6.4多晶體的塑性變形一、晶界對塑性變形的影響晶界:多晶體是許多取向不同的小單晶體即晶粒組成的，晶粒和晶粒之間的過渡區(qū)域。將多晶鐵分別在室溫和高溫進行拉伸試驗。在室溫拉伸時，靠近晶界處試樣直徑變化比較小，遠離晶界處則直徑顯著減小，在高溫下，晶界處試樣顯著變細(xì).經(jīng)拉伸后晶界處呈竹節(jié)狀晶界強度與溫度關(guān)系：

低溫或室溫下，晶界強而晶粒本身弱；高溫情況則相反。晶界與晶粒相對強度是隨溫度變化而變化的。等強溫度：晶粒本身和晶界的強度相等的溫度。下圖定性地給出晶界和晶粒的強度隨溫度的變化，并標(biāo)出等強溫度Teq。Teq和形變速率有關(guān)，形變速率越高，晶界越強，而晶粒的強度與形變速率關(guān)系不大，因而Teq升高。

等溫強度示意圖晶界的作用1.阻礙作用。拉伸試樣變形后在晶界處呈竹節(jié)狀，每個晶粒中的滑移帶均終止于晶界附近，晶界附近位錯塞積。位錯塞積，材料強度提高。2.協(xié)調(diào)作用。晶界正是起著相鄰晶粒的變形的作用。由于協(xié)調(diào)變形的要求，在晶界處變形必須連續(xù)，也就是說兩個相鄰晶粒在晶界處的變形必須相同。

自身晶粒中的形變在多個滑移系中進行。任何變形可用6個應(yīng)變量εxx，εyy，εzz，εxy，εxz，εyz來描述。塑性變形時，體積不變，εxx＋εyy＋εzz

=0，有5個獨立的應(yīng)變分量。這5個獨立的應(yīng)變分量的應(yīng)變要近鄰相協(xié)調(diào)的話，必須至少有5個獨立的滑移系。Fcc,bcc,hcp協(xié)調(diào)變形：多晶體的屈服點：

3．促進作用在高溫在變形時，由于晶界比晶粒弱，故除了晶粒內(nèi)滑移，相鄰兩個晶粒還會沿著晶界發(fā)生相對滑移，此稱為晶界滑動。晶界滑動了也造成晶體宏觀塑性變形，但變形量遠遠小于滑移和孿生引起的塑性變形。4．起裂作用一方面，由于晶界阻礙滑移，此處由于位錯塞積而引起應(yīng)力集中，另一方面，材料中的雜質(zhì)和第二相往往優(yōu)先分布于晶界，使晶界變脆。這樣一來，在變形過程中裂紋往往起源于晶界。此外，由于晶界處缺陷多，原子處于能量較高的不穩(wěn)定狀態(tài)，在腐蝕介質(zhì)作用下，晶界往往優(yōu)先被腐蝕形成微裂紋。二、多晶體塑性變形的特點

多晶體中的每一個晶?；谱冃蔚囊?guī)律與單晶體相同，但由于多晶體中存在著晶界，各晶粒的取向也各不相同，因而其塑性變形不同于單晶體，具有以下特點：（1）各晶粒不能同時變形。（2）多滑移。（3）各晶粒的變形不均勻。多晶體中晶粒取向三、晶粒度對性能的影響晶粒度就是指晶粒的大小。晶粒越細(xì)，阻礙滑移的晶界越多，屈服強度也就越高。

（稱為細(xì)晶強化，grainsizestrenthing）

其σs與d關(guān)系如下(Hall－Petchequation)：

σs=σ0＋kd-1/2位錯塞積來解釋：低碳鋼的σs與晶粒直徑的關(guān)系鋅的單晶和多晶的拉伸曲線由上圖鋅的拉伸曲線可以看出：比較：同一材料多晶體的強度高，但塑性較低。單晶塑性高。原因：多晶中各個晶粒的取向不同。在外力作用下，某些晶粒的滑移面處于有利的位向，受到大于σc的切應(yīng)力，位錯開始滑移。當(dāng)相鄰晶粒處于不利位向，不能開動滑移系時，則變形晶粒中的位錯不能越過晶粒晶界，而是塞積在晶界附近。所以這個晶粒的變形便受到約束，整個多晶的變形困難得多。結(jié)果：只有加大外力，才能使那些滑移面位向不利的晶粒逐漸加入滑移，結(jié)果多晶試樣強度上升，塑性下降。

6.5合金的塑性變形合金分類：單相固溶體合金多相合金合金的塑性變形：單相固溶體合金塑性變形多相合金塑性變形一.單相固溶體合金塑性變形溶質(zhì)原子的作用主要表現(xiàn)在固溶強化(Solid—solutionStrenthening)作用，提高塑性變形抗力。

1.

