Lecture8-金屬的物理屈服和形變強(qiáng)化

1、1p形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化: 金屬材料在室溫下屈服后, 必須不斷增大載荷, 塑性變形才能繼續(xù)進(jìn)行, 這種現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化(加工硬化加工硬化、應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化); 金屬預(yù)先變形量越大, 屈服強(qiáng)度提高的幅度越大, 這也是形變強(qiáng)化。形變強(qiáng)化的本質(zhì)是位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)受阻的結(jié)果。形變強(qiáng)化的本質(zhì)是位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)受阻的結(jié)果。Lecture 8-金屬的物理屈服和形變強(qiáng)化金屬的物理屈服和形變強(qiáng)化2p金屬的物理屈服現(xiàn)象與機(jī)理p金屬的形變強(qiáng)化p影響形變強(qiáng)化的因素p金屬的頸縮現(xiàn)象和抗拉強(qiáng)度本講內(nèi)容提要本講內(nèi)容提要3金屬的物理屈服金屬的物理屈服金屬的物理屈服現(xiàn)象在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)應(yīng)力不增加, 時(shí)而有所降低, 而變形

2、仍在繼續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)象, 稱為物理屈服現(xiàn)象物理屈服現(xiàn)象。 4金屬的應(yīng)變時(shí)效金屬的應(yīng)變時(shí)效對(duì)于出現(xiàn)物理屈服的金屬，在均勻塑性變形階段卸載后，把試件在100-200下回火2h，再加載，則屈服強(qiáng)度升高，且又出現(xiàn)物理屈服現(xiàn)象，稱之為應(yīng)變時(shí)效應(yīng)變時(shí)效。 應(yīng)變時(shí)效時(shí), 屈服強(qiáng)度會(huì)大幅增加, 而塑性指標(biāo)大幅降低, 脆性轉(zhuǎn)變溫度Tk上升, 冷脆出現(xiàn), 危害大。 5金屬的藍(lán)脆金屬的藍(lán)脆物理屈服現(xiàn)象的鋸齒形應(yīng)力-應(yīng)變曲線在一定條件會(huì)在塑性變形的整個(gè)過(guò)程中不間斷。如一般低碳鋼在200-300拉伸, 會(huì)出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象, 它是金屬藍(lán)脆的一個(gè)重要標(biāo)志之一。金屬的藍(lán)脆6物理屈服機(jī)制物理屈服機(jī)制低碳鋼的物理屈服現(xiàn)象可以用位錯(cuò)理論說(shuō)

3、明，位錯(cuò)受間隙原子釘扎形成柯氏氣團(tuán)柯氏氣團(tuán)，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。柯氏氣團(tuán)柯氏氣團(tuán): 鐵素體中的間隙C、N原子聚集在位錯(cuò)線的周圍，與刃型位錯(cuò)交互作用，形成的氣團(tuán)稱為柯氏氣團(tuán)，位錯(cuò)被氣團(tuán)釘扎，運(yùn)動(dòng)受阻。初始狀態(tài)下可動(dòng)位錯(cuò)密度很低，要使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng), 須提高外力克服柯氏氣團(tuán)柯氏氣團(tuán)的阻礙，這就是上屈服點(diǎn)。位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)擺脫柯氏氣團(tuán)釘扎后，材料塑性變形速率快速提高，由于變形的作用，應(yīng)力又下降，形成下屈服點(diǎn)。7物理屈服為何在塑性變形后不再出現(xiàn)?加熱時(shí)效后物理屈服現(xiàn)象為何再次出現(xiàn)？ 預(yù)先塑性變形全部破壞了柯氏氣團(tuán), 所以物理屈服現(xiàn)象不再出現(xiàn); 但如果卸載后加熱時(shí)效, C(N)原子又會(huì)擴(kuò)散至刃位錯(cuò)周圍形成柯氏氣團(tuán), 第

