1、第五章,材料的形變和再結(jié)晶,主要內(nèi)容,1.彈性變形的本質(zhì)、特征、彈性模量等 2.單晶體、多晶體、合金的塑性變形 3.塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響 4.冷變形金屬在加熱時(shí)組織與性能的變化 5.回復(fù)與再結(jié)晶 6.晶粒長(zhǎng)大 7.再結(jié)晶退火與退火孿晶,3,金屬材料的鑄態(tài)組織存在的缺陷: 晶粒粗大; 組織不均勻(三晶區(qū)); 成分不均勻(偏析); 材質(zhì)不致密(疏松)等. 金屬材料冶煉澆注后,絕大多數(shù)要塑性變形后使用,少數(shù)鑄造后直接使用,如:機(jī)床床身、泵體、暖氣片等。,金屬材料經(jīng)壓力加工（塑變）后： 改變外形及尺寸；如：棒材、板材、型鋼； 組織變化，與組織有關(guān)的性能也發(fā)生變化；如：冷加工后，材料強(qiáng)度顯著提

2、高，塑性下降。經(jīng)鍛造后，強(qiáng)度提高不明顯，塑性、韌性大為改善。,材料受力后要發(fā)生變形，外力較小時(shí)產(chǎn)生彈性變形；外力較大時(shí)產(chǎn)生塑性變形，而當(dāng)外力過大時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂。 研究材料的變形規(guī)律及其微觀機(jī)制，分析了解各種內(nèi)外因素對(duì)變形的影響，研究冷變形材料在回復(fù)再結(jié)晶過程中組織、結(jié)構(gòu)和性能的變化規(guī)律，具有十分重要的理論和實(shí)際意義。,5,Compression （壓縮）,Tension (拉伸),Shear (剪切),Torsion (扭轉(zhuǎn)),材料受外力 F 作用后產(chǎn)生的 應(yīng)力： 應(yīng)變： F 載荷A0試樣的原始截面面積l0 試樣的原始長(zhǎng)度l 試樣變形后的長(zhǎng)度,在剪切變形的情況下，則有 切應(yīng)力： = F / A

3、o 切應(yīng)變： = tan ( 100 %) 應(yīng)變角；,扭轉(zhuǎn)變形情況與剪切相似 靜載：轉(zhuǎn)矩T； 應(yīng)變：轉(zhuǎn)角,6,拉伸實(shí)驗(yàn) Tensile Test,測(cè)試儀器,標(biāo)準(zhǔn)樣品,Fracture (斷裂),Tensile Strength (抗拉強(qiáng)度),Necking (頸縮),7,拉伸實(shí)驗(yàn) Tensile Test,Standard stress-strain curve of low-C steel,退火低碳鋼在拉伸力作用下的變形過程可分為 彈性變形 不均勻屈服塑性變形 均勻塑性變形 不均勻集中塑性變形四個(gè)階段。,將拉伸力伸長(zhǎng)曲線的縱、橫坐標(biāo)分別用拉伸試樣的原始截面積A0和原始標(biāo)距長(zhǎng)度L0去除，則得到

4、應(yīng)力應(yīng)變曲線。 彈性極限、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，是工程上具有重要意義的強(qiáng)度指標(biāo)。,10,10,1. Initial,2. Small load,3. Unload,Elastic means reversible!,Elastic Deformation（彈性變形）, = E,Hookes Law,11,11,1. Initial,2. Small load,3. Unload,Plastic means permanent!,Plastic Deformation（塑性變形）,第一節(jié) 彈性和黏彈性,材料在外力作用下發(fā)生變形。當(dāng)外力較小時(shí)，產(chǎn)生彈性變形。彈性變形是可逆變形，卸載時(shí)，變形消失并恢復(fù)

5、原狀。 彈性變形：指外力去除后能夠完全恢復(fù)的那部分變形，可從原子間結(jié)合力的角度來了解它的物理本質(zhì)。 彈性變形的實(shí)質(zhì)：晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。,一、彈性變形的本質(zhì),原子處于平衡位置時(shí)，相互作用力為零，這是最穩(wěn)定的狀態(tài)。 原子間距為r0，位能U處于最低位置，原子受力后將偏離其平衡位置，原子間距增大時(shí)將產(chǎn)生引力；原子間距減小時(shí)將產(chǎn)生斥力。 外力去除后，原子都恢復(fù)到原來的平衡位置，所產(chǎn)生的變形完全消失。,彈性變形本質(zhì)：,14,彈性變形的本質(zhì),FN = 0 平衡位置r0,attractive,repulsive,原子之間的作用力！,二、彈性變形的特征和彈性模量,式中，、分別為正應(yīng)力和切應(yīng)

6、力； 、分別為正應(yīng)變和切應(yīng)變； E，G分別為彈性模量和切變模量,（1）可逆性：理想的彈性變形是加載時(shí)變形，卸載時(shí)變形消失并恢復(fù)原狀。 彈性變形量比較小，一般不超過0.51。 （2）在彈性變形范圍內(nèi)，其應(yīng)力與應(yīng)變之間保持線性函數(shù)關(guān)系，即服從虎克(Hooke)定律：,彈性變形的特征,彈性模量是表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量，故是組織結(jié)構(gòu)不敏感參數(shù)。,式中，v為材料泊松比，表示側(cè)向收縮能力。一般金屬材料的泊松比在0.250.35之間。,彈性模量與切變彈性模量之間的關(guān)系為：,彈性模量代表著使原子離開平衡位置的難易程度，是表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量。,對(duì)晶體材料而言，其彈性模量是各向異性的。

7、在單晶體中，不同晶向上的彈性模量差別很大，沿著原子最密排的晶向彈性模量最高，而沿著原子排列最疏的晶向彈性模量最低。多晶體因各晶粒任意取向，總體呈各向同性。,彈性變形量隨材料的不同而異。多數(shù)金屬材料僅在低于比例極限的應(yīng)力范圍內(nèi)符合虎克定律，彈性變形量一般不超過0.5%。,在工程上，彈性模量是材料剛度的度量。,18,彈性模量與溫度、原子結(jié)合鍵類型的關(guān)系,三、 彈性的不完整性,多數(shù)材料為多晶體甚至為非晶態(tài)或者是兩者皆有的物質(zhì)，其內(nèi)部存在各種類型的缺陷。 彈性變形時(shí)，可能出現(xiàn)加載線與卸載線不重合、應(yīng)變的發(fā)展跟不上應(yīng)力的變化等有別于理想彈性變形特點(diǎn)的現(xiàn)象，稱之為彈性的不完整性。 彈性不完整性的現(xiàn)象包括