固溶強化

固溶強化：固溶體合金的σ－ε曲線：由于溶質(zhì)原子加入使σs和整個σ－ε曲線的水平提高。影響固溶強化的因素：①溶質(zhì)原子類型及濃度。②溶質(zhì)原子與基體金屬的原子尺寸差。相差大時強化作用大（圖）。③間隙型溶質(zhì)原子比置換型溶原子固溶強化效果好。④溶質(zhì)原子與基體金屬價電子數(shù)差。價電子數(shù)差越大，強化作用大。固溶強化的實質(zhì)是溶質(zhì)原子與位錯的彈性交互作用、化學(xué)交互作用和靜電交互作用。鐵的固溶強化與錯配度的關(guān)系Cu-Ni固溶體的力學(xué)性能與成分的關(guān)系幾種合金對銅屈服強度的影響

Cu與Zn,Ni,Al,Sn,Si,Be原子半徑的比較：鋅和鎳的原子半徑差別不大，故強化效果不大。而錫和銅原子半徑差值的百分比達18.1%，Cu-Sn合金稱為錫青銅，Cu-Zn合金稱為黃銅,Cu-Ni合金稱為白銅，故錫青銅的強度比黃銅白銅高。原子尺寸小的元素Be,Si的強化效果比尺寸大的元素Sn,Al更大。由圖中所給出的規(guī)律說明固溶強化時，原子尺寸影響是很重要的。合金元素對銅屈服強度的影響2.屈服現(xiàn)象與應(yīng)變時效低碳鋼的σ－ε曲線上屈服點：σyu

下屈服點：σyl

呂德斯帶：在預(yù)先拋光的拉伸試樣上，可以看到與外力成一定角度的變形條紋。

屈服現(xiàn)象：具有明顯的屈服點（明確的彈性—塑性變形分界點）和塑性流動現(xiàn)象。屈服平臺：呂德斯帶的延伸和擴展過程，屈服平臺之后產(chǎn)生明顯的加工硬化。屈服平臺的長短和鋼中的碳含量有關(guān)，隨著含碳量的增加，平臺淅短至消失。

典型的拉伸曲線(a)FCC,CPH及大部分金屬(b)BCC金屬原因：（1）柯氏（Cottrell）氣團及柯氏氣團理論：柯氏氣團釘扎位錯。（2）位錯增殖理論:間隙原子并不是產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的必要條件。晶體開始變形之后，即引起大量的位錯增殖，比如通過雙交滑移的增殖方式，當(dāng)大量位錯增殖后，在維持一定的應(yīng)變速率時，流變應(yīng)力就要降低，這就造成屈服。

應(yīng)變時效:低碳鋼經(jīng)過少量的預(yù)變形可以不出現(xiàn)明顯的屈服點，如圖中2線（卸載后立刻加載的情況），但如果變形后在室溫下放置一較長時間或低溫經(jīng)過短時加熱，再進行拉伸實驗，則屈服點又復(fù)出現(xiàn)，且屈服應(yīng)力提高（圖中3）。這種現(xiàn)象就叫應(yīng)變時效。

低碳鋼的拉伸試驗1—預(yù)塑性變形；2—去載后立即再行加載；3—去載后放置一段時間或在200℃加熱后再加載多相合金的基本相為固溶體。第二相是用來強化的一種重要方式，它可以通相變熱處理[沉淀強化（precipitationstrengthening）、時效強化（agehardening）]或粉末冶金法[彌散強化]來獲得。根據(jù)第二相粒子的尺寸大小可將合金分為：(1)聚合型兩相合金(兩相尺寸、性能相近)(2)彌散分布型兩相合金(兩相尺寸、性能相差很大)二.多相合金的塑性變形1.聚合型合金的塑性變形（1）若兩相都有塑性,合金的變形能力取決與兩相的體積分?jǐn)?shù)。可按照等應(yīng)力(變)理論來計算合金在一定應(yīng)變條件下的平均應(yīng)力和在一定條件下的平均應(yīng)變，則由混合律計算得：

