合金的塑性变形课件.ppt

1、合金合金的塑性变形的塑性变形提高材料强度的另一种方法是提高材料强度的另一种方法是合金化合金化。合金元素在基体中有两种存在方式：合金元素在基体中有两种存在方式：与基体金属与基体金属形成固溶体形成固溶体；形成第二相形成第二相。合金塑性变形的合金塑性变形的基本方式基本方式仍然是仍然是滑移和滑移和孪生孪生，但由于组织、结构的变化，其塑性变，但由于组织、结构的变化，其塑性变形各有特点。形各有特点。一、固溶体的塑性变形一、固溶体的塑性变形固溶强化：固溶强化：溶质原子溶入基体后，使其溶质原子溶入基体后，使其强度、硬度提高强度、硬度提高，塑性、韧性下降塑性、韧性下降的现象。的现象。溶质原子的加入，提高屈服应力

2、溶质原子的加入，提高屈服应力- -应变水平，曲线上移。应变水平，曲线上移。影响固溶强化的因素：影响固溶强化的因素：溶质原子的浓度越高溶质原子的浓度越高，强化作用越大强化作用越大，但不，但不保持线形关系，低浓度时，强化效应更显著。保持线形关系，低浓度时，强化效应更显著。溶质原子与基体金属溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大原子尺寸相差越大，强强化作用也越大化作用也越大。形成间隙固溶体的溶质元素形成间隙固溶体的溶质元素比形成置换固溶比形成置换固溶体的溶质元素的体的溶质元素的强化作用大强化作用大。溶质原子与基体金属的溶质原子与基体金属的价电子数相差越大价电子数相差越大，强化作用越大强化作用越大。固溶强

3、化的机制固溶强化的机制溶质原子与位错溶质原子与位错的的弹性交互作用弹性交互作用、电交互作电交互作用用及及化学交互作用化学交互作用，阻碍了位错的运动阻碍了位错的运动( (提高屈提高屈服强度服强度) )，增加了位错运动的摩擦阻力增加了位错运动的摩擦阻力( (提高整提高整个应力个应力- -应变水平应变水平) )。溶质原子在晶体中造成点阵畸变，产生应力场，该应溶质原子在晶体中造成点阵畸变，产生应力场，该应力场与位错的应力场发生弹性交互作用。力场与位错的应力场发生弹性交互作用。柯垂尔柯垂尔(Cotrell)(Cotrell)气团气团：溶质原子溶质原子与位错发生交互作用，与位错发生交互作用，集聚在位错线附

4、近集聚在位错线附近，以降低体系的畸变能所，以降低体系的畸变能所形成的溶质原形成的溶质原子气团子气团。柯氏气团对位错有柯氏气团对位错有“钉扎钉扎”作用，为使位错作用，为使位错挣脱气团的挣脱气团的“钉扎钉扎”而运动或拖着气团运动，而运动或拖着气团运动，必须施加必须施加更大的外力更大的外力。 因此，因此，固溶体合金的塑性变形抗力要高于纯固溶体合金的塑性变形抗力要高于纯金属金属，即强度提高了。，即强度提高了。屈服和应变时效屈服和应变时效现象：现象：低碳钢拉伸时低碳钢拉伸时有上、下屈服点和屈服有上、下屈服点和屈服延伸延伸现象。现象。试样在上屈服点出现试样在上屈服点出现明显塑性变形，同时应明显塑性变形，同

5、时应力突然下降到下屈服点。力突然下降到下屈服点。在下屈服点发生连续在下屈服点发生连续变形，而应力并不升高变形，而应力并不升高或出现微小波动，即出或出现微小波动，即出现屈服平台。现屈服平台。在在屈服延伸阶段屈服延伸阶段，试样的，试样的应应变不均匀变不均匀，应力达到上屈服点，应力达到上屈服点，在试样应力集中处首先开始塑性在试样应力集中处首先开始塑性变形，能在变形，能在试样表面试样表面观察到观察到与纵与纵轴呈约轴呈约4545交角交角的应变痕迹的应变痕迹吕德斯带吕德斯带。此时，应力下降到下屈服点，此时，应力下降到下屈服点，吕德斯带沿试样长度方向扩展开吕德斯带沿试样长度方向扩展开来。来。如果试样上形成几

6、个吕德斯如果试样上形成几个吕德斯带，在屈服延伸阶段就会带，在屈服延伸阶段就会有应力有应力波动波动，当屈服扩展到整个试样标，当屈服扩展到整个试样标距范围，屈服延伸阶段结束。距范围，屈服延伸阶段结束。应变时效应变时效：经过：经过预变形预变形的金属的金属放置一段时间后放置一段时间后，屈服应力提高屈服应力提高的现象。的现象。若在拉伸前，对试样先若在拉伸前，对试样先进行少量的进行少量的预塑性变形预塑性变形，则则屈服点可暂时不出现屈服点可暂时不出现。试样试样放置一段较长时间放置一段较长时间或经或经200200左右短时加热左右短时加热，再拉伸，则再拉伸，则屈服点又重新屈服点又重新出现出现，且，且屈服应力提高