8、包申格效應(yīng) 彈性后效 彈性滯后 循環(huán)韌性,1包申格效應(yīng)（Bauschinger Effect),材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（小于4），而后同向加載則e升高，反向加載則e下降。此現(xiàn)象稱之為包申格效應(yīng)。 它是多晶體金屬材料的普遍現(xiàn)象。 包申格效應(yīng)對(duì)于承受應(yīng)變疲勞的工件很重要。,微觀本質(zhì) 預(yù)塑性變形，位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)、纏結(jié)； 同相加載，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力增加； 反向加載，位錯(cuò)被迫作反向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)容易，殘余伸 長(zhǎng)應(yīng)力降低。 包申格效應(yīng)的危害及防止方法 交變載荷情況下，顯示循環(huán)軟化（強(qiáng)度極限下降） 預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形，可不產(chǎn)生包申格效應(yīng)。 第二次反向受力前，先使金屬材料回復(fù)或再結(jié)晶退 火。

9、,2彈性后效,一些實(shí)際晶體，在彈性極限范圍內(nèi)，應(yīng)變滯后于外加應(yīng)力并和時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象稱為彈性后效或滯彈性。,ab=cd 滯彈性應(yīng)變,3.彈性滯后,由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，在-曲線上使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，稱之為彈性滯后。 彈性滯后表明加載時(shí)消耗于材料的變形功大于卸載時(shí)材料恢復(fù)所釋放的變形功，多余的部分被材料內(nèi)部所消耗，稱之為內(nèi)耗，其大小即用彈性滯后環(huán)面積度量。,彈性滯后環(huán),a)單向加載彈性滯后環(huán) (b)交變加載（加載速度慢）彈性滯后環(huán) c) 交變加載（加載速度快）彈性滯后環(huán) （d）交變加載塑性滯后環(huán),物理意義： 加載時(shí)消耗的變形功大于卸載時(shí)釋放的變形功?；鼐€面積為一個(gè)循環(huán)所消耗的不可

10、逆功。 這部分被金屬吸收的功，稱為內(nèi)耗。 循環(huán)韌性 若交變載荷中的最大應(yīng)力超過金屬的彈性極限，則可得到塑性滯后環(huán)。 金屬材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力，叫 循環(huán)韌性。 循環(huán)韌性又稱為消振性。 循環(huán)韌性不好測(cè)量，常用振動(dòng)振幅衰減的自然對(duì)數(shù)來 表示循環(huán)韌性的大小。 循環(huán)韌性的應(yīng)用 減振材料（機(jī)床床身、缸體等）； 樂器要求循環(huán)韌性小。,四、 黏彈性,除彈性變形、塑性變形外還有一種變形是黏性流動(dòng)。 黏性流動(dòng)：指非晶態(tài)固體和液體在很小外力作用下便會(huì)發(fā)生沒有確定形狀的流變，并且在外力去除后，形變不能回復(fù)。 一些非晶體，甚至多晶體，在比較小的應(yīng)力時(shí)可以同時(shí)表現(xiàn)出彈性和黏性，即黏彈性現(xiàn)象。,應(yīng)變落后于

11、應(yīng)力。當(dāng)加上周期應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線就成一回線，所包含的面積即為應(yīng)力循環(huán)一周所損耗的能量，即內(nèi)耗。 黏彈性變形是既與時(shí)間有關(guān)，又具有可恢復(fù)的彈性變形，即具有彈性和黏性變形量方面特征。 黏彈性變形是高分子材料的重要力學(xué)特性之一。,黏彈性變形的特點(diǎn),第二節(jié) 晶體的塑性變形,當(dāng)施加的應(yīng)力超過彈性極限時(shí)，材料發(fā)生塑性變形，即產(chǎn)生不可逆的永久變形。通過塑性變形，不但可使材料獲得預(yù)期的外形尺寸，而且可使材料內(nèi)部組織和性能產(chǎn)生變化。,29,屈服、屈服強(qiáng)度 Yield strength,30,屈服點(diǎn)確定,屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)于開始產(chǎn)生永久變形； 有些應(yīng)力-應(yīng)變曲線容易確定屈服區(qū)域（如A）； 有些應(yīng)力-應(yīng)變曲線不容易確定

12、屈服區(qū)域（如B）， 則采用0.002 偏移法來確定。,一、單晶體的塑性變形,單晶體塑性變形的兩個(gè)基本方式為滑移和孿生?；坪蛯\生都是切應(yīng)變，而且只有當(dāng)外加切應(yīng)力分量大于晶體的臨界分切應(yīng)力tc時(shí)才能開始。 其中，滑移是不均勻切變，孿生為均勻切變。 在常溫和低溫下，單晶體的塑性變形主要通過滑移方式進(jìn)行的，此外，還有孿生和扭折等方式。 擴(kuò)散性變形及晶界滑動(dòng)和移動(dòng)等方式主要存在于高溫形變中。,(1) 滑移,a滑移線與滑移帶,1. 單晶體的滑移,滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對(duì)位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。,由大量位錯(cuò)移

13、動(dòng)而導(dǎo)致晶體的一部分相對(duì)于另一部分，沿著一定晶面和晶向作相對(duì)的移動(dòng)，即晶體塑性變形的滑移機(jī)制。,滑移的顯微觀察,對(duì)滑移線的觀察表明：晶體塑性變形的不均勻性，滑移只是集中發(fā)生在一些晶面上，而滑移帶或滑移線之間的晶體層片則未產(chǎn)生變形，只是彼此之間作相對(duì)位移而已。,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,滑移帶：光學(xué)顯微鏡觀察到的塑變后單晶試樣表面形成的滑移條紋。 滑移線：組成滑移帶的平行線條。,35,滑移帶slip bands的形成 彈性變形外力克服單晶原子間的鍵合力，使原子偏離其平衡

14、位置，試樣開始伸長(zhǎng)。 晶面滑移當(dāng)外力大于屈服極限后，沿單晶的某一特定晶面原子產(chǎn)生相對(duì)滑移。隨應(yīng)力的增加，發(fā)生滑移的晶面增加，塑性變形量加大。,滑移帶的數(shù)目、寬度、帶間距離以及每條帶中的滑移線的數(shù)目隨金屬和合金的不同、變形溫度、變形速度及晶體表面狀況的不同而不同。 滑移帶觀察：試樣預(yù)先拋光（不腐蝕），進(jìn)行塑性變形，表面上出現(xiàn)一個(gè)個(gè)臺(tái)階，即滑移帶。,滑移變形是不均勻的，常集中在一部分晶面上，而處于各滑移帶之間的晶體沒有產(chǎn)生滑移。 滑移帶的發(fā)展過程，首先是出現(xiàn)細(xì)滑移線，后來才發(fā)展成帶，而且，滑移線的數(shù)目隨應(yīng)變程度的增大而增多，它們之間的距離則在縮短。,單晶體滑移特點(diǎn),不改變晶體的取向； 不改變晶體的

