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使之構(gòu)成一空間格子晶胞：從晶格中選取一個能反映晶格特征的最小幾何單元來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)面心立方典型金屬Al、Cu、Ag、Ni、γ-Fe典型的晶

2、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轉(zhuǎn)動以晶內(nèi)變形為主，晶間變形對晶內(nèi)變形起協(xié)調(diào)作用。1、晶內(nèi)變形主要方式：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于晶體的另一部分發(fā)生的相對移動或切變孿生：

3、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，相對于晶體的另一部分發(fā)生的相對移動或切變。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（滑移系的存在只說明金屬晶體長生滑移的可能性）滑移面、滑移方向和滑移系滑移面、滑移方向一般地說，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。滑移系多的金屬要比滑移系少的金屬，變形協(xié)調(diào)性好、塑性高?；?/p>

4、移面對溫度具有敏感性：溫度升高，金屬出現(xiàn)新的滑移系，塑性相應(yīng)的提高?；茣r的臨界切應(yīng)力晶體進(jìn)入塑性時，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晶體的取向令μ=cosφcosλ，稱為取向因子。若φ=λ=45°，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，μ=τ=0此

5、時無論σ多大，滑移的驅(qū)動力恒等于零，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?；茣r晶體的轉(zhuǎn)動晶體在滑移過程中，由于受到外界的約束作用會發(fā)生轉(zhuǎn)動就單晶體拉伸變形來說，滑移面會力圖向拉力方向轉(zhuǎn)動而滑移方向則力圖向最大切應(yīng)力分量方向轉(zhuǎn)動對于多晶體，晶粒被拉長的同時，滑移面和滑移方向也朝一定方向轉(zhuǎn)動，各晶粒調(diào)整其方位而趨于一致位錯理論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，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，能量上升，原子能量隨位置的變化為一余弦函數(shù)。通過計算晶體的臨界剪切應(yīng)力

6、，并與實際的臨界剪切應(yīng)力進(jìn)行比較，人們發(fā)現(xiàn)，理論計算的剪切強(qiáng)度比實驗所得到的剪切強(qiáng)度要高一千倍以上。位錯理論為了解釋這種理論值和實際值的差別，1934年泰勒（G.I.Taylor）、奧羅萬（E.Orowan）、和波蘭伊（M.Polanyi）幾乎在同一時間內(nèi)，分別提出了位錯假設(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。隨著實驗手段的不斷發(fā)展，越來越多的事實證明了位錯的存在，形成了一種位錯理論。在隨后的幾十年中，這種位錯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。位錯的運動示意位錯的

7、運動就像毛蟲爬行一樣，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位錯運動的演示柏氏矢量（聯(lián)系《材料科學(xué)基礎(chǔ)》）刃形位錯的柏氏矢量與位錯線垂直螺形位錯的柏氏矢量與位錯線平行刃形位錯的柏氏矢量螺形位錯的柏氏矢量位錯的運動滑移攀移：正攀移、負(fù)攀移刃形位錯螺形位錯位錯的滑移-刃形位錯一個刃型位錯沿滑移面滑過整個晶體時，就會在晶體表面產(chǎn)生寬度為一個柏氏矢量的臺階位錯的滑移-刃形位錯刃型位錯的移動方向與位錯線相互垂直位錯滑移的結(jié)果是在晶體表面形成一個寬度為柏氏矢量的臺階位錯的滑移-刃形位錯螺型位錯滑移過整個晶體后，也在晶體表面形成一個寬度為柏