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第六章第六章塑性变形塑性变形机械零件在加工或使用时都会发生变形，机械零件在加工或使用时都会发生变形，材料对变形承受能力直接关系到零件使用材料对变形承受能力直接关系到零件使用寿命。寿命。本章本章主要讨论金属材料变形方式和塑性变主要讨论金属材料变形方式和塑性变形机制形机制，简单介绍陶瓷和高分子材料变形，简单介绍陶瓷和高分子材料变形特点。特点。第1页6.1金属应力金属应力-应变曲线应变曲线6.1.1工程应力工程应力-应变曲线应变曲线(以低碳钢为例以低碳钢为例)1当应力低于当应力低于e时，应力与应变成正比：时，应力与应变成正比：=EE称为称为弹性模量弹性模量，表示材料刚性。表示材料刚性。此应力范围内撤此应力范围内撤去应力则变形完去应力则变形完全消失，称为弹全消失，称为弹性变形。性变形。第2页e称为称为弹性极限弹性极限(elasticlimit)。2应力超出应力超出e时发生塑性变形，应力去除时发生塑性变形，应力去除后变形部分恢复。后变形部分恢复。开始发生塑性变形最小开始发生塑性变形最小应力叫应力叫屈服极限屈服极限(surrenderlimit)s。对。对于无显著屈服极限材料，于无显著屈服极限材料，要求要求以以产生产生0.2%残余变形应力作为屈服极限，以残余变形应力作为屈服极限，以0.2表示表示。第3页3外力超出外力超出s(0.2)后，材料发生显著而均匀塑性后，材料发生显著而均匀塑性变形，要增大应变必须提升应力。这种变形，要增大应变必须提升应力。这种随变形增随变形增大，变形抗力也增大现象叫大，变形抗力也增大现象叫加工硬化加工硬化加工硬化加工硬化(strain(strainhardening)hardening)或或应变硬化应变硬化应变硬化应变硬化。应力到达应力到达b后，材料均匀变形结束，后，材料均匀变形结束，b叫材料叫材料抗抗抗抗拉强度拉强度拉强度拉强度(tensilestrength(tensilestrength)，是材料极限承载能，是材料极限承载能力标志。力标志。4应力到达应力到达b时，材料开始发生时，材料开始发生不均匀变形不均匀变形，形，形成成颈缩颈缩颈缩颈缩。应力随之快速下降，到达。应力随之快速下降，到达k时材料短裂。时材料短裂。k叫叫条件断裂强度条件断裂强度条件断裂强度条件断裂强度(rupturestrength(rupturestrength )。第4页断裂后断裂后试样试样残余变形量残余变形量l=(lk-l0)与原始长度与原始长度l0百分比百分比称为称为延伸率延伸率(percentageofelongtation)：=(lk-l0)/l0100%(6-1)试样试样原始截面积原始截面积F0和和断裂时断裂时截面积截面积Fk之差与之差与F0百分比百分比称为称为断面收缩率断面收缩率(percentageofareareduction)：=(F0-Fk)/F0100%(6-2)和和都是材料塑性指标，表示金属塑性变都是材料塑性指标，表示金属塑性变形能力。形能力。第5页6.1.2真应力真应力-真应变曲线：在实际拉伸过真应变曲线：在实际拉伸过程中，试样横截面在不停改变，程中，试样横截面在不停改变，试样所受试样所受真应力真应力S应是瞬时载荷应是瞬时载荷P与瞬时截面积与瞬时截面积F比值比值：S=P/F(6-3)真应变真应变为瞬时伸长量除以瞬时长度为瞬时伸长量除以瞬时长度：de=dl/l(6-4)总应变为：总应变为：e=de=ll0dl/l=lnl/l0=ln(1+)(6-5)第6页第7页图图6-2为真应力为真应力-真应变曲线。