15、點(diǎn)陣類型； 在晶體表面產(chǎn)生臺(tái)階。,塑性變形時(shí)位錯(cuò)只沿著一定的晶面和晶向運(yùn)動(dòng)。這 些晶面和晶向分別稱為“滑移面”和“滑移方向” 滑移面：晶體的滑移通常是沿著一定的晶面發(fā)生的，此組晶面稱為滑移面； 滑移方向：滑移是沿著滑移面上一定的晶向進(jìn)行的，此晶向稱為滑移方向。 一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系 晶體結(jié)構(gòu)不同，其滑移面和滑移方向也不同。,b滑移系,38,Slip plane,Slip line,滑移的晶體學(xué) 滑移面 （密排面） 滑移方向（密排方向）,滑移系：一個(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向的組合。 滑移系的個(gè)數(shù)滑移面?zhèn)€數(shù)每個(gè)面上所具有的滑移方向的個(gè)數(shù),一般滑移系越多，塑性越好； 滑移

16、系數(shù)目與材料塑性的關(guān)系： 與滑移面密排程度和滑移方向個(gè)數(shù)和同時(shí)開動(dòng)滑移系數(shù)目有關(guān),39,滑移發(fā)生在晶體的密排面上，并沿密排方向進(jìn)行。,密排面的d最大，點(diǎn)陣阻力最小，最容易滑移,密排晶向原子間距最小，單位滑移量??； 相互作用力最大，滑移原子間距保持不變。,滑移系 slip systems,滑移系 = 滑移面 * 滑移方向,40,三種典型金屬晶格中的主要滑移系：,41,面心立方： 滑移面111 4個(gè)，滑移方向 3個(gè)，滑移系43=12個(gè),42,體心立方：,變形溫度為0.50.25Tm，滑移面為110（最可能的）；,變形溫度為0.25Tm，滑移面為112；,變形溫度為0.8Tm，滑移面為123。,滑移

17、方向?yàn)椤?110有6個(gè)，每個(gè)面上有2個(gè)方向，62=12 112有12個(gè)，每個(gè)面上有1個(gè)方向，121=12 123有24個(gè)，每個(gè)面上有1個(gè)方向，241=24,可能潛在的滑移系共有：12+12+24=48，其中只有前12個(gè)滑移系較普遍。,43,密排六方：,c/a1.633：滑移面00011個(gè)，滑移方向3個(gè)，滑移系13=3c/a1.633：滑移面1010和1011，滑移方向,由于hcp金屬滑移系數(shù)目較少，密排六方金屬的塑性通常 都不太好。,44,一些常見金屬滑移面與滑移方向,45,每個(gè)滑移系表示：金屬晶體在進(jìn)行滑移時(shí)可能采取的一個(gè)空間取向，在其它條件相同時(shí)，滑移系越多，滑移時(shí)可能采取的空間取向越多，

18、金屬的塑性越好。 滑移方向?qū)λ苄宰饔么笥诨泼妗?密排六方金屬塑性最差，面心立方金屬塑性最好，體心立方介于中間。 啟動(dòng)滑移系：開始發(fā)生滑移的滑移系； 潛在滑移系：沒有發(fā)生滑移的滑移系。,C . 滑移的臨界分切應(yīng)力,晶體的滑移是在切應(yīng)力作用下進(jìn)行的。 許多滑移系并非同時(shí)參與滑移，當(dāng)外力在某一滑移系中的分切應(yīng)力達(dá)到一定臨界值時(shí)，該滑移系首先發(fā)生滑移時(shí)的分切應(yīng)力稱為滑移的臨界分切應(yīng)力。 滑移的臨界分切應(yīng)力是一個(gè)真實(shí)反映單晶體受力起始屈服的物理量。其數(shù)值與晶體的類型、純度及溫度等因素有關(guān)，還與該晶體的加工和處理狀態(tài)、變形速度及滑移系類型等因素有關(guān)。,（1）設(shè)有一截面積為A的圓柱形單晶體受軸向拉力F的作

19、用， 為滑移面法線與外力F中心軸的夾角， 為滑移方向與外力F的夾角。,滑移面的面積為,作用在此滑移面上的應(yīng)力,滑移面法線與外力中心軸的夾角,外力在滑移方向的分切應(yīng)力,48,宏觀起始 拉伸應(yīng)力,取向因子 orientation factor,施密特因子 Schmid factor,滑移方向 與外力的夾角,應(yīng)力可分解為兩個(gè)分應(yīng)力：垂直于滑移面的分正應(yīng)力和平行于滑移面的分切應(yīng)力。分切應(yīng)力作用在滑移方向上，使晶體產(chǎn)生滑移，其大小為：,slip direction,slip direction,是材料常數(shù)，與晶體取向無關(guān)！其大小取決于位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力。 只有當(dāng)K時(shí)，才能開始滑移,49,臨界

20、分切應(yīng)力定律：晶體滑移時(shí)，必須在滑移面上沿滑移方向上的分切應(yīng)力達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，才能開始滑移。 看出：當(dāng)分切應(yīng)力達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，晶體便沿確定的滑移系發(fā)生滑移，與作用在該滑移系的正應(yīng)力無關(guān)。,S=K/ coscos,由于K與外力方向無關(guān)，則coscos改變時(shí)，相應(yīng)晶體發(fā)生塑性變形的屈服應(yīng)力也要改變。對(duì)于確定的晶體K是常數(shù)，單晶體的屈服應(yīng)力隨取向因子的變化而改變。,50,50,需要了解coscos的變化范圍：coscos=(1/2)sin2 當(dāng)=45，coscos=1/2，最大，最易滑移。把這樣的位向稱為“軟取向”。軟取向：取向因子較大的位向； 當(dāng)=0、90，coscos=0，=0，無論施加多大

