金屬塑性成形原理---第二章_金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)

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1、金屬塑性成形原理主講：朱光明第二章金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)主要內(nèi)容：2.1金屬冷態(tài)下的塑性變形2.2金屬熱態(tài)下的塑性變形2.3金屬的超塑性2.4金屬在塑性加工過(guò)程中的塑性行為2.1金屬冷態(tài)下的塑性變形晶體：固體物質(zhì)中原子呈周期性有規(guī)則的排列的物質(zhì)空間點(diǎn)陣：原子在晶體所占的空間內(nèi)按照一定的幾何規(guī)律作周期性的排列晶格：為了描述晶體內(nèi)原子排列的狀況，常以一些直線將晶體中各原子的中心連接起來(lái)使之構(gòu)成一空間格子晶胞：從晶格中選取一個(gè)能反映晶格特征的最小幾何單元來(lái)分析晶體中的原子排列規(guī)律，這一最小的幾何單元稱為晶胞典型的晶胞結(jié)構(gòu)面心

2、立方典型金屬Al、Cu、Ag、Ni、γ-Fe典型的晶胞結(jié)構(gòu)體心立方典型金屬α-Fe、β-Ti、Cr、W、V、Mo典型的晶胞結(jié)構(gòu)密排六方典型金屬α-Ti、α-Co、Be、Mg、Zn、Cd三種晶胞的晶格結(jié)構(gòu)一、塑性變形機(jī)理實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體:各方向上的原子密度不同——各向異性?多晶體:晶粒方向性互相抵消——各向同性?塑性成形所用的金屬材料絕大多數(shù)為多晶體，其變形過(guò)程比單晶體復(fù)雜的多。多晶體塑性變形的分類多晶體的塑性變形方式晶內(nèi)變形晶間變形滑移孿生滑動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)以晶內(nèi)變形為主，晶間變形對(duì)晶內(nèi)變形起協(xié)調(diào)作用。1、晶內(nèi)變形主要方

3、式：滑移：晶體在力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于晶體的另一部分發(fā)生的相對(duì)移動(dòng)或切變孿生：晶體在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面（孿生面）和一定的晶向（孿生方向）發(fā)生均勻切變滑移面示意滑移的定義所謂滑移，是指晶體（單晶體或構(gòu)成多晶體中的一個(gè)晶粒）在力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向，相對(duì)于晶體的另一部分發(fā)生的相對(duì)移動(dòng)或切變。這些晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向?；泼婧突品较虻慕M合稱為滑移系（滑移系的存在只說(shuō)明金屬晶體長(zhǎng)生滑移的可能性）滑移面、滑移方向和滑移系滑移面、滑移方向一般地說(shuō)，

4、滑移總是沿著原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生，沿原子排列最密集的方向滑移阻力最小，最容易成為滑移方向?；葡刀嗟慕饘僖然葡瞪俚慕饘伲冃螀f(xié)調(diào)性好、塑性高?；泼鎸?duì)溫度具有敏感性：溫度升高，金屬出現(xiàn)新的滑移系，塑性相應(yīng)的提高?；茣r(shí)的臨界切應(yīng)力晶體進(jìn)入塑性時(shí)，在滑移面上，沿滑移方向的切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力臨界切應(yīng)力臨界切應(yīng)力的大小，取決于金屬的類型、純度、晶體結(jié)構(gòu)的完整性、變形溫度、應(yīng)變速率、和預(yù)先變形程度等因素?；葡瞪纤艿那袘?yīng)力分量取決于取向因子滑移時(shí)晶體的取向令μ=cosφcosλ，稱為取向因子。若φ=λ=45°，

5、則μ=μmax=0.5，τ=τmax=σ/2。此意味著該滑移系處于最佳取向，其上的切應(yīng)力分量最有利于優(yōu)先達(dá)到臨界值而發(fā)生滑移，這種取向稱為軟取向；而當(dāng)φ=90°，λ=0°或φ=0°，λ=90°時(shí)，μ=τ=0此時(shí)無(wú)論σ多大，滑移的驅(qū)動(dòng)力恒等于零，處于此取向的滑移系不能發(fā)生滑移，這種取向稱為硬取向。滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)晶體在滑移過(guò)程中，由于受到外界的約束作用會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)就單晶體拉伸變形來(lái)說(shuō)，滑移面會(huì)力圖向拉力方向轉(zhuǎn)動(dòng)而滑移方向則力圖向最大切應(yīng)力分量方向轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)于多晶體，晶粒被拉長(zhǎng)的同時(shí)，滑移面和滑移方向也朝一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)，各晶粒調(diào)整

6、其方位而趨于一致位錯(cuò)理論1926，弗蘭克爾，估算了晶體的剪切強(qiáng)度：假設(shè)：理想晶體兩排原子相距為a，同排原子間距為b。原子在平衡位置時(shí)，能量處于最低的位置。在外力τ作用下，原子偏離平衡位置時(shí)，能量上升，原子能量隨位置的變化為一余弦函數(shù)。通過(guò)計(jì)算晶體的臨界剪切應(yīng)力，并與實(shí)際的臨界剪切應(yīng)力進(jìn)行比較，人們發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算的剪切強(qiáng)度比實(shí)驗(yàn)所得到的剪切強(qiáng)度要高一千倍以上。位錯(cuò)理論為了解釋這種理論值和實(shí)際值的差別，1934年泰勒（G.I.Taylor）、奧羅萬(wàn)（E.Orowan）、和波蘭伊（M.Polanyi）幾乎在同一時(shí)間內(nèi)，分別提

7、出了位錯(cuò)假設(shè)。他們認(rèn)為在晶體內(nèi)存在著一種線缺陷，它在剪切應(yīng)力下更容易滑移，并引起塑性變形。隨著實(shí)驗(yàn)手段的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的事實(shí)證明了位錯(cuò)的存在，形成了一種位錯(cuò)理論。在隨后的幾十年中，這種位錯(cuò)理論在金屬塑性變形的微觀研究上獲得了很大發(fā)展。位錯(cuò)理論的發(fā)展也促進(jìn)了晶界理論、晶體缺陷等理論的發(fā)展。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)示意位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)就像毛蟲(chóng)爬行一樣，是局部區(qū)域先滑移，并逐步擴(kuò)大，而不是理想的剛性滑動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的演示柏氏矢量（聯(lián)系《材料科學(xué)基礎(chǔ)》）刃形位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線垂直螺形位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線平行刃形位錯(cuò)的柏氏矢量螺形位錯(cuò)的柏氏矢

8、量位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)滑移攀移：正攀移、負(fù)攀移刃形位錯(cuò)螺形位錯(cuò)位錯(cuò)的滑移-刃形位錯(cuò)一個(gè)刃型位錯(cuò)沿滑移面滑過(guò)整個(gè)晶體時(shí)，就會(huì)在晶體表面產(chǎn)生寬度為一個(gè)柏氏矢量的臺(tái)階位錯(cuò)的滑移-刃形位錯(cuò)刃型位錯(cuò)的移動(dòng)方向與位錯(cuò)線相互垂直位錯(cuò)滑移的結(jié)果是在晶體表面形成一個(gè)寬度為柏氏矢量的臺(tái)階位錯(cuò)的滑移-刃形位錯(cuò)螺型位錯(cuò)滑移過(guò)整個(gè)晶體后，也在晶體表面形成一個(gè)寬度為柏