7、屈服应力提高。现象的解释：现象的解释：屈服点屈服点的出现通常的出现通常与与金属中溶有金属中溶有微量的杂质微量的杂质( (或溶质或溶质) )原原子有关子有关。如将低碳钢经。如将低碳钢经700700湿氢处理，湿氢处理，去除去除N N、C C原子后原子后拉伸，拉伸，屈服点不出现屈服点不出现，去，去N N、C C原子的试样原子的试样稍许渗入些稍许渗入些C C原原子子再拉伸，再拉伸，屈服现象又出现屈服现象又出现。原因：微量溶质原子集聚在位错周围，形成的原因：微量溶质原子集聚在位错周围，形成的柯垂尔气柯垂尔气团，对位错有团，对位错有“钉扎钉扎”作用作用。位错脱钉所需的应力位错脱钉所需的应力上屈服点上屈服点

8、；已脱钉的位错继续运动所需应力已脱钉的位错继续运动所需应力下屈服点下屈服点。已经屈服已经屈服的试样，的试样，卸载后立即重新拉伸卸载后立即重新拉伸，位错已脱钉位错已脱钉，不出现屈服点不出现屈服点；但但卸载后放置较长时间卸载后放置较长时间或或稍加热后再拉伸稍加热后再拉伸，溶质原子已，溶质原子已经通过扩散经通过扩散又重新集聚到位错线周围形成了气团又重新集聚到位错线周围形成了气团，故，故屈服屈服现象又重新出现现象又重新出现。屈服现象给生产带来的问题屈服现象给生产带来的问题深冲用低碳钢薄板在冲压成型时，会因屈服延伸区深冲用低碳钢薄板在冲压成型时，会因屈服延伸区的不均匀变形（吕德斯带）而使工件表面粗糙不平

9、。的不均匀变形（吕德斯带）而使工件表面粗糙不平。使屈服点消除的措施：使屈服点消除的措施：预冷轧预冷轧（12%12%的压下量）后，的压下量）后，再冲压再冲压；加少量加少量TiTi、NbNb、V V、AlAl等与等与C C、N N形成化合物。形成化合物。二、多相合金的塑性变形与第二相强化二、多相合金的塑性变形与第二相强化单相合金借固溶强化提高强度的作用有限，单相合金借固溶强化提高强度的作用有限，两相或多相合金的强化作用更显著。两相或多相合金的强化作用更显著。聚合型多相合金聚合型多相合金：第二相的尺寸：第二相的尺寸与基体晶与基体晶粒尺寸属同一数量级粒尺寸属同一数量级。弥散型多相合金弥散型多相合金：第

10、二相粒子很：第二相粒子很细小，且细小，且弥散分布于基体晶粒内弥散分布于基体晶粒内。( (一一) )聚合型两相合金的变形聚合型两相合金的变形1 1、两相都有塑性：、两相都有塑性：只有只有第二相较强第二相较强时，时，合金才能强化合金才能强化。合金的变形阻力决定于两相的体积分数，滑合金的变形阻力决定于两相的体积分数，滑移首先发生于较弱一相中。移首先发生于较弱一相中。如如较强相占到较强相占到30%30%（体积），（体积），两相以接近相等两相以接近相等的应变发生变形的应变发生变形，较强相占到，较强相占到70%70%时，以它为主。时，以它为主。2 2、第二相为硬脆相：、第二相为硬脆相：合金的性能主要取决于

11、合金的性能主要取决于脆性相的形状和分布脆性相的形状和分布。硬脆相硬脆相呈连续网状分布在呈连续网状分布在塑性相的塑性相的晶界上晶界上，降低合金塑降低合金塑性性，强度也降低强度也降低。如。如FeFe3 3C C呈网状分布时。呈网状分布时。硬脆相硬脆相呈片状分布在基体相中呈片状分布在基体相中，提高合金强度提高合金强度，片层越，片层越细，强化效果越好，细，强化效果越好，塑性也较好塑性也较好（类似于细晶强化）。如（类似于细晶强化）。如P P，变形集中在基体相中，位错的移动被限制在变形集中在基体相中，位错的移动被限制在FeFe3 3C C片层之间很片层之间很短的距离内，增加了继续变形的阻力，使钢强度提高。