21、外力也不能滑移。把這樣的位向稱為“硬取向”硬取向：取向因子較小的位向； 所以大于或小于45都不利滑移,d拉伸和壓縮時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng),（1）拉伸：?jiǎn)尉w滑移時(shí)，除滑移面發(fā)生相對(duì)位移外，往往伴隨著晶面的轉(zhuǎn)動(dòng),有約束時(shí)-導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng),無約束時(shí),分正應(yīng)力： 拉伸作用在中間一層金屬上下兩面的作用力可分為兩 個(gè)分應(yīng)力： 分正應(yīng)力1、2 垂直于滑移面，成力偶，使晶塊滑移面朝外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)。,分切應(yīng)力： 分切應(yīng)力與滑移方向不一致時(shí)，可分解為平行于滑移方向和垂直于滑移方向的兩個(gè)分力。 前一分力產(chǎn)生滑移，后一分力構(gòu)成力偶，使滑移方向轉(zhuǎn)至最大切應(yīng)力方向。 拉伸時(shí)，在產(chǎn)生滑移的過程中，晶體的位向在不斷改變，不僅滑移面在轉(zhuǎn)動(dòng)，

22、而且滑移方向也改變位向。,（2）壓縮 壓縮時(shí)晶體的滑移面， 力圖轉(zhuǎn)至與壓力方向 垂直的位置。,55,（1）對(duì)只有一組滑移面的晶體： 幾何軟化：使滑移系轉(zhuǎn)向容易滑移的軟取向。 幾何硬化：使滑移系轉(zhuǎn)向不容易滑移的硬取向，造成形變抗力增加。 （2）對(duì)有多組滑移面的晶體：多個(gè)滑移系滑移。,晶體轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果使和角發(fā)生變化，取向因子變化，導(dǎo)致：,e多系滑移,單滑移：只有一個(gè)特定的滑移系處于最有利的位置而優(yōu)先開動(dòng)時(shí)，形成單滑移。 有多組滑移系的晶體，滑移首先在取向最有利的滑移系中進(jìn)行，由于變形時(shí)晶面轉(zhuǎn)動(dòng)，另一組滑移面上的分切應(yīng)力也可能逐漸增加到足以發(fā)生滑移的臨界值以上，于是晶體的滑移就可能在兩組或更多的滑移面

23、上同時(shí)進(jìn)行或交替地進(jìn)行，從而產(chǎn)生多系滑移。 位錯(cuò)交互運(yùn)動(dòng)使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，材料得到強(qiáng)化,57,（1）滑移的分類 多滑移：在多個(gè)（2）滑移系上同時(shí)或交替進(jìn)行的滑移。 雙滑移： 單滑移： （2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸夾角分別相等的一組滑移系。,58,（3）. 交滑移 交滑移：晶體在兩個(gè)或多個(gè)不同滑移面上沿同一滑移方向進(jìn)行的滑移。 機(jī)制 螺位錯(cuò)的交滑移：螺位錯(cuò)從一個(gè)滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面的過程； 螺位錯(cuò)的雙交滑移：交滑移后的螺位錯(cuò)再轉(zhuǎn)回到原滑移面的過程。,f滑移的位錯(cuò)機(jī)制,晶體的滑移必須在一定的外力作用下才能發(fā)生，這說明位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)要克服阻力。 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力首先來自點(diǎn)陣

24、阻力。由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的周期性，當(dāng)位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)時(shí)，位錯(cuò)中心的能量也要發(fā)生周期性的變化。,位錯(cuò)滑移時(shí)核心能量的變化,1和2為等同位置，當(dāng)位錯(cuò)處于這種平衡位置時(shí)，其能量最小，相當(dāng)于處在能谷中。當(dāng)位錯(cuò)從位置1移動(dòng)到位置2時(shí)，需要越過一個(gè)勢(shì)壘，這就是說位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)遇到點(diǎn)陣阻力。由于派爾斯（Peierls）和納巴羅（Nabarro）首先估算了這一阻力，故又稱為派納（P-N）力。,60,滑移是通過滑移面上的位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。,滑移不是剛性滑動(dòng),派-納（P-N）力,式中，b為滑移方向上的原子間距，d為滑移面的面間距，為泊松比，W=d/(1-)代表位錯(cuò)寬度,位錯(cuò)寬度越大，則派一納力越小，這是因?yàn)槲诲e(cuò)寬度表

25、示了位錯(cuò)所導(dǎo)致的點(diǎn)陣嚴(yán)重畸變區(qū)的范圍寬度大則位錯(cuò)周圍的原子就能比較接近于平衡位置，點(diǎn)陣的彈性畸變能低，故位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)其他原子所作相應(yīng)移動(dòng)的距離較小，產(chǎn)生的阻力也較小。,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力與晶體的強(qiáng)化,點(diǎn)陣阻力； 位錯(cuò)與位錯(cuò)的交互作用產(chǎn)生的阻力； 運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)交截后形成的扭折和割階，尤其是螺型位錯(cuò)的割階將對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用，致使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增加； 位錯(cuò)與其他晶體缺陷如點(diǎn)缺陷，其他位錯(cuò)、晶界和第二相質(zhì)點(diǎn)等交互作用產(chǎn)生的阻力； 對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致晶體強(qiáng)化。,63,小 結(jié),滑移是不均勻的切變，發(fā)生在某些特定晶面和晶向上；,滑移使兩部分晶體產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，移動(dòng)距離為nb，滑 移之后總是保持著原來晶體學(xué)的一

26、致性；,滑移總是沿著一定的晶向和晶面進(jìn)行，滑移系比較多 的材料具有優(yōu)良的塑性；,滑移是在切應(yīng)力作用下進(jìn)行，分切應(yīng)力大于臨界分切 應(yīng)力才會(huì)發(fā)生；,滑移同時(shí)滑移面和滑移方向會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)；,滑移的實(shí)質(zhì)是位錯(cuò)沿著滑移面運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。,2. 單晶體的孿生,當(dāng)面心立方晶體在切應(yīng)力作用下發(fā)生孿生變形時(shí)，晶體內(nèi)局部地區(qū)的各個(gè)（111）晶面沿著 11-2方向（AC），產(chǎn)生彼此相對(duì)移動(dòng)距離為a/611-2的均勻切變。 這樣的切變并未使晶體的點(diǎn)陣類型發(fā)生變化，但它卻使均勻切變區(qū)中的晶體取向發(fā)生變更，變?yōu)榕c未切變區(qū)晶體呈鏡面對(duì)稱的取向。 這一變形過程稱為孿生。變形與未變形兩部分晶體合稱為孿晶； 均勻切變區(qū)與未切變區(qū)的分界