真应变曲线。与工程应力与工程应力-应变曲线区分是：试样产生颈缩以后，应变曲线区分是：试样产生颈缩以后，尽管外加载荷已经下降，但真应力仍在升高尽管外加载荷已经下降，但真应力仍在升高(截面截面收缩速率大于载荷下降速率收缩速率大于载荷下降速率)，直到，直到Sk，试样断裂。，试样断裂。Sk称材料称材料断裂强度断裂强度断裂强度断裂强度(rupturestrength)。普通把普通把均匀塑性变形阶段真应力均匀塑性变形阶段真应力-真应变曲线称为真应变曲线称为流变曲线流变曲线流变曲线流变曲线(flowcurve)，其关系为：，其关系为：S=ken(6-6)n称为称为形变强化指数形变强化指数。密排六方密排六方n较小，体心立方，较小，体心立方，尤其是面心立方尤其是面心立方n较大较大。第8页6.2单晶体塑性变形单晶体塑性变形材料通常是多晶体，多晶体变形与每个晶粒变形材料通常是多晶体，多晶体变形与每个晶粒变形亲密相关。亲密相关。单晶体常温塑性变形主要方式有滑移和孪生两种单晶体常温塑性变形主要方式有滑移和孪生两种。6.2.1滑移滑移6.2.1.1滑移现象：将滑移现象：将一块单晶体进行一定一块单晶体进行一定塑性变形后，原来塑性变形后，原来抛光表面会出显许抛光表面会出显许多平行线条。多平行线条。第9页这些平行线条称为这些平行线条称为滑移带滑移带。每一条滑移带每一条滑移带都是由许多聚集在一起相互平行滑移线组都是由许多聚集在一起相互平行滑移线组成成，每一条滑移线都对应一个小台阶。台，每一条滑移线都对应一个小台阶。台阶间距大约阶间距大约为几十纳米，为几十纳米，高度约为几高度约为几百纳米。百纳米。第10页X射线衍射分析发觉：射线衍射分析发觉：1变形晶体结构类型并未改变，滑移线两侧变形晶体结构类型并未改变，滑移线两侧晶向也没变。即晶向也没变。即晶体滑移是晶面间平移滑晶体滑移是晶面间平移滑动动，滑动结果在表面留下滑移台阶。，滑动结果在表面留下滑移台阶。2滑移分布不均匀滑移分布不均匀，只集中于一些晶面，而，只集中于一些晶面，而相邻两条滑移线之间晶体没有滑移相邻两条滑移线之间晶体没有滑移。第11页第12页第13页第14页第15页*因为四轴晶系中因为四轴晶系中a ai i组合不独立性，任意两组合不独立性，任意两个个a a基矢合成矢量都是剩下基矢负数，如基矢合成矢量都是剩下基矢负数，如:a a2 2+a+a3 3=-a=-a1 1,假如要用晶向指数表示假如要用晶向指数表示a a1 1方向方向,就必须选择就必须选择a a1 1模长使其合成矢量不为模长使其合成矢量不为0(0(通通常选常选1),1),于是有于是有:a a1 1:2110;:2110;其余类推。其余类推。第16页结论：结论：1滑移面总是晶体密排面，滑移方向也总是滑移面总是晶体密排面，滑移方向也总是晶体密排方向晶体密排方向。这是因为密排面之间面间。这是因为密排面之间面间距大，滑移阻力距大，滑移阻力(派纳力派纳力)小；密排方向原小；密排方向原子密度大，移动距离短。子密度大，移动距离短。2每一个晶格类型都含有特定滑移系每一个晶格类型都含有特定滑移系。面心。面心立方金属为立方金属为12个：个：111；密排六方；密排六方金属有金属有3个：个：(0001)；体心立方没有；体心立方没有显著密排面，可能滑移系显著密排面，可能滑移系48个：个：110,112,123.第17页*派纳力派纳力：Peierls-Nabarro力，位错滑移临力，位错滑移临界切应力。界切应力。