课件金属学及热处理.ppt
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1、金属学及热处理,第六章 金属及合金的塑性变形与断裂,为什么探讨金属及合金塑性变形?意义?,引言,铸态组织-(铸件和铸锭)-压力加工(轧制、锻造、挤压等)-型材和工件,经过压力加工后,不仅材料的形状和尺寸发生变化,组织和性能也发生相应的变化 强度、硬度、塑性、韧性或断裂,一方面可以揭示金属材料强度和塑性的实质,以探讨强化金属材料的方法和途径; 另一方面为工程实际中的塑性变形问题提供重要的线索和参考,作为改进工艺或提高加工质量的依据.,教学目的: 1 阐明金属塑性变形的主要特点及本质; 2 指出塑性变形对金属组织和性能的影响; 3 揭示加工硬化的本质与意义。 重点: (1)塑性变形的宏观变形规律与
2、微观机制 (2)晶体缺陷对塑性变形的影响; (3)金属塑性变形后的组织与性能; (4)加工硬化的本质及实际意义,残余应力。 难点: (1)塑性变形的位错机制 (2)形变织构与纤维组织的差别 。,6.1 金属的变形特性,一、工程应力-应变曲线,从此曲线上,可以看出低碳钢的变形过程有如下特点: 当应力低于e 时,应力与试样的应变成正比,应力去除,变形消失,即试样处于弹性变形阶段,e 为材料的弹性极限,它表示材料保持完全弹性变形的最大应力。,当应力超过e 后,应力与应变之间的直线关系被破坏,并出现屈服平台或屈服齿。如果卸载,试样的变形只能部分恢复,而保留一部分残余变形,即塑性变形,这说明钢的变形进入
3、弹塑性变形阶段。s称为材料的屈服强度或屈服点,对于无明显屈服的金属材料,规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限。,当应力超过s后,试样发生明显而均匀的塑性变形,若使试样的应变增大,则必须增加应力值,这种随着塑性变形的增大,塑性变形抗力不断增加的现象称为加工硬化或形变强化。 当应力达到b时试样的均匀变形阶段即告终止,此最大应力b称为材料的强度极限或抗拉强度,它表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。,在b值之后,试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈,应力下降,最后应力达到k时试样断裂。k为材料的条件断裂强度,它表示材料对塑性的极限抗力。,缩颈现象,真应力-真应变曲线,它不像应力-应变曲线那样在
4、载荷达到最大值后转而下降,而是继续上升直至断裂,这说明金属在塑性变形过程中不断地发生加工硬化,从而外加应力必须不断增高,才能使变形继续进行,即使在出现缩颈之后,缩颈处的真实应力仍在升高,这就排除了应力-应变曲线中应力下降的假象。,二、真应力-应变曲线,三、金属的弹性变形,弹性模量越大,弹性变形越不容易! 弹性模量是决定材料刚度的指标. 弹性模量的大小主要取决于原子间的结合力,而与材料内部组织结构无关,即属于结构不敏感的性能,=E,在弹性变形阶段,应力与应变呈线性关系,服从胡克定律,在切应力作用下:,6.2单晶体的塑性变形,晶体只有在切应力作用下才发生塑性变形。,塑性变形方式:滑移或孪生,一、滑
5、移 滑移:晶体一部分沿一定晶面和一定晶向与另一部分产生相对滑动。,1、滑移带与滑移线 单晶体表面变形是所显示的滑移条纹,称为滑移带(金相显微镜),而滑移带又是由一簇相互平行的滑移线(电子显微镜)组成。,2、滑移系 滑移是晶体一部分沿一定晶面和一定晶向与另一部分产生相对滑动。 滑移面是晶体中原子排列最紧密的面,而滑移方向是原子排列最紧密的方向。,晶体的一个滑移面与该面上的一个滑移方向,组成一个滑移系。,滑移系越多,则滑移时可供采用的空间位向也越多,该金属的塑性越好!,如FCC和BCC的滑移系为12个,HCP为3个,FCC的滑移方向多于BCC,金属塑性如:Cu(FCC)Fe(BCC)Zn(HCP)