27、面（即兩者的鏡面對(duì)稱面）稱為孿晶界； 發(fā)生均勻切變的那組晶面稱為孿晶面（即（111）面）；孿生面的移動(dòng)方向（即 11-2方向）稱為孿生方向。,a.孿生變形過程,65,（1）孿生變形也是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，并通常出現(xiàn)于滑移受阻而引起的應(yīng)力集中區(qū)，因此，孿生所需的臨界切應(yīng)力要比滑移時(shí)大得多， 例如：99.999% Cd，滑移的臨界分切應(yīng)力為30g/mm2；孿生的臨界分切應(yīng)力為422g/mm2 （2）孿生是一種均勻切變，即切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平行的每一層原子面均相對(duì)于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距離，且每一層原子相對(duì)于孿生面的切變量跟它與孿生面的距離成正比。 （3）孿晶的兩部分晶體形成鏡面對(duì)稱的位

28、向關(guān)系。 （4）形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體（密排六方金屬很容易產(chǎn)生孿生變形），面心立方晶體中很難發(fā)生孿生。 （5）孿生本身對(duì)金屬塑性變形的貢獻(xiàn)不大，但形成的孿晶改變了晶體的位向，使新的滑移系開動(dòng)，間接對(duì)塑性變形有貢獻(xiàn)。 （6）不改變晶體的點(diǎn)陣類型,b.孿生特點(diǎn),67,（8）孿晶生長(zhǎng)要求通過基體的其它塑變方式（滑移、扭折）進(jìn)行協(xié)調(diào)。 （9）孿生時(shí)可以聽到聲音，并在應(yīng)力應(yīng)變曲線上出現(xiàn)鋸齒狀的波動(dòng)。 （10）孿生對(duì)總變形量貢獻(xiàn)不大（提供710%）。但孿生是滑移的補(bǔ)充，當(dāng)滑移不能進(jìn)行時(shí)，孿生改變晶體取向，使滑移繼續(xù)。,（7）孿晶為條帶狀（可以是平直的、透鏡狀），可以平行，也可以交成一定角度。

29、,金屬鋅在拉伸中形成的孿晶,c孿晶的形成,在晶體中形成孿晶的主要方式有三種： 一是通過機(jī)械變形而產(chǎn)生的孿晶，也稱為“變形孿晶”或“機(jī)械孿晶”，它的特征通常呈透鏡狀或片狀； 其二為“生長(zhǎng)孿晶”，它包括晶體自氣態(tài)（如氣相沉積）、液態(tài)（液相凝固）或固體中長(zhǎng)大時(shí)形成的孿晶； 其三是變形金屬在其再結(jié)晶退火過程中形成的孿晶，也稱為“退火孿晶”，它往往以相互平行的孿晶面為界橫貫整個(gè)晶粒，是在再結(jié)晶過程中通過堆垛層錯(cuò)的生長(zhǎng)形成的。它實(shí)際上也應(yīng)屬于生長(zhǎng)孿晶，系從固體中生長(zhǎng)過程中形成。,(a) 退火孿晶示意圖 (b)純銅的退火孿晶,71,密排六方金屬滑移系少，容易進(jìn)行孿生變形。 體心立方室溫只有在沖擊載荷下發(fā)生孿

30、生變形。在室溫以下由于滑移不易進(jìn)行，可以孿生方式變形。 面心立方在極低溫度（4-78K）下，滑移極為困難時(shí)產(chǎn)生 -滑移難以進(jìn)行時(shí)才發(fā)生孿生。,發(fā)生孿生變形的條件,孿晶的萌生一般需要較大的應(yīng)力，但隨后長(zhǎng)大所需的應(yīng)力較小，其拉伸曲線呈鋸齒狀。孿晶核心大多是在晶體局部高應(yīng)力區(qū)形成。變形孿晶一般呈片狀。變形孿晶經(jīng)常以爆發(fā)方式形成，生成速率較快。,73,fcc：111 bcc: 112,hcp:1012,不同晶體結(jié)構(gòu)往往有不同孿生面和孿生方向：,變形孿晶的生長(zhǎng)大致可分為,形核 長(zhǎng)大,兩個(gè)階段,行的條件下才會(huì)發(fā)生。例如，Mg孿生所需cMPa, 而滑移時(shí)c僅為0.49MPa。但孿晶的長(zhǎng)大速度極快（與沖 擊波

31、的速度相當(dāng)）有相當(dāng)數(shù)量的能量被釋放出來，故?？?聽見明顯可聞“咔、嚓”聲，也稱孿生吼叫。,孿生臨界切應(yīng)力比滑移的大得多，只有在滑移很難進(jìn),74,75,d.孿生的位錯(cuò)機(jī)制,由于孿生變形時(shí)整個(gè)孿晶區(qū)發(fā)生均勻切變，故其各層晶面的相對(duì)位移是借助一個(gè)不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而造成的。,單位位錯(cuò),伯氏矢量等于單位點(diǎn)陣矢量,全位錯(cuò),伯氏矢量等于點(diǎn)陣矢量或其整數(shù)倍的位錯(cuò),不全位錯(cuò),伯氏矢量不等于點(diǎn)陣矢量整數(shù)倍的位錯(cuò),部分位錯(cuò),伯氏矢量小于點(diǎn) 陣矢量的位錯(cuò),肖克利不全位錯(cuò),76,以面心立方晶體為例：,如在某111滑移面上有一個(gè)全位錯(cuò)a/2掃過，則滑移面兩側(cè)將產(chǎn)生一個(gè)原子間距的相對(duì)滑移量，并且111面堆垛次序不變（ABCAB

32、CABC）；而當(dāng)在相互平行且相鄰的一組111滑移面上有一個(gè)不全位錯(cuò)掃過時(shí)，各滑移面間相對(duì)位移就不是一個(gè)原子間距，由于晶面發(fā)生層錯(cuò)而使堆垛順序由原來的ABCABCABC變?yōu)锳BCACBACB，這樣就在晶體的上半部分形成一片孿晶。,77,位錯(cuò)增殖極軸機(jī)制：,如圖OA，OB，OC三條位錯(cuò)相交于結(jié)點(diǎn)O，OA，OB不在滑移面上，屬于不動(dòng)位錯(cuò)(極軸位錯(cuò))，OC為可動(dòng)的不全位錯(cuò)（掃動(dòng)位錯(cuò)），且只能繞極軸轉(zhuǎn)動(dòng)，每當(dāng)它在（111）面上掃過一圈，就產(chǎn)生一個(gè)單原子層孿晶，同時(shí)又沿著螺旋面上升一層，這樣不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，上述過程逐層地重復(fù)進(jìn)行，就在晶體中形成一個(gè)孿晶區(qū)。,78,通過單純孿生達(dá)到的變形量是極為有限的，如Zn單晶

