬無法滑移 硬取向 軟取向 17 6 2單晶體的塑性變形 四 滑移時晶體的轉(zhuǎn)動 隨著滑移的進行 晶體取向發(fā)生改變的現(xiàn)象稱晶體的轉(zhuǎn)動 包括滑移面的轉(zhuǎn)動和滑移方向的改變 18 拉伸時滑移面和滑移方向逐漸趨于平行于拉伸軸方向 壓縮時滑移面逐漸趨于與壓力軸線方向垂直 幾何硬化 由軟取向逐漸變?yōu)橛踩∠?使滑移越來越困難的現(xiàn)象幾何軟化 由硬取向逐漸變?yōu)檐浫∠?使滑移越來越容易的現(xiàn)象 6 2單晶體的塑性變形 19 六 滑移的位錯機制 6 2單晶體的塑性變形 1 位錯的運動及晶體的滑移 晶體的滑移不是晶體的一部分相對另一部分作整體的剛性移動 而是位錯在一定切應(yīng)力的作用下沿著滑移面逐步移動的結(jié)果 理論計算值與實測數(shù)據(jù)的差別懸殊 發(fā)現(xiàn)問題 位錯學(xué)說 解決問題 位錯移動一個原子間距時 位錯中心附近的少數(shù)原子只作遠小于一個原子間距的彈性偏移 需要很小的切應(yīng)力就可實現(xiàn) 滑移 孿生 20 6 2單晶體的塑性變形 21 滑移線和滑移帶的示意圖 6 2單晶體的塑性變形 晶體中有如此大量的位錯嗎 由于滑移線是位錯移動到晶體表面而形成的 隨著塑性變形地進行 位錯數(shù)量應(yīng)該減少 最終形成無位錯的理想晶體 事實恰恰與此相反 22 2 位錯的增值 弗蘭克 瑞德位錯增值機制 Si中的位錯源 位錯線彎曲 產(chǎn)生線張力 使位錯恢復(fù)直線的傾向 線速度相同 角速度不同 位錯蜷線 位錯環(huán) 位錯線 23 弗蘭克位錯源產(chǎn)生的大量位錯沿滑移面運動 遇到障礙物 固定位錯 雜質(zhì) 晶界等 的阻礙 領(lǐng)先的位錯在障礙物前被阻止 后續(xù)位錯被塞積 形成平面塞積群 并在障礙物的前端形成高度的應(yīng)力集中 6 2單晶體的塑性變形 3 位錯的塞積 應(yīng)力集中 位錯數(shù) 滑移方向上的分切應(yīng)力 晶粒尺寸 應(yīng)力集中 24 二 孿生孿生是冷塑性變形的另一種重要形式 常作為滑移不易進行時的補充 一些密排六方的金屬如Zn Mg等常發(fā)生孿生變形 體心立方及面心立方結(jié)構(gòu)的金屬在形變溫度很低 形變速率極快時 也會通過孿生方式進行塑變 6 2單晶體的塑性變形 滑移 孿生 25 孿生 在切應(yīng)力的作用下 晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的均勻切變 一定晶面 孿生面一定方向 孿生方向不改變晶體結(jié)構(gòu) 改變變形部分的位向 6 2單晶體的塑性變形 二 孿生 滑移 在切應(yīng)力作用下 晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對于另一部分產(chǎn)生相對位移 一定晶面 滑移面 一定晶向 滑移方向不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性 晶體結(jié)構(gòu) 晶體的孿生面和孿生方向與其晶體結(jié)構(gòu)類型有關(guān) 26 6 2單晶體的塑性變形 二 孿生 27 鋅中的變形孿晶 6 2單晶體的塑性變形 二 孿生 孿生變形后晶體的變形部分與未變形部分以孿晶界為分界面構(gòu)成了鏡面對稱的位向關(guān)系 金相顯微鏡下一般呈條帶狀 有時為透鏡狀 切變區(qū)域內(nèi) 與孿生面平行的每一層原子的切變量與它距孿生面的距離成正比 并且不是原子間距的整數(shù)倍子 而是分數(shù)倍 28 孿生的變形特點只有在滑移很難進行 晶體才發(fā)生孿生變形切變時原子移動的距離是孿生方向原子間距的分數(shù)倍 滑移是整數(shù)倍孿生后晶體的變形部分的位向發(fā)生了改變 滑移后晶體各部分位向均未改變 孿生是均勻的切變 變形速度極大 滑移只集中在一些滑移面進行 不均勻?qū)\生對塑變的直接貢獻比滑移小很多 6 2單晶體的塑性變形 29 第六章金屬及合金的塑性變形與斷裂 