第6章 金属及合金的塑性变形

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1、金属学原理第6章金属及合金的塑性变形6-1金属的变形特性金属在外力作用下的变形行为可用拉伸曲线来描述。设拉力为P，试样伸长量为dl，则应力σ和应变ε分别为：；式中，A为试样的截面积。在拉伸过程中，A和l是变化的，在工程上，为了简化问题，A常用A0来代替，ε也用平均值表示ε=(l－l0)/l0，这样测得的σ-ε曲线称工程σ-ε曲线。σεσpσsσbK一、工程σ-ε曲线P161图1是低碳钢拉伸时的工程σ-ε曲线。当应力低于σs时，没有残留变形，大于σs时，开始发生塑性变形。所以，σs是发生塑性变形的最小应力，称屈服强度。屈服强度也是弹

2、性极限σe（弹性变形的最大应力）。在弹性变形阶段，当应力小于σp时，σ-ε呈线性，服从虎克定律：式中，E是直线的斜率，称材料的弹性模量。开始偏离直线的应力σp称比例极限。当应力超过σs时，开始发生塑性变形。随着塑性变形的增加，应力增大，这种现象称加工硬化。当应力达到最大值σb时，开始下降，直到断裂。最大值σb称材料的抗拉强度。超过此值，试样发生局部颈缩，即发生了不均匀塑性变形。所以，σb是材料发生均匀塑性变形的最大应力。注意，应力超过σb后下降，并不是加工硬化失效。在结构材料中，我们关心的力学指标是σs和σb，它们和硬度一起称做强

3、度指标。在实际应用中，σs值是无法测量的，通常用发生0.2%塑性变形时对应的应力值来表示屈服强度，称条件屈服强度。通常我们所说的材料的力学性能，除了上述强度指标外，还有两个塑性指标，延伸率、断面收缩率。延伸率是指发生断裂时，试样的伸长率：54金属学原理断面收缩率是指发生断裂时，试样截面积的变化率：二、真应力-真应变曲线（曲线）工程应力与真实应力之间的不同是容易发现的。下面看看工程应变与真实应变的不同。拉伸一个试样，使其伸长一倍，则工程应变；若是压缩，要获得同样数值的负应变，理应压缩到原长度的一半。但按此算得两者不符，必须压缩到高度

4、为0才能得到-1应变值。这显然是不对的。问题在哪儿呢？（一）真应变的计算实际上，按工程应变计算的是相对于原长度的平均应变，不是真实的应变值。实际变形过程中，试样的长度在变化，每个瞬间的应变值应由该时刻的实际长度来决定。这样，在拉伸时，不同时刻每伸长同样的增量dl，相应的应变增量就越来越小；而压缩时应变增量越来越大。由此可知，要得到真应变，必须按瞬时长度来计算，即按此计算，拉伸时；压缩时。假设有两种拉伸，一种是将l0一次拉伸到12；第二种是l0→l1→12。则第一种：；第二种：；在出现颈缩前，和之间有如下关系：∵，即54金属学原理∴

5、εT0.010.100.200.501.04ε0.010.1050.220.651.7253.6ε－εT00.0050.020.150.7249.6可见，当变形很小时，两者相差不大，变形量增大，其差别就显著。（二）真应力的计算在发生颈缩前，根据拉伸体积不变：，则可见，在拉伸时，真应力大于工程应力；压缩时真应力小于工程应力。在弹性变形阶段，ε极小，两者基本一致，没必要区分；但在塑性变形阶段，两者差别很明显。（三）曲线（P163图3）6-2单晶体的塑性变形一、滑移（一）滑移带和滑移线将拉伸试样表面经过抛光处理后进行拉伸变形，然后在显微

6、镜下观察，可以看到，在抛光面上有许多平行的线条（P165图4）。进一步研究发现，在每一线条两侧为同一晶体结构，且具有相同的晶体取向，说明塑性变形没改变晶体的结构和取向。由此得出结论：这些平行线条是晶体沿某些晶面发生滑移产生的台阶，称滑移带。这种变形方式称滑移变形。在电子显微镜下作高倍观察，发现每条滑移带都是由许多更细小的平行线组成（图5），称滑移线。计算表明，每条滑移线产生的台阶是由大量位错移出晶体造成的。滑移带的特征说明晶体塑性变形具有微观不均匀性，滑移集中发生在一些晶面上，在两条滑移带之间的晶体未产生变形，只作整体相对位移。（

7、二）滑移系54金属学原理研究发现，发生滑移变形时，滑移总是在一定的晶面上，沿着一定的方向进行的，分别称滑移面和滑移方向。通常，滑移面往往是密排面，滑移方向是密排方向。一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑移系，它表示晶体滑移的一个可能空间取向。滑移变形是金属的主要变形方式，所以，滑移系越多，金属的塑性越好。例如，面心立方金属的滑移系是{111}<110>，共有4×3＝12个；密排六方金属的滑移系是(0001)<>，只有1×3＝3个；体心立方金属的滑移系是{110}<111>，有6×2＝12个。所以，密排六方金属的塑性较差，如Z

8、n、Mg；而面心立方结构的Au、Ag、Cu、Al塑性较好。研究发现，体心立方结构的Fe，除了12个{110}<111>主滑移系外，还有12个{112}<111>、24个{123}<111>潜在的滑移系。塑性的好坏也不完全取决于滑移系的数量。例如，F