33、，孿 生只能獲得7.27.4伸長(zhǎng)率，遠(yuǎn)小于滑移所作的貢獻(xiàn)。但 是孿生變形改變了晶體的位向，從而可使晶體處于更有利 于發(fā)生滑移的位置，激發(fā)進(jìn)一步的滑移，獲得很大變形 量，故間接貢獻(xiàn)卻很大。 孿生的機(jī)制：孿生時(shí)每層晶面的位置是借助一個(gè)不全位錯(cuò) （肖克萊）的移動(dòng)而成的，是借助位錯(cuò)增殖的極軸機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。,d. 孿生形變的意義,為了使晶體的形狀與外力相適應(yīng)，當(dāng)外力超過某一臨界值時(shí)晶體將會(huì)產(chǎn)生局部彎曲，這種變形方式稱為扭折，變形區(qū)域則稱為扭折帶。 扭折變形與孿生不同，它使扭折區(qū)晶體的取向發(fā)生了不對(duì)稱性的變化。 扭折是一種協(xié)調(diào)性變形，它能引起應(yīng)力松弛，使晶體不致斷裂。,3. 單晶體的扭折,扭折帶組成： 扭

34、折曲區(qū)ADCB：有清晰的界面，上下界面有符號(hào)相反的兩列刃位錯(cuò)組成；彎曲區(qū)在折曲區(qū)的兩側(cè)：由同號(hào)刃位錯(cuò)堆積而成，取向逐漸過渡且左右兩側(cè)的位錯(cuò)符號(hào)相反。,扭折區(qū)晶體的位向發(fā)生了不對(duì)稱的變化，有可能使該區(qū)內(nèi)的滑移系處于有利取向，從而產(chǎn)生滑移。 扭折也是晶體松弛應(yīng)力的方式之一。,81,多晶體形變的特點(diǎn) 不同于單晶；每一晶粒的 取向“軟”和“硬”不同，形 變先后及形變量也不同。 為保持整體的連續(xù)性， 每個(gè)晶粒的形變必受 相鄰晶粒所制約。,空洞,重疊,二、多晶體的塑性變形,多晶體與單晶體比較： 相鄰各晶粒之間存在晶界；相鄰晶粒位向不同。 多晶體塑變： 每個(gè)晶粒變形基本方式同單晶體； 有特殊性。,（1）取向

35、差效應(yīng)：由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。,1. 影響多晶體塑性變形的因素,多晶體變形要受到晶界和相鄰不同位向晶粒的約束。周圍晶粒同時(shí)發(fā)生相適應(yīng)的變形來配合。一般多晶體為多系滑移，高的加工硬化率，變形抗力增大，強(qiáng)度顯著提高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線無只出現(xiàn)、階段。,83,外力F作用下,變形不均勻,為保持連續(xù)性，周圍晶粒變形必須相互制約，相互協(xié)調(diào),處于有利取向晶粒先開始滑移 處于不利取向晶粒還末開始滑移,分切應(yīng)力滑

36、移分正應(yīng)力晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)， 軟取向硬取向；,每個(gè)晶粒的變形必須與周圍的晶粒相互協(xié)調(diào)，自身需要多個(gè)滑移系同時(shí)滑移，協(xié)調(diào)變形，保持晶體連續(xù)性。每個(gè)晶粒除了要有自身的主滑移外，還需要其它滑移系(5個(gè))啟動(dòng)以協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形。,參與滑移變形的晶粒越來越多，宏觀上處于均勻變形階段。,滑移傳遞需激發(fā)相鄰晶粒位錯(cuò)源開動(dòng)；,84,晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性 （1）原因：各晶粒之間，位向不同變形具有非同時(shí)性。 （2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會(huì)導(dǎo)致晶體分裂） （3）條件：多晶體塑性變形時(shí)要求至少有5個(gè)獨(dú)立的滑移系進(jìn)行滑移動(dòng)。（保證晶粒形狀的自由變化）,fcc, bcc 滑移系多塑性好 hcp 滑移系少塑

37、性差,（2）晶界阻滯效應(yīng)：90%以上的晶界是大角度晶界，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由約幾個(gè)納米厚的原子排列紊亂的區(qū)域與原子排列較整齊的區(qū)域交替相間而成，這種晶界本身使滑移受阻而不易直接傳到相鄰晶粒。,86,多晶體金屬的塑性變形過程,首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45的晶粒。 當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開動(dòng)，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。,形成亞晶（位錯(cuò)胞）： 各晶粒不能同時(shí)變形，各晶粒的變形量不同，且同一個(gè)晶粒內(nèi)的不同區(qū)域有不同的滑移系開動(dòng)，其滑移量、旋轉(zhuǎn)方向和彎曲

38、程度不同。結(jié)果，晶粒的形狀改變的同時(shí)，晶粒也逐漸碎化形成亞晶，就是由位錯(cuò)纏結(jié)作為胞壁所形成的形變胞,88,多晶體試樣經(jīng)拉伸后，每一晶粒中的滑移帶都終止在晶界附近； 在變形過程中位錯(cuò)難以通過晶界被堵塞在晶界附近； 這種在晶界附近產(chǎn)生的位錯(cuò)塞積群會(huì)對(duì)晶內(nèi)的位錯(cuò)源產(chǎn)生一反作用力。此反作用力隨位錯(cuò)塞積的數(shù)目n而增大； 當(dāng)它增大到某一數(shù)值時(shí)，可使位錯(cuò)源停止開動(dòng)。使晶體顯著強(qiáng)化。 因此，對(duì)多晶體而言，外加應(yīng)力必須大至足以激發(fā)大量晶粒中的位錯(cuò)源動(dòng)作，產(chǎn)生滑移，才能覺察到宏觀的塑性變形。,0為作用于滑移面上外加分切應(yīng)力；L為位錯(cuò)源至晶界之距離；k為系數(shù)，螺位錯(cuò)k=1，刃位錯(cuò)k=1-v。,位錯(cuò)塞積數(shù)目,90,需

39、要注意幾點(diǎn),晶界本身的強(qiáng)度對(duì)多晶體加工硬化的貢獻(xiàn)并不是很大，主要來源于晶界兩側(cè)晶粒的位相差； 晶界的阻礙作用只在早期比較大，與位錯(cuò)密度有關(guān)； 晶界阻礙作用大小與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，密排六方滑移系少，所以晶界阻礙作用比面心立方和體心立方明顯。,三、晶粒大小對(duì)機(jī)械性能的影響,1晶粒大小對(duì)金屬室溫機(jī)械性能的影響 晶粒越細(xì)，室溫強(qiáng)度，包括s，b較大，塑性較好，稱為細(xì)晶強(qiáng)化。 例：10#鋼s與晶粒大小的關(guān)系 Hall-Petch公式：S=0+Kd-1/2 0，K ：材料常數(shù) 大量實(shí)驗(yàn)表明，Hall-Petch公式不僅適用于屈服強(qiáng)度，同時(shí)也適用于塑性材料流變應(yīng)力，脆性材料脆斷應(yīng)力，及金屬材料的疲勞強(qiáng)度等整個(gè)

