第04章 金属的塑性变形

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3）平台上的锯齿
• 位错滑移从试样肩部开始 后，在晶粒内部运动，1－2
3 1 5
• 位错在晶界受到阻碍， 2 4 2－3 • 外力提高克服晶界阻碍作用后，位错在相邻晶 粒内开动，3－4 • 如此反复，形成锯齿
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物理屈服的问题与克服 • 低碳钢轧制：变形不均匀，引起褶皱 例：冲压过程 • 消除物理屈服现象的方法：对低碳钢进行 轧制，从而消除C、N原子对位错的钉扎
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1 A 2 3
ε
• 物理屈服情况下，应力应变曲线到A点后曲线下 降，那么要求此时
& & ε塑 > ε总
而ε 塑＝ρb S ，那么 & ε 塑＝ρbV, 其中V是位错运动速率 & 要使ε 塑增大，必须ρ或V快速增大 微观途径是什么？
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• 哪些材料具有物理屈服现象： 1）溶有C、N原子的体心立方金属（如Fe、Mo、 Nb、Ta） 2）溶有间隙原子的hcp金属，如嫡和Zn 3）溶有高浓度置换原子的fcc固溶体，如Cu－Zn， Cu－Sn • 研究发现上述金属都具有下面特点：在塑性变形 开始时可动位错密度很低，塑性变形开始后位错 密度增加很快 • 为什么上述金属具有物理屈服现象？
& & & σ = E (ε 总 − ε 塑 ) 对于一个应力应变曲线， & 当夹头运动速率恒定时，ε 总恒定 到A点，材料开始产生塑性变形： σ & & & 塑性变形引起变形速率ε 塑 < ε 总，ε 弹 > 0， 曲线上升(1) & & & 塑性变形引起变形速率ε 塑＝ε 总，ε 弹＝0， 曲线水平(2) & & & 塑性变形引起变形速率ε 塑 > ε 总，ε 弹 < 0， 曲线下降(3)
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4.3物理屈服现象 • 金属的物理屈服：在金属塑性变形的开始 阶段，外力不增加、甚至下降的情况下， 而变形继续进行的现象，称为物理屈服。 • 现象：上屈服点，下屈服点，平台，锯齿
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• 物理屈服过程： A－B点：肩部开始产生滑移线，产生吕德丝带； B－C点：变形开始后，吕德丝带扩大直到贯通整个 样品； B C点：屈服平台结束； C－B点：均匀塑性变形； B点：开始颈缩； B－K点：颈缩阶段； K点：断裂
2πx b x很小时，
a b
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• • • •
上述计算的0.1G，与试验的0.0001~0.00001G相差几个数量级！ 以纯铝为例，G大约27GPa，上述计算得到的最大切应力约0.1G～ 2700MPa 试验表明，纯铝的屈服强度小于50MPa，相差~100倍 原因何在？
金属 实际临界切应力 （kg/mm2） 0.06-0.12 0.10 0.58 2.90 0.08 0.09 切变模量G （kg/mm2） 2700 1620 7800 6900 17700 3780 理论临界切应力G/2π （kg/mm2） 430 730 1240 1100 280 600
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一个模型： • 体心立方金属，位错受间隙 原子钉扎（形成柯氏气团） 柯氏气团：位错与溶质原子交互作用，位错被钉 扎。溶质原子聚集在位错线的周围，形成气团。 • 初始状态下可动位错密度很低； • 当塑性变形开始后，位错移动几个原子间距后， 摆脱柯氏气团钉扎，变成可动位错； • 位错密度提高，材料塑性变形速率快速提高，形 成上、下屈服点。
金属力学性能 第4章 金属的塑性变形
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本章内容 4.1塑性变形概述 4.2塑性变形的方式和特点 4.3物理屈服现象 4.4应变时效现象及其控制 4.5应力状态对塑性变形的影响
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4.1塑性变形概述 • 定义：外载荷卸去后，不能恢复的变形 • 塑性变形是材料基本力学行为之一 • 脆性材料，甚至陶瓷材料，在裂纹尖端都 能发现塑性变形痕迹 • 塑性变形是成形方式之一 • 塑性变形是零件失效前的基本过程，是影 响材料断裂行为的关键之一 • 塑性变形可以引起材料内组织和材料性能 的变化，如加工硬化；纳米材料制备。
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K
• 物理屈服中需要解释的三个问题：1）屈服 平台，2）上屈服点，下屈服点， 3）平台 上的锯齿 1）屈服平台形成原因。 （屈服区在样品内的 扩大对应于恒定的屈 服应力，是平台 形成的根本原因）
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2）上/下屈服点的形成
σ
• 弹性变形承担应力 在右图中，不论在弹性变形 阶段，还是塑性变形阶段， 材料内的应力都可以表示成 成： σ＝E×ε弹 该表达式就是拉伸应力应变 曲线函数关系。 其导数就表示曲线的斜率。
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• 应变时效现象的应用 低碳钢的零件，变形后经过长时间后，低碳 钢发生强度升高，但塑性、韧性降低，从 而容易萌生裂纹、产生断裂 • 低碳钢冲孔的例子。 • 低碳钢零件收到撞击 后变脆的例子。
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4.5 应力状态对塑性变形的影响
1) 2) 3) 4)
应力状态系数 压缩 弯曲 扭转
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1) 应力状态系数 • 零部件在使用过程中将承受不同类型的外 应力；零件内部存在不同的应力状态。 • 材料的塑性或脆性并非绝对，为了表示外 应力状态对材料塑性变形的影响，特引入 应力状态系数 α 的概念。以方便选择检测 方法。 • 例如：铸铁：压→韧，拉→脆
