金屬學(xué)變形物理基礎(chǔ)

1、University Of Science and Technology BeijingUSTB本課程講授的主要內(nèi)容：本課程講授的主要內(nèi)容：相變規(guī)律、位錯(cuò)及擴(kuò)散相變規(guī)律、位錯(cuò)及擴(kuò)散晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)變形物理基礎(chǔ)變形物理基礎(chǔ)軋制過程的金屬學(xué)原理軋制過程的金屬學(xué)原理University Of Science and Technology BeijingUSTB2變形物理基礎(chǔ)變形物理基礎(chǔ)切應(yīng)力及滑移加工硬化與孿生扭折帶和形變帶復(fù)相合金的塑性形變織構(gòu)與殘余內(nèi)應(yīng)力影響冷形變金屬微觀組織的因素University Of Science and Technology BeijingUSTB3 材料的強(qiáng)度和塑性

2、是兩個(gè)重要的力學(xué)性能，它決定了零構(gòu)件的加工成形的工藝性能，同時(shí)又是零構(gòu)件的重要使用性能。材料的力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)敏感的，它和材料的組織和結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，如晶體缺陷密度。塑性形變的主要機(jī)制是滑移，滑移的臨界分切應(yīng)力可作為起始塑性形變切應(yīng)力的估計(jì)，它取決于位錯(cuò)源開動(dòng)所需的力以及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需克服的P-N力等阻力。起始塑性形變所需要的切應(yīng)力越高，晶體材料的屈服強(qiáng)度越高。研究金屬形變的意義University Of Science and Technology BeijingUSTB4 位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)對(duì)晶體的塑性變形影響很大。只有位錯(cuò)核心在滑移面上是二維分布的場(chǎng)合，例如FCC及HCP在基面滑移的金屬，才遵守S

3、chmid定律，且臨界分切應(yīng)力與溫度的相關(guān)性不大。位錯(cuò)核心不在滑移面二維分布時(shí)，如BCC螺位錯(cuò)核心以及HCP在棱柱面滑移的螺位錯(cuò)的核心作非共面擴(kuò)展，這時(shí)偏離Schmid定律，并且臨界分切應(yīng)力與溫度的相關(guān)性很大。臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力University Of Science and Technology BeijingUSTB5位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)對(duì)塑性變形的影響螺位錯(cuò)核心的非共面擴(kuò)展的難易c與溫度的關(guān)系c對(duì)溫度不敏感 c對(duì)溫度敏感能量c對(duì)溫度的相關(guān)性及對(duì)應(yīng)的位錯(cuò)能示意圖University Of Science and Technology BeijingUSTB6兩個(gè)或多個(gè)滑移面共同按1個(gè)滑移方

4、向滑移稱交滑移交滑移。交滑移形成的滑移線（帶）是折線形狀。交滑移不是幾個(gè)面“同時(shí)”，而是“順序”滑動(dòng)。 對(duì)低層錯(cuò)能材料，位錯(cuò)很難交滑移，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是平面型的，稱平面滑動(dòng)。對(duì)高層錯(cuò)能材料，位錯(cuò)容易交滑移，滑移線呈波紋狀，稱波紋滑動(dòng)。交滑移容易與否，對(duì)材料的應(yīng)變硬化有很大的影響。層錯(cuò)能越低，位錯(cuò)不易通過交滑移越過遇到的障礙，從而加大了應(yīng)變硬化。交滑移交滑移University Of Science and Technology BeijingUSTB7多系滑移多系滑移 當(dāng)外力的取向使2個(gè)或多個(gè)滑移系上的分切應(yīng)力均達(dá)到臨界分切應(yīng)力值時(shí)，這些滑移系可以同時(shí)開動(dòng)而發(fā)生多系滑移。以fcc結(jié)構(gòu)為例討論力軸在不