40、流變范圍以至斷裂強(qiáng)度。,93,常溫下晶粒越細(xì)小，屈服強(qiáng)度越高，塑性越好。,晶粒細(xì)小，位錯(cuò)源到晶界的距離小，發(fā)放的位錯(cuò)數(shù)目少，附加的切應(yīng)力小，不易激發(fā)相鄰位錯(cuò)源開動(dòng)，滑移不易轉(zhuǎn)到另一晶粒，屈服強(qiáng)度高。,晶粒越細(xì)小，屈服強(qiáng)度越高的原因：,94,（1）晶粒越細(xì)小，晶內(nèi)與晶界變形差異小，變形均勻，應(yīng)力集中小，不易開裂； （2）晶粒越細(xì)小，單位面積晶粒數(shù)多，有利于變形的取向多； （3）晶粒越細(xì)小，晶界多且曲折，不利于裂紋的傳播。 ,當(dāng)應(yīng)力大于屈服極限開始變形時(shí)，晶粒細(xì)小，在開裂前承受的變形量大，塑性好。,晶粒越細(xì)小，塑性越高的原因：,所以，細(xì)晶強(qiáng)化是提高性能的途徑之一。,2晶粒大小對(duì)高溫強(qiáng)度的影響,低溫

41、時(shí)：晶界強(qiáng)度晶內(nèi)強(qiáng)度 加上晶界兩側(cè)晶粒位向差影響 晶界對(duì)滑移有阻滯作用,高溫時(shí)則不同，有兩種不同的變形機(jī)制： （1）晶粒沿晶界滑動(dòng)（晶界滑動(dòng)機(jī)制） 當(dāng)T Tm/2時(shí)，以晶粒沿晶界的相對(duì)滑移方式進(jìn)行 T擴(kuò)散能力，且原子沿晶界擴(kuò)散速率 沿晶內(nèi)的。 故高溫時(shí)晶界似流體一樣，呈現(xiàn)粘滯性變形抗力 沿晶界滑移 （2）擴(kuò)散性蠕變機(jī)制 蠕變：在一定t C（300 C ）下，當(dāng)應(yīng)力大于某一值時(shí)，即使外力不再增加，而塑性變形隨時(shí)間延長(zhǎng)而會(huì)緩慢地增加現(xiàn)象。,晶界薄弱地帶,96,ABCD為多晶體中一晶粒， AB、CD晶界受拉，在其 附近易于產(chǎn)生空位，空位 濃度較高，AC、BD受壓，空位濃度較低。 存在空位濃度梯度導(dǎo)致

42、空位向AC、BD定向移動(dòng)，原子向AB、CD定向移動(dòng)，從而使晶粒沿拉伸方向伸長(zhǎng)，即使在恒應(yīng)力情況下，隨時(shí)間延長(zhǎng)也會(huì)不斷發(fā)生應(yīng)變擴(kuò)散性蠕變,擴(kuò)散 空位,蠕變與,有關(guān),97,TTE：晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)，晶粒越細(xì)小，晶界越多，材料的強(qiáng)度越低。希望高溫下使用的金屬材料獲得粗大的晶粒，以減少晶界。,多晶體材料溫度和強(qiáng)度關(guān)系：,金屬材料晶界、晶內(nèi)強(qiáng)度與溫度關(guān)系,(a) 低溫；(b)高溫,多晶拉伸,98,第三節(jié) 合金的塑性變形,一、單相固溶體合金塑性變形的特點(diǎn) 1固溶強(qiáng)化,單相固溶體合金組織與純金屬相同，其塑性變形過程也與多晶體純金屬相似。但隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱固溶強(qiáng)化。,

43、99,曲線整體水平提高； 加工硬化率大； 溶質(zhì)原子不同，強(qiáng)化效果不同。,可以看出：,100,影響固溶強(qiáng)化的因素, 固溶體中溶質(zhì)原子的含量； 溶質(zhì)原子與基體金屬的原子半徑相差越大，強(qiáng)化作用也越大；, 間隙型溶質(zhì)原子比置換型溶質(zhì)原子具有更大的固溶強(qiáng)化效果，且由于間隙型溶質(zhì)原子在體心立方晶體中的點(diǎn)陣畸變屬非對(duì)稱性的，故其強(qiáng)化作用大于面心立方晶體的，但間隙原子的固溶度很有限，故實(shí)際強(qiáng)化效果也有限； 溶質(zhì)原子與基體金屬的價(jià)電 子數(shù)相差越大，固溶強(qiáng)化作用 越顯著，即固溶體的屈服強(qiáng)度 隨合金電子濃度的增加而提高。,晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),101,固溶強(qiáng)化的機(jī)制： 彈性交互作用 化學(xué)交互作用 電交互作用 幾何

44、交互作用,102,彈性交互作用：,位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)與溶質(zhì)原子的應(yīng)力場(chǎng)交互作用，使溶質(zhì)原子圍繞位錯(cuò)形成溶質(zhì)原子聚集區(qū)柯氏氣團(tuán)。位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)必須掙脫氣團(tuán)的釘扎，或拖著氣團(tuán)一起行動(dòng)，因此阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。,在位錯(cuò)線附近存在溶質(zhì)原子偏聚，位錯(cuò)的滑移受到約束和釘扎作用，塑性變形難度增加，金屬材料的強(qiáng)度增加。,103,鈴木作用溶質(zhì)原子與擴(kuò)展位錯(cuò)的化學(xué)交互作用，使溶質(zhì)原子在堆垛層錯(cuò)區(qū)的偏聚。 擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，堆垛層錯(cuò)必須跟著運(yùn)動(dòng)，由于層錯(cuò)內(nèi)外溶質(zhì)原子濃度不同，增加了擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。 當(dāng)其它位錯(cuò)與擴(kuò)展位錯(cuò)相交時(shí)，溶質(zhì)原子在堆垛層錯(cuò)區(qū)的偏聚，增加層錯(cuò)寬度，擴(kuò)展位錯(cuò)難以束集，不易交滑移，提高合金強(qiáng)度。,

