第10章 金属塑性变形的物理本质

材料科学基础、 金属学、金属热处理
10.1 塑性变形机理
金属塑性变形包括晶内变形和晶间变形； 晶内变形：各种位错运动而实现晶内的一部分相对于另一部
分的剪切运动。剪切运动有不同的机理，其中在常温下最基本的
形式是滑移、孪生和扭折。
晶间变形：在T ≥ 0.5Tm（Tm——熔化温度），可能出现。 控制作用的变形机理：
（3）位错应力场对运动位错的阻力
刃位错 :
G
Gb 2 (1 ) L0
螺位错彼此相对穿过所需的切应力:
Gb G 2L0
式中：G——切弹性模量；b——柏氏矢量； v ——泊松比； Lo——两平行位错间距。
（4）位错切割穿过其滑移面的位错林所引起的阻力
切割林位错所引起的阻力用τS′表示，是一种短程力 ; 对温度敏感。 林位错的应力场对运动位错的阻力用τS" 表示。τS" 是一 种长程力，其对温度不敏感。
扩散-位错机理：从几个方面影响位错运动 a 对刃位错的攀移和螺位错的割阶运动产生影响; b 控制着蠕变变形过程的机理; c 扩散时溶质气团对位错运动的限制作用,位错被气团锚住了;
溶质原子定向溶解机理：原子流动是可逆的
随机、无序的溶质原子, 优先聚集在受拉的棱边;晶体点阵的 不同方向上产生了溶解原子能力的差别;(应力松弛和弹性后效 现象)。 定向空位流机理：不可逆的塑性流动机理 应力诱导作用使晶界产生空位的能量提高，造成空位在晶界 上的迁移 。
当变形温度比晶体熔点低很多时：是滑移和孪生；
在高温塑性变形时，不仅同位错运动有关，扩散机理起重要作用。
实际变形过程的复杂性：
几种机理同时起作用； 各种机理的具体作用受许多因素影响：
晶体结构、化学成分、相状态等材料的内在因素
变形温度、变形速度、应力状态等外部条件
因此要研究和控制材料的变形过程，掌握基本 的塑性变形机理很有必要。
10.2.1 理论屈服强度的估计
经典塑性变形理论对塑性变形的描述： 滑移是一部分晶体在滑移面上，沿着滑移方向，相
对于另一部分晶体的刚性整体式的切变。
理想晶体原子的排列情况
原子间受力后产生的位移
金属的屈服强度来源于金属的原子间结合力，它是金 属原子间结合力大小的反映。
理论切屈服强度推导
m sin(2 )
纯银的变形机理
10.2 金属的屈服强度
从使用金属材料的角度来看，大部分的工程构件和机器零 件在服役过程中不允许有塑性变形发生，所以屈服强度是 金属材料使用时的应力上限。 从塑性加工的角度来看，要改变金属的形状和尺寸，使之 成为性能和形状规格都符合需要的材料，基本条件就是使 金属发生塑性变形，所以屈服强度是金属塑性加工时的应 力下限。
（2）点阵阻力
2G ( kb ) P e k
2a
w=a/k ;
k——位错类型（刃位错：k= 1-γ；螺位错k=1）
位错宽度w值越大，则τp值越小。 点阵阻力对温度很敏感，这是一种短程力。 对于位错宽度w窄的体心立方晶体，点阵阻力对材料的 屈服强度就有一定的左右作用，在温度较低时，作用更 强烈。
（5）割阶运动所引起的阻力
QD D 2 b x
式中 ： QD——点缺陷形成能；x——割节间的距离； b—柏氏矢量
实际晶体的切屈服强度
把以上几种阻力叠加起来，就是实际晶体中位错运动时 所必须克服的阻力，也就是实际晶体的切屈服强度τC，即:
τC=τd+τP+τG+τS′+τS"+τD
τG 和τS"为长程力：对温度不敏感； τd、τP、 τS′、τD为短程力，对温度敏感。 在实际金属中，通过塑性加工、合金化、热处理等工艺 手段所引起的屈服强度的变化，主要是通过改变这些阻力来 实现的。
练习&思考： 滑移系统和点阵阻力有什么关系？ 滑移与孪生这两种切变机理各有什么特点？ 什么是金属的屈服强度？为什么金属的理论屈服强度与实 际屈服强度有区别？ 金属的实际屈服强度决定于什么？
10.3 金属的断裂强度
断裂强度是金属对断裂的抗力。定量地说，就是材料发生 断裂时的临界应力。 金属的断裂强度决定于原子间的结合力。
理想晶体原子的排列情况
原子间受力后产生的位移
金属的实际断裂强度远低于理论值
一般金属的弹性模量E约为105MPa，晶体的理论断裂强 度为E/4~E/15。 高强度钢的断裂强度可达2100MPa，约为理论断裂强度 的十分之一。一般工程材料的断裂强度是理论断裂强度 的1/10~1/1000。 类似于实际屈服强度低于理论值，是因为金属中存在位 错运动；工程材料的实际断裂强度低于理论值，是因为 材料中存在微裂纹。
式中 τm——最大切应力幅值。 原点附近的x/b很小，故可简写为：
x b
m 2
x b
切应力与位移的关系
应力和应变关系近似符合胡克定律：
x a 式中G——晶体的切弹性模量； a——两层相邻原子的间距。 令a = b，则： G
G
m
2
金属的实际屈服强度远低于理论值
10.1.1 滑移
