金属塑性变形物理基础

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1、第二章金属塑性变形的物理基础目标：了解金属的晶体结构、塑性变形行为、及变形条件对其塑性和变形抗力的影响§2.1单晶体塑性变形机理一、金属的晶体结构固态物质的聚集态分为两大类：晶体和非晶体。晶体：分子或原子在三维空间作规律性的重复排列所形成的固体。注：通常固态金属都是晶体。只有在激冷的情况下才能得到非晶态的金属。反映金属晶体特征的最小几何单元称为晶胞。晶体是由晶胞在空间重复堆砌而成的。二、三种典型晶格常见的金属晶体的晶格有三种：1.面心立方（fcc)面心立方共有四个密排面，每个面上有三个密排方向密排面上的密

2、排方向上最易产生滑移2.体心立方（bcc)？哪个面是密排面？哪个方向是密排方向？？与面心立方比较，体心立方晶格密度是大还是小？3.密排六方（hcp)三、实际金属的晶体结构单晶体由于不同晶面和晶向上原子的排列不同，因而引起机械．物理、化学性能的不同，称为晶体的各向异性。工业用金属是由许多尺寸很小．位向不同的小晶体所组成，称为多晶体。这些小晶体系由许多位向基本一致的晶胞组戊，类似单晶体，称为晶粒。各晶粒之间的过渡区，称为晶界。由于多晶体是由许多不同位向的晶粒组成，晶粒的各向异性被互相抵消，因而实际金属一般不显

3、示方向性。由位向相同的一群同类晶胞聚合在一起，组成金属单晶体。实际金属主要存在着四种缺陷：点缺陷—1）空位；2）间隙原子；3）置换原子实际晶体的原子的排列并非象理想晶体那样绝对完整，而是存在着一系列的缺陷。1-空位；2-间歇原子；3-异质间歇原子；4-置换原子。1234线缺陷—1）刃形位错；2）螺形位错；面缺陷—1）晶界；2）亚晶界；3）层错体缺陷—1）夹杂；2）第二相；3）析出物刃型位错示意图位错线螺型位错示意图位错线单位晶体体积中所包含位错线的总长度，称为位错密度。退火多晶体金属中位错密度为106～1

4、08／厘米²，强烈冷变形后的则可达1011～1012／厘米²。金属中位错密度越高，金属便难于变形，金属的强度也越高。四、单晶体的塑性变形物体在外力的作用下，会发生形状和尺寸的改变，称为变形。外力除去后能恢复原状的变形，称为弹性变形；外力除去后不能恢复原状的变形，称为塑性变形。1.弹性变形与塑性变形单晶体晶格在受到正应力时不会发生塑性变形的，由弹性变形直接过渡到脆性断裂。塑性变形只有在受到剪应力时才会发生，当作用的剪应力达到一定值时，晶体便由弹性变形(剪切变形)过渡到塑性变形。弹性变形变形后塑性变形变形后弹

5、性变形变形前变形前A、滑移2.单晶体的塑性变形晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面和晶向产生滑动，称为滑移。该晶面和晶向，分别称为滑移面和滑移方向。滑移往往在许多晶面上同时发生，在晶体表面形成阶梯状不均匀的滑移带。滑移带滑移线50702000A500AAABB滑移线和滑移带示意图滑移面示意图滑移并非沿任意晶面和晶向发生，而总是沿着该晶体中原子排列到最密的晶面和晶向发生的。单晶体的塑性变形有两种形式：滑移与孪晶I)滑移系每一种晶格存在几个滑移面；而每一滑移面又有几个可能的滑移方向。一个滑移面和其上一个滑

6、移方向，构成一个滑移系。一种晶格上滑移系总数是滑移面数和其上滑移方向数的乘积。Mg、Zn、Cd、Ti密排六方晶格体心立方晶格α-Fe、Cr、W面心立方晶格Al、Cu、Ag、Ni滑移面滑移系滑移方向金属对于金属的塑性变形能力，滑移方向的作用要比滑移面的作用大。II)临界切应力要使金属在外力作用下产生滑移（塑性变形），必须在滑移面沿滑移方向上施加一定大小的剪应力。该剪应力称为临界切应力。对于一定的材料而言，临界切应力是一个常数，它的大小取决于材料的本性。？根据临界切应力的特点，说明单晶体试样在拉伸试验时，屈服

7、(材料产生塑性变形）应力是否与试样的取样方位有关？纯金属晶体滑移时的临界剪应力τk的值，一般约为10ˉ²～10²MN／m²。而根据静电理论的临界剪应力τk(103～104MN／m²)比实际值大的多。其原因是：1)金属晶体晶格的原子排列理想化；2)认为晶体的滑移在是滑移面上同时进行。实际晶体的滑移通过滑移面上的位错运动进行，原子是逐个逐个的移动。解：设试样横截面积为A,载荷为P,则作用横截面的应力为：：滑移面滑移方向上的分剪应力为：可见单晶体的屈服应力与试样的取向有关。则作用在滑移面上的剪力与剪应力为:

8、P滑移面滑移方向III)几何硬化与几何软化随着滑移的进行，由于滑移面的转动或弯曲加剧，使滑移越来越难以在这些滑移面上进行，这种现象称为几何硬化。滑移系数目多的金属塑性变形时，在一个滑移系发生几何硬化的同时，另一个滑移系可能由于晶体的转动而越来越处于有利的位向，使易于产生滑移，则称为几何软化。这时新的滑移面将和旧的滑移面相交错，这种有两个滑移系参加，滑移不是同步而是依次顺序进行的，称为双滑移。B、孪晶孪晶是在剪应力作用下的晶体的