第10章 金属塑性变形的物理本质

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1、固态成形理论基础第10章金属塑性变形的物理本质张朝磊材料加工与控制工程系材料成形理论与质量控制研究室引言•课程目的、特点、体系、内容的组成•为什么学？如何学好？学了有什么用？第10章金属塑性变形的物理本质10.1塑性变形机理10.2金属的屈服强度10.3金属的断裂强度第11章金属的塑性变形和强化11.1单晶体的塑性变形和加工硬化11.2多晶体的塑性变形和强化11.3合金的塑性变形和强化11.4金属和合金的塑性11.5金属的超塑性第12章金属在塑性变形中的组织结构与性能变化12.1冷变形后金属组织结构和性能的变化12.2冷变形金属的回复阶段12.3再结晶和晶

2、粒长大12.4热变形过程中金属组织结构和性能的变化2第10章金属塑性变形的物理本质金属材料的性能（包括力学性能、物理性能和化学性能）在使用条件（温度、加载速度、应力状态、环境介质等）一定时，是决定于成分和组织结构的。在材料成分一定的情况下（例如在选定钢种时）通过冷、热加工，热处理和形变热处理可以在很大范围内改变金属材料的组织结构，从而就可以在很大范围内改变金属材料的性能。掌握了形变、相变、形变和相变结合的过程中金属材料组织结构的变化规律，就可以利用这些规律，就可以通过加工、热处理、形变热处理的手段获得满足使用性能要求所需的组织结构。冷变形及其后的加热过程、

3、热变形过程材料成形理论基础、对金属和合金的组织结构与性能的影响金属塑性变形物理基础材料科学基础、相变过程中组织结构的变化规律金属学、金属热处理10.1塑性变形机理金属塑性变形包括晶内变形和晶间变形；晶内变形：各种位错运动而实现晶内的一部分相对于另一部分的剪切运动。剪切运动有不同的机理，其中在常温下最基本的形式是滑移、孪生和扭折。晶间变形：在T≥0.5T（T——熔化温度），可能出现。mm控制作用的变形机理：当变形温度比晶体熔点低很多时：是滑移和孪生；在高温塑性变形时，不仅同位错运动有关，扩散机理起重要作用。实际变形过程的复杂性：几种机理同时起作用；

4、各种机理的具体作用受许多因素影响：晶体结构、化学成分、相状态等材料的内在因素变形温度、变形速度、应力状态等外部条件因此要研究和控制材料的变形过程，掌握基本的塑性变形机理很有必要。10.1.1滑移点阵阻力：2G点阵阻力≈exp(2akb/)pk滑移系统：面间距a越大、柏氏矢量b越小时，派-纳力τ越小；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〃就构成了滑移系统。面心立方晶体体心立方晶体中<110>{111}的12个滑移系通过［111］方向的12个滑移面10.1.2孪生晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶体学平面和方向产生

5、的切变；晶体切变后结构没有变化，但是取向发生了变化;相对切变是沿孪生面逐层连续依次进行的，而不像滑移那样集中在一些滑移面上进行;孪生比滑移困难一些，所以变形时首先发生滑移，当切应力升高到一定数值时，才出现孪生。密排六方金属，由于滑够系统少，各滑移系相对于外力的取向都不利时，也可能在形变一开始就形成孪晶。面心立方晶体的孪生过程●—切变前原子的位置○—切变后原子的位置a-Fe中的孪晶（冲击条件下）fcc中的切边带hcpZn10.1.3扩散塑性变形机理当金属在高温塑性变形时，扩散就起着重要的作用。扩散具有双重作用:它对剪切塑性变形机理可以有很大影响；

6、扩散可以独立产生塑性流动。扩散塑性变形机理包括:扩散-位错机理；溶质原子定向溶解机理；定向空位流机理。扩散-位错机理：从几个方面影响位错运动a对刃位错的攀移和螺位错的割阶运动产生影响;b控制着蠕变变形过程的机理;c扩散时溶质气团对位错运动的限制作用,位错被气团锚住了;溶质原子定向溶解机理：原子流动是可逆的随机、无序的溶质原子,优先聚集在受拉的棱边;晶体点阵的不同方向上产生了溶解原子能力的差别;(应力松弛和弹性后效现象)。定向空位流机理：不可逆的塑性流动机理应力诱导作用使晶界产生空位的能量提高，造成空位在晶界上的迁移。10.1.4晶间滑动机理晶间滑

7、动机理是综合的变形机理，它不是和晶内滑移、扩散塑性机理独立无关的，它们必须互相协调。由于晶界一般说来不是平坦的平面，两晶粒沿晶界产生相对切变时，就必须伴随其他机理来协调。对超塑性变形，大家的观点认为是晶间滑动机理为其控制机理。为改善材料的超塑成形性，并尽可能提高成形效率，就要加强该种形变机理的作用，细化晶粒就是采用的有效措施之一。纯银的变形机理10.2金属的屈服强度从使用金属材料的角度来看，大部分的工程构件和机器零件在服役过程中不允许有塑性变形发生，所以屈服强度是金属材料使用时的应力上限。从塑性加工的角度来看，要改变金属的形状和尺寸，使之成为性能和形

8、状规格都符合需要的材料，基本条件就是使金属发生塑性变形，所以屈服强