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塑性变形金属学


塑性加工力学原理
塑性变形金属学基础 塑性加工力学

主要参考文献
金属塑性成形原理 西安交通大学 汪大年编著 塑性加工力学基础 国防工业出版社 王仲仁主编 1989

国内外研究现状
? 美国 California Uni at Berkerly
C H Lee, Kobayashi (小林侍郎)

GM: N M Wang (王能明) Ford Motors: S C Tang (汤先芝) Leighei Uni: B Avitur Ohio State University: T Altan (Batles National Lab, ERC/NSF) Wagnor R. Shivpuri Northwestern University:

国内外研究现状
? 美国 Wayne State University: Xin Wu University of Michigan at Ann Arbor, Dear Born W F Hosford R M Caddel Wright State University (Dayton): Grandi Ford Motors: Z Xia US Steel: M F Shi MIT:

国内外研究现状
? 英国 Birmingham University: T A Dean, J Lin (林建国) Central England University Queen’s University, Belfast: Heng’an Ou Reading University: P. Standering, Dodd A Brambley Swansea University: Cardiff Durham University: H Long Strangclyde University, Glasgow Dublin City University, Ireland

国内外研究现状
? 德国 Stuttgart University: Lange, Siegert Ahen Uni: R Kopp M-P Inst Hanover University: Doege University of Nurember-Ellangen, M. Geiger Chemniz University Padeborn University: Dohmann Siegen University Groche, F Vollertsen, E. Tekkaya

国内外研究现状
? Nordic Countries: Royal Sweden University: Metal Research Institute of Sweden Linkoping University Chamfer’s Technical University: R Crafoord Tronheim University ( Norway) Technical University of Denmark: Wanheim, N Bay Aalborg University: J Danckert, KB Nielsen National Risoe Lab Helsinki University of Technology Olu University

国内外研究现状
? Centural Europe:
Delft University: Zhou Jie University of Eindhoven, FPT Baaijens Uni of Twente, Enschede, J Huetink, JAG Kals University of Bari, Bari Politechnic, L Tricarico University of Palermo, Micarri University of Padova, Brianni J L Chenot, France J C Gelin, University of Franche-Comte, Besancon Y Q Guo, University of Reims University of Portal Swiss Federal Tecn University P Huml Warsaw University of Technology: A Kocanda Uni of Slovenia Ljubiyana, K Kuzman

国内外研究现状
? 日本: 东京大学:木内学,柳本润,村上硕 京都大学:岛进 名古屋大学:近藤一义,石川孝司,森敏彦 横滨国立大学:小豆岛明 理化研究所:中川,牧野内昭武,池浩, 东京工业大学 首都大学东京 真锅健一(Manabe),杨明 宇都宫大学 渊泽 大阪大学 小板田宏造(Osakada) 大阪工业大学 仲町英治 丰桥技术大学 森谦一郎(Mori) 岐阜大学 王志刚,堂田 静冈大学 中村保 东京电通大学:西村尚

国内外研究现状
? 国际学会团体与国际会议: CIRP ICFG IDDRG ESAFORM JSTP 国际锻造学会 ICTP Numisheet Numiform ICSAM 国际超塑性大会 SheMet 国际锻造会议

国内外研究现状
? 国际学术期刊: Journal of Materials Processing Technology (JMPT) International Journal of Machine Tools and manufacture International Journal of Mechanical Sciences International Journal of Plasticity ASME, Journal of Manufacturing Sciences and Engineering Proceedings of the I MECH E Part B, Journal of Engineering Manufacture Journal of Materials Engineering and Performance International Journal of Forming Processes

国内外研究现状
? 清华大学 王祖唐,曹启骧,余新陆,刘庄,颜永年,陈国学, 钟约先,曾攀,马庆贤 力学:徐秉业,黄克智 王仁(北京大学) ? 上海交通大学 阮雪榆,张质良,吴公明 林宗钦,张卫刚,彭颖红,陈军,崔振山 ? 华中理工大学 肖景容,黄树槐,李志刚,李建军,夏巨湛