P P=2G/(1-=2G/(1-)exp-2a/(1-)b)exp-2a/(1-)b式中：式中：b b为柏氏矢量；为柏氏矢量；G G为切变模量；为切变模量；为泊松比；为泊松比；a a为滑移面间距。为滑移面间距。从此式能够看出：从此式能够看出：面间距面间距a a越大派纳力越小；越大派纳力越小；柏氏矢量柏氏矢量b b越小派纳力越小。越小派纳力越小。第18页滑移系在一定程度上决定了金属塑性好坏滑移系在一定程度上决定了金属塑性好坏。如面心立方和体心立方金属塑性好于密排如面心立方和体心立方金属塑性好于密排六方金属。但六方金属。但在相同条件下，金属塑性好在相同条件下，金属塑性好坏还取决于滑移面原子密排程度及滑移方坏还取决于滑移面原子密排程度及滑移方向数目等原因向数目等原因。如。如-Fe有有48个滑移系，但个滑移系，但滑移方向只有两个滑移方向只有两个(不区分正反不区分正反)，比面心，比面心立方立方(3个个)少，而且滑移面密排程度也较低，少，而且滑移面密排程度也较低，所以其塑性要比铝，铜等面心立方金属差。所以其塑性要比铝，铜等面心立方金属差。第19页6.2.1.3临界分切应力：滑移在切应力作用下发生。临界分切应力：滑移在切应力作用下发生。晶体中某滑移系是否滑动，取决于该方向上分切晶体中某滑移系是否滑动，取决于该方向上分切应力是否到达临界值应力是否到达临界值。有一截面积为有一截面积为A圆柱形单晶，受轴向拉力圆柱形单晶，受轴向拉力P作用。作用。拉伸轴与滑移面法向拉伸轴与滑移面法向ON夹角为夹角为，与滑移方向，与滑移方向OT夹角为夹角为。则。则P在滑移方向在滑移方向分力为分力为Pcos，而滑移面，而滑移面面积为面积为A/cos，P在滑移方在滑移方向分切应力：向分切应力：=(Pcos)/(A/cos)=Pcoscos/A=0coscos。第20页当外力当外力P一定时，作用在滑移系上分切应力一定时，作用在滑移系上分切应力与晶体受力位向相关。与晶体受力位向相关。当当0=s(屈服极限屈服极限)时，晶体开始滑移，此时滑移方向分切应时，晶体开始滑移，此时滑移方向分切应力称为力称为临界分切应力临界分切应力k：k=scoscos令：令：m=coscos，则：，则：k=sm或：或：s=k/m(6-7)m称为取向因子或称为取向因子或斯密特斯密特(Schmid)因子因子。m越大，分切应力越大，越有利于滑移。越大，分切应力越大，越有利于滑移。第21页当滑移面法线、滑移方向和外力轴处于同当滑移面法线、滑移方向和外力轴处于同一平面且一平面且=45时，时，m=coscos(90-)=sin2/2=0.5。此时此时m值最大，值最大，s最小，最有利于滑移，称最小，最有利于滑移，称为为软取向软取向；外力与滑移面平行；外力与滑移面平行(=90)或或垂直垂直(=0)时时,s，晶体不能滑移，此，晶体不能滑移，此种取向称为种取向称为硬取向硬取向。m对屈服应力对屈服应力 s影响在只有一组滑移面密排影响在只有一组滑移面密排六方晶体中尤为显著。六方晶体中尤为显著。第22页第23页临界分切应力主要由材料本身晶体结构决临界分切应力主要由材料本身晶体结构决定，定，与外加作用无关与外加作用无关。对多晶材料而言，。对多晶材料而言，组织参数作用非常敏感，纯度、温度、变组织参数作用非常敏感，纯度、温度、变形速度和加工及热处理状态都会产生极大形速度和加工及热处理状态都会产生极大影响。影响。