5、同取向下發(fā)生的多系滑移。fcc結(jié)構(gòu)的(001)標(biāo)準(zhǔn)極射赤面圖-滑移系的尋找方法把3個(gè)001面的極點(diǎn)標(biāo)為w，把6個(gè)滑移方向的極點(diǎn)分別標(biāo)上I、II、III、IV、V、VI；把4個(gè)111滑移面分別標(biāo)上A、B、C、D記號(hào)。則一滑移系可表示為:BIVUniversity Of Science and Technology BeijingUSTB8開動(dòng)的具體滑移系及數(shù)目與力軸的關(guān)系：三角形內(nèi)：個(gè)；邊上：個(gè)；次軸上：個(gè)；三次軸上：個(gè)；次軸上：個(gè)；University Of Science and Technology BeijingUSTB9 發(fā)生多系滑移時(shí)，在拋光表面看到不止一組的滑移線，而是兩組或多組交

6、叉的滑移線。由于多個(gè)滑移系開動(dòng)，位錯(cuò)交截產(chǎn)生割階及位錯(cuò)帶著割階運(yùn)動(dòng)等原因使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，因而強(qiáng)度也增加。外力軸處于只有1個(gè)滑移系開動(dòng)的取向，材料的強(qiáng)度是比較低的，這樣的取向稱為軟取向；外力軸處于易多滑移的取向稱為硬取向。University Of Science and Technology BeijingUSTB10臨界分切應(yīng)力與溫度間的關(guān)系臨界分切應(yīng)力與溫度間的關(guān)系 長(zhǎng)程交互作用引起的阻力隨溫度的變化是很小的。對(duì)于如位錯(cuò)和林位錯(cuò)相截形成割階或帶著割階滑動(dòng)等短程交互作用引起的阻力，因?yàn)檫@些過程只涉及幾個(gè)原子間距，熱激活對(duì)這些過程會(huì)有很大作用。溫度上升使這些過程易于進(jìn)行，所以臨界分切應(yīng)力隨

7、溫度上升而降低。當(dāng)溫度高時(shí)，熱激活提供足夠的能量，使得臨界分切應(yīng)力不再隨溫度變化。鎘單晶基面滑移 鎂單晶University Of Science and Technology BeijingUSTB11單晶體的應(yīng)力單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及加工硬化應(yīng)變曲線及加工硬化加工硬化現(xiàn)象：材料加工時(shí)強(qiáng)度和硬度隨應(yīng)變加大而增加；應(yīng)力-應(yīng)變曲線：是定量描述加工硬化性質(zhì)的依據(jù)。真應(yīng)變與工程應(yīng)變曲線的差異University Of Science and Technology BeijingUSTB12加工硬化理論加工硬化理論多種機(jī)制：(1)位錯(cuò)滑動(dòng)和林位錯(cuò)交割，增加阻力。(2)林位錯(cuò)使F-R源產(chǎn)生割階，帶割階

8、的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力加大。(3)形成的L-C不動(dòng)位錯(cuò)增大了形變的抗力。(4)由局部應(yīng)力場(chǎng)（短程交互作用）引起硬化。影響加工硬化行為的因素內(nèi)部因素晶體結(jié)構(gòu)、晶體取向或織構(gòu)、堆垛層錯(cuò)能、化學(xué)成分、顯微組織的幾何形狀和尺寸以及位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)。外部因素溫度、應(yīng)變速率、形變模式。University Of Science and Technology BeijingUSTB13單晶應(yīng)力單晶應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線它是定量描述加工硬化性質(zhì)的依據(jù)。前提：初始取向下只有1個(gè)滑移系開動(dòng)。單晶 多晶University Of Science and Technology BeijingUSTB14第I階段，斜率很低（10-4

