金属塑性变形理论第2讲塑性变形物理本质.ppt

金属塑性变形理论 Theory of metal plastic deformation,第二讲 Lesson Two,张贵杰 Zhang Guijie Tel：0315-2592155 E-Mail： zhguijievip.sina.com 河北理工大学金属材料与加工工程系 Department of Metal Material and Process Engineering Hebei Polytechnic University, Tangshan 063009,2019/6/21,2,第二章 金属塑性变形的物理本质 Chapter 2 Physical inbeing of metal plastic deformation,主要内容 Main Content 金属的晶体结构(Crystal structure) 位错理论基础(Dislocation theory) 单晶体塑性变形(Monocrystal plastic deformation) 多晶体塑性变形(Multi-crystal plastic deformation),2019/6/21,3,2.1 金属的晶体结构 Crystal structure,基本概念 晶胞结构 实际金属的晶体结构,2019/6/21,4,基本概念,晶体 :原子按一定的几何规律在空间作周期性排列 晶格 :用直线将原子中心连接起来，构成的空间格子 空间点阵：在空间由点排列起来的无限阵列，其中每一个点都与其它所有的点都具有相同的环境。 晶胞：只包含一个阵点的六面体,2019/6/21,5,晶界: 晶粒和晶粒之间的界面 晶面: 晶体中，由原子组成的平面 晶向: 由原子组成的直线,Grain or Crystalline Structure,Grain Boundary,Crystals,2019/6/21,6,晶胞结构,面心立方：Al、Ni、Cu、-Fe,2019/6/21,7,体心立方：Cr、V、Mo、W、-Fe、-Ti,2019/6/21,8,密排六方：Zn、Mg、Be、-Ti、-Co,c/a=1.57-1.64,2019/6/21,9,立方系的一些晶面指数,2019/6/21,10,实际金属的晶体结构,单晶体: 各方向上的原子密度不同各向异性 多晶体: 晶粒方向性互相抵消各向同性 存在着一系列缺陷: 点缺陷、线缺陷、面缺陷,2019/6/21,11,一些金属材料的实验屈服强度和理论屈服强度,2019/6/21,12,常见的缺陷,点缺陷：包括空位、间隙原子、异质原子。,2019/6/21,13,2019/6/21,14,线缺陷（位错）,刃型位错,L：位错线长度，V：体积，r：位错密度。,一般退火晶体： r =106-108/cm2 超薄单晶体： r 103/cm2 冷变形金属： r =1011-1012/cm2,2019/6/21,15,M.F. Ashby and D.R.H. Jones, Engineering Materials 1, 2nd ed. (2002),2019/6/21,16,螺型位错,2019/6/21,17,混合型位错（螺型+刃型 ）,2019/6/21,18,面缺陷,堆垛层错（stacking fault） 抽出型层错 插入型层错 如面心立方： ABCA（B）CABC 抽出 ABC（B）ABCABC 插入,2019/6/21,19,晶界 晶界上的原子平均能量高于晶内原子，高出的能量称为晶界能。,小角度晶界,2019/6/21,20,孪晶界,2019/6/21,21,亚晶界,扭转晶界,扭转晶界,面心立方结构中的(001)面相符扭转晶界,b,o,n,d,B,r,o,k,e,n,b,o,n,d,(,d,a,n,g,l,i,n,g,b,o,n,d,),G,r,a,i,n,b,o,u,n,d,a,r,y,V,o,i,d,v,a,c,a,n,c,y,S,e,l,f,-,i,n,t,e,r,s,t,i,t,i,a,l,t,y,p,e,a,t,o,m,F,o,r,e,i,g,n,i,m,p,u,r,i,t,y,Fig. 1.51: The grain boundaries have broken bonds, voids, vacancies,strained bonds and “interstitial“ type atoms. The structure of the grain,boundary is disordered and the atoms in the grain boundaries have higher,energies than those within the grains.,2019/6/21,22,2.2 位错理论基础 Dislocation theory,柏氏矢量 （Burgers Vector）和位错环,（a）围绕一刃型位错的柏氏迥路；（b）完整晶体中 的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。