σ=χAσA+χBσB

ε=χAεA＋χBεB

（2）如果聚合型合金兩相中一個為塑性相，一個為硬脆相，則合金在塑性變形過程所表現(xiàn)的性能與第二相的相對含量有關(guān)，還與第二相的形狀、大小、分布有關(guān)。討論：(1)若硬脆相呈連續(xù)分布在塑性相(基體)晶界上，則經(jīng)少量變形后會發(fā)生沿晶脆斷。脆性相越多，網(wǎng)狀越連續(xù)，塑性越差。如過共析鋼中二次Fe3C呈網(wǎng)狀分布于鐵素體晶界上。(2)若硬脆相呈層片狀分布在基體相中，由于變形主要集中在基體相中，且位錯移動被限制在很短距離內(nèi)，增加了繼續(xù)變形的阻力，使其強度提高。如鋼中的片狀P由片狀α和片狀Fe3C相間組成。(3)若硬脆相呈粒狀分布于基體中，因基體相連續(xù)，第二相對基體變形的阻礙作用大大減弱，具有強度和塑性的配合。如：粒狀P中Fe3C呈顆粒分布，鋼具有良好的綜合力學(xué)性能。2.彌散分布型合金的塑性變形（1）不可變形粒子（2）可變形粒子

（1）不可變形粒子的強化作用如圖

，結(jié)果在粒子周圍留下位錯環(huán)，而其余部分則越過粒子繼續(xù)運動。位錯線彎曲繞過第二相粒子所需要的切應(yīng)力為：

τ=Gb/LL—第二相粒子間距這是一臨界值，只有外加切應(yīng)力大于上述臨界值時，位錯線才能繞過去。因此，τ∝1/L，粒子越多,L越小，τ大.強化效果愈明顯。減小粒子尺寸或提高粒子的體積分?jǐn)?shù)都可以合金強度提高。理論計算λ小到20~50個原子間距時，強化效果最佳。Orowan機制位錯繞過第二相粒子的示意圖例題：圖表示Al-Cu(wCu4%)合金在淬火并經(jīng)150℃時效時屈服強度隨時間的變化。求該合金在時效達到最高強度時的第二相平均距離。解：根據(jù)線張力：(2)可變形微粒的強化作用

可變形粒子的合金中位錯運動與粒子相遇時切過機制，即第二相粒子在位錯切過粒子時隨同基體一起變形。其強化作用取決于粒子本身的性質(zhì)及粒子與基體的聯(lián)系?？勺冃瘟Ｗ拥闹饕饔糜幸韵聨追矫妫?位錯切過粒子時,粒子產(chǎn)生寬度為b的臺階，出現(xiàn)了新的表面積，界面能升高。2第二相粒子與基體點陣不同，晶格常數(shù)也不同，位錯切過粒子時，引起滑移面上原子錯排，需要做功，給位錯運動帶來困難。3沉淀相顆粒的共格應(yīng)力場與位錯的應(yīng)力場之間產(chǎn)生彈性交互作用，阻礙位錯運動。4位錯切過后產(chǎn)生一割階，阻礙位錯運動。5當(dāng)顆粒的彈性切變模量高于基體時，位錯進入沉淀相便增大位錯自身的彈性畸變能，引起位錯和線張力變大，位錯運動遇到更大的阻力。位錯行為DislocationBehavior材料強化的方法：（1）加工硬化：由于位錯塞積、纏結(jié)及其相互作用，阻止位錯的進一步運動。（2）細(xì)晶強化：晶界上的原子排列不規(guī)則，且雜質(zhì)缺陷多，能量較高，阻礙位錯的通過，且晶粒細(xì)小時，變形均勻，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生和傳播。（3）固溶強化：位錯與溶質(zhì)相互作用，即柯氏氣團阻礙位錯運動。（4）彌散強化：由于位錯繞過、切過第二相粒子，需要增加額外的能量（如表面能或錯排能），同時，粒子周圍的彈性應(yīng)力場與位錯產(chǎn)生交互作用，阻礙位錯運動。6.6塑性變形對材料組織和性能的影響塑性變形對材料組織和性能的影響主要表現(xiàn)在以下方面：顯微組織變化，包括晶粒形狀的變化、亞結(jié)構(gòu)的變化、形變織構(gòu)性能的變化，包括加工硬化、力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能經(jīng)塑性變形后材料的顯微組織（microstructure）變化如下：1.晶粒形狀的變化（1）出現(xiàn)了大量的滑移帶和孿晶帶（2）晶粒形狀發(fā)生了變化。隨變形度增大，等軸狀晶?！馄骄Я！w維組織（fibermicrostructure）。纖維組織分布方向是材料流變伸展方向。材料順著纖維方向強度較高，而垂直纖維方向的強度較低，產(chǎn)生了性能上的各向異性。（3）當(dāng)金屬中組織不均勻，如有枝晶偏析或夾雜物時，塑性變形使這些區(qū)域伸長，這在后序的熱加工或熱處理過程中會出現(xiàn)帶狀組織（bandmicrostructure）。一、顯微組織變化低碳鋼性變形后纖維組織