9、G），-易滑移階段。該階段終止在應(yīng)變約處。第II階段，線性特征，斜率比第I階段約大30倍，它與試樣相對(duì)于力軸的取向、溫度甚至合金度等關(guān)系不大，-線性硬化階段。分為三個(gè)階段：第III階段，拋物線；加工硬化率減少。-拋物線(動(dòng)態(tài)回復(fù))階段。在應(yīng)變處開始，與試驗(yàn)溫度有關(guān)。FCC單晶典型的t-g曲線University Of Science and Technology BeijingUSTB15影響因素：第I,II和III階段存在范圍的大小取決于金屬的純度、形變溫度（和形變速度）、晶體的原始取向、晶體的大小和形狀等因素。溫度很低時(shí)第III階段會(huì)消失。金屬越純，第I階段越短，但1變化不大。力軸相對(duì)于晶

10、體是軟取向時(shí)（單滑移時(shí)），第I階段比較長(zhǎng)，并且1 較?。涣S為硬取向時(shí)，特別在取向三角形靠近111和001邊上時(shí)， 1較大。力軸取向?qū)I也有類似影響，但不如對(duì)1的影響大。形變溫度越低，第I、II階段越長(zhǎng)，但1和II與溫度無關(guān)。第階段開始時(shí)的應(yīng)力tIII對(duì)溫度非常敏感，溫度越高，tIII越小。形變速率的影響和溫度的影響相反，降低溫度的影響相當(dāng)于增加形變速率的影響。University Of Science and Technology BeijingUSTB16箭頭為第三階段開始的位置，注意層錯(cuò)能的影響。University Of Science and Technology BeijingU

11、STB17形變溫度對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線三階段的影響University Of Science and Technology BeijingUSTB18上下屈服點(diǎn)效應(yīng)如果體心立方金屬含有微量的如碳、氮等間隙原子，不論它是單晶體或多晶體，它的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)。原因：溶質(zhì)氣團(tuán)；University Of Science and Technology BeijingUSTB19對(duì)性能的影響:工件表面質(zhì)量;呂德斯帶;低碳鋼的拉伸曲線防止方法:去除C，N(IF鋼)；預(yù)變形使位錯(cuò)擺脫釘扎。University Of Science and Technology BeijingUSTB2

12、0形變孿生形變孿生研究的意義：形變的另一種機(jī)制；在HCP金屬中尤其重要；孿生現(xiàn)象/孿晶-對(duì)稱孿晶特點(diǎn)：原子排列以某一晶面成鏡面對(duì)稱。孿晶形成過程：形變、晶體生長(zhǎng)、退火及相變。(a)天然石英的孿晶的外形，(b)沿圖中方解石體對(duì)角線加壓力形成的孿晶。University Of Science and Technology BeijingUSTB21宏觀外形看不出孿生或?qū)ΨQ關(guān)系微觀原子排列顯示出孿生關(guān)系University Of Science and Technology BeijingUSTB22面心立方晶體孿晶的高分辨率電鏡照片-實(shí)驗(yàn)證實(shí)University Of Science and Te

13、chnology BeijingUSTB23孿生和滑移的差別：孿生和滑移的差別：(1)滑移使滑移面兩側(cè)相對(duì)滑動(dòng)一個(gè)完整的平移矢量（柏氏矢量），而孿生則在孿晶內(nèi)所有的面都滑動(dòng)，滑動(dòng)的距離并非是完整的平移矢量，每個(gè)面的滑動(dòng)量和距孿生面的距離成正比。(2)滑移后整個(gè)晶體的位向沒有改變，而孿生則使孿晶部分的位向與基體成對(duì)稱。(3)滑移使表面出現(xiàn)臺(tái)階（滑移線），表面重新拋光后，滑移線消失；孿生則使表面出現(xiàn)浮凸，因?qū)\晶與基體的取向不同，表面重新拋光后并浸蝕后仍能看到。孿生 滑移University Of Science and Technology BeijingUSTB24鋅形變組織 (a)拋光后變形；

