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浅谈金属塑性变形中的滑移与孪生
关闭窗口】【浏览次数: 】【发布日期:2017-06-26 10:43】【编辑:东莞市联顺金属材料有限企业】【来源:】

当作用在材料上应力超过弹性极限,也就是超过屈服点时,就会发生塑性变形。由此产生的塑性变形是永久的,不能通过简单消除引起变形的应力来恢复。应用于材料屈服的能量消耗主要用于产生材料的位错滑移和/或孪生。这里需要注意一点,材料的位错滑移和孪生有时候同时进行,在材料加工的情况下,重要的是要理解所涉及的塑性变形。

大型锻件,高温塑性变形

 

两个主要塑性变形机制,即滑移和孪生。滑移是金属塑性变形的主要机制。它包括沿一定的晶面滑移,称为滑移面。它类似于一副牌,当一张牌从一端被推动时。当剪切应力超过临界值时就会发生滑移。

刃型位错运动

 

 

以滑移的方式发生塑性变形,通常沿着紧密堆积的晶格平面上进行,位错运动的能量需求被最小化。晶体内部的滑移一直进行到位错线到达晶体的末端,从而产生一个可见的台阶,称为滑移带。滑动是渐进的,一步一步地进行,这样晶体结构一直保持不变。对于大多数金属,密排面是(111);因此,滑移带通常发生在应力轴线45度方向。一般滑移面是原子密度最大的平面,滑移方向是滑移面内的密排方向。

 

体心立方金属晶格中的密排面

 

在孪生的情况下,晶格结构确实发生了变化。孪生是一种扭曲的晶格在孪晶界创建镜像的晶体结构。在孪生过程中,原子只移动了原子间距的一小部分;由于许多原子的同时翻转,晶格中的宏观变化可以观察到,有时甚至可以听到!

 

发生孪生的部分晶体是母晶体的镜像,对称平面称为孪晶界,孪生变形的重要作用在于它使平面方向的变化,可以使滑移进一步进行。

铜中的孪晶

 

金属强化机理,对于单相金属:晶粒细化、固溶合金化、应变硬化。多相金属材料:沉淀硬化、弥散硬化、纤维加固、马氏体强化。

 

应变硬化或加工硬化:在韧性金属越来越困难时,塑性变形称为应变硬化或加工硬化。应变硬化强度可以通过应变硬化指数定义,它是一个提高金属应变硬化能力的方法。对于一定量的塑性应变,n值越高,应变硬化就越大。升高的温度降低了应变硬化的速率,因此通常在低于材料熔点的温度下进行处理。因此,这种加工方法也称为冷加工。

 

典型金属材料的拉伸曲线

 

应变硬化材料的结果是提高了强度和硬度,但材料的延展性会降低。在制造过程中应变硬化主要用于提高金属的机械性能。除了机械性能外,材料的物理性能在冷加工过程中也会发生变化。通常有轻微的密度下降,导电率明显下降,热膨胀系数小,化学反应性增加(耐腐蚀性降低)。

 

固溶强化:杂质原子在单相材料中产生晶格应变,可以钉扎位错。这种强化的有效性取决于两个因素:溶质的体积差和体积分数。

 

溶质原子以多种方式与位错相互作用:弹性交互作用、模量交互作用、堆垛层错交互作用、电子交互作用、短程有序交互作用、长程有序交互作用。弹性,模量,和长程有序相互作用是长程的,对温度比较敏感,一直持续到0.6Tm

 

弥散强化:在弥散强化中,硬质颗粒与基体粉末混合,用粉末冶金技术进行固结和加工。第二阶段在基体中的溶解性很小,即使在高温下也是如此。位错通过嵌入外来粒子的基体运动,既可以穿过粒子,也可以绕着粒子弯曲。对于小的颗粒来说切割粒子是比较容易的,这些小的粒子可以被看作是固溶原子。有效强化是在弯曲过程中实现的。

 

纤维强化:第二相材料也可以以纤维的形式引入基体并使基体获得强化。前提是作为纤维的引入物必须具有高强度和/或高的比强度。纤维通常具有高强度和高模量,而基体必须具有韧性以及与纤维之间的非反应性。纤维可以长的连续的也可以是不连、聚合物。纤维增强材料是一类重要的复合材料。

碳纤维增强铝合金作车身

 

超塑性:超塑性是变形晶体固体材料在张力作用下产生巨大的应变,有时甚至超过1000%。这种现象得益于材料抵抗局部变形的能力,就像热玻璃一样。材料的超塑性能,可用于形成的形状非常接近最终尺寸的复杂构件。

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