国内外研究现状
? 哈尔滨工业大学 霍文灿,李硕本,王仲仁,何绍元,高乃光,侯松玉 吕炎,康达昌,杨玉英,于连仲,周德成,裴兴华 王尔德,汪涛,罗守靖 张凯锋,李春锋,苑世剑,郭斌,单德斌,胡连喜 ? 北京航空航天大学 胡世光,梁炳文,周贤宾,万敏,郎利辉 武汉理工大学 姜奎华,华林

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国内外研究现状
? 北京科技大学 贺毓辛,王先进 胡正寰,任学平,谢建新,韩静涛 北京机电研究所/机械科学研究院 海锦涛,李社钊,白秉哲,任广生 金泉林,谢谈,陆辛,张立斌 武汉理工大学 姜奎华,华林 北京有色金属研究院 石立开,谢水生,李德富

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国内外研究现状
? 北京航空材料研究院 曹春晓,李成功 山东大学 关挺栋,舒其馥,赵国群 东北大学 马龙翔,白光润,王国栋,赵志浩, 崔建中,刘相华 西北工业大学 吴诗淳、罗子健,周义刚, 杨合,李淼泉

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国内外研究现状
? 重庆大学 王孝培,周杰 兵器工业第五九研究所 黄少东 湖南大学 钟志华,李光耀 中南大学 西安交大 赵升吨

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大连理工大学 张立文 大连交通大学 宋宝蕴,高飞 吉林工业大学 张承鉴,刘玉文,宋玉泉,傅沛褔,李明哲 燕山大学 王益群,聂绍珉,高新,刘助柏,刘鸿文, 杜凤山,赵军,郭宝峰,赵长财

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华南理工大学 阮 锋,夏琴香

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广东工业大学大学 孙友松,肖小亭 南昌航空大学 黎俊初,王高潮 南昌大学
杨国泰,卢险峰,周天瑞,闫 洪

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北京航空制造工程研究所 陈适先,李志强,曾元松

? 太原科技大学 郭会光,李永堂,刘建生 ? 中北大学 张治民 ? 内蒙古工业大学 朱宝泉 ? 北京理工大学

塑性变形金属学基础

1 金属塑性及塑性变形 2 位错理论 3 回复和再结晶

塑性变形金属学基础

1 金属塑性及塑性变形

金属的塑性: 在外力作用下,金属材料发生形状的改变而不发生破坏 (断裂或裂纹)的能力。 金属塑性成形: 金属材料在一定的外力作用下,利用其塑性而使其成形并 获得一定力学性能的加工方法称为塑性成形,也称为 塑性加工或压力加工。 金属塑性成形优点: 组织、性能好。 材料利用率高,流线分布合理。 尺寸精度高,不少成形方法已达到少或无切削的要求。 生产效率高,适于大批量生产

塑性变形金属学基础 —— 金属塑性及塑性变形
1 金属塑性及塑性变形 金属成形方法分类: 塑性成形: 体积成形:自由锻和模锻、挤压、拉拔、轧制。 板材成形:冲裁、弯曲、拉深、胀形、翻边。 特种成形:旋压、胀形、电磁成形、充液拉延。

塑性变形金属学基础 — 金属塑性及塑性变形

塑性变形金属学基础 — 金属塑性及塑性变形

塑性变形金属学基础 — 金属塑性及塑性变形

塑性加工基础理论

1 金属塑性及塑性变形

单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进行。 一、滑移 金属塑性变形最常见的方式为滑移,即晶体一部分沿 一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑移。这一晶 面和晶向称为滑移面和滑移方向。 (一)滑移带 经表面抛光的金属单晶体试样在拉伸(或压缩)塑性 变形后,放在光学显微镜下观察,在抛光的晶体表面 上可见到许多互相平行的线条,称为滑移带。

塑性加工基础理论

1 金属塑性及塑性变形

滑移面和滑移方向 晶体的滑移是沿着一定晶面和一定晶向进行的。一种滑移面及其 面上的一个滑移方向,组成一个滑移系。每一个滑移系表示晶体 在产生滑移时可能采取的空间位向。当其他条件相同时,金属晶 体的滑移系愈多,则滑移时可能出现的滑移位向愈多,金属的塑 性就愈好。 一般说来,滑移面总是原子排列最密的面,滑移方向总是原子 排列最密的方向。 滑移时的位错运动 晶体的滑移,是在剪应力作用下通过滑移面上的位错运动进行 的。一个位错移到晶体表面时,便形成了一个原子间距的滑移量。 同一滑移面上有大量的位错移到晶体表面时,则形成一道滑移线。 刃型位错 螺型位错

