hcp金属塑性变形与疲劳机理
金属的塑性变形原理解析
bcc ｛110｝〈111〉
6×2＝12
fcc ｛111｝〈110〉
6×2＝12
金属的塑性变形原理解析
hcp ｛0001｝〈1 1 20〉
1×3＝3
滑移的临界分切应力 晶体的滑移是在切应力的作用下进行的。但晶体受力时并非所有
e 蜷线状的位错 环分成两个部分， 结点之间的曲线段 和四周的位错环。 (e)
d
f
在线张力的作用下， 结点之间的曲线段伸直， 还原为原来的位错线段； 位错环在线张力的作用继 续向外扩展，形成一个圆 形的环。
如此往复进行，可从 这种有固定端点的位错线 段生出大量的位错环。(f)
金属的塑性变形原理解析
位错的交割
的滑移系都同时参与滑移。而是只有当外力在某一滑移系中的分切应力 首先达到一定的临界值时，这一滑移系才开动，晶体开始滑移。
使滑移系开动的最小分切应力称为滑移的临界分切应力，以 k
表示。
计算方法： 设圆柱形金属单晶体试样的横截面
积为A，受到轴向拉力 F 的作用。 F 与滑移方向的夹角为 λ，则 F 在
σ = E ε 或 τ= Gν
式中，σ为正应力，τ为切应力，ε、ν分别为正应变和切应变，比例常数
E 称为正弹性模量或杨氏模量，G为切弹性模量。
上式可改写为：
E =σ/ε 或 G=τ/ν
弹性模量E、G是表征金属材料对弹性变形的抗力。工程上常称为零
件或构件的刚度。在其它条件相同时，金属的弹性模量越高，则制成的
金属 类别
铝 铜 金 银 铅 铁 钨 镁 锌 钛 铍 镍
第一节金属塑性成性原理
二）单晶体的塑性变形：
1、塑性变形的实质- 滑移变形.
单晶体受力后，外力在 任何晶面上都可分解为正应 力σ和切应力τ。 1）正应力σ：正应力σ使晶 格被拉长，只能造成晶体弹 性变形及断裂，而不能引起 晶体的塑性变形。
2）切应力τ：
（1）在切应力τ的作用下，金属晶体产生剪切变形， 即晶格歪扭。切应力τ较小时只发生弹性变形。
(1)生产方式：热锻、热轧、热挤压 .
(2)特点：
a）加工硬化和再结晶同时发生； b）冶金缺陷得到改善或消除； c）最终得到细小的等轴晶； d）组织致密，力学性能显著提高 e）变形程度大。
3） 温变形：自学
5 、纤维组织和锻造流线
铸锭组织不均，晶粒粗大，气孔、夹杂，塑性变形后， 晶粒及夹杂沿变形方向被拉长或压扁，呈纤维状及流 线分布。
工业中实际使用的金属大多是多晶体。
1、多晶体的特征： 1）晶粒的形状和大小不等 2）相邻晶粒的位向不同 3）多晶体内存在大量晶界
2、多晶体的塑性变形：
多晶体塑性变形比单晶体复杂得多，包括晶内变形和晶 间变形。
1）晶内变形：多晶体中单个晶粒变形与单晶体相似，
即，滑移变形和双晶变形，但，各晶粒的晶界附近，晶 格排列很不规则，位向各不相同，因而变形阻力大大增 加，晶内变形难以向相邻的晶粒继续扩展。
位错运（移）动引起滑移，位错运（移）动到晶体表 面就实现整个晶体的塑性变形。
刃位错的产生及运动
滑移面上位错的运动类似多脚虫爬行运动
多脚 虫 的 爬 行
还需指出： 晶体滑移不是只发生在一个晶面上，而是在相邻的一组晶面 上同时或先后发生，从而形成明显的滑移带（由很多滑移线 组成）。
滑移线：滑移的结果在晶体表面形成的一个个台阶。 滑移带：由若干条滑移线组成。 滑移系:一个滑移面和其上的一个滑移方向构成。
金属材料的塑性变形行为及其动力学机理
金属材料的塑性变形行为及其动力学机理金属材料是人类历史上最重要的材料之一，其广泛应用于工业和日常生活中。
金属材料的主要特点是良好的导电性、导热性和机械性能，如强度、韧性、延展性等。
其中，金属材料的塑性变形行为及其动力学机理是研究金属材料力学性质的重要方面。
一、塑性变形行为的概念与表现形式金属材料在受到外部力的作用下，会出现形变现象，这种形变称为塑性变形。
