工程材料第一章第三节.ppt

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第三节第三节塑性变形与再结晶塑性变形与再结晶本章重点1.金属的变形及其本质。

2.金属在塑性变形时组织和性能的变化。

3.金属再结晶时组织和性能的变化。

一般要求1.有关滑移的机理。

加工硬化、细晶强化的概念。

2.热加工对金属组织和性能的影响。

金属的重要特性塑性利用塑性可以对金属进行轧制、挤压、锻造和冲压等各种压力加工，生产机械零部件或零件的毛坯。

多晶体，先研究单晶体。

3-1金属的力学性能金属的力学性能金属的力学性能材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料在受力时的行为。

描述材料变形行为的指标是应力和应变，是单位面积上的作用力，是单位长度的变形。

描述材料力学性能的主要指标是强度、延性和韧性。

其中，强度是使材料破坏的应力大小的度量；延性是材料在破坏前永久应变的数值；而韧性却是材料在破坏时所吸收的能量的数值。

金属材料的机械性能金属材料的机械性能材料的性能好坏关系到设备使用寿命，整个国民经济的发展，材料的机械性能包括这么几个方面。

强度强度金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。

根据载荷不同，可分为抗拉强度b、抗压bc、抗弯bb、抗剪b、抗扭t。

抗拉强度抗拉强度通过拉伸试验测定。

将一截面为圆形低碳钢拉伸试样上进行拉伸，测得应力应变曲线。

图中为应力,为应变。

图中各个阶段：

OA弹性变形阶段试样的变形量与外加载荷成正比，载荷卸掉后，试样恢复原来样子。

ABC屈服阶段发生塑性变形，载荷卸掉后，一部分变形恢复还有一部分不能恢复，形变不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。

CD强化阶段载荷不断增加,塑性变形增大，材料变形抗力也逐渐增加；DE缩颈阶段当载荷达到最大值时，试样直径发生局部收缩，称为“缩颈”；E点点为试样发生断裂。

强度指标分为:

弹性极限e，表示材料保持弹性变形，弹性零件设计依据；屈服极限s，表示金属开始发生明显塑性变形抗力，有些金属如铸铁没有明显屈服现象，则用条件屈服极限表示：

产生0.2残余应变时的应力值即0.2；强度极限b，表示金属受拉时所能承受的最大应力。

e、s、b、是机械零件和构件设计的主要依据。

塑性塑性塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性,对大多的工程材料来说,当其应力低于比例极限时,应力一应变关系是线性的。

另外,大多数材料在其应力低于屈服点时，表现为弹性行为，也就是说，当移走载荷时，其应变也完全消失。

塑性好坏可用伸长率和断面收缩率表示。

延伸率试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为延伸率延伸率。

=L/L=（L1-L0）/L0100断面收缩率试样拉断后缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率断面收缩率。

=S/S=S0-S1/S0100金属材料的延伸率与断面收缩率越大，其塑性越好。

3-2金属的塑性变形金属的塑性变形一、单晶体的滑移单晶体的单晶体的滑移滑移在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面滑移面）的一定方向（滑移方向滑移方向）发生相对的滑动。

拉伸时，45方向的滑移面上的外力P分解为正应力和切应力。

正应力使晶格发生弹性伸长弹性伸长或断裂断裂：

较小时，或伸长量或，0，变形恢复；原子间结合力时，拉断。

切应力使晶格发生弹性歪扭弹性歪扭或塑性变形塑性变形：

临界切应力c时，变形量，0，变形恢复；c时，发生滑移，产生永久塑性变形。

滑移的实现借助于位错运动刚性滑移模型计算出的临界切应力值实测值位错在外加切应力的作用下移动至晶体表面一个原子间距的滑移台阶塑性变形滑移线（晶体表面的滑移台阶）滑移带（大量滑移线）滑移系滑移面和该面上的一个滑移方向滑移系数目和滑移方向材料塑性；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）。

滑移时晶体的转动孪生变形单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形

（1）变形基本方式变形基本方式如果将表面抛光的单晶体金属试样进行拉伸，在如果将表面抛光的单晶体金属试样进行拉伸，在试样的表面上会出现许多相互平行的线条，这试样的表面上会出现许多相互平行的线条，这些线条称为些线条称为滑移带。