,2019/6/21,23,（a）围绕一螺型位错的柏氏迥路；（b）完整晶体中 的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。,2019/6/21,24,混合位错,(b),未滑移区,(a),B,b,b,A,A,滑移区,B,2019/6/21,25,位错攀移（Climb）,正攀移：位错缩短，空位迁移 负攀移：位错加长，间隙原子迁移,2019/6/21,26,位错交割,(a),(b) 刃型位错上的弯节；(c),(d)刃型位错 和螺型位错上的割节，阴影部分为滑移面,刃型+刃型 割阶 继续滑移 刃型+螺型 割阶 继续滑移 螺型+螺型 割阶 不能继续滑移,柏氏矢量b,2019/6/21,27,(a),(b),(c),(d),b,b,b,2019/6/21,28,位错源和位错增殖,Dislocation Loop: Frank Reed,2019/6/21,29,2019/6/21,30,Frank-Read sources in Si,Dash, Dislocation and Mechanical Properties of Crystals, Wiley (1957).,2019/6/21,31,位错塞积,2019/6/21,32,2.3 单晶体塑性变形机制 Mono-crystal plastic deformation,2.3.1 滑移 滑移:晶体一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对另一部分发生相对移动和切变。产生宏观的塑性变形。 滑移面：原子排列密度最大的晶面。 滑移方向：原子排列密度最大的方向。 滑移系:一种滑移面及其上的一个滑移方向构成,2019/6/21,33,3.25% Si-Fe单晶体中的平直滑移带。取自Hull,proc. Roy, Soc. A274, 5(1963). (b) 垂直于(a) 中所示表面，且通过滑移带的截面示意图。每条滑移带是由平行于滑移面，且紧密排列的大量滑移台阶所构成。,滑移带,a,b,2019/6/21,34,滑移面的表示：，分别为滑移面与晶轴的截距，为晶格常数。对于体心立方、面心立方，,2019/6/21,35,Gold (Au) - fcc,2019/6/21,36,Iron (Fe), Vanadium (V), Chromium (Cr) - bcc,2019/6/21,37,2019/6/21,38,滑移时的位错运动,一个位错移到晶体表面时，便形成一个原子间距的滑移量。同一滑移面上，有大量的位错移到晶体表面时，则形成一条滑移线。,剪切力,v：波松比 a：滑移平面间的距离 b：沿滑移方向原子间的距离,2019/6/21,39,临界剪切应力,晶体进入塑性时，在滑移面上，沿滑移方向的剪应力称为临界剪应力,uvw is perpendicular to (uvw),2019/6/21,40,取向因子,滑移面和滑移方向与外力成45°角，为软取向 否则为硬取向,2019/6/21,41,晶面转动,单晶体拉伸,单晶体压缩,2019/6/21,42,平移滑移和复杂滑移,单滑移（平移滑移） 是沿着一定的结晶面和结晶方间进行。它仅可能在最初始的塑性变形阶段发生。,铜的单滑移,2019/6/21,43,双滑移 所谓双滑移就是指从某一变形程度开始，同时有两个滑移系统进行工作。但这并不意味着它们的作用是同步的。,2019/6/21,44,多滑移 与双滑移相似，晶体在滑移过程中，如果滑移同时在各个滑移系统上进行时，则称此滑移为多滑移。,发生多系滑移时，在抛光的金属表面就不是平行的滑移线，而是两组或多组交叉的滑移线,2019/6/21,45,交滑移 若滑移是沿两个不同的滑移面和共有的滑移方向上进行时，则称为交滑移。