塑性变形是金属材料力学性质的重要表现形式，它是由原子、离子或分子的有序结构在力的作用下发生的有序形变过程。
塑性变形的表现形式可分为弹塑性和纯塑性两类。
弹塑性是指金属材料在受到外部力的作用下，表现出一定的弹性变形和一定的塑性变形，弹性变形在外力消失时能够恢复原状。
纯塑性是指金属材料在受到外部力的作用下，表现出完全的塑性变形，一旦停止外力作用，塑性变形就不可逆转。
二、金属材料塑性变形的动力学机理金属材料塑性变形的动力学机理主要包括滑移和剪切。
滑移是指晶格内部原子、离子或分子在外部应力作用下，在一定的晶格面和方向上沿晶格平面错开，使得整个晶体沿应力方向发生了塑性形变。
可以把滑移想象成晶格平面的滑动，其中滑动较容易发生的是(111)面和(100)面。
滑移不仅适用于单晶材料，也适用于多晶和多晶固溶体材料。
剪切是指在晶体中沿着一个晶面剪切另一个晶面而引起塑性形变。
剪切主要涉及到晶界和变形区的相互作用，其中晶界可以作为剪切面。
剪切的能量消耗要比滑移大得多，但是它对温度敏感性比滑移小，容易引起大规模位错滞后和晶界移动。
在金属材料中，滑移和剪切是相互竞争的，它们的作用对金属的塑性变形和强度产生了重要影响。
三、金属材料塑性变形的调节和增强方法金属材料塑性变形的调节和增强主要包括合金化、微结构控制和纳米加工等方法。
合金化是一种有效的方法，可以通过合理选择合金元素来控制晶体结构和化学成分，从而调控金属材料的塑性变形。
例如，添加易形变的合金元素可以促进位错堆积，增加位错密度和位错强度，从而提高金属材料的塑性变形。
材料的塑性变形机理和性能控制
材料的塑性变形机理和性能控制材料是人类社会发展的重要基石，是各种工业产品的基础。
在大多数制造过程中，材料的塑性变形是不可避免的。
而塑性变形机理和性能控制是材料科学与工程中一个重要的研究领域。
一、塑性变形机理塑性变形是指材料在一定条件下受到外力作用形成塑性变形并保持下去的能力。
材料的塑性变形是由其内部结构的变化而引起的。
塑性变形的主要机理就是晶体内部滑移与游移。
晶体内部的晶格缺陷对塑性变形过程中的原子滑移和游移起着关键作用。
对于晶体而言，其内部结构具有规则的排列方式，称为晶格。
而晶格缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
在材料中，当受到外力作用时，原子在晶格内的移动会带来晶体内部结构的变化。
这种移动就是原子的滑移和游移。
滑移是指在相邻原子之间形成一些小的位错（错位点），使得晶体原子发生运动。
游移是指在晶体内部的缺陷上发生原子位移。
这两种运动形式是材料塑性变形的主要机理。
除了晶格缺陷，另一个重要的因素是晶界。
晶界是晶体中不同晶粒之间的界面，其存在会影响材料的特性，例如强度和延展能力等。
总之，塑性变形的机理是一个相对复杂的过程，需要深入研究晶格结构和其缺陷的变化情况。
二、性能控制为了实现工业产品的高效、高质量生产，对材料的性能进行有效控制十分关键。
从塑性变形的角度来看，这包括两个方面：强度和延展能力。
强度是材料阻抗外部应力的能力，在材料的塑性变形方面具有重要作用。
材料的强度受多种因素影响，包括晶粒尺寸、晶格结构和组织等等：例如，晶粒尺寸越小，其阻力就越大，从而提高材料强度。
延展能力是材料在承受应变时的变形程度。
合适的延展能力可以使材料更加可塑，适应更多种形状和用途。
在强度和延展能力之间，需要一个权衡。
例如，当强度越高时，延展性可能越差。
此外，还有一些因素可以通过材料加工和热处理进行控制，例如冷变形、淬火和退火等。
冷变形（例如轧制、拉伸和锻造等）可以增加材料的强度和硬度，从而提高其抵抗变形的能力。
淬火可以使材料更加坚硬，其中的快速冷却过程有助于将晶体结构固态化并提高材料机械性能。
hcp结构镁合金{0001}基面织构
hcp结构镁合金{0001}基面织构1. 引言1.1 概述镁合金作为一种轻质高强材料，具有广泛的应用前景和市场需求。