6、。,因而金属的塑性,面心立方晶格好于体心立方晶格,体心立方晶格好于密排六方晶格。,为什么晶体中原子排列最紧密的面是滑移面,而原子排列最紧密的方向是滑移方向?,-Fe 、 Cu 、 Al 、 Ag都具有12个滑移系,为什么-Fe比Cu 、 Al 、 Ag 的塑性要差?,两个问题,3、滑移的临界分切应力,取决于力在滑移面内沿滑移方向的切应力大小!,A为晶体横截面积,为滑移面与横截面夹角,为外力F与滑移方向的夹角。于是,外力在该滑移面沿滑移方向的分切应力可写成:,4、滑移时晶体的转动,单晶体滑移时,往往伴随晶体的转动。,5、多系滑移 滑移在多组滑移系中同时进行或交替进行。,利用刚性滑移计算出的金属的
7、屈服强度值与实测值有较大的差异,说明金属的滑移不是刚性滑移,而是利用金属中的位错进行的。,(1)位错运动与晶体滑移,6、滑移的位错机制,在晶体滑移过程中,存在着位错不断增殖的现象,典型的如弗兰克-瑞德位错源机制。,(2)位错的增殖,(3)位错的交割与塞积 不同滑移面上运动着的位错相遇时,发生互相交割并形成割阶,这一方面增加位错线长度,另一方面可能形成一种位错难以运动的固定割阶,成为后续位错运动的阻碍。 在切应力作用下,弗兰克-瑞德位错源产生的大量位错沿滑移面的运动过程中,若遇到障碍物(固定位错、杂质粒子、晶界等),领先位错在障碍前被阻止,后续位错被堵塞起来,形成位错塞积。,二、孪生,孪生:晶体
8、一部分相对于另一部分在切应力作用下沿特定晶面与晶向产生一定角度的均匀切变。,孪生是冷塑性变形的另一种重要形式,常作为滑移不易进行时的补充。,一些密排六方的金属如Cd, Zn,Mg等常发生孪生变形。,体心立方及面心立方结构的金属在形变温度很低形变速率极快时,也会通过孪生方式进行塑变。,孪生与滑移有如下差别: (1)孪生使一部分晶体发生了均匀切变,而滑移只集中在一些滑移面上进行。 (2)孪生后晶体的变形部分的位向发生了改变,滑移后晶体各部分位向均未改变。 (3)孪生变形时,孪晶带中每层原子沿孪生方向的位移量都是原子间距的分数值,而滑移为原子间距的整数倍。 (4)孪生变形所需的切应力比滑移变形大得多
9、,故孪生变形大多发生在滑移比较困难的情况下,如密排六方金属、体心立方金属在低温下的变形或受冲击时。 孪生对塑变的直接贡献比滑移小很多。,6.3多晶体的塑性变形,一、多晶体的塑性变形过程,实际使用的材料通常是由多晶体组成的多晶体的塑性变形较为复杂!,多晶体中每个晶粒变形的基本方式与单晶体相同,但由于相邻晶粒之间取向不同,以及晶界的存在,因而多晶体的变形既需克服晶界的阻碍,又要求各晶粒的变形相互协调与配合!,多晶体的塑性变形特点:,1.各晶粒变形的不同时性;,2.各晶粒变形的相互协调性;,3.各晶粒变形的不均匀性;,二、晶粒大小的影响,多晶体由不同取向的晶粒组成,塑性变形时,晶粒取向不同,故滑移时
10、,晶粒之间会相互制约、相互影响(位错交割)。晶界处位错受阻,以上两者均能提高材料的强度!-细晶强化,对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和晶粒大小有以下关系:,式中的d为晶粒的平均直径,k为比例常数。这是个经验公式,但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系。,细晶强化是强化金属材料的一种极为重要的方法 ! 仅可以提高材料的强度吗?,塑性材料的晶粒愈细,不仅强度愈高,而且塑性与韧性也较高。 原因:因为晶粒愈细,单位体积中晶粒数量便愈多,变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生,晶粒转动的阻力小,晶粒间易于协调,产生较均匀的变形,不致造成局部的应力集中
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