滑移带。

对变形后的晶体进行射线对变形后的晶体进行射线结构分析，发现在滑移带两侧晶体的结构类型结构分析，发现在滑移带两侧晶体的结构类型和晶体取向均未有改变，只是其中一部分晶体和晶体取向均未有改变，只是其中一部分晶体相对于另一部分沿着某一晶面和晶向发生相对相对于另一部分沿着某一晶面和晶向发生相对滑动，这种变形方式称为滑动，这种变形方式称为滑移，它是金属塑性滑移，它是金属塑性变形的最基本方式。

变形的最基本方式。

（2）滑移系滑移系在塑性变形试样中出现的滑移带的排列并不是任意的，在塑性变形试样中出现的滑移带的排列并不是任意的，这表明金属中的滑移是沿着一定的晶面和晶面上一定这表明金属中的滑移是沿着一定的晶面和晶面上一定的晶向进行的，这些晶面称为的晶向进行的，这些晶面称为滑移面滑移面，晶向称为，晶向称为滑移滑移方向方向。

一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。

滑移系。

滑移系与金属的晶体结构类型有关。

滑移系与金属的晶体结构类型有关。

滑移面通常是晶体中滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面原子排列最密的晶面，而滑移方向，而滑移方向则是则是原子排列最密的晶向原子排列最密的晶向，这是由于密排面之间、密，这是由于密排面之间、密排方向之间的排方向之间的间距最大，结合力最弱间距最大，结合力最弱。

在其它条件相同时，金属晶体中在其它条件相同时，金属晶体中滑移系愈多，该金属的滑移系愈多，该金属的塑性愈好。

塑性愈好。

滑移方向对滑移所起的作用比滑移面滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更塑性更好好。

（3）滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力实验表明，晶体的滑移实验表明，晶体的滑移是在是在切应力切应力作用下进作用下进行，而且只有当外力行，而且只有当外力在某一滑移系中的在某一滑移系中的切切应力应力达到一定的临界达到一定的临界值时值时，在这一滑移系，在这一滑移系上晶体才发生滑移，上晶体才发生滑移，称该临界值为滑移的称该临界值为滑移的临界分切应力临界分切应力，记为，记为c。

（4）滑移的位错机制滑移的位错机制理论和实验都已证明，在实际晶体中存在理论和实验都已证明，在实际晶体中存在着位错。

晶体的滑移不是晶体的一部分着位错。

晶体的滑移不是晶体的一部分相对于另一部分同时作整体的刚性移动，相对于另一部分同时作整体的刚性移动，而是而是通过位错在切应力作用下沿着滑移通过位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动的结果面逐步移动的结果。

以铜为例，按刚性。

以铜为例，按刚性滑动模型计算出的临界切应力应为滑动模型计算出的临界切应力应为1500Mpa，而实验测出的临界切应力仅，而实验测出的临界切应力仅为为1Mpa，二者相差，二者相差1500倍之多，因此刚倍之多，因此刚性滑动模型不符合实际。

性滑动模型不符合实际。

当一条位错线移到晶体表面时，便在晶体表面留下一个原子间距的当一条位错线移到晶体表面时，便在晶体表面留下一个原子间距的滑移变形。

如果有大量位错按此方式不断滑过晶体，就会在晶体表滑移变形。

如果有大量位错按此方式不断滑过晶体，就会在晶体表面形成滑移带。

可见，面形成滑移带。

可见，滑移的临界分切应力实际上是滑移面内位错滑移的临界分切应力实际上是滑移面内位错移动时所需要的力移动时所需要的力。

其大小取决于位错移动时所克服的阻力。

对单。

其大小取决于位错移动时所克服的阻力。

对单晶体而言，取决于点阵阻力（与原子键合、晶格类型有关），此外，晶体而言，取决于点阵阻力（与原子键合、晶格类型有关），此外，还与位错间以及位错与点缺陷间的相互作用等因素有关。