第一節(jié)金屬的變形特性第二節(jié)單晶體的塑性變形第三節(jié)多晶體的塑性變形第四節(jié)合金的塑性變形第五節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響第六節(jié)金屬的斷裂 30 受到晶界的阻礙和位向不同的晶粒的影響保持晶粒之間的結(jié)合和整個物體的連續(xù)性 6 3多晶體的塑性變形 滑移 主 孿生等 塑性變形方式 31 6 2單晶體的塑性變形 形成位錯的平面塞積群 形成高度應(yīng)力集中 應(yīng)力集中 外加應(yīng)力 相鄰晶粒某些滑移系上的分切應(yīng)力達到臨界切應(yīng)力值 位錯源開動 開始塑性變形 一 多晶體的塑性變形過程 32 晶粒變形的不同時性即各晶粒的變形有前有后 不是同時進行 各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性bcc和fcc金屬的滑移系多 各個晶粒的變形協(xié)調(diào)得好 塑性好 hcp的涓移系少 很難使晶粒的變形彼此協(xié)調(diào) 塑性差 冷加工較困難 6 3多晶體的塑性變形 一 多晶體的塑性變形過程 各晶粒變形的不均勻性 33 晶界的存在使變形的晶粒中的位錯在晶界處受阻 每一晶粒中的滑移帶都終止在晶界附近 晶界越多 阻力越大 各晶粒存在位相差 為了協(xié)調(diào)變形 每個晶粒都進行多滑移 必然產(chǎn)生位錯的交割 晶粒越多 割階越多 阻力越大 6 3多晶體的塑性變形 二 晶粒大小對塑性變形的影響 細晶強化 細化晶粒增加晶界提高金屬強度的方法 晶粒愈細 強化效果愈好 34 6 3多晶體的塑性變形 常溫下 金屬材料的屈服強度 s與晶粒直徑d有如下關(guān)系式 霍爾 配奇公式 晶粒大小與金屬強度關(guān)系 二 晶粒大小對塑性變形的影響 K 材料常數(shù) 35 6 3多晶體的塑性變形 細晶強化的原因 根據(jù) n 0關(guān)系式 應(yīng)力集中的大小決定于塞積的位錯數(shù)目n n越大 則應(yīng)力集中也越大 n與晶界到位錯源的距離L成正比 晶粒越大 晶界到位錯源的距離L越大 應(yīng)力集中越大 位錯運動所需外部施加的應(yīng)力需要越小 宏觀表現(xiàn)強度越低 晶粒越小 位錯運動所需外部施加的應(yīng)力需要越大 宏觀表現(xiàn)強度越高 36 6 3多晶體的塑性變形 細化晶粒 能夠改善材料的塑性和韌性 應(yīng)力集中引起的開裂的機會少 在相同的外力作用下 細小晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變差較小變形較均勻 在斷裂前承受較大的變形量 所以可得到較大的延伸率和收縮率 37 第六章金屬及合金的塑性變形與斷裂 第一節(jié)金屬的變形特性第二節(jié)單晶體的塑性變形第三節(jié)多晶體的塑性變形第四節(jié)合金的塑性變形第五節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響第六節(jié)金屬的斷裂 38 6 4合金的塑性變形 根據(jù)合金的組織可將合金分為兩大類 1 單相固溶體合金 具有以基體金屬為基的單相固溶體組織 2 多相合金 第二相 各組元形成的化合物或以合金元素為基形成的另一固溶體 加入的合金元素量超過了它在基體金屬中的飽和溶解度 在顯微組織中還將出現(xiàn)第二相 39 固溶強化固溶體中存在溶質(zhì)原子 使其塑性變形抗力增加 強度 硬度提高 而塑性 韌性有所下降的現(xiàn)象 固溶強化的主要原因 晶格發(fā)生畸變 彈性應(yīng)力場 對運動的位錯起阻礙作用 位錯線上偏聚的溶質(zhì)原子對位錯的釘扎作用 柯氏氣團的釘扎 6 4合金的塑性變形 一 單相固溶體合金的塑性變形 與多晶體純金屬相似 例 F 或 和 Fe 晶體結(jié)構(gòu)相同 顯微組織相似 純金屬 固溶體 40 柯氏氣團 偏聚于位錯周圍的溶質(zhì)原子形成的 氣團 6 4合金的塑性變形 柯氏氣團的形成 減少了晶格畸變 降低了溶質(zhì)原子與位錯的彈性交互作用能 