第24页6.2.1.4滑移时晶体转动：晶体被滑移时晶体转动：晶体被拉伸而产拉伸而产生滑移时，因为生滑移时，因为拉力共线拉力共线影响，晶面位向影响，晶面位向会发生改变会发生改变,结果使滑移面和滑移方向逐结果使滑移面和滑移方向逐步趋于平行于拉力轴线步趋于平行于拉力轴线；而；而压缩时，晶面压缩时，晶面改变改变结果使滑结果使滑移面逐步移面逐步趋于与压趋于与压力轴线垂力轴线垂直直。第25页滑移面和滑移方向改变必定造成斯密特因滑移面和滑移方向改变必定造成斯密特因子子m改变。改变。因滑移而使因滑移而使m减小，造成滑移困难现象叫减小，造成滑移困难现象叫几几何硬化何硬化；因滑移而使因滑移而使m增大，造成滑移轻易现象叫增大，造成滑移轻易现象叫几几何软化何软化。第26页6.2.1.5多滑移和交滑移：在含有多组滑移多滑移和交滑移：在含有多组滑移系晶体中，若系晶体中，若只有一组滑移系取向有利，只有一组滑移系取向有利，该方向分切应力到达临界分切应力时，便该方向分切应力到达临界分切应力时，便发生单系滑移，称为发生单系滑移，称为单滑移单滑移。若若几组滑移系分切应力同时到达临界值，几组滑移系分切应力同时到达临界值，或者因为晶面改变使其它滑移系分切应力或者因为晶面改变使其它滑移系分切应力也到达临界值，则滑移将在多组滑移系上也到达临界值，则滑移将在多组滑移系上同时或交替进行，称为同时或交替进行，称为多滑移多滑移。此时会在。此时会在晶体表面出现几组交叉滑移带。晶体表面出现几组交叉滑移带。第27页第28页面心立方金属滑移系为面心立方金属滑移系为111，4个个111面面组成一个八面体。当拉力轴为组成一个八面体。当拉力轴为001时，时，(1)对全部对全部111面，面，cos=02+02+12/(12+12+12 02+02+12)=1/3=54.7，(2)角对角对101，101011，011也都为也都为45，(3)锥体底面上两个锥体底面上两个方向与方向与001垂垂直。直。第29页所以，八面体上有所以，八面体上有8个个滑移系含有相同取向滑移系含有相同取向因子，当因子，当=k时能够同时开动时能够同时开动。但因为这些。但因为这些滑移系有不一样位向滑移面和滑移方向组滑移系有不一样位向滑移面和滑移方向组成，滑移时有交互作用，产生交割和反应，成，滑移时有交互作用，产生交割和反应，使滑移变得困难，产生较强使滑移变得困难，产生较强加工硬化加工硬化。当两个以上滑移当两个以上滑移面沿面沿同一方向同一方向滑移滑移便形成便形成交滑移交滑移。第30页发生交滑移时，发生交滑移时，晶体表面会出现晶体表面会出现波折或波纹状波折或波纹状滑移带。滑移带。最轻易发生交滑最轻易发生交滑移是体心立方移是体心立方金属金属，滑移面为，滑移面为110，112和和123，滑移方向总是，滑移方向总是。因滑移面不受限制，所以因滑移面不受限制，所以交滑移必是纯螺形位错，交滑移必是纯螺形位错，难易程度与层错能相关难易程度与层错能相关。第31页6.2.1.6滑移位错机制：滑移位错机制：晶体滑移是经过位晶体滑移是经过位错运动来实现错运动来实现。当一个位错移到晶体表面。当一个位错移到晶体表面时，便会在表面上留下一个原子间距滑移时，便会在表面上留下一个原子间距滑移台阶，其大小等于柏氏矢量。台阶，其大小等于柏氏矢量。大量位错滑过晶体，会在晶体表面形成显大量位错滑过晶体，会在晶体表面形成显微滑移痕迹微滑移痕迹，即即滑移线滑移线。所以，所以，可将滑移线看成是晶体中已滑移区可将滑移线看成是晶体中已滑移区与未滑移区分界限与未滑移区分界限。第32页第33页刃型位错一样造成晶体滑移。刃位错与螺位错运动造成晶体滑移最终止果相同，但位错运动过程不一样。