塑性加工基础理论

1 金属塑性及塑性变形

刃型位错移动时造成滑移的示意图

塑性加工基础理论

1 金属塑性及塑性变形

是刃型位错移动时造成滑移的示意图

塑性加工基础理论
是螺型位错移动时造成滑移的示意图

1 金属塑性及塑性变形

塑性加工基础理论

1 金属塑性及塑性变形

是螺型位错移动时造成滑移的示意图

塑性加工基础理论

1 金属塑性及塑性变形

临界剪应力 晶体在外力作用下开始产生滑移时,必须有一定大小的临界 剪应力。许多实验证明,不同金属取向的金属单晶体,在不同的 拉伸应力作用下开始滑移,但这些应力在滑移面和滑移方向上的 分量(即临界剪应力)是完全相同的,这一规律称为临界剪应力 定律。 影响临界剪应力的因素,主要有以下几点: 1、临界剪应力即滑移阻力起源于原子间的结合力,而结合力 与金属晶体的原子结构、晶格结构等有关,即首先取决于金属的 本质; 2、晶体的纯度对临界剪应力的影响很大,金属的纯度越高, 其临界剪应力越低,少量的杂质原子或溶质原子可使临界剪应力 大幅度增加;

塑性加工基础理论

1

金属塑性及塑性变形

金属结构的完整性、晶体内位错密度及其分布特征、位 错间的相互作用等都对临界剪应力有很大影响。无缺陷 的晶须,可以有很高的临界剪应力。少量的位错存在, 大大地降低临界剪应力。但随着位错密度的增加,临界 剪应力也相应地增加; 金属晶体变形时,随着变形温度的升高,临界剪应 力下降,这是由于温度升高,原子的动能增大,从而原 子结合力减弱,使滑移容易产生。对不同的滑移系来 说,随着温度的升高,临界剪应力下降的幅度不一样, 晶面之间的结合力也发生变化,所以高温变形时可能出 现新的滑移系; 提高变形速度,使金属晶体的临界剪应力增加。这 是由于高速变形时,需要驱使数目更多的位错同时运动 的缘故。

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1 金属塑性及塑性变形

孪生 孪生变形是晶体的一部分对应于一定的晶面(孪晶 面)沿一定方向进行相对移动,原子移动的距离与原子 离开孪晶面的距离成正比。 因变形产生的孪晶称为变形孪晶。 当外力在孪晶面和孪生方向所引起的剪应力达到 某一临界值(临界孪生剪应力)时,便产生孪生变形。 孪生产生后,由于变形部分位向改变,可能变的 有利于滑移,晶体又开始滑移,二者交替进行。 孪生也使晶体产生变形硬化。

塑性加工基础理论

1 金属塑性及塑性变形

多晶体塑性变形 多晶体变形的基本方式也是滑移和孪生变形。其变形特 点:晶界和晶粒位向的影响 多晶体在受到外力作用时,变形首先在那些晶粒 位向最有利的晶粒中进行。在这些晶粒中,位错将沿着 最有利的滑移面运动,移到晶界处即行停止,一般不能 直接穿过晶界。位错能否越过晶界,主要取决于晶界层 的性质和临近晶粒的位向。因为晶界处的原子排列紊 乱,聚集着较多的杂质原子,故变形阻力较大。晶界层 薄则阻力就小。随着变形过程的进行,在晶界附近聚集 的位错越来越多,造成的应力越来越大。如果多晶体的 晶粒有较多的滑移系,变形就容易传给临近的晶粒,反 映出来的变形抗力小,塑性好。面心立方和体心立方晶 体有较多的滑移系,多晶体表现出良好的塑性。

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1 金属塑性及塑性变形

多晶体塑性变形 金属的晶粒越细,晶界面积越大,每颗晶粒周围具有不 同取向的晶粒数目也越多,因而变形抗力较大,塑性较 好。从一般使用的角度来看,晶粒细的材料强度高,塑 性好,因此在生产上通常尽量获得细晶粒组织。 多晶体变形的不均匀性 由于多晶体的晶粒有各种位向和受晶界的约束, 各晶粒的变形先后不一致,有些晶粒变形较大,有些则 变形很小,在同一晶粒内变形也不一致,因而造成多晶 体变形的不均匀性。由于变形不均匀,晶粒内部和晶粒 之间会存在不同的内应力,变形结束后残留在晶粒内部 或晶粒之间形成残余应力。