4、二次加載開(kāi)始屈服變形時(shí), 就需要重新克服柯氏氣團(tuán)作用, 再次出現(xiàn)物理屈服。由于第二次加載時(shí)位錯(cuò)密度較上一次高, 彈性極限升高, 故屈服平臺(tái)較上次應(yīng)力水平高。在200-300出現(xiàn)藍(lán)脆, 鋸齒形應(yīng)力-應(yīng)變, 是由于塑性使柯氏氣團(tuán)消失, 而200-300的加熱又使柯氏氣團(tuán)出現(xiàn), 這樣周而復(fù)始, 就形成鋸齒狀應(yīng)力-應(yīng)變曲線。8物理屈服的危害物理屈服的危害物理屈服實(shí)際上使這一段塑性變形失去加工硬化和均勻變形效果, 沖壓件很容易產(chǎn)生皺褶和制耳;應(yīng)變時(shí)效和藍(lán)脆會(huì)改變材料的力學(xué)性能, 一般為屈服強(qiáng)度升高, 而塑性指標(biāo)(, Ak, KIC等) 下降, 脆性轉(zhuǎn)變溫度Tk升高, 易于出現(xiàn)冷脆斷裂, 嚴(yán)重?fù)p害使用性能

5、。 消除方法消除方法 對(duì)于應(yīng)變時(shí)效, 采用預(yù)先塑性變形, 越過(guò)物理屈服平臺(tái)再加工成型, 檢查成型后的力學(xué)性能; 對(duì)于藍(lán)脆, 需采用相應(yīng)的熱處理避開(kāi)這一危害。9金屬的形變強(qiáng)化金屬的形變強(qiáng)化金屬材料在室溫下屈服后，必須不斷增大外部應(yīng)力，塑性變形才能繼續(xù)進(jìn)行，說(shuō)明屈服塑性變形后，金屬內(nèi)部出現(xiàn)一種阻止繼續(xù)塑性變形的能力，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化（加工硬化應(yīng)變硬化（加工硬化、形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化）。金屬預(yù)先變形量越大，屈服強(qiáng)度提高幅度越大，這種現(xiàn)象也是形變強(qiáng)化，其本質(zhì)是位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)受阻結(jié)果。10單晶體的變形曲線dd1dd1第I階段形變強(qiáng)化系數(shù)1較小, 為10-4G數(shù)量級(jí)。單晶體的形變強(qiáng)化曲線單晶體的形變強(qiáng)化曲

6、線第第I階段階段: 易滑移階段，最易滑移的滑移系發(fā)生滑移, 這一階段位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力較小, 僅發(fā)生單系滑移。11形變強(qiáng)化速率大,IIG/300, 變形曲線為直線, 多個(gè)滑移系被開(kāi)動(dòng), 產(chǎn)生多系交叉滑移, 形成割階、固定位錯(cuò)和胞狀結(jié)構(gòu)等障礙, 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng), 表現(xiàn)為形變強(qiáng)化速率升高. 單晶體的變形曲線第第II階段：線性強(qiáng)化階段階段：線性強(qiáng)化階段第第III階段：拋物線強(qiáng)化階段階段：拋物線強(qiáng)化階段強(qiáng)化曲線呈拋物線狀, III隨變形增加而減少。對(duì)于那些容易交滑移的晶體, 如BCC金屬和層錯(cuò)能高的FCC等, 其第II階段很短, 位錯(cuò)滑移快速進(jìn)入第III階段。12面心立方（銅）體心立方（鈮）密排六方（鎂） 單