刃位错滑移面是由位错线与柏氏矢量所决定平面，其滑移方向为b方向；螺型位错运动方向也垂直于位错线，但同时垂直于b，即运动方向与晶体滑移方向垂直。第34页6.2.2孪生孪生6.2.2.1孪生变形现象：在切应力作用下，孪生变形现象：在切应力作用下，晶体一部分沿一定晶面晶体一部分沿一定晶面(孪晶面孪晶面)和一定晶和一定晶向向(孪生方向孪生方向)相对于另一部分作均匀切变相对于另一部分作均匀切变所产生变形叫孪生。均匀切变区所产生变形叫孪生。均匀切变区晶体结构晶体结构不变，只是取向改变，与未切变区组成镜不变，只是取向改变，与未切变区组成镜面对称面对称，形成孪晶。，形成孪晶。第35页第36页面心立方金属孪晶面为面心立方金属孪晶面为(111)，它与，它与(110)交割线为交割线为112，此方向即为孪晶方向。，此方向即为孪晶方向。以以(110)为纸面作图为纸面作图(b)能够看出：晶体变能够看出：晶体变形后，变形区域作均匀切变，每层形后，变形区域作均匀切变，每层(111)都都相对与其相邻晶面沿相对与其相邻晶面沿112方向位移了方向位移了d112/3。表明孪生时每层晶面位错是借一个。表明孪生时每层晶面位错是借一个不全位错移动造成，在本例中，不全位错移动造成，在本例中，b=a112/6。第37页各层晶面位移量与其距孪晶面距离成正比，各层晶面位移量与其距孪晶面距离成正比，变形部分与未变形部分以孪晶面为准，组变形部分与未变形部分以孪晶面为准，组成镜面对称，形成孪晶。成镜面对称，形成孪晶。孪晶在显微镜孪晶在显微镜下呈带状或透下呈带状或透镜状镜状。左图为。左图为锌中变形孪锌中变形孪晶显微像。晶显微像。第38页6.2.2.2孪生变形特点：晶体孪晶面和孪生孪生变形特点：晶体孪晶面和孪生方向与其结构类型相关，方向与其结构类型相关，体心立方为体心立方为112,面心立方为面心立方为111,密排密排六方为六方为1012。孪生与滑移区分孪生与滑移区分为：为：1孪生使孪生使一部分晶体均匀切变一部分晶体均匀切变，而滑移只集，而滑移只集中在一些滑移面上；中在一些滑移面上；2孪晶孪晶变形部分与未变形部分呈镜面对称变形部分与未变形部分呈镜面对称，位向有变而滑移晶体各部分位向不变。位向有变而滑移晶体各部分位向不变。第39页3孪生比滑移临界分切应力高得多，只发生孪生比滑移临界分切应力高得多，只发生在滑移受阻而引发局部应力集中区；在滑移受阻而引发局部应力集中区；4孪生对塑性变形贡献小得多。但孪生对塑性变形贡献小得多。但孪生改变孪生改变晶体取向，使滑移系转向有利位置，有利晶体取向，使滑移系转向有利位置，有利于晶体继续变形于晶体继续变形。5孪生变形局部切变量能够较大，在晶体表孪生变形局部切变量能够较大，在晶体表面能够看到浮凸，重新抛光后在偏光下或面能够看到浮凸，重新抛光后在偏光下或浸蚀后仍可看出孪晶，而滑移晶体抛光后浸蚀后仍可看出孪晶，而滑移晶体抛光后滑移带消失。滑移带消失。第40页密排六方金属常以孪生方式变形；体心立方金属密排六方金属常以孪生方式变形；体心立方金属在冲击负荷或低温下也借助孪生变形；面心立方在冲击负荷或低温下也借助孪生变形；面心立方普通不发生孪生，但在极低温下或受高速冲击载普通不发生孪生，但在极低温下或受高速冲击载荷时偶然也出现孪晶。荷时偶然也出现孪晶。孪生变形应孪生变形应力力-应变曲线也应变曲线也与滑移不一样。与滑移不一样。图图6-22为铜单为铜单晶在晶在4.2K拉拉伸曲线。伸曲线。第41页6.3多晶体塑性变形多晶体塑性变形实用材料多为多晶体，塑性变形基本方式实用材料多为多晶体，塑性变形基本方式除滑移和孪生外，晶粒取向和晶界影响使除滑移和孪生外，晶粒取向和晶界影响使多晶体变形过程更复杂。