金属的塑性变形和加工硬化

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1、第3章金属的塑性变形和加工硬化3.1单晶体的塑性变形加工硬化-金属塑性变形中，变形程度增加，其强度和硬度提高而塑性则降低。金属在冷塑性变形过程中，为什么会出现强化现象?如何实现强化?受哪些因素影响以及其强化的变化规律如何呢?首先来分析纯金属单晶体的塑性变形过程图3.1典型金属的应力-应变曲线在各种结构的金属中，面心立方金属的硬化机理研究得比较深入，下面重点以FCC金属为例加以说明。一、FCC晶格单晶体的塑形变形1、应力一应变曲线图3.2面心立方单晶体典型的应力-应变曲线典型曲线的三个阶段特征：第一阶段特征：1）加工硬化率（Ⅰ）很低；2）滑移线细而

2、长且均匀分布；3）加工硬化速率对晶体位向和杂质十分敏感；4）滑移线上的位错数可以很大；5）三类晶体结构中，没有螺位错存在，这可能是由于在相邻滑移面上两个异号螺位错相遇时，由于交滑移而湮灭了。只有在层错能低的合金（如Cu-10%Al）中才可以看到螺位错。其位错组态常呈刃位错多极子排列。第二阶段特征：1）加工硬化率（Ⅱ）很高，且和应变量呈线性关系；2）加工硬化率对金属的种类或合金的成分（只要为面心立方晶体）不敏感，对晶体的位向也不敏感；3）滑移线长度随应变量有如下规律：4）每根滑移线上位错数大致不变；5）其位错结构缠结，形成胞状结构。第三阶段特征：1

3、）加工硬化速率（Ⅲ）降低，曲线呈抛物线型；2）变形温度和层错能对第三阶段有影响；3）该阶段是一个热激活过程，该阶段开始时的应力随温度的增加而快速减少；4）内部组织变化的特征是：出现了滑移带。随着变形量的增加，滑移都集中于滑移带内，在滑移带之间不再出现新的滑移痕迹，而在滑移带内可以看到交滑移。加工硬化第三阶段有加工软化现象。Cottrell和Stoke发现，如纯铝在90K变形至第二阶段，继之升高温度，于室温下再进行实验时，就有明显的屈服降落。这说明低温时的硬化会部分地突然去除，显然低温变形时形成的位错结构是不稳定的，到室温时发生某种变化。由此证明，

4、铝在室温下出现的屈服点，并不是由于点缺陷的扩散或杂质原子偏聚到位错线，钉扎了位错所造成的。由以上实验结果可知，易滑移阶段只在主滑移系统上运动，第二阶段次滑移系统上的位错参与了滑移变形，第三阶段则产生了螺位错的交滑移。2、影响应力一应变曲线的主要因素1）取向的影响FCC金属单晶体的应力一应变曲线形状和试样的取向关系很密切。图3.3单晶铝不同取向拉伸时的应力-应变曲线---室温；—77K2）金属的层错能和纯度的影响层错能的高低影响到第Ⅲ阶段前的变形发展。室温下的层错能高的金属，扩展位错很容易束集及产生交滑移，Ⅱ值不超过4％-5％，应力应变曲线很快进入

5、第Ⅲ阶段；层错能低的金属，因为扩张位错不易束集，位错交割困难，不易产生多系滑移，则Ⅱ可能超过20％以上。杂质原子明显地影响到第Ⅰ阶段的长度。主要从杂质原子对层错能影响和形成弥散的第二相两个方面。3）温度的影响温度升高时，0略有降低，Ⅲ而则显著降低，Ⅱ，Ⅲ变短，Ⅰ和Ⅱ与温度关系不大，而Ⅲ则随温度升高而减小。3、FCC金属形变单晶体的表面现象面心立方晶体研究发现，无论层错能高低，只要是处于同一个阶段形变，都具有相同特征的表面现象。各阶段观测研究的结果简述如下：第1阶段；用光学显微镜一般看不到滑移线。第Ⅱ阶段：光学显微镜在暗场下可以看到滑

6、移线，线长随应变的增加而递减。电镜观察到的单个滑移线比第1阶段的粗而短。第Ⅲ阶段：出现滑移带，带中包括靠得很近的滑移线。应变增加时，带间不再增加新线，形变集中在原来的带中，带端出现了碎化现象。所谓碎化现象，系指相互连接着的滑移带的侧向移动现象。二、BCC晶格单晶体的塑性变形高纯度的BCC金属室温的应力应变曲线与FCC金属的曲线相似。如果含有微量杂质原子或在低温形变时，将产生明显的屈服现象而得不到三个阶段的硬化曲线。图3.4铌单晶体的加工硬化三、HCP晶格单晶体的塑性变形HCP金属的应力应变曲线的第Ⅰ阶段硬化率θⅠ与FCC金属相近，但通常限于一组基面

7、滑移，出现很长的第Ⅰ阶段，远远超过其他结构的晶体，以致其第Ⅱ阶段还未充分发挥时试样就已经断烈了。但条件合适时也会出现完整的三个阶段。图3.5锌单晶的加工硬化3.2金属多晶体的塑性变形使用的大多数金属材料都是多晶体。多晶体是通过晶界把取向不同、形状大小不同、成分结构不同的晶粒结合在一起的集合体。多晶体的塑性变形是许多单晶体塑性变形的集合。但是，由于组成多晶体的各个晶粒取向不同，由于存在着晶界及晶粒大小有差别，使得多晶体的塑性变形和强化有许多不同于单晶体的特点。一、晶界在塑性变形中的作用为了显示晶界对变形的影响，可将由几个晶粒组成的大晶体承受变形并观察

8、和测量它的变形分布情况。如下图：图3.6总变形量相同时多晶铝的几个晶粒各处的实际变形量由图可知：1）总变形量相同时，在多晶