第10章 金屬塑性變形的物理本質(zhì)

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1、固態(tài)成形理論基礎(chǔ)第10章金屬塑性變形的物理本質(zhì)張朝磊材料加工與控制工程系材料成形理論與質(zhì)量控制研究室引言?課程目的、特點、體系、內(nèi)容的組成?為什么學(xué)？如何學(xué)好？學(xué)了有什么用？第10章金屬塑性變形的物理本質(zhì)10.1塑性變形機(jī)理10.2金屬的屈服強(qiáng)度10.3金屬的斷裂強(qiáng)度第11章金屬的塑性變形和強(qiáng)化11.1單晶體的塑性變形和加工硬化11.2多晶體的塑性變形和強(qiáng)化11.3合金的塑性變形和強(qiáng)化11.4金屬和合金的塑性11.5金屬的超塑性第12章金屬在塑性變形中的組織結(jié)構(gòu)與性能變化12.1冷變形后金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的變化12.2冷變形金屬的回復(fù)階段12.3再結(jié)晶和晶

2、粒長大12.4熱變形過程中金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的變化2第10章金屬塑性變形的物理本質(zhì)金屬材料的性能（包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能）在使用條件（溫度、加載速度、應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)等）一定時，是決定于成分和組織結(jié)構(gòu)的。在材料成分一定的情況下（例如在選定鋼種時）通過冷、熱加工，熱處理和形變熱處理可以在很大范圍內(nèi)改變金屬材料的組織結(jié)構(gòu)，從而就可以在很大范圍內(nèi)改變金屬材料的性能。掌握了形變、相變、形變和相變結(jié)合的過程中金屬材料組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，就可以利用這些規(guī)律，就可以通過加工、熱處理、形變熱處理的手段獲得滿足使用性能要求所需的組織結(jié)構(gòu)。冷變形及其后的加熱過程、

3、熱變形過程材料成形理論基礎(chǔ)、對金屬和合金的組織結(jié)構(gòu)與性能的影響金屬塑性變形物理基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)、相變過程中組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律金屬學(xué)、金屬熱處理10.1塑性變形機(jī)理?金屬塑性變形包括晶內(nèi)變形和晶間變形；?晶內(nèi)變形：各種位錯運(yùn)動而實現(xiàn)晶內(nèi)的一部分相對于另一部分的剪切運(yùn)動。剪切運(yùn)動有不同的機(jī)理，其中在常溫下最基本的形式是滑移、孿生和扭折。?晶間變形：在T≥0.5T（T——熔化溫度），可能出現(xiàn)。mm?控制作用的變形機(jī)理：當(dāng)變形溫度比晶體熔點低很多時：是滑移和孿生；在高溫塑性變形時，不僅同位錯運(yùn)動有關(guān)，擴(kuò)散機(jī)理起重要作用。實際變形過程的復(fù)雜性：?幾種機(jī)理同時起作用；

4、?各種機(jī)理的具體作用受許多因素影響：?晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、相狀態(tài)等材料的內(nèi)在因素?變形溫度、變形速度、應(yīng)力狀態(tài)等外部條件因此要研究和控制材料的變形過程，掌握基本的塑性變形機(jī)理很有必要。10.1.1滑移點陣阻力：2G點陣阻力?≈exp(2??akb/)pk滑移系統(tǒng)：?面間距a越大、柏氏矢量b越小時，派-納力τ越??；P?密排面和密排方向就是滑移面和滑移方向；?滑移面和位于其上的〃就構(gòu)成了滑移系統(tǒng)。面心立方晶體體心立方晶體中<110>{111}的12個滑移系通過［111］方向的12個滑移面10.1.2孿生?晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶體學(xué)平面和方向產(chǎn)生

5、的切變；?晶體切變后結(jié)構(gòu)沒有變化，但是取向發(fā)生了變化;?相對切變是沿孿生面逐層連續(xù)依次進(jìn)行的，而不像滑移那樣集中在一些滑移面上進(jìn)行;?孿生比滑移困難一些，所以變形時首先發(fā)生滑移，當(dāng)切應(yīng)力升高到一定數(shù)值時，才出現(xiàn)孿生。?密排六方金屬，由于滑夠系統(tǒng)少，各滑移系相對于外力的取向都不利時，也可能在形變一開始就形成孿晶。面心立方晶體的孿生過程●—切變前原子的位置○—切變后原子的位置a-Fe中的孿晶（沖擊條件下）fcc中的切邊帶hcpZn10.1.3擴(kuò)散塑性變形機(jī)理?當(dāng)金屬在高溫塑性變形時，擴(kuò)散就起著重要的作用。?擴(kuò)散具有雙重作用:它對剪切塑性變形機(jī)理可以有很大影響；

6、擴(kuò)散可以獨立產(chǎn)生塑性流動。?擴(kuò)散塑性變形機(jī)理包括:擴(kuò)散-位錯機(jī)理；溶質(zhì)原子定向溶解機(jī)理；定向空位流機(jī)理。?擴(kuò)散-位錯機(jī)理：從幾個方面影響位錯運(yùn)動a對刃位錯的攀移和螺位錯的割階運(yùn)動產(chǎn)生影響;b控制著蠕變變形過程的機(jī)理;c擴(kuò)散時溶質(zhì)氣團(tuán)對位錯運(yùn)動的限制作用,位錯被氣團(tuán)錨住了;?溶質(zhì)原子定向溶解機(jī)理：原子流動是可逆的隨機(jī)、無序的溶質(zhì)原子,優(yōu)先聚集在受拉的棱邊;晶體點陣的不同方向上產(chǎn)生了溶解原子能力的差別;(應(yīng)力松弛和彈性后效現(xiàn)象)。?定向空位流機(jī)理：不可逆的塑性流動機(jī)理應(yīng)力誘導(dǎo)作用使晶界產(chǎn)生空位的能量提高，造成空位在晶界上的遷移。10.1.4晶間滑動機(jī)理?晶間滑

7、動機(jī)理是綜合的變形機(jī)理，它不是和晶內(nèi)滑移、擴(kuò)散塑性機(jī)理獨立無關(guān)的，它們必須互相協(xié)調(diào)。由于晶界一般說來不是平坦的平面，兩晶粒沿晶界產(chǎn)生相對切變時，就必須伴隨其他機(jī)理來協(xié)調(diào)。?對超塑性變形，大家的觀點認(rèn)為是晶間滑動機(jī)理為其控制機(jī)理。為改善材料的超塑成形性，并盡可能提高成形效率，就要加強(qiáng)該種形變機(jī)理的作用，細(xì)化晶粒就是采用的有效措施之一。純銀的變形機(jī)理10.2金屬的屈服強(qiáng)度?從使用金屬材料的角度來看，大部分的工程構(gòu)件和機(jī)器零件在服役過程中不允許有塑性變形發(fā)生，所以屈服強(qiáng)度是金屬材料使用時的應(yīng)力上限。?從塑性加工的角度來看，要改變金屬的形狀和尺寸，使之成為性能和形

8、狀規(guī)格都符合需要的材料，基本條件就是使金屬發(fā)生塑性變形，所以屈服強(qiáng)