塑性加工基础理论
多晶体塑性变形

1 金属塑性及塑性变形

多晶体金属经变形后,除和单晶体一样在每颗晶粒内出 现滑移带和孪晶组织外,还可能有下述组织改变。 (一)纤维组织 多晶体变形后,各晶粒沿变形方向伸长,当变形程度很 大时,多晶体晶粒显著地沿同一方向拉长,这种拉长的呈纤 维状的晶粒组织称为纤维组织。 (二)变形结构 对多晶体来说,拉伸时各晶粒的滑移面也有向外力方向 转动的趋势。这样,在变形程度很大时,各个晶粒的位向逐 渐趋向一致,这种晶粒位向趋向一致的组织称为变形组织。 (三)亚组织 在单晶体和多晶体的变形晶粒内部会形成亚晶粒,也称 亚组织。

塑性加工基础理论

1 金属塑性及塑性变形

单晶体的加工硬化 金属塑性变形的重要特点之一是加工硬化或称应变硬化,其 表现是:为要继续滑移,应力必须增高。图2-8是三种典型金属单 晶体的加工硬化曲线。密排六方金属只能沿一组 滑移面滑移,加 工硬化的斜率很小。立方晶体可以同时开动好几个滑移系统,呈现 很强的加工硬化效应。但如过将立方晶体的滑移限制在单一滑移系 统,加工硬化系数也很小。 面心立方金属单晶体的加工硬化曲线比较典型,分为三个阶 段,如 图2-9所示。第I阶段称为易滑移阶段,这阶段硬化系数很 小,晶体中只有一个滑移系统开动。位错移动没有遇到障碍,大部 分位错从晶体内移到表面。 第II阶段加工硬化急剧增加,成线形硬化。这阶段滑移发生在几个 滑移系统,在晶体表面观察到的滑移线平均长度随应变增加而减 少,硬化系数很大,称为林位错。第III阶段硬化系数随应变增加而 减小,晶体表面可观察到许多滑移带,带端间出现交滑移的痕迹。

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单晶体的加工硬化

1 金属塑性及塑性变形

图2-8是三种典型金属单晶体的加工硬化曲线。 加工硬化曲线比较典型,分为三个阶段,如 图2-9所示。 第I阶段称为易滑移阶段 第II阶段加工硬化急剧增加,成线形硬化。 第III阶段硬化系数随应变增加而减小,晶体表面可观察 到许多滑移带,带端间出现交滑移的痕迹

塑性加工基础理论

1 金属塑性及塑性变形

塑性加工基础理论

1 金属塑性及塑性变形

多晶体的加工硬化 多晶体因为有晶界等的约束,塑性变形一开始就 呈现第II阶段的硬化,不久就进入第III阶段。变形量很 小时,晶粒内部位错线分布相对均匀。随着变形程度的 增加,一些位错线互相纠缠在一起,称为位错纠结。继 续变形时,在纠结处的位错愈来愈多,愈来愈密。密集 的位错纠结在晶体内围成细小的粒状组织,称为胞状组 织。胞状组织之间密集的位错纠结又称胞壁。变形程度 进一步增加时,胞壁处位错密度增加,胞壁加厚,自由 位错区缩小,因而使滑移线长度减小。胞状组织也称亚 组织或变形亚晶粒。

塑性加工基础理论
1 金属塑性及塑性变形

1 金属塑性及塑性变形

冷变形:若在回复、再结晶温度以下变形,则位错密度上升 , 发生加工硬化,使金属的强度、硬度提高,韧性降 低,称为冷变形。 热变形:当变形时温度超过再结晶温度,变形速度也不高, 这时再结晶软化占优势,使变形能顺利进行,称为 热变形。 温热变形:若在再结晶温度以下变形,即产生回复,也产生 变形硬化,则称为温热变形。