45、化學(xué)交互作用：,104,位錯(cuò)周圍畸變區(qū)對(duì)固溶體中電子云分布產(chǎn)生影響。由于位錯(cuò)區(qū)應(yīng)力狀態(tài)不同，溶質(zhì)原子的額外電子從點(diǎn)陣的壓縮區(qū)移向拉伸區(qū)。使得壓縮區(qū)呈正電，拉伸區(qū)呈負(fù)電，形成局部靜電偶極。導(dǎo)致電離程度不同的溶質(zhì)原子與位錯(cuò)區(qū)發(fā)生短程的交互作用，使溶質(zhì)原子或富集在拉伸區(qū)或富集在壓縮區(qū)。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。,靜電交互作用：,105,幾何交互作用：,固溶體中溶質(zhì)原子并非完全無序，而是存在某種短程有序或偏聚。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑移面上下兩個(gè)原子面間的短程有序或偏聚受到破壞，引起自由能升高，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙。,強(qiáng)化機(jī)制,晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；,柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化。,2屈服點(diǎn)現(xiàn)象 試樣開始屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為上屈服點(diǎn) 載

46、荷首次降低的最低載荷或不變載荷稱為下屈服點(diǎn)； 試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)，應(yīng)力保持為定值或有微小的波動(dòng)，在拉伸曲線上出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力平臺(tái)區(qū)，試樣在此恒定應(yīng)力下的伸長(zhǎng)稱為屈服伸長(zhǎng)(屈服平臺(tái))。,（1）與金屬中微量的溶質(zhì)原子有關(guān)。 溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生彈性交互作用，形成氣團(tuán)（cottrell氣團(tuán)，柯氏氣團(tuán)）釘扎位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，必須在更大的應(yīng)力作用下才能產(chǎn)生新的位錯(cuò)或使位錯(cuò)脫釘，表現(xiàn)為上屈服點(diǎn)； 一旦脫釘，使位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力就不需開始時(shí)那么大，故應(yīng)力值下降到下屈服點(diǎn)，試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)，應(yīng)力保持為定值或有微少的波動(dòng)。,屈服現(xiàn)象的解釋,通常把圍繞位錯(cuò)而形成的溶質(zhì)原子聚集物，稱為“柯氏氣團(tuán)”，它可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化

47、效應(yīng)。,（2） 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與增殖的結(jié)果。 應(yīng)變速率 mbv 其中： ：應(yīng)變速率，可通過試驗(yàn)機(jī)人為控制成固定不變的速度 m ：位錯(cuò)密度，b：柏氏矢量 而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度v=(/0)m 其中： 0 ：位錯(cuò)作單位速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的應(yīng)力 m：應(yīng)力敏感指數(shù)， ：外加有效應(yīng)力 開始變形時(shí)，m低，欲使應(yīng)變速率固定，需要較大的v值，故需要較高的應(yīng)力 ，表現(xiàn)為上屈服點(diǎn)；一旦塑性變形開始后，位錯(cuò)迅速增殖，m 增加，必然導(dǎo)致v的突然下降（為保持應(yīng)變速率固定），所以所需的應(yīng)力突然下降，產(chǎn)生了屈服現(xiàn)象。 產(chǎn)生屈服點(diǎn)現(xiàn)象還與材料的m值有關(guān)， m小的材料，如Ge，Si，LiF，F(xiàn)e等出現(xiàn)顯著的上下屈服點(diǎn)。,無位錯(cuò)的Cu晶須、低位錯(cuò)

48、密度的共價(jià)鍵晶體Si、Ge及離子晶體也有 不連續(xù)的屈服現(xiàn)象。,3應(yīng)變時(shí)效 -將低碳鋼試樣拉伸到產(chǎn)生少量預(yù)塑性變形后卸載，然后重新加載，試樣不發(fā)生屈服現(xiàn)象； -但若產(chǎn)生一定量的塑性變形后卸載，在室溫停留幾天或在低溫（如150）時(shí)效幾小時(shí)后再進(jìn)行拉伸，此時(shí)屈服點(diǎn)現(xiàn)象重新出現(xiàn)，并且上屈服點(diǎn)升高，這種現(xiàn)象即應(yīng)變時(shí)效,室溫長(zhǎng)期停留或低溫時(shí)效期間，溶質(zhì)原子C、N又聚集到位錯(cuò)線周圍重新形成柯氏氣團(tuán)所致。,呂德斯帶 在發(fā)生屈服延伸階段，試樣的應(yīng)變是不均勻的， 在試樣表面可觀察到與縱軸約呈45 交角的應(yīng)變痕跡，稱為呂德斯（Lders）帶。 呂德斯帶會(huì)造成拉伸和深沖過程中工件表面不平整。 注意：呂德斯帶不是滑移帶

49、,解決由于呂德斯帶造成的工件表面不平整的措施 A.加入少量能奪取固溶體合金中的溶質(zhì)原子，使之形成穩(wěn)定化合物的元素。 B板材在深沖之前進(jìn)行比屈服伸長(zhǎng)范圍稍大的預(yù)變形（約0.5%2%變形度），使位錯(cuò)掙脫氣團(tuán)的釘扎，然后盡快進(jìn)行深沖。,當(dāng)退火低碳鋼薄板進(jìn)行沖壓時(shí)，其應(yīng)力一旦接近屈服點(diǎn)，變形就會(huì)首先在應(yīng)力集中的區(qū)域開始，并立即出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，應(yīng)力下降。 在這一應(yīng)力作用下，變形在這個(gè)區(qū)域可以繼續(xù)進(jìn)行到一定程度，這時(shí)在變形區(qū)和未變形區(qū)的交界處會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中和屈服，使得變形區(qū)逐漸向未變形區(qū)擴(kuò)展。但是，在離變形區(qū)較遠(yuǎn)的地方，仍然不會(huì)發(fā)生變形，于是就形成了狹窄的條狀區(qū)，即呂德斯帶,二、復(fù)相合金的塑性變形,主

50、要變形方式仍然是滑移與孿生。 結(jié)構(gòu)：基體+第二相 通常按第二相粒子的尺寸將合金分成兩大類： 如果第二相粒子尺寸與基體晶粒尺寸屬同一數(shù)量級(jí)，稱為聚合型； 如果第二相粒子十分細(xì)小，并且彌散地分布在基體晶粒內(nèi)，稱為彌散分布型。,(1)如果兩個(gè)相都具有塑性，則合金的變形決定于兩相的體積分?jǐn)?shù)。 等應(yīng)變理論 假定塑性變形過程中兩相應(yīng)變相等。 合金產(chǎn)生一定應(yīng)變的平均流變應(yīng)力 a = f11 + f22 ： 等應(yīng)力理論 假定塑性變形過程中兩相應(yīng)力相同。 對(duì)合金施加一定應(yīng)