然而，由于其晶体结构的特殊性，降低其塑性和机械性能成为了一个亟待解决的问题。
因此，研究镁合金的晶体结构和织构对于改善其力学性能和应用范围具有重要意义。
本文着重探讨了在镁合金中常见的一种晶体结构-六方密堆垒结构（HCP）。
通过研究HCP 结构镁合金的{0001}基面织构对其力学性能的影响，可以在某种程度上提高其塑性和韧性，从而扩大其应用范围。
1.2 文章结构本文共分为五个部分。
首先是引言部分，包括文章的概述、目的以及整体框架。
第二部分介绍了HCP 结构以及镁合金材料的特点，并探讨了HCP 结构在镁合金中的应用现状。
接下来第三部分详细阐述了{0001}基面织构的定义、意义以及织构研究方法与应用前景。
第四部分展示了相关实验和计算分析结果，并进行了不同织构条件下的性能对比分析。
最后，第五部分总结了研究成果并对未来的改进方向和应用前景进行了展望。
1.3 目的本文旨在深入探讨HCP 结构镁合金中{0001}基面织构的特性和影响因素，以期为镁合金材料的开发和应用提供科学依据和理论支持。
通过分析实验和计算结果，我们可以更好地了解该结构对于镁合金力学性能的影响机制，并为进一步优化材料设计提供指导。
此外，本文还将探讨目前存在的问题，并提出改进方向，促进该领域研究的快速发展。
2. HCP结构和镁合金2.1 HCP结构介绍HCP（Hexagonal Close-Packed）即六方最密堆积结构，是一种常见的晶体结构。
它由紧密堆积的原子或离子排列而成，具有六角形的基本晶胞。
HCP结构具有高度对称性和特殊的晶胞参数，其晶格常数a和c之间存在关系，即c ≈(8/3)^0.5a。
HCP结构在自然界中广泛存在，如钙、镁等金属以及一些硅酸盐矿物均采用了HCP结构。
2.2 镁合金特点镁合金是一类以镁为主要成分的合金材料。
金属塑性成形原理金属塑性变形的物理基础PPT课件
• 较强相体积分数高于70%，该相变为基体相
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弥散型两相合金的塑性变形
当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相
中时，将产生显著的硬化现象
•
沉淀强化（时效强化）：第二相微粒是通过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化
•
相协调。
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二、塑性成形的特点
❖
❖
❖
受晶界和晶粒位向的影响较大
多晶体塑性变形的抗力比单晶体高；
多晶体内晶粒越细，晶界总面积就越大，金属强度越高，塑性越好。
多晶体变形不均匀性
晶粒受位向和晶界的约束，变形先后不一致，导致变形不均匀。
由于变形不均匀，晶粒内部和晶粒之间存在不同的内应力，变形结束后不会
交滑移
• 对于螺型位错，所有包含位错线的晶面都可能成为滑移面。
• 交滑移：螺形位错的柏氏矢量具有一定的灵活性，当滑移受阻是，可离开原滑移
面而沿另一晶面继续移动
• 双交滑移：发生交滑移的位错，滑移再次受阻，而转到与第一次的滑移面平行的
的晶面继续滑移
• 刃型位错不可能产生交滑移
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位错塞积
原子能量随位置的变化为一余弦函数。
❖ 通过计算晶体的临界剪切应力，并与实际的临界
剪切应力进行比较，人们发现，理论计算的剪切
强度比实验所得到的剪切强度要高一千倍以论
为了解释这种理论值和实际值的差别，1934年泰
勒（）、奥罗万（E.Orowan）、和波兰伊
（M.Polanyi）几乎在同一时间内，分别提出了位
当退火状态的低碳钢试样拉伸到超过屈服点发生少量塑性变形