塑性加工基础理论
1 金属塑性及塑性变形
塑性

1 金属塑性及塑性变形

所谓塑性,是指固体材料在外力作用下发生永久变形,而 不破坏其完整性的能力。 塑性指标 为了衡量金属塑性的高低,需要有一种数量上的指标,称 为塑性指标。塑性指标是以材料开始破坏时的塑性变形量来 表示,它可借助于各种实验方法来测定,如拉伸、礅粗和扭 转试验等。 对应于拉伸试验的塑性指标,用延伸率和断面收缩率表示。

δ =(Lk-L0)/L0*100% ψ =(F0-Fk)/F0*100%

塑性加工基础理论
也可用压缩变形程度εc作为塑性指标 εc=(H0-Hk)/H0*100%

1 金属塑性及塑性变形

1 金属塑性及塑性变形

式中H0——圆柱形试样原始高度 Hk——试样压缩后,在侧面出现第一条肉眼能观察到 的裂纹时的试样高度。 扭转试验的塑性指标是以试样扭断时的扭转角或扭转圈数 来表示的。 三、变形抗力 塑性加工时,作用在工具表面单位面积上变形力的大小称 为变形抗力(或单位流动压力),通常以p表示。 单向拉伸或单向压缩时的变形抗力就等于真实应力S(亦 称流动应力)。

塑性加工基础理论
1 金属塑性及塑性变形

1 金属塑性及塑性变形

影响材料塑性的因素: 影响金属的塑性的因素主要有以下两方面。 (1)金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等。 (2)变形时的外部条件,如变形温度、变形速度和受力状 况等。 (一)材料成份 碳、磷、硫、氮、氢、氧以及合金元素等化学成分对材料 的塑性都有较大的影响。碳能固溶于铁,形成铁素体和奥氏 体固溶体,都具有良好的塑性;磷是有害杂质,使强度、硬 度提高,产生冷脆性;硫产生热脆性;氮产生时效脆性;氢 会产生白点;氧是以氧化物的形式存在与铁素体中的,会降 低钢的疲劳强度和塑性;合金元素溶于固溶体,将使抗力提 高塑性降低。

塑性加工基础理论
1 金属塑性及塑性变形

1 金属塑性及塑性变形

(二)组织的影响 1)单相组织与多相组织的影响 单相组织(纯金属或固溶体)比多相组织塑性好。多相组 织由于各相性能不同,使得变形不均匀,同时基体相往往被 另一相机械地分割,故塑性降低。 2)晶粒细化程度的影响 细晶粒组织有利于提高金属的塑性。 3)铸造组织的影响 铸造组织由于具有粗大的柱状晶粒和偏析、夹杂、气泡、疏 松等缺陷。故使金属塑性降低。

塑性变形金属学基础 — 金属塑性及塑性变形
(三) 变形温度的影响 就大多数金属而言,其总的趋势是:随着温度升 高,塑性增加,变形抗力降低。但在温升过程中的某些 温度区间,往往由于过剩相的析出或相变等原因,而使 金属的塑性降低和变形抗力增加。 (四) 变形速度的影响 1.增加变形速度会使金属晶体的临界剪应力升高。 也即意味着金属塑性的降低。 2.增加变形速度,由于温度效应显著,金属的温度 将升高,从而降低变形抗力,增加塑性。 3.增加变形速度,由于没有足够的时间进行回复和 再结晶,而使金属的变形抗力增加,塑性降低。

塑性加工基础理论
1 金属塑性及塑性变形
(五)

1 金属塑性及塑性变形

应力状态对塑性和变形抗力的影响 在应力状态中,压应力个数愈多、数值愈大(即静水压力愈 大),则金属的塑性愈高。反之,拉应力个数愈多、数值愈 大(即静水压力愈小),则金属的塑性越低。 为什么三向压应力可以提高塑性,这可由以下理由来解释: (1)拉伸应力会促进晶间变形、加速晶界的破坏;而压缩应力 则阻止或减少晶间变形,随着三向压缩作用的增强,晶间变 形愈加困难,因而提高了金属的塑性。 (2)三向压缩应力有利于消除由于塑性变形所引起的各种破 坏;而拉应力则相反,它促使各种破坏的发展。 (3)当变形体内原来存在着少量对塑性不利的杂质、液体相或 者组织缺陷时,三向压缩作用能抑制这些缺陷,全部或部分 地消除其危害。 (3)三向压缩作用能抵消由于不均匀变形、所引起的附加拉应 力。

