金属塑性变形的物理基础

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1、第二章金属塑性变形的物理基础第一节金属冷态下的塑性变形第二节金属热态下的塑性变形第三节金属在塑性加工过程中的塑性行为第四节金属的超塑性第一节金属冷态下的塑性变形1.塑性变形机理2.塑性变形特点3.合金的塑性变形4.冷塑性变形对金属组织和性能的影响多晶体是由许多微小的单个晶粒杂乱组合而成。多晶体在其组织结构上的特点：（1）多晶体的各个晶粒，其形状和大小是不同的，化学成分和力学性能的分布不均匀；（2）多晶体各相邻晶粒的取向一般不同；（3）在多晶体中存在大量的晶界，晶界的结构和性质与晶粒本身不同，并在晶界上聚集着其它物质的杂质。1.塑性变形机理单晶体的塑性变形滑移

2、和孪生多晶体的塑性变形晶内变形和晶界变形多晶体的晶内变形可以看做是一个单晶的塑性变形（一）晶内变形晶内变形的主要方式和单晶体一样为滑移和孪生。其中滑移变形是主要的；而孪生变形是次要的，一般仅起调节作用。但在体心立方金属，特别是密排六方金属中，孪生变形也是主要的。（一）晶内变形（1）滑移滑移:晶体一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对另一部分发生相对移动和切变。产生宏观的塑性变形。滑移面：原子排列密度最大的晶面。滑移方向：原子排列密度最大的方向。滑移系:一种滑移面及其上的一个滑移方向构成滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生。因为原子密度最大的晶面

3、，原子间距小，原子间结合力强；而其晶面间的距离则较大，晶面与晶面之间的结合力较弱，滑移阻力较小。1、滑移系多的比少的容易变形。2、体心和面心立方同样具有12个滑移系，面心比体心易变形，滑移方向的作用大于滑移面的作用。3、滑移面对温度具有敏感性。温度升高，原子密度次大的晶面也参与滑移，故温度升高，金属塑性提高。滑移系的存在只能够说明金属晶体有产生滑移的可能性。还需要一个临界切应力。临界切应力：要使滑移能够发生，需要沿滑移面的滑移方向上作用一定大小的切应力。临界切应力的大小取决于金属的类型、纯度、晶体结构的完整度、变形温度、应变速率和预先变形程度等。晶面转动单晶

4、体拉伸单晶体压缩滑移的微观描述单滑移（平移滑移）：是沿着一定的结晶面和结晶方间进行。它仅可能在最初始的塑性变形阶段发生。双滑移：指从某一变形程度开始，同时有两个滑移系统进行工作。但这并不意味着它们的作用是同步的。多滑移：与双滑移相似，晶体在滑移过程中，如果滑移同时在各个滑移系统上进行时，则称此滑移为多滑移。交滑移：若滑移是沿两个不同的滑移面和共有的滑移方向上进行时，则称为交滑移。（一）晶内变形面心立方晶体孪生变形示意a)孪生面和孪生方向b)孪生变形时原子的移动孪生面孪生面孪生方向孪生方向孪生区域2.孪生孪生：晶体在切应力的作用下，其一部分沿某一定晶面和晶向，

5、按一定的关系发生相对的位向移动，其结果使晶体的一部分与原晶体的位向处于相互对称的位置。这种在变形过程中产生的孪生变形部分称为“形变孪晶”在孪生变形时，所有平行于孪生面的原子平面都朝着一个方向移动。每一晶面移动距离的大小与它距孪生面的距离成正比。每一晶面与相邻晶面的相对移动恒等于点阵常数的若干分之一。晶体以何种方式变形，取决于那张变形需要的切应力低。常温下滑移切应力低于孪生，很低温度下，孪生低于滑移。变形速度的增加可促使晶体的孪生化，如高速冲击。高应力集中处会诱发孪生变形。密排六方滑移系少，主要以孪生为主。滑移和孪生可交替进行。镁中的变形孪晶和滑移带孪生与滑移

6、的区别由孪生的变形过程可知，孪生所发生的切变均匀地波及整个孪生变形区，而滑移变形只集中在滑移面上，切变是不均匀的；孪生切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍（而是几分之一原子间距），而滑移时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍；孪生变形后，孪晶面两边晶体位向不同，成镜像对称；而滑移时，滑移面两边晶体位向不变；由于孪生改变了晶体的取向，因此孪晶经抛光浸蚀后仍可观察到，而滑移所造成的台阶经抛光浸蚀后不会重现。（二）晶间变形晶粒相互滑动和转动在冷态变形条件下，多晶体的塑性变形主要集中在晶内。晶间变形只起次要作用。而且需要其他变形机制的协调。这主要是由

7、于晶界强度高于晶内，其变形比晶内困难。而且多晶体各晶粒间犬牙交错，造成晶界滑移困难，如晶界发生变形，必将引起裂纹，故晶界变形量是很小的。2.塑性变形特点1.各晶粒变形的不同时性2.各晶粒变形的相互协调性3.晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间变形的不均匀性。1.变形的不同时性切应力达到要求的有利滑移系晶粒先变形，取向不利的尚未开始变形。位错开动在晶内滑移，在晶界处塞积，造成应力场，作用于相邻晶粒。如果此附加应力足够的，造成相邻晶粒取向不利的滑移系开动，则发生滑移，塑性变形。位错塞积处应力释放，A中位错继续移动，发生形状改变。2.各晶粒变形的相互协调性多

8、晶体中晶粒处于其他晶粒的包围中，它们的变形不是孤立和