7、晶金屬加工硬化曲線單晶金屬加工硬化曲線aedcbfg1、面心立方金屬形變強(qiáng)化能力大于其它結(jié)構(gòu)金屬；2、隨應(yīng)變?cè)龃螅嫘牧⒎浇饘俳?jīng)歷初期弱的形變強(qiáng)化階段后，發(fā)生強(qiáng)的形變強(qiáng)化，隨后形變強(qiáng)化能力減弱；3、體心立方金屬和密排六方金屬初始弱形變強(qiáng)化階段長(zhǎng)度大于面心立方金屬。三種單晶體金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線13多晶體金屬的形變強(qiáng)化多晶體金屬的形變強(qiáng)化多晶體是由無(wú)數(shù)任意排列的單晶體組成, 位錯(cuò)開(kāi)始滑移即塞滿滑移面, 造成應(yīng)力集中, 從而開(kāi)動(dòng)其他滑移面的滑移。故多晶體塑性變形一開(kāi)始就是多系交叉滑移, 即單晶體形變強(qiáng)化的第II階段, 形變強(qiáng)化指數(shù)多單, 這是由于晶界使大量位錯(cuò)被阻塞, 第III階段來(lái)得很早。lg e

8、lg SK多晶體在均勻塑性變性階段應(yīng)力應(yīng)變之間符合Hollomon關(guān)系式:nKeS 上式中S和e分別為真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變, K為形變強(qiáng)化系數(shù), n為形變強(qiáng)化指數(shù)。14Hollomon方程表明，變形抗力與變形量之間成指數(shù)關(guān)系, 形變強(qiáng)化指數(shù)n越大, 強(qiáng)化效果越明顯。n是表征金屬材料形變強(qiáng)化行為的性能指標(biāo)。部分金屬的層錯(cuò)能和應(yīng)變硬化指數(shù)部分金屬的層錯(cuò)能和應(yīng)變硬化指數(shù)n15e與S之間對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系, 常用這個(gè)關(guān)系來(lái)測(cè)定K、n值。n值與層錯(cuò)能有關(guān), 一般層錯(cuò)能越大, n值越小.lg elg sKe與S之間的對(duì)數(shù)關(guān)系enKSlnlnlnn=0時(shí), S=K=常數(shù), 應(yīng)力與應(yīng)變之間沒(méi)有關(guān)系, 材料為理想塑性

9、體, 無(wú)應(yīng)變硬化能力;n=1時(shí), S=Ke, 為胡克定律描述的線性關(guān)系, 材料為理想彈性體。顯然, 金屬材料的n值介于0-1之間, 大多數(shù)金屬材料n值在0.1-0.5之間16常見(jiàn)金屬的應(yīng)變硬化指數(shù)常見(jiàn)金屬的應(yīng)變硬化指數(shù)n和強(qiáng)度系數(shù)和強(qiáng)度系數(shù)K17形變強(qiáng)化的工程意義形變強(qiáng)化的工程意義形變強(qiáng)化指數(shù)n值的意義十分明顯:(1) 若金屬n值較大, 機(jī)件在服役時(shí)承受偶然過(guò)載的能力 也較大, 有利于局部超載情況下的安全服役;(2) n對(duì)材料冷變形工藝有重要影響, 使金屬塑性變形均 勻進(jìn)行, 保證冷變形順利進(jìn)行;(3) 與合金化、熱處理一樣, 形變強(qiáng)化是一種重要的金屬?gòu)?qiáng)化方法;(4) 形變強(qiáng)化可降低塑性, 改

10、善低碳鋼切削加工性能。18形變強(qiáng)化的影響因素形變強(qiáng)化的影響因素p金屬本性和晶格類型金屬本性和晶格類型層錯(cuò)能低的金屬材料容易產(chǎn)生比較高的應(yīng)力集中, 應(yīng)變硬化程度高；FCC金屬中, 層錯(cuò)能低的擴(kuò)展位錯(cuò)寬度大, 難以合并為全位錯(cuò), 很難交滑移, 所以形變趨勢(shì)大；層錯(cuò)能高的形變強(qiáng)化趨勢(shì)低；體心立方金屬中位錯(cuò)很難擴(kuò)展，所以強(qiáng)化趨勢(shì)低。19晶粒大小晶粒大小晶粒細(xì)化提高屈服強(qiáng)度外, 還可以提高形變強(qiáng)化程度；形變強(qiáng)化的本質(zhì)是位錯(cuò)增殖和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻的結(jié)果, 晶粒細(xì)化導(dǎo)致位錯(cuò)塞積群長(zhǎng)度變小, 塞積位錯(cuò)數(shù)目變少, 變形分配到更多的晶粒中, 更容易發(fā)生均勻變形。20合金化合金化合金固溶體不僅屈服強(qiáng)度高于純金屬, 而且

