金属塑性变形

单晶体的塑性变形

1. 从微观角度上看, 单晶体塑性变形有滑移, 孪生两种方式
2. 通常孪生需要远大于滑移的切应力, 不考虑

滑移系

1. 滑移面通常是原子密度最大的晶面, 滑移方向是滑移面上原子密度最大的方向
2. 一个滑移面与面上的一个滑移系构成一个滑移系
3. 通常晶体的滑移系越多, 塑性变形能力越强
4. 滑移系相同时, 滑移方向越多, 塑性变形能力越强(塑性变形能力更强)
   • 因此, 面心立方塑性变形能力最强, 六方最密堆积最弱

应力

1. 正应力 正应力只能使晶格发生弹性伸长, 正应力大于原子间结合力时, 晶体断裂
2. 切应力 切应力足够大时, 晶体沿滑移面发生滑移, 滑移后原子达到新的平衡位置, 去掉外力不再复原, 即塑性变形
3. 临界分切应力
4. 方向与滑移面平行的力, 只有大于临界分切应力, 滑移才会开始
5. 达到临界分切应力的滑移面先开始滑移
6. 对于受拉应力的零件, 滑移面及滑移方向与外力成 $45°$ 时, 拉应力在切向的分量最大, 最易滑移

位错运动

1. 晶体的滑移是通过位错在滑移面上的运动实现的
2. 当塑性变形量增大, 晶体中的位错密度增大

多晶体的塑性变形

多晶体中, 各个晶粒的取向不同, 因此发生滑移的方向, 所需的力大小各不相同

塑性变形过程

1. 首先达到临界切分应力的晶粒开始滑移, 所处位向称为易滑移位向, 又称为软位向; 最难滑移的位向则称为硬位向
2. 发生滑移的同时, 各个晶粒的晶向发生转动, 使软位向晶粒变为硬位向晶粒
3. 因此多晶体的塑性变形是一个不均匀的塑性变形过程

• 位向差阻碍滑移 由于晶粒之间不能有空隙, 因此没有发生滑移的晶粒回阻碍其他晶粒的滑移
• 晶界阻碍位错运动, 当位错到达晶界后, 需要更大的力才能穿过晶界; 因此晶界处的变形很小, 晶粒内变形量较大

塑像变形的影响

对组织的影响

1. 显微组织呈现纤维状
2. 组织内亚晶粒增多(大晶粒被位错分割)
3. 产生形变织构(晶粒被拉长) 变形足够大后, 所有晶粒的位向变为与外力一致, 称为织构, 具有各向异性

对力学性能的影响

1. 加工硬化现象 位错增多, 导致位错运动困难, 塑性下降, 强度与硬度上升
2. 金属内部产生残余内应力
   1. 宏观内应力 表面与心部之间变形不均
   2. 微观内应力 晶粒内与之间形变不均匀
   3. 晶格畸变内应力 晶格畸变与位错密度导致, 为主要内应力, 是金属强化的主要因素

变形后的加热变化

回复

1. 也称为去应力退火
2. 加热温度低, 拉长的显微组织不发生变化
3. 点缺陷减少, 位错密度降低, 内应力显著减小
4. 用于冷加工金属, 如弹簧, 保留硬度稳定组织
5. 强度, 硬度略有降低, 塑性上升

再结晶

1. 也称为再结晶退火
2. 在位错聚集的地方重新形核合长大
3. 新晶粒的晶体中缺陷减少, 内应力小时
4. 再结晶温度 $T_{\text{再}}=0.4T_{\text{熔}}$, 单位 $K$, 不是摄氏度, 要先转换为 $K$ 再计算
   1. 金属变形量越大, 再结晶温度越低
   2. 金属纯度越低再结晶温度越高(杂质阻碍扩散)
5. 用于消除加工硬化, 便于下一步加工
6. 强度, 硬度降低, 塑性上升

晶粒长大

1. 再结晶阶段过后, 晶粒长大
2. 加热温度越高, 保温时间越长, 晶粒越大
3. 变形度如果不够大, 变形储能小, 不足以引起再结晶
4. 变形度小, 变形不均匀, 只有部分地方再结晶, 形成大晶核, 称为临界变形度, 需要避开
5. 性能恶化, 塑性明显下降, 需要避免

冷加工与热加工

1. 将加工温度在再结晶温度以上称为热加工
2. 热加工中, 加工硬化与再结晶同时发生, 加工硬化消失

金属断裂

1. 韧性断裂 断裂前发生了明显的宏观塑性变形的断裂(即发生了较大的塑性变形), 断口成杯状, 粗糙
2. 脆性断裂 断裂前不发生了明显的宏观塑性变形的断裂, 断口没有变化, 平直

金属强化

提升强度

1. 细化晶粒
   • 增加晶界, 使位错堆积, 无法移动, 抵抗塑性变形
   • 晶粒越细, 塑性变形抗力愈高, 塑性变形能力愈好
2. 固溶强化 形成固溶体后, 晶格畸变, 增加滑移运动的阻力
   eg. 淬火时形成的过饱和铁素体
3. 弥散(第二相)强化 当位错遇到弥散的第二相时, 必须增大外应力才能通过
   eg. 回火析出了弥散细小的碳化物
4. 变形强化 加工硬化, 增大位错密度, 使位错移动受阻
   eg. 喷砂处理在金属表面制造坑洞为塑性变形