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1 金属塑性及塑性变形
提高金属塑性的措施 一、提高材料的成分和组织的均匀性 二、合理选择变形温度和变形速度

1 金属塑性及塑性变形

三、选择三向受压较强的有利变形方式 四、确定合理的变形规范,减小变形的不均匀性 五、设计合理的工、模具,以使金属具有良好的流动条件 六、改进操作方法,以改善变形的不均匀性 七、采用良好的润滑 八、减小工、模具与变形金属的接触面积

塑性加工基础理论

1 金属塑性及塑性变形

金属的超塑性: 如果使金属的组织结构和变形时的温度、速度配合得很恰当, 则可以使金属具有特别好的塑性,进入所谓的超塑性状态。 目前超塑性分成两类 (1)结构超塑性,这类超塑性的特点是先使金属经过必要的组 织结构准备,使其获得晶粒直径在5um以下的稳定超细晶 粒,然后给以一定的变形温度、变形速度条件,即可得到超 塑性,因而又称恒温超塑性或细晶粒超塑性。 (2)相变超塑性,这类超塑性不要求金属有超细晶粒,但是要 求金属具有相变或同素异构转变,在载荷作用下,使金属在 相变附近反复加热冷却,经过一定次数的循环后,可以获得 很大的延伸率,因而也称相变超塑性或。

塑性加工基础理论
影响超塑性的主要因素

1 金属塑性及塑性变形

影响超塑性的因素很多,主要是变形速度、变形温度、组织 结构和晶粒尺寸等。 (一)变形速度 一般,超塑性只有在 δ =10-4~10-1/s 范围内才出现,而且 随着速度的增加,流动应力增加很快。 (二)变形温度 当低于或超过某一温度范围时,就不出现超塑性现象。在 超塑性温度范围内,温度增加,则超塑性流动应力下降。 (三)组织结构 结构超塑性要求有稳定的超细晶粒,通常是用稳定的第二 相来阻止晶粒长大,因而要求第二相占有一定的体积比例。

塑性加工基础理论 1 金属塑性及塑性变形
超塑性材料和超塑性成形的应用

1 金属塑性及塑性变形

超塑性金属有: 锌-铝共析合金、铝基合金、铜合金、钛合金、 碳钢和不锈钢及高温合金。 金属在超塑性状态具有极好的成形性和低的变形抗力,所 以超塑性成形工艺已越来越多地用于工业生产。超塑性成形 工艺包括超塑性(等温)模锻、挤压、吹塑成形、无模拉丝 和拉延等工艺。

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金属的断裂

1 金属塑性及塑性变形

根据断裂前塑性的大小,大体上可将断裂分为韧性断裂和脆性 断裂两种。 韧性断裂在断裂前有显著的塑性变形,其断口呈纤维状,灰暗 无光; 脆性断裂则无明显的塑性变形,直接由弹性状态过渡到断裂, 其断口有闪烁的光泽。脆性断裂可以是裂纹沿晶界发展的结 果(称晶间断裂),也可以是裂纹横穿晶粒所致(称穿晶断 裂),而韧性断裂多是穿晶断裂。 金属发生断裂前首先形成微裂纹(破坏源),在应力的继续作 用下,微裂纹缓慢扩张,当达到某一临界尺寸—临界裂纹长 度时,裂纹将快速扩展而最终导致断裂。微裂纹的来源说法: 1)位错塞积理论;2)位错反应理论;3)位错销毁理论。

塑性加工基础理论
2 位错理论

2 位错理论

一、点缺陷 晶体中的点缺陷包括空位、间隙原子和异质原子。 在晶体中,原子是以平衡位置为中心而振动着的。其振动 能量与晶体的温度有关,温度愈高、能量愈大。温度一定 时,原子振动能量的平均值也一定,但是各个原子的能量并 不完全相等。能量高的原子可能跳离原来的平衡位置形成空 位。离开平衡位置的原子,可能跳到晶体的表面上,也可能 跳到晶体中原子间的空隙位置,后一种在产生空位的同时也 形成一个间隙原子。当空位周围的原子由于热振动而获得足 够的能量时,有可能跳入空位,这就使空位产生移动。空位 移向表面或晶界时,空位即消失。空位还往往移向其它缺陷 (如位错)。间隙原子也可能由一个间隙位置移到另一个间 隙位置,与空位相遇,则二者同时消失。图2-1是这一类点缺 陷的示意图。