,滑移后在晶体表面上所看到的滑移线不再是直线而呈折线或波纹状,2019/6/21,46,2.3.2 孪生,面心立方晶体孪生变形示意,a) 孪生面和孪生方向 b) 孪生变形时原子的移动,孪生面,孪生面,孪生方向,孪生方向,孪生区域,2019/6/21,47,孪生：晶体在切应力的作用下，其一部分沿某一定晶面和晶向，按一定的关系发生相对的位向移动，其结果使晶体的一部分与原晶体的位向处于相互对称的位置。,2019/6/21,48,在孪生变形时，所有平行于孪生面的原子平面都朝着一个方向移动。每一晶面移动距离的大小与它距孪生面的距离成正比。每一晶面与相邻晶面的相对移动恒等于点阵常数的若干分之一。,2019/6/21,49,发生孪生的条件,晶体的对称性 变形速度的增加可促使晶体的孪生化 温度越低，孪生产生的可能性越大,2019/6/21,50,镁中的变形孪晶和滑移带,2019/6/21,51,孪生与滑移的区别,由孪生的变形过程可知，孪生所发生的切变均匀地波及整个孪生变形区，而滑移变形只集中在滑移面上，切变是不均匀的； 孪生切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍（而是几分之一原子间距），而滑移时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍； 孪生变形后，孪晶面两边晶体位向不同，成镜像对称；而滑移时，滑移面两边晶体位向不变； 由于孪生改变了晶体的取向，因此孪晶经抛光浸蚀后仍可观察到，而滑移所造成的台阶经抛光浸蚀后不会重现。,2019/6/21,52,2.3.3 不对称变向,孪生变形点阵的再取向是有规律的，变形后晶体与未变形部分晶体以孪晶面为对称面。当变形条件既不利于滑移又不利于孪生时，晶体点阵则以非对称的方式变向，称为不对称变向。变形部分相对未变形部分取向的是无规律的，并不成对称关系。这种变形方式在金属中常见到的有扭折带和形变带。,2019/6/21,53,扭折带的形成对塑性变形有两种作用，一种是协调变形；二是进一步促进变形。,2019/6/21,54,在变形晶体的某些微区中，其点阵相对原来点阵发生转动而形成形变带。经x射线的研究可知，带中的取向转动不同于扭折带，取向不是突变而是渐变的，其转动程度取决于变形量。,2019/6/21,55,2.3.4 其它变形机制,非晶机制 晶界滑动,2019/6/21,56,2.4 多晶体塑性变形 Multi-crystal plastic deformation,多晶体是由许多微小的单个晶粒杂乱组合而成。 多晶体在其组织结构上的特点： （1）多晶体的各个晶粒，其形状和大小是不同的，化学成分和力学性能的分布不均匀； （2）多晶体各相邻晶粒的取向一般不同； （3）在多晶体中存在大量的晶界，晶界的结构和性质与晶粒本身不同，并在晶界上聚集着其它物质的杂质。,2019/6/21,57,Grain or Crystalline Structure,Grain Boundary,2019/6/21,58,多晶体塑性变形特点,变形的不均匀性,多晶体变形的竹节现象,晶粒变形的整体性,2019/6/21,59,晶界的作用及晶粒大小的影响 多晶金属在塑性变形过程中，仍然保持着连续性。即每个晶粒的变形都要受到相邻晶粒的制约，并与相邻晶粒的变形相协调。 晶粒越细，屈服强度越高,2019/6/21,60,多晶体塑性变形机制,晶粒的转动和移动 溶解沉积机制 粘滞性晶间流动,2019/6/21,61,多晶体的屈服与形变时效,屈服极限 当多晶体出现一定残留塑性变形值时的抗力作为多晶体的屈服极限。对这样的屈服极限称为条件屈服极限。,2019/6/21,62,屈服效应和吕德斯带,拉伸试验表明，有些金属其拉伸曲线是逐渐连续变化的，没有明显的屈服极限，也有些金属材料（如低碳钢），在拉伸曲线上有明显的上、下屈服点，在下屈服点后有一应力平台区域（或带有少量的应力起伏），而产生屈服平台效应，或称为屈服效应。,2019/6/21,63,形变时效,金属变形后，于室温经长时间停留（或加热到一定温度，短时间保温），金属的屈服点应力提高（强度和硬度也随之提高），并在拉伸试验中出现屈服台阶的现象称为形变时效或应变时效。,2019/6/21,64,课后作业 Homework,何谓滑移面、滑移方向、滑移系？体心立方晶格、面心立方晶格以及密排六方晶格金属的滑移系各为多少？画图说明。 何谓临界切应力？ 哪些因素对其产生何影响？ 阐述滑移与孪生的区别 画图说明什么叫屈服效应？ 试解释低碳钢存在的屈服效应现象的主要原因。,