使位錯處于較穩(wěn)定的狀態(tài) 較少了可動位錯數(shù)目 釘扎作用 若是位錯線運動 脫離氣團的釘扎 就需要更大的外力 從而增加了固溶體合金的塑性變形抗力 41 6 4合金的塑性變形 固溶強化的規(guī)律 1 在溶解度范圍內(nèi) 溶質(zhì)原子質(zhì)量分數(shù)越大強化作用越大 2 溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸相差越大 畸變越大 強化越強 4 溶質(zhì)原子和溶劑原子的價電子數(shù)相差越大強化作用越大 3 形成間隙固溶體的強化效果大于置換固溶體 溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)相同時 前者的強化效果是后者的10 100倍 42 6 4合金的塑性變形 二 多相合金的塑性變形 基體 第二相 一 兩相的性能相近 按強度分數(shù)相加計算 呈線性關(guān)系 例 F Fe3C A Fe3C 根據(jù)組織分兩類 第二相引起的強化 43 合金的塑性變形除與各相的相對含量有關(guān)外還與脆性相的分布有關(guān) 硬脆的第二相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在塑性相的晶界上如 二次滲碳體在晶界網(wǎng)狀分布 增加脆性硬脆的第二相呈片狀或?qū)訝罘植妓苄韵嗟幕w上如 珠光體組織 片間距越小 強度好 塑性高 6 4合金的塑性變形 二 兩相性能相差很大塑性較好的基體 硬脆的第二相 44 3 脆性相在塑性相中呈顆粒狀分布 存在兩種強化機制 1 位錯繞過第二相粒子 彌散強化 顆粒釘扎作用的電鏡照片 6 4合金的塑性變形 條件 第二相顆粒堅硬而粗大時 第二相間距越小強化作用越大 位錯將彎曲 繞過顆粒 位錯線繞過間距為 的第二相粒子所需要的切應(yīng)力 G切變模量 b柏氏矢量 45 3 脆性相在塑性相中呈顆粒狀分布 2 位錯切過第二相粒子 沉淀強化 電鏡觀察 6 4合金的塑性變形 硬度不太高 尺寸也不大的可變形的粒子 過飽和固溶體時效初期產(chǎn)生的共格析出相 位錯要切過 46 第六章金屬及合金的塑性變形與斷裂 第一節(jié)金屬的變形特性第二節(jié)單晶體的塑性變形第三節(jié)多晶體的塑性變形第四節(jié)合金的塑性變形第五節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響第六節(jié)金屬的斷裂 47 6 5塑性變形對金屬組織和性能的影響 金屬塑性變形后外形 尺寸的變化是其內(nèi)部晶粒變形的總合 一 塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響 如 軋制時 當變形量很大時 形成纖維組織 纖維狀的條紋 變形方式和變形量決定晶粒形狀的變化 一 顯微組織的變化 70 50 30 低碳鋼冷塑性變形后的纖維組織 纖維的分布方向即為金屬變形時的伸展方向 48 二 亞結(jié)構(gòu)的細化 6 5塑性變形對金屬組織和性能的影響 三 形變織構(gòu) 一 塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響 形成胞狀亞結(jié)構(gòu) 形變亞晶 亞結(jié)構(gòu)的邊界堆積有大量的位錯 亞結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的晶格則比較完整 擇尤取向 原為任意取向的各個晶粒隨塑性變形量的增大 逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致的現(xiàn)象 多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇尤取向的組織 49 6 5塑性變形對金屬組織和性能的影響 織構(gòu)的分類 加工方式不同 可能出現(xiàn)不同類型的織構(gòu) 軋制 拉拔 板織構(gòu) 軋制時形成 各個晶粒的某一晶面平行于軋制平面 某一晶向平行于軋制方向