金属塑性成形原理---第二章_金属塑性变形的物理基础

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1、金属塑性成形原理主讲：朱光明第二章金属塑性变形的物理基础主要内容：2.1金属冷态下的塑性变形2.2金属热态下的塑性变形2.3金属的超塑性2.4金属在塑性加工过程中的塑性行为2.1金属冷态下的塑性变形晶体：固体物质中原子呈周期性有规则的排列的物质空间点阵：原子在晶体所占的空间内按照一定的几何规律作周期性的排列晶格：为了描述晶体内原子排列的状况，常以一些直线将晶体中各原子的中心连接起来使之构成一空间格子晶胞：从晶格中选取一个能反映晶格特征的最小几何单元来分析晶体中的原子排列规律，这一最小的几何单元称为晶胞典型的晶胞结构面心

2、立方典型金属Al、Cu、Ag、Ni、γ-Fe典型的晶胞结构体心立方典型金属α-Fe、β-Ti、Cr、W、V、Mo典型的晶胞结构密排六方典型金属α-Ti、α-Co、Be、Mg、Zn、Cd三种晶胞的晶格结构一、塑性变形机理实际金属的晶体结构单晶体:各方向上的原子密度不同——各向异性?多晶体:晶粒方向性互相抵消——各向同性?塑性成形所用的金属材料绝大多数为多晶体，其变形过程比单晶体复杂的多。多晶体塑性变形的分类多晶体的塑性变形方式晶内变形晶间变形滑移孪生滑动转动以晶内变形为主，晶间变形对晶内变形起协调作用。1、晶内变形主要方

3、式：滑移：晶体在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生的相对移动或切变孪生：晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（孪生面）和一定的晶向（孪生方向）发生均匀切变滑移面示意滑移的定义所谓滑移，是指晶体（单晶体或构成多晶体中的一个晶粒）在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向，相对于晶体的另一部分发生的相对移动或切变。这些晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。滑移面和滑移方向的组合称为滑移系（滑移系的存在只说明金属晶体长生滑移的可能性）滑移面、滑移方向和滑移系滑移面、滑移方向一般地说，

4、滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生，沿原子排列最密集的方向滑移阻力最小，最容易成为滑移方向。滑移系多的金属要比滑移系少的金属，变形协调性好、塑性高。滑移面对温度具有敏感性：温度升高，金属出现新的滑移系，塑性相应的提高。滑移时的临界切应力晶体进入塑性时，在滑移面上，沿滑移方向的切应力称为临界切应力临界切应力临界切应力的大小，取决于金属的类型、纯度、晶体结构的完整性、变形温度、应变速率、和预先变形程度等因素。滑移系上所受的切应力分量取决于取向因子滑移时晶体的取向令μ=cosφcosλ，称为取向因子。若φ=λ=45°，

5、则μ=μmax=0.5，τ=τmax=σ/2。此意味着该滑移系处于最佳取向，其上的切应力分量最有利于优先达到临界值而发生滑移，这种取向称为软取向；而当φ=90°，λ=0°或φ=0°，λ=90°时，μ=τ=0此时无论σ多大，滑移的驱动力恒等于零，处于此取向的滑移系不能发生滑移，这种取向称为硬取向。滑移时晶体的转动晶体在滑移过程中，由于受到外界的约束作用会发生转动就单晶体拉伸变形来说，滑移面会力图向拉力方向转动而滑移方向则力图向最大切应力分量方向转动对于多晶体，晶粒被拉长的同时，滑移面和滑移方向也朝一定方向转动，各晶粒调整

6、其方位而趋于一致位错理论1926，弗兰克尔，估算了晶体的剪切强度：假设：理想晶体两排原子相距为a，同排原子间距为b。原子在平衡位置时，能量处于最低的位置。在外力τ作用下，原子偏离平衡位置时，能量上升，原子能量随位置的变化为一余弦函数。通过计算晶体的临界剪切应力，并与实际的临界剪切应力进行比较，人们发现，理论计算的剪切强度比实验所得到的剪切强度要高一千倍以上。位错理论为了解释这种理论值和实际值的差别，1934年泰勒（G.I.Taylor）、奥罗万（E.Orowan）、和波兰伊（M.Polanyi）几乎在同一时间内，分别提

7、出了位错假设。他们认为在晶体内存在着一种线缺陷，它在剪切应力下更容易滑移，并引起塑性变形。随着实验手段的不断发展，越来越多的事实证明了位错的存在，形成了一种位错理论。在随后的几十年中，这种位错理论在金属塑性变形的微观研究上获得了很大发展。位错理论的发展也促进了晶界理论、晶体缺陷等理论的发展。位错的运动示意位错的运动就像毛虫爬行一样，是局部区域先滑移，并逐步扩大，而不是理想的刚性滑动位错运动的演示柏氏矢量（联系《材料科学基础》）刃形位错的柏氏矢量与位错线垂直螺形位错的柏氏矢量与位错线平行刃形位错的柏氏矢量螺形位错的柏氏矢

8、量位错的运动滑移攀移：正攀移、负攀移刃形位错螺形位错位错的滑移-刃形位错一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体时，就会在晶体表面产生宽度为一个柏氏矢量的台阶位错的滑移-刃形位错刃型位错的移动方向与位错线相互垂直位错滑移的结果是在晶体表面形成一个宽度为柏氏矢量的台阶位错的滑移-刃形位错螺型位错滑移过整个晶体后，也在晶体表面形成一个宽度为柏