金属塑性变形原理
金属塑性变形原理1、变形和应力1．1塑性变形与弹性变形金属晶格在受力时发生歪扭或拉长，当外力未超过原子之间的结合力时，去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态，也就是说，未超过金属本身弹性极限的变形叫金属的弹性变形。
多晶体发生弹性变形时，各个晶粒的受力状态是不均匀的。
当加在晶体上的外力超过其弹性极限时，去掉外力之后歪扭的晶格和破碎的晶体不能恢复到原始状态，这种永久变形叫金属的塑性变形。
金属发生塑性变形必然引起金属晶体组织结构的破坏，使晶格发生歪扭和紊乱，使晶粒破碎并且使晶粒形状发生变化，一般晶粒沿着受力方向被拉长或压缩。
1．2应力和应力集中塑性变形时，作用于金属上的外力有作用力和反作用力。
由于这两种外力的作用，在金属内部将产生与外力大小相平衡的内力。
单位面积上的这种内力称为应力，以σ表示。
σ=P/S式中σ——物体产生的应力，MPa：Ｐ——作用于物体的外力，N；Ｓ——承受外力作用的物体面积，mm2。
当金属内部存在应力，其表面又有尖角、尖缺口、结疤、折叠、划伤、裂纹等缺陷存在时，应力将在这些缺陷处集中分布，使这些缺陷部位的实际应力比正常应力高数倍。
这种现象叫做应力集中。
金属内部的气泡、缩孔、裂纹、夹杂物及残余应力等对应力的反应与物体的表面缺陷相同，在应力作用下，也会发生应力集中。
应力集中在很大程度上提高了金属的变形抗力，降低了金属的塑性，金属的破坏往往最先从应力集中的地方开始。
2、塑性变形基本定律2．1体积不变定律钢锭在头几道轧制中因其缩孔、疏松、气泡、裂纹等缺陷受压缩而致密，体积有所减少，此后各轧制道次的金属体积就不再发生变化。
这种轧制前后体积不变的客观事实叫做体积不变定律。
它是计算轧制变形前后的轧件尺寸的基本依据。
H、B、L——轧制前轧件的高、宽、长；h、b、l——轧制后轧件的高、宽、长。
根据体积不变定律，轧件轧制前后体积相等，即HBL=hbl2．2最小阻力定律钢在塑性变形时，金属沿着变形抵抗力最小的方向流动，这就叫做最小阻力定律。
金属及合金的塑性变形
应力-应变曲线分析
弹性阶段
在应力作用下，金属首先发生 弹性变形，应力与应变成正比
关系，遵循胡克定律。
屈服阶段
当应力达到金属的屈服强度时， 金属开始发生塑性变形，应力-应 变曲线出现屈服平台或屈服点。
强化阶段
随着应变的增加，金属的加工 硬化效应逐渐显现，应力随之 上升，呈现强化现象。
断裂阶段
当应力达到金属的抗拉强度时 ，金属发生断裂。
03
形
多晶体结构特点及影响因素
结构特点
多晶体由许多取向不同的小晶体（晶粒）组成，晶粒之间存在晶界。
影响因素
晶粒大小、晶界结构、第二相粒子、温度、应变速率等。
晶界在塑性变形中作用
要点一
阻碍位错运动
晶界是位错运动的障碍，使位错在晶界处塞积，引起应力 集中。
要点二
协调变形
晶界能协调不同晶粒之间的变形，使多晶体能够保持连续 性变形。
新型塑性变形机制的探索
随着新材料和新技术的不断涌现，未来可能会出现新的塑性变形机制。探索这些新型塑性变形机 制将有助于拓展金属及合金的应用领域并提升其性能。
THANKS.
加工硬化现象及机制
加工硬化现象
金属在塑性变形过程中，随着变形量的增加，其强度和硬度逐渐提高，而塑性 和韧性逐渐降低的现象。
机制
加工硬化的机制主要包括位错增殖、晶粒细化和相变等。其中，位错增殖是金 属塑性变形过程中加工硬化的主要原因，位错密度增加导致金属强化。
金属单晶体的塑性变
02
形
单晶体滑移与孪生过程
金属及合金的塑性变形
目录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属单晶体的塑性变形 • 金属多晶体的塑性变形 • 合金的塑性变形行为及特点 • 塑性变形对金属及合金性能影响 • 总结与展望