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（3）扭折（形变带） • 位错滑移和孪生难以进行的情况下 • 由晶体点阵畸变而使晶体表面出现的弯曲 区域，由于该区域贯穿整个试样截面并成 带状，所以称为形变带。 • 相邻滑移带的交互作用。多个滑移系同时 动作，正常的滑移不能进行，所以产生点 阵弯曲，形成形变带。
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（4）三种变形机制的比较 • 滑移 相邻部分滑动，变形前后晶体内部 原子的排列不发生变化。 • 孪生 变形部分相对未变形部分发生了取 向变化。 • 扭折（形变带） 晶体点阵畸变。
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塑性变形的方式包括： • 位错滑移：最主要的变形机制； • 孪生：重要的变形机制，一般发生在低温 形变或快速形变时； • 晶界滑动和扩散性蠕变：只在高温时才起 作用； • 扭折（形变带）：滑移和孪生都不能进行 的情况下才起作用。
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(1)位错滑移 • 宏观现象 1）单晶材料（右图） 2）多晶材料，如光滑低碳钢样品， 拉伸后产生45度平行线 • 结论 塑性变形是一个切变过程； 原子层之间发生相对位移，作用力是切应力
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Al Cu Ni Fe Mg Zn
• 按照该模型计算出的 位错运动阻力是：
2G = e 1− μ
− 2πa (1− μ ) b
τ P− N
其中μ为泊松比 当a = b, μ = 0.3时，τ P − N ≈ 3.6 ×10 − 4 G 与试验数值10 − 4 ~ 10 −5比较接近
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• 滑移面：原子最密排面； • 滑移方向：原子最密排方向。 • 滑移系：滑移面和滑移向的组合。滑移系越 多，材料的塑性越好。 • 晶体结构的影响较大， fcc＞bcc＞hcp
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•应变速率与位错密度、位错运动速率的关系 金属材料塑性变形的应变速率与位错密度、位错运动 & & ε ε 速率及柏氏矢量成正比，即： ε=bρυ. & 位错增值，ρ↑， ↑ ε & 提高外应力τ, υ↑, ↑ ε & 晶体结构变化，b↑, ↑ & ε
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（2）孪生 孪晶：外形对称，好象由两个相同晶体对接 起来的晶体；内部原子排列呈镜面对称于 结合面。 孪晶可分为 自然孪晶和形变孪晶。
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（2）变形的相互协调性 多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑 移系中变形，否则将造成晶界开裂。 五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方 向不受约束的塑性变形。 （3）塑性变形后金属的晶格发生点阵畸变，储存能 量，产生内应力。第一、第二内应力。 （4）塑性应变量提高，金属强度增大，产生加工硬 化。
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• 形成上屈服点的条件： 1）初始可动位错密度低； ‘ V 增大时，应力σ能够快速增大。按照σ＝σ 0 m V，m’ 要小 2） 比如，bcc结构金属m‘<20；而fcc结构金属m’>100～ 200 • 产生下屈服点条件 除了上面两个因素外，还需要3）位错增殖速度快 2，3对大多数金属都适应，因此1就成为关键因素
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4.2 塑性变形的方式和特点
塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变 形而不发生断裂的性质。 “δ” 伸长率，“ψ”断面 收缩率。 δ%≥100%，常称为超塑性。 • 塑性变形的方式及特点 方式：金属以什么样的途径实现永久不可恢复的 变形；这些途径与金属的内部显微组织的关系。 宏观上的可见变形通过什么样的微观过程实现？
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定性解释： & ε 塑＝ρbV
σ m ‘ V＝（ ） σ0 其中σ 0是位错以单位速率运动需要的外力；
m’ 是位错运动速率敏感指数 刚开始塑性变形，C、N原子钉扎位错，可动位错少，ρ小 — — 要产生变形，必须V增大 — —根据上面式子，需要外力σ增大 — —形成上屈服点 开始塑性变形后，位错摆脱柯氏气团钉扎，增殖，ρ快速增大 — —V 快速减小， —外力σ快速减小 — —相差下屈服点 —
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• 根据上述结论，两个 原子层之间的滑动是 金属产生塑性变形的 2πx 2πx 方式，所需要的切应 sin b ≈ b 力大小是多少？ 2πx
所以τ = τ m b x 根据剪切虎克定律：τ = G a 2πx x 所以τ m ＝G a b G 当a＝b时，τ m＝ ≈ 0.1G 2π
τ = τ m sin
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2、塑性变形的特点
• 各晶粒变形不同时性和不均匀性 （晶粒取向不同，用下式表示） • 滑移的临界分切应力 τ=(P/A)cosφcosλ φ—外应力与滑移面法线夹角； λ—外应力与滑移向的夹角； Ω= cosφcosλ称为取向因子。 • 因为各晶粒的取向不同， cosφcosλ不同 • 对于具体材料，还存在母相和第 二相的种类、数量、尺寸、形 态、分布的影响。