14、滑移、孿生都可看到； (b)再拋光并浸蝕；滑移看不見，孿晶仍存在；University Of Science and Technology BeijingUSTB25一些合金的孿生元素注意：切變后要保持原子對(duì)稱的關(guān)系、同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)又不能改變，孿生只能在特定面和方向進(jìn)行。University Of Science and Technology BeijingUSTB26孿生的一般特點(diǎn)(1)出現(xiàn)的頻率和尺寸取決于晶體結(jié)構(gòu)和層錯(cuò)能的大小。(2)常在高應(yīng)力集中處形核，出現(xiàn)孿生時(shí)s-e曲線有突然下降。Cu-Si合金中的層錯(cuò)和孿晶fcc(a)Cd；(b)Au-Ag合金；University Of Scie

15、nce and Technology BeijingUSTB27(3)根據(jù)孿晶幾何的分析，孿生區(qū)域應(yīng)由2個(gè)與基體共格的孿生面為邊界。非共格孿晶界孿生導(dǎo)致裂紋(4)由孿生提供的形變量是很小的，特別是在六方結(jié)構(gòu)晶體中。University Of Science and Technology BeijingUSTB28扭折帶和形變帶扭折帶和形變帶扭折：塑性形變的一種形式。出現(xiàn)條件:滑移和孿生困難時(shí)發(fā)生。壓縮方向平行于滑移面，不容易滑移的，為松弛外力，局部晶格繞某軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)而形成扭折。在扭折帶中包含大量不均勻堆積的滑移位錯(cuò)，在扭折面K兩邊的滑移線雖然是鏡面對(duì)稱的，但晶格卻并非是對(duì)稱的。鎘單晶體壓縮時(shí)出

16、現(xiàn)扭折帶外貌及示意圖University Of Science and Technology BeijingUSTB29鋅單晶在拉伸形變時(shí)出現(xiàn)的扭折帶外貌和描述扭折帶的示意圖。University Of Science and Technology BeijingUSTB30形變帶：晶粒局部轉(zhuǎn)動(dòng)使晶體從單一的取向分裂成兩種互補(bǔ)的取向的局部區(qū)域。形變前的單晶相對(duì)于模子的取向是：001平行于壓縮軸方向，110和110分別平行于槽的縱向(X1)和槽的橫向(X3)。70%壓縮后，晶體取向以X3軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)分裂成兩種取向：一種是(112)面平行于壓縮面，111平行于X1軸，另一種是(112)面平行于壓縮面

17、，111平行于X1軸。鋁單晶Channel Die壓縮時(shí)形成形變帶University Of Science and Technology BeijingUSTB31 形變帶和扭折帶都是在特殊條件下滑移的表現(xiàn)，它們都是因形變形成取向與晶體其余部分不同的區(qū)域，在它們的邊緣并不是晶界，它有一定的寬度，是取向逐漸過渡的區(qū)域，稱這個(gè)過渡的邊界為過渡（Transition Band）。形變鋁中的過渡帶University Of Science and Technology BeijingUSTB32在很多立方系結(jié)構(gòu)金屬形變時(shí)都觀察到形變帶，但在六方結(jié)構(gòu)金屬形變時(shí)卻很少出現(xiàn)形變帶。鎂合金形變時(shí)易出現(xiàn)切變帶

18、，隨后的形變集中在切變帶內(nèi)；過度的切動(dòng)造成裂紋的形成。University Of Science and Technology BeijingUSTB33形變織構(gòu)形變織構(gòu)織構(gòu)(擇優(yōu)取向)的概念：多晶體晶粒取向集中分布在某一個(gè)或某些取向附近的現(xiàn)象。晶粒取向隨機(jī)分布晶粒取向擇優(yōu)分布各向異性多晶體、各向異性、晶粒取向的關(guān)系University Of Science and Technology BeijingUSTB34出現(xiàn)織構(gòu)的原因： 形變總是在取向有利的滑移系和孿生系上發(fā)生，結(jié)果使得形變后晶體的取向并非是任意的。隨著形變進(jìn)行，各晶粒的取向會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向某一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)定的取向，這些穩(wěn)定的取向取決于金屬