11、形變強(qiáng)化也高于純金屬:(1) 溶質(zhì)元素的畸變場(chǎng)影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；(2) 合金元素通過(guò)降低層錯(cuò)能, 阻止交滑移, 奧氏體不銹鋼中加入鐵素體形成元素可以降低層錯(cuò)能。幾種金屬的變形曲線幾種金屬的變形曲線21形變強(qiáng)化總是隨溫度的升高而降低, 通常有兩種情況:I: 對(duì)多數(shù)面心立方金屬來(lái)說(shuō), 降低溫度對(duì)屈服強(qiáng)度影響較小, 但卻使形變強(qiáng)化趨勢(shì)增大;II: 對(duì)體心立方金屬來(lái)說(shuō), 降低溫度其屈服強(qiáng)度顯著增大, 但對(duì)形變強(qiáng)化趨勢(shì)影響不大。溫度的影響溫度的影響含0.13% C的低碳鋼22頸縮現(xiàn)象和抗拉強(qiáng)度頸縮現(xiàn)象和抗拉強(qiáng)度頸縮頸縮: 在拉伸過(guò)程中, 金屬由均勻塑性變形階段過(guò)渡到不均勻集中塑性變形階段時(shí), 變形集中于

12、局部區(qū)域的現(xiàn)象,頸縮的起點(diǎn)就是外加載荷的最高點(diǎn), 即抗拉強(qiáng)度b。頸縮是均勻塑性變形和不均勻塑性變形二者取一的結(jié)果, 塑性變形產(chǎn)生兩個(gè)變化: 一是形變強(qiáng)化, 二是橫截面積減小。23頸縮判據(jù)頸縮判據(jù)nKS金屬在拉伸試驗(yàn)時(shí), 塑性變形是由一段段變形實(shí)現(xiàn)的, 每段變形由開(kāi)始、變形、停止、轉(zhuǎn)出完成的。如果某一段變形停不了, 轉(zhuǎn)不出, 這段就要發(fā)生集中塑性變形-頸縮。頸縮頸縮在拉伸曲線的b點(diǎn)開(kāi)始發(fā)生, 這點(diǎn)dF=0, 可以進(jìn)行下列推導(dǎo):nKAF24對(duì)上式進(jìn)行全微分, 并利用dF=0, 有01dnFdAAFdKAndAKdFnnAdAldld由于0AdAnFdAAF要使等式成立, 必有=n, 此時(shí)與n對(duì)應(yīng)的

13、為最大均勻變形量b。即應(yīng)變硬化指數(shù)在數(shù)值上等于能夠發(fā)生的最大均應(yīng)變硬化指數(shù)在數(shù)值上等于能夠發(fā)生的最大均勻變形量勻變形量。意味著材料在發(fā)生n值大小的均勻塑性變形后, 如果再加大變形量, 必然出現(xiàn)頸縮, 這就是頸縮判據(jù)頸縮判據(jù)。材料在加工過(guò)程中一次變形的均勻變形量不能大于n值。25抗拉強(qiáng)度是金屬試樣在拉伸過(guò)程中所能承受的最大拉伸應(yīng)力, 反應(yīng)金屬最大均勻塑性變形的抵抗力?？估瓘?qiáng)度抗拉強(qiáng)度Rm (b)對(duì)于不同性質(zhì)的材料, 抗拉強(qiáng)度有不同的內(nèi)涵：(1) 韌性金屬材料,b表示靜拉伸條件下的最大承載應(yīng)力;(2) 脆性金屬材料,b表示金屬的斷裂強(qiáng)度;(3) b大小取決于屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù), 抗拉強(qiáng)度主要取決于材料內(nèi)部