塑性加工基础理论

2 位错理论

2 位错理论——一、点缺陷

塑性加工基础理论

2 位错理论

2 位错理论 二、线缺陷 晶体中的线缺陷是各种类型的位错,最简单的位错是刃型 位错和螺型位错。 三、面缺陷 面缺陷有以下几种: 1.堆垛层错:在原子的堆积次序中出现了错排。 2.晶界:多晶体中,晶粒和晶粒之间由于彼此的位向不同而 出 现晶界。 3.亚组织:在实际晶体内,每个晶粒内的晶格位向,并不完全 一致,而是存在着尺寸很小、位向差也很小的小晶块,这些 小晶块称为亚组织或亚晶粒。亚晶粒的边界称为亚晶界, 它们实际上是一系列位错所组成的小角度晶界。因此,亚晶界 附近的原子排列也不规则,也是面型不完整结构。由液体金 属结晶而得到的固体金属中,其亚组织常称嵌锒快组织。 图 2-11是纯铁中的亚组织。

塑性加工基础理论
2 位错理论——二、面缺陷

2 位错理论

塑性加工基础理论
2 位错理论——二、面缺陷

2 位错理论

塑性加工基础理论

2 位错理论

2 位错理论 位错分类 有一原子平面中断在晶体内部,这个半原子平面象刀刃一样,使 位于ABC面上下两部分的晶体产生错排现象,故称为刃型位错。 在晶体中BC线的右边,晶体的上下两部分原子排列发生了错 动,上部分相对于下部分错动了一个原子间距,结果使BC和 aaˊ之间造成了上下层原子不正常的过渡地带,此过渡地带即 为螺型位错。 刃型位错(如图2-2):位错线与位错运动方向垂直; 位错线与 柏氏矢量方向垂直; 螺型位错(如图2-3): 位错线与位错运动方向平行; 位错线与 柏氏矢量方向平行; 图2-5 是刃型位错移动时造成滑移的示意图; 图2-6 是螺型位错移动时造成滑移的示意图

塑性加工基础理论

2 位错理论

2 位错理论 位错分类 刃型位错(如图2-2):位错线与位错 运动方向垂直;位错线与柏氏矢量方向垂直; 螺型位错(如图2-3): 位错线与位错运动方向 平行; 位错线与柏氏矢量方向平行; 图2-5 是刃型位错移动时造成滑移的示意图; 图2-6 是螺型位错移动时造成滑移的示意图

塑性加工基础理论 2 位错理论
晶界:

2 位错理论

多晶体中,晶粒和晶粒之间由于彼此的位向不同而 出现晶界。 小角度晶界:相邻晶粒间的位向差比较小(小于10°) 的晶界称小角度晶界。实验证明小角度晶界是由许 多位错组成的。

大角度晶界:
实际金属材料中,相邻两颗晶粒的位向差一般都 大于10 °~ 15 °,称为大角度晶界。

塑性加工基础理论
2 位错理论

2 位错理论

柏氏矢量 设有一具有刃型位错的晶体,假定其位错线方向由纸面 向外。从实际晶体中某一原子A出发,围绕位错线每边移动若 干个晶格,走动方向与位错线成右螺旋关系,这样形成的回 路称柏氏回路。在回路中包含有位错时,则终点和起点不重 合,自终点引向起点的矢量即为柏氏矢量b。用同样的方法 可以确定螺型位错的柏氏矢量。显而易见,柏氏矢量b代表 晶体滑移方向和滑移距离,是位错特征的重要标志。 位错攀移 刃型位错除了可以沿滑移面滑移外,还可以垂直于滑移面 运,这种运动方式称为攀移。

塑性加工基础理论 塑性加工基础理论
2 位错理论

3 位错理论 2 位错理论

攀移有正攀移和负攀移,正攀移是正刃型位错的附加半原子平面下端的原 子迁入空位或移出形成间隙原子,使这半原子平面上升一原子间距。负 攀移是间隙原子或晶格上的原子移入半原子平面的下端,使半原子平面 下降一原子间距。 三、位错交割 晶体内位错线在运动过程中会与其他位错线相遇,发生交割。当刃型 位错与刃型位错相交时,分别处在两个互相垂直的滑移面上。 四、交滑移 在滑移面上移动的螺型位错,若遇到相交的滑移面,能够到相交滑移 面上继续滑移,这种滑移称为交滑移。交滑移的平面也是原子密排面。 交滑移后也仍能回到与原来平行的滑移面上滑移,即形成双交滑移。