19、材料的晶體結(jié)構(gòu)及形變方式。例：拉伸時(shí)，滑移方向力圖與力軸平行，應(yīng)是；兩個(gè)同時(shí)開動(dòng)時(shí)可以是；孿生時(shí)則有一固定轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，如FCC是72o，HCP是o；都導(dǎo)致取向擇優(yōu)。University Of Science and Technology BeijingUSTB35晶體取向的描述晶體取向：指晶體的3個(gè)晶軸在給定參考坐標(biāo)系內(nèi)的相對(duì)方位。1個(gè)晶軸的方向在坐標(biāo)系中由3個(gè)變量（晶軸單位矢量在3個(gè)坐標(biāo)軸的分量）確定。3個(gè)晶軸共有九個(gè)參量，但這9個(gè)參量并非完全獨(dú)立的。例如，單位矢量在3個(gè)坐標(biāo)軸的分量的平方和等于1，這樣就有3個(gè)約束條件；另外，晶系的3個(gè)晶軸之間也有確定的關(guān)系，例如立方系3個(gè)晶軸相互垂直，這樣它

20、們也有3個(gè)約束條件。所以只需3個(gè)獨(dú)立的參數(shù)就可以描述晶體的取向。University Of Science and Technology BeijingUSTB36復(fù)相合金的塑性形變復(fù)相合金的塑性形變?nèi)Q于基體的性能及第二相的性質(zhì)、數(shù)量、形狀和分布。當(dāng)兩個(gè)相的塑性較好時(shí)，一般有兩種近似處理方法：(1)設(shè)兩相具有同樣的應(yīng)變，設(shè)兩相具有同樣的應(yīng)變，s1和和s2必不同，平均應(yīng)力為：必不同，平均應(yīng)力為：(2)設(shè)兩相應(yīng)力相同，應(yīng)變?cè)O(shè)兩相應(yīng)力相同，應(yīng)變e1和和e2必不同，平均應(yīng)變?yōu)椋罕夭煌?，平均?yīng)變?yōu)椋篣niversity Of Science and Technology BeijingUSTB37 實(shí)

21、際上，這兩種假設(shè)都不完全正確。形變過程中各晶粒中的形變已是極不均勻的，第二相的存在更加大了這種不均勻性，所以，第一種應(yīng)變相同的假設(shè)與實(shí)際不符；按第二種應(yīng)力相同的假設(shè)，兩相間應(yīng)變必不連續(xù)分布，則在界面處會(huì)出現(xiàn)裂縫，這也是和實(shí)際不符。實(shí)際情況是，形變總是從較弱的相開始，隨著形變量的增加，在某些界面處的應(yīng)力集中導(dǎo)致較硬的相形變。在形變過程要求跨過相界面的應(yīng)力和應(yīng)變都要保持連續(xù)性。University Of Science and Technology BeijingUSTB38另一相是脆性相，則除兩相的相對(duì)量外，脆性相的形狀和分布對(duì)合金塑性起重大作用。三種情況：(1)脆性相連續(xù)地沿塑性相晶界分布；(2)脆性相不連續(xù)地分布在塑性相的晶界上；(3)脆性相不連續(xù)地分布在塑性相內(nèi)。實(shí)例：Bi在Cu、Au中的膜狀分布；Fe3C在鋼中的網(wǎng)狀分布；硬粒子周圍的高形變區(qū)University Of Science and Technology BeijingUSTB39形變后的殘余內(nèi)應(yīng)力形變后的殘余內(nèi)應(yīng)力金屬形變時(shí)，外力作功的大部分以熱的形式散掉，只有一小部分（約10%15%）以殘余內(nèi)應(yīng)力的方式儲(chǔ)存在形變金屬中（稱儲(chǔ)存能），