点阵阻力：
点阵阻力
p
≈
2G exp(2 a / kb) k
滑移系统：
面间距a越大、柏氏矢量 b 越小时，派-纳力τP 越小； 密排面和密排方向就是滑移面和滑移方向； 滑移面和位于其上的〃就构成了滑移系统。
面心立方晶体 <1Байду номын сангаас0>{111} 的12个滑移系
体心立方晶体中 通过［111］方向的 12个滑移面
一般金属的切弹性模量G为104~105MPa之间，晶体的理
论屈服强度为103~104MPa数量级。
实验测得纯金属单晶体的屈服强度大致为1MPa。
理论值是实际值的1000倍以上，这说明把滑移过程看作 是整体刚性的移动与实际相差较远。
10.2.2 金属单晶体实际屈服强度
实际晶体中存在着各种晶体缺陷， 特别是存在着位错，位错很容易运 动，因而不能充分发挥出原子间结
11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 12.1 12.2 12.3 12.4 单晶体的塑性变形和加工硬化 多晶体的塑性变形和强化 合金的塑性变形和强化 金属和合金的塑性 金属的超塑性 冷变形后金属组织结构和性能的变化 冷变形金属的回复阶段 再结晶和晶粒长大 热变形过程中金属组织结构和性能的变化 2
固态成形理论基础
第10章 金属塑性变形的物理本质
张朝磊 材料加工与控制工程系 材料成形理论与质量控制研究室
引言
• 课程目的、特点、体系、内容的组成 • 为什么学？如何学好？学了有什么用？
第10章 金属塑性变形的物理本质
10.1 塑性变形机理 10.2 金属的屈服强度 10.3 金属的断裂强度
第11章 金属的塑性变形和强化
第12章 金属在塑性变形中的组织结构与性能变化
第10章 金属塑性变形的物理本质
金属材料的性能（包括力学性能、物理性能和化学性能）在使用条 件（温度、加载速度、应力状态、环境介质等）一定时，是决定于成分和 组织结构的。 在材料成分一定的情况下（例如在选定钢种时）通过冷、热加工， 热处理和形变热处理可以在很大范围内改变金属材料的组织结构，从而就 可以在很大范围内改变金属材料的性能。 掌握了形变、相变、形变和相变结合的过程中金属材料组织结构的 变化规律，就可以利用这些规律，就可以通过加工、热处理、形变热处理 的手段获得满足使用性能要求所需的组织结构。 冷变形及其后的加热过程、热变形过程 对金属和合金的组织结构与性能的影响 相变过程中组织结构的变化规律 材料成形理论基础、 金属塑性变形物理基础
面心立方晶体的孪生过程
●—切变前原子的位置 ○—切变后原子的位置
a -Fe中的孪晶（冲击条件下）
fcc中的切边带
hcp Zn
10.1.3 扩散塑性变形机理
当金属在高温塑性变形时，扩散就起着重要的作用。 扩散具有双重作用: 它对剪切塑性变形机理可以有很大影响； 扩散可以独立产生塑性流动。 扩散塑性变形机理包括:扩散-位错机理；溶质原子定向 溶解机理；定向空位流机理。
10.1.2 孪生
晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶体学平面和 方向产生的切变； 晶体切变后结构没有变化，但是取向发生了变化; 相对切变是沿孪生面逐层连续依次进行的，而不像滑移 那样集中在一些滑移面上进行; 孪生比滑移困难一些，所以变形时首先发生滑移，当切 应力升高到一定数值时，才出现孪生。 密排六方金属，由于滑够系统少，各滑移系相对于外力 的取向都不利时，也可能在形变一开始就形成孪晶。
合力的作用，所以金属（特别是纯
金属单晶体）实际屈服强度远低于 理论值。 开动位错源所需的应力和位错在运 动过程中遇到的各种阻力构成了金 属的实际屈服强度。
（1）开动位错源所必须克服的阻力
Gb d L
式中 G——剪切模量；b——位错柏氏矢量；L——位错线长度。 这种抑制住位错源开动的阻力，也称为源硬化 .
10.1.4 晶间滑动机理
晶间滑动机理是综合的变形机理 ，它不是和晶内 滑移、扩散塑性机理独立无关的，它们必须互 相协调。
由于晶界一般说来不是平坦的平面，两晶粒沿晶界产生 相对切变时，就必须伴随其他机理来协调。
对超塑性变形，大家的观点认为是晶间滑动机 理为其控制机理。
为改善材料的超塑成形性，并尽可能提高成形效率，就 要加强该种形变机理的作用，细化晶粒就是采用的有效 措施之一。
金属的屈服强度是指金属抵抗塑性变形的抗力。定量地 讲，屈服强度是指金属发生塑性变形时的临界应力。 金属抵抗塑性变形能力的影响因素： 加载的应力状态； 受变形温度、应变速率和变形量等外在实验条件； 内在的成分、组织状态。
屈服强度作为金属材料的力学性能指标，专指的是在单 向应力状态下和相应的变形温度、应变速率和变形程度 下，产生塑性变形所需要的单位变形力。