塑性加工基础理论
2 位错理论

2 位错理论

位错塞积 在金属晶体的变形过程中,移动着的位错经常会受到晶界、亚晶界、 第二相或固定位错的阻碍而停留在晶体内部。由于同号位错之间存在着 斥力,跟随这个被阻位错后面的一系列同号位错。因受到斥力不能移动 而堆积起来,堆积起来的位错越来越多,斥力越来越大,这种现象称为 位错塞积。 位错源和位错增殖 弗兰克-端德源就是设想在晶体中有一两端被钉住的位错线段ooˊ (如图2-7)在应力作用下,位错线由于滑移而变弯,并不断向前扩 展,当两边的弧线扩展到相遇时没有于左、右螺型位错而相互抵消。形 成一封闭的位错环和一段短的位错线段。位错环继续向晶体四周扩张, 最后移到晶体表面形成台阶,短的位错线段则迅速伸直并回复到原始状 态,并在外力作用下又继续扩展,形成位错环,如此反复地进行,形成 位错的增殖。

塑性加工基础理论
2 位错理论

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塑性加工基础理论
3 回复和再结晶

3 回复和再结晶

一、静态回复 一般在0.25~0.3T熔温度以上发生。回复的主要机构是多边化过程。 在一些金属冷变形后,变形晶粒中的位错散乱分布。加热时,晶粒内 的位错将发生运动,使得原来在变形晶粒中分散杂乱的位错逐渐集 中,相互结合,并在变形晶粒中形成许多位向差很小的亚晶粒,彼此 间以亚晶界分开,这一过程称多边化。 二、静态再结晶 当变形金属加热至较高温度时,将形成一些位错密度很低的新晶粒, 这些新晶粒不断增加和扩大,逐渐全部取代已变形的高位错密度的变 形晶粒,这一过程称为再结晶过程。再结晶后的金属,其强度、硬度 显著下降,塑性、韧性提高,内应力和加工硬化完全消除,金属恢复 到冷变形前的状态

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3 回复和再结晶

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三、动态回复和动态再结晶 在应力作用下的回复和再结晶(包括蠕变条件下)称为 动态回复和动态再结晶。在热加工过程中发生的回复和再 结晶,就属于动态回复和动态再结晶。 动态回复主要发生在层错能高的金属热加工过程中。动 态回复过程中,随变形程度的增大,晶粒形状随主变形方 向伸长,而其亚组织始终保持等轴,亚晶粒在变形过程中 反复被拆散和组成,其尺寸受变形温度和变形速度的控制。 动态再结晶主要发生在层错能低的金属中,动态再结晶 和静态再结晶一样,需要有一个临界变形程度。

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3 回复和再结晶

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再结晶图 对于冷变形金属,其静态再结晶后,晶粒尺寸的影响因素 主要是变形程度、加热温度和保温时间。在一定温度条件 下,再结晶后的晶粒大小与变形程度有一定关系,如图235 将不同的变形温度和在此温度下不同的变形程度以及发生再 结晶后空冷得到的晶粒尺寸画成另一类再结晶图,称为第 二类再结晶图或动态再结晶图。图2-10是GH37镍基高温合 金的动态再结晶图。

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3 回复和再结晶

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经过冷塑性变形的金属,常进行退火处理。实践表明变形后 的金属在加热的过程中,一般依次经历三个阶段。 (1)静态回复 静态回复阶段中的变形金属的某些力学性能、 物理性能得到恢复,亚组织发生了变化,但没有出现新晶 粒。 (2)静态再结晶 再结晶阶段开始,变形金属的基本上出现 了新的晶粒,随着加热时间的延长和温度的升高,通过成 核和长大,新晶粒逐渐以致全部代替变形组织。 (3)聚合再结晶 聚合再结晶也称二次再结晶,如果加热温 度继续升高,再结晶后的新晶粒迅速吞并长大,此过程称 为聚合再结晶。


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