还与位错间以及位错与点缺陷间的相互作用等因素有关。

（5）滑移变形的几个特点：

滑移变形的几个特点：

滑移只在滑移只在切应力切应力作用下发生，并沿晶体中作用下发生，并沿晶体中原子密度最大原子密度最大的晶面和晶向进行；的晶面和晶向进行；滑移面间的金属键没有全部破坏，相对移动的距离是原滑移面间的金属键没有全部破坏，相对移动的距离是原子间距的整数倍，子间距的整数倍，滑移后沿滑移面两边的晶体位向仍滑移后沿滑移面两边的晶体位向仍保持一致；保持一致；滑移的同时，伴随有晶体的滑移的同时，伴随有晶体的转动和旋转转动和旋转，使滑移面转向，使滑移面转向与外力平行的方向（拉伸时），滑移方向旋向最大切与外力平行的方向（拉伸时），滑移方向旋向最大切应力方向；应力方向；滑滑移移的的实实质质，对对于于无无位位错错的的单单晶晶体体是是刚刚性性移移动动，c值值极极大大；对于有位借的实际金属是位错的运动，对于有位借的实际金属是位错的运动，c值很小。

值很小。

二、多晶体的塑性变形1影响多晶体塑性变形的因素影响多晶体塑性变形的因素晶粒位向晶粒位向不同，滑移时相互制约、阻碍，使形抗力增加。

晶界晶界原子排列较不规则，缺陷多滑移阻力大，变形抗力大。

协调变形晶界自身变形，使不同变形量的相邻晶粒保持连续。

2多晶体的塑性变形过程多晶体的塑性变形过程加载时，各晶粒的滑移面和滑移方向相对于受力方向是不相同的，那些受最大分切应力位向的晶粒处于软位向软位向。

分批，逐步的进行，从软位向到硬位向，从少数晶粒到多数晶粒，从不均匀变形到均匀变形2.多晶体金属塑性变形的特点与多晶体金属塑性变形的特点与细晶强化细晶强化

（1）塑变塑变不同时性不同时性多晶体由位向不同的许多小晶粒组成，在外多晶体由位向不同的许多小晶粒组成，在外加应力作用下，只有处在有利位向（取向因子加应力作用下，只有处在有利位向（取向因子最大）的晶粒的最大）的晶粒的滑移系才能首先开动滑移系才能首先开动，周围取，周围取向不利的晶粒中的滑移系上的分切应力还未达向不利的晶粒中的滑移系上的分切应力还未达到临界值，这些晶粒仍处在弹性变形状态。

到临界值，这些晶粒仍处在弹性变形状态。

（2）塑变协调性塑变协调性由于多晶体的每个晶粒都处于其它晶粒的包围之中，由于多晶体的每个晶粒都处于其它晶粒的包围之中，因此，它的因此，它的变形必须要与其邻近晶粒的变形相互协调变形必须要与其邻近晶粒的变形相互协调，否则就不能保持晶粒之间的连续性而导致材料的断裂。

否则就不能保持晶粒之间的连续性而导致材料的断裂。

这就要求相邻晶粒中取向不利的滑移系也参与变形。

这就要求相邻晶粒中取向不利的滑移系也参与变形。

多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互协调性。

根据理论推算，互协调性。

根据理论推算，每个晶粒至少需要有五个每个晶粒至少需要有五个独立滑移系。

独立滑移系。

因此，滑移系较多的面心立方和体心立因此，滑移系较多的面心立方和体心立方金属表现出良好的塑性，而密排六方金属的滑移系方金属表现出良好的塑性，而密排六方金属的滑移系少，晶粒之间的变形协调性很差，故塑性变形能力低。

少，晶粒之间的变形协调性很差，故塑性变形能力低。

（3）塑变不均匀性塑变不均匀性由多晶体中各个晶粒之间变形的不同时性可由多晶体中各个晶粒之间变形的不同时性可知，每个晶粒的知，每个晶粒的变形量各不相同变形量各不相同，而且由于晶，而且由于晶界的强度高于晶内界的强度高于晶内（位错的塞积），使得每一位错的塞积），使得每一个晶粒内部的变形也是不均匀的。

个晶粒内部的变形也是不均匀的。

实验表明，晶界强度明显高于晶内。

材料在外力实验表明，晶界强度明显高于晶内。

材料在外力作用下发生塑性变形时，通常晶粒中心区域变作用下发生塑性变形时，通常晶粒中心区域变形量较大，晶界及其附近区域变形量较小。

多形量较大，晶界及其附近区域变形量较小。

多晶体的金属细丝在拉伸变形时在晶界附近出现晶体的金属细丝在拉伸变形时在晶界附近出现竹节状就反映了常温下晶界的强化作用。

竹节状就反映了常温下晶界的强化作用。

（4）细晶强化细晶强化通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法叫做性的方法叫做细晶强化细晶强化。

细晶强化是金属的一种重要。

细晶强化是金