a)30%壓縮b)50%壓縮2.形變織構(gòu)

(1)形變織構(gòu)（deformationtexture）：由于晶體的轉(zhuǎn)動使各個晶粒的取向趨于一致，即晶粒在空間上的擇優(yōu)取向（preferredorientation）（2）類型及特征

a絲織構(gòu)（fiber/wiretexture）及特征：用<uvw>表示

b

板織構(gòu)（rollingtexture）及特征：用｛hkl｝<uvw>表示形變織構(gòu)二、塑性變形后金屬性能的變化

1、加工硬化現(xiàn)象在金屬塑性形變進行的時候，隨著應(yīng)變的增加，金屬的形變抗力不斷增加，這就是加工硬化。θ=dτ/dε

θ稱為硬化率。根據(jù)硬化率的行為可將曲線分為三個階段：(1)第一階段是易滑移階段，硬化系數(shù)θⅠ非常小，只有一個滑移系開動，為單滑移過程。此段接近于直線，其斜率

（

或

）即加工硬化率低，一般

為～10-4G數(shù)量級（G為材料的切變模量）。(2)第二階段第二個滑移系開動——多滑移，也稱線性硬化階段：θⅡ大，也是常數(shù)，隨著應(yīng)變量增加，應(yīng)力線性增長，此段也呈直線，且斜率較大，加工硬化十分顯著，(3)第三階段θⅢ不斷下降，大量的滑移帶形成。

單晶體的切應(yīng)力一應(yīng)變曲線，顯示塑性變形的三個階段

上述三個階段加工硬化與其塑性變形不同過程中位錯的運動及交互作用有關(guān).Ⅰ.只有一組取向最有利的滑移系開動，位錯無干擾，可移動的距離長并可到表面，位錯源產(chǎn)生新位錯，應(yīng)變較大，硬化率低。Ⅱ.多滑移、位錯相互作用，形成位錯纏結(jié)或塞積，阻止位錯運動，σ↑，加工硬化速率提高。Ⅲ.螺位錯交滑移，異號位錯可相互抵消，ρ↓，加工硬化速率下降。金屬流變應(yīng)力σb與ρ（位錯密度）之間的關(guān)系為：

σb=αGbρ?或τ=τ0+αGbρ?實際各晶體的加工硬化曲線因其晶代表結(jié)構(gòu)類型、取向、雜質(zhì)含量及溫度等因素的不同而有所變化。其情況如下：(1)fcc和bcc顯示出典型的三個階段硬化；(2)hcp初始階段與fcc相近，但hcp第一階段遠遠超過了fcc和bcc；(3)當(dāng)bcc含有雜質(zhì)原子，因雜質(zhì)原子與位錯交互作用，將產(chǎn)生屈服現(xiàn)象并使曲線發(fā)生變化。塑性變形過程中位錯密度的