Lecture8-金属的物理屈服和形变强化.ppt

* * * 形变强化: 金属材料在室温下屈服后, 必须不断增大 载荷, 塑性变形才能继续进行, 这种现象称为形变强化 (加工硬化、应变硬化); 金属预先变形量越大, 屈服强度 提高的幅度越大, 这也是形变强化。 形变强化的本质是位错增殖和运动受阻的结果。 Lecture 8--金属的物理屈服和形变强化 * 金属的物理屈服现象与机理 金属的形变强化 影响形变强化的因素 金属的颈缩现象和抗拉强度 本讲内容提要 * 金属的物理屈服 金属的物理屈服现象 在应力-应变曲线上出现应力不增加, 时而有所降低, 而 变形仍在继续进行的现象, 称为物理屈服现象。 * 金属的应变时效 对于出现物理屈服的金属，在 均匀塑性变形阶段卸载后，把 试件在100-200℃下回火2h， 再加载，则屈服强度升高，且 又出现物理屈服现象，称之为 应变时效。 应变时效时, 屈服强度会大幅增加, 而塑性指标大幅 降低, 脆性转变温度Tk上升, 冷脆出现, 危害大。 * 金属的蓝脆 物理屈服现象的锯齿形应力-应变曲线在一定条件会在 塑性变形的整个过程中不间断。 如一般低碳钢在200-300℃拉伸, 会出现这个现象, 它是 金属蓝脆的一个重要标志之一。 金属的蓝脆 * 物理屈服机制 低碳钢的物理屈服现象可以用位错理论说明，位错受 间隙原子钉扎形成柯氏气团，阻碍位错的运动。 柯氏气团: 铁素体中的间隙C、N原子聚集在位错线的周围，与刃型位错交互作用，形成的气团称为柯氏气团，位错被气团钉扎，运动受阻。 初始状态下可动位错密度很低，要使位错运动, 须提高外力克服柯氏气团的阻碍，这就是上屈服点。位错源开动摆脱柯氏气团钉扎后，材料塑性变形速率快速提高，由于变形的作用，应力又下降，形成下屈服点。 * 物理屈服为何在塑性变形后不再出现? 加热时效后物理屈服现象为何再次出现？ 预先塑性变形全部破坏了柯氏气团, 所以物理屈服现象不再出现; 但如果卸载后加热时效, C(N)原子又会扩散至刃位错周围形成柯氏气团, 第二次加载开始屈服变形时, 就需要重新克服柯氏气团作用, 再次出现物理屈服。由于第二次加载时位错密度较上一次高, 弹性极限升高, 故屈服平台较上次应力水平高。 在200-300℃出现蓝脆, 锯齿形应力-应变, 是由于塑性使柯氏气团消失, 而200-300℃的加热又使柯氏气团出现, 这样周而复始, 就形成锯齿状应力-应变曲线。 * 物理屈服的危害 物理屈服实际上使这一段塑性变形失去加工硬化和均匀变形效果, 冲压件很容易产生皱褶和制耳; 应变时效和蓝脆会改变材料的力学性能, 一般为屈服强度升高, 而塑性指标(ψ, Ak, KIC等) 下降, 脆性转变温度Tk升高, 易于出现冷脆断裂, 严重损害使用性能。 消除方法 对于应变时效, 采用预先塑性变形, 越过物理屈服平台再加工成型, 检查成型后的力学性能; 对于蓝脆, 需采用相应的热处理避开这一危害。 * 金属的形变强化 金属材料在室温下屈服后，必须不断增大外部应力，塑性变形才能继续进行，说明屈服塑性变形后，金属内部出现一种阻止继续塑性变形的能力，这种现象称为应变硬化（加工硬化、形变强化）。 金属预先变形量越大，屈服强度提高幅度越大，这种现象也是形变强化，其本质是位错增殖和运动受阻结果。 * 单晶体的变形曲线 第I阶段形变强化系数θ1较小, 为10-4G数量级。 单晶体的形变强化曲线 第I阶段: 易滑移阶段，最易滑移的滑移系发生滑移, 这一阶段位错运动阻力较小, 仅发生单系滑移。 * 形变强化速率大,θII≈G/300, 变形曲线为直线, 多个滑移系被开动, 产生多系交叉滑移, 形成割阶、固定位错和胞状结构等障碍, 阻碍位错运动, 表现为形变强化速率升高. 单晶体的变形曲线 第II阶段：线性强化阶段 第III阶段：抛物线强化阶段 强化曲线呈抛物线状, θIII随变形增加而减少。对于那些容易交滑移的晶体, 如BCC金属和层错能高的FCC等, 其第II阶段很短, 位错滑移快速进入第III阶段。 * 面心立方（铜） 体心立方（铌） 密排六方（镁） 单晶金属加工硬化曲线 a e d c b f g 1、面心立方金属形变强化能力大于其它结构金属； 2、随应变增大，面心立方金属经历初期弱的形变强化阶段后，发生强的形变强化，随后形变强化能力减弱； 3、体心立方金属和密排六方金属初始弱形变强化阶段长度大于面心立方金属。 三种单晶体金属的应力应变曲线 * 多晶体金属的形变强化 多晶体是由无数任意排列的单晶体组成, 位错开始滑移 即塞满滑移面, 造成应力集中, 从而开动其他滑移面的 滑移。故多晶体塑性变形一开始就是多系交叉滑移, 即 单晶体形变强化的第II阶段, 形变强化指数θ多＞＞θ单, 这是由于晶界使大量位错被阻塞, 第III阶段