12、短的距离内，增加了继续变形的阻力，使钢强度提高。厚厚FeFe3 3C C片易断裂片易断裂，薄片反而能承受一些变形。，薄片反而能承受一些变形。硬脆相硬脆相呈较粗颗粒分布在基体相中呈较粗颗粒分布在基体相中，强度降低强度降低，塑性、塑性、韧性提高韧性提高。如过共析钢经球化退火后的球状。如过共析钢经球化退火后的球状FeFe3 3C C，因基体连，因基体连续，续， FeFe3 3C C对基体变形的阻碍作用大大减弱。对基体变形的阻碍作用大大减弱。冷加工后珠光体中渗碳体片的断裂和变形冷加工后珠光体中渗碳体片的断裂和变形 1500015000a)a)断裂；断裂；b)b)变形变形( (二二) )弥散型合金的塑性

13、变形弥散型合金的塑性变形第二相以第二相以细小弥散的微粒均匀分布细小弥散的微粒均匀分布在基体中，在基体中，将产生显著的将产生显著的弥散强化弥散强化作用。作用。第二相可从过饱和固溶体中析出，也可由粉第二相可从过饱和固溶体中析出，也可由粉末冶金方法加入。末冶金方法加入。第二相分类第二相分类：不可变形微粒不可变形微粒，可变形微粒可变形微粒。1 1、不可变形微粒的强化作用、不可变形微粒的强化作用移动位错与不可变形移动位错与不可变形 微粒相遇：位错线将微粒相遇：位错线将饶过饶过粒子粒子，留下留下包围着微粒的包围着微粒的位错环位错环，位错线，位错线其余部分其余部分则越过粒子则越过粒子继续移动继续移动。有有实

14、验观察实验观察证实。证实。位错按此方式移动时位错按此方式移动时受到的受到的阻力很大阻力很大，强度显强度显著提高著提高。 黄铜中围绕着黄铜中围绕着AlAl2 2OO3 3粒子粒子的位错环（透射电镜像）的位错环（透射电镜像）粒子间距及尺寸对强化的影响粒子间距及尺寸对强化的影响位错绕过位错绕过间距为间距为的第二相微粒所需的的第二相微粒所需的切应力切应力为：为：即：即：越小越小，强化效果越显著强化效果越显著。减小粒子尺寸减小粒子尺寸（在同样体积分数时，粒子越小，粒（在同样体积分数时，粒子越小，粒子间距越小）或子间距越小）或提高粒子的体积分数提高粒子的体积分数，都使，都使合金的强度合金的强度提高提高。此

15、机制称此机制称奥罗万机制奥罗万机制，计算和实测值相符。，计算和实测值相符。 Gb 2 2、可变形微粒的强化作用、可变形微粒的强化作用第二相为可变形微粒时，位错将第二相为可变形微粒时，位错将切过粒子切过粒子，使其，使其与基与基体一起变形体一起变形，增加了位错运动的阻力增加了位错运动的阻力，使，使材料的强度提高材料的强度提高。此现象也有此现象也有电镜观察电镜观察证实。证实。位错切过粒子，产生的位错切过粒子，产生的强化因素强化因素有：有：粒子结构与基体不同，在其滑移面上粒子结构与基体不同，在其滑移面上造成原子错排造成原子错排，要求要求错排能错排能。使粒子使粒子生成宽为生成宽为b b的台阶的台阶，需，

16、需表面能表面能。粒子周围的弹性应力场粒子周围的弹性应力场与位错交互作用与位错交互作用，阻碍位错运阻碍位错运动动。各因素各因素综合作用使合金强度提高综合作用使合金强度提高。增大体积分数增大体积分数或或增大粒子尺寸增大粒子尺寸都都有利于提高强度有利于提高强度。 位错运动遇到细小弥散分布的第二相质点位错运动遇到细小弥散分布的第二相质点时，无论是绕过去或切过去，都要受到很大的时，无论是绕过去或切过去，都要受到很大的阻力，将引起金属的显著强化。阻力，将引起金属的显著强化。弥散强化弥散强化：弥散分布的细小第二相质点阻：弥散分布的细小第二相质点阻碍位错的运动，碍位错的运动，引起合金显著强化引起合金显著强化的

17、现象。的现象。启动启动F-RF-R源所需要的切应力源所需要的切应力当外加切应力当外加切应力作用时，作用时，CDCD上将受到的力有：上将受到的力有：f=f=bb：驱动力驱动力， 使位错使位错向前弯曲向前弯曲。线张力线张力T T：T = (1/2)GbT = (1/2)Gb2 2，使位错，使位错变直变直。平衡时有：平衡时有：fds = 2Tsin(d/2)fds = 2Tsin(d/2)ds=rdds=rd，sin(d/2)d/2sin(d/2)d/2平衡半径平衡半径：r =Gb/2r =Gb/2使位错弯曲到半径使位错弯曲到半径r r所需的切应力所需的切应力： = Gb/2r = Gb/2r半圆半圆时：时：r r最小最小， 最大最大。设设CDCD间的间的距离为距离为L L，r rminmin=L/2=L/2，启动启动F-RF-R源所需的临界切应力源所需的临界切应力： maxmax= Gb/L= Gb/L fd/2d/2