多晶体变形过程更复杂。6.3.1晶粒取向影响：在多晶体中，各个晶晶粒取向影响：在多晶体中，各个晶粒取向不一样。在给定外力作用下，取向粒取向不一样。在给定外力作用下，取向有利晶粒有利晶粒A分切应力较早到达临界值，便首分切应力较早到达临界值，便首先发生滑移。先发生滑移。位错在滑移晶粒晶界处塞积位错在滑移晶粒晶界处塞积造成应力集中，使原来未滑移相邻晶粒造成应力集中，使原来未滑移相邻晶粒B一一些滑移系临界分切应力升高到达临界值些滑移系临界分切应力升高到达临界值。使其滑移开动。使其滑移开动。第42页第43页相邻晶粒相邻晶粒B滑动使原本集中应力得以释放，滑动使原本集中应力得以释放，晶粒晶粒A中位错源重新开动并使位错移出晶粒中位错源重新开动并使位错移出晶粒A。这么变形便从一个晶粒传向另一个晶粒。这么变形便从一个晶粒传向另一个晶粒并涉及整个材料。并涉及整个材料。因为多晶体中因为多晶体中每一个晶粒都处于其它晶粒每一个晶粒都处于其它晶粒包围之中，变形必须与临近晶粒协调，不包围之中，变形必须与临近晶粒协调，不然会造成空隙造成材料破坏然会造成空隙造成材料破坏。这使得多晶。这使得多晶体塑性变形比单晶体困难得多，对应地，体塑性变形比单晶体困难得多，对应地，多晶材料屈服应力也比同质单晶材料要高多晶材料屈服应力也比同质单晶材料要高。第44页在三维空间，每一个晶粒变形需用六个应在三维空间，每一个晶粒变形需用六个应变分量表示：变分量表示：xx,yy,zz,zx,xy,yz，因为，因为塑性变形时晶体体积不变，所以有塑性变形时晶体体积不变，所以有xx+yy+zz=0限制条件，所以限制条件，所以每个晶粒最少每个晶粒最少需要需要5个独立滑移系才能协调变形个独立滑移系才能协调变形。面心立方和体心立方滑移系多，能够满足面心立方和体心立方滑移系多，能够满足要求，多晶材料含有很好塑性。密排六方要求，多晶材料含有很好塑性。密排六方滑移系少，晶粒间应变协调性差，多晶材滑移系少，晶粒间应变协调性差，多晶材料塑性也差，但强度较高。料塑性也差，但强度较高。第45页第46页6.3.2晶界影响：多晶材料强度随晶粒细化而提升，晶界影响：多晶材料强度随晶粒细化而提升，这种这种用细化晶粒来提升材料强度方法叫用细化晶粒来提升材料强度方法叫细晶强化细晶强化细晶强化细晶强化(grainrefiningstrengthening)。其本质是。其本质是晶粒越细，晶界越多，位错塞积越严重晶粒越细，晶界越多，位错塞积越严重，材料强，材料强度也就越高。度也就越高。材料材料屈服强度与晶粒直径平方根倒数成线性关系屈服强度与晶粒直径平方根倒数成线性关系，即即霍尔霍尔霍尔霍尔-配奇配奇配奇配奇(Hall-petch)(Hall-petch)公式公式公式公式：s=0+kd-1/2(6-8)0为常数，为常数，大致相当大致相当于单晶体屈服强度。于单晶体屈服强度。第47页细晶强化在提升材料塑性同时也能改进材细晶强化在提升材料塑性同时也能改进材料塑性和韧性：料塑性和韧性：1晶粒越细，晶粒越细，一样变形量分散于更多晶粒，一样变形量分散于更多晶粒，分配更均匀，应力集中引发开裂机会减小分配更均匀，应力集中引发开裂机会减小，表现出更高塑性；表现出更高塑性；2细晶材料中细晶材料中应力集中小，裂纹不易发生；应力集中小，裂纹不易发生；晶界波折多，位错不易传输晶界波折多，位错不易传输。所以在断裂。所以在断裂前能吸收更大能量，表现出更高韧性。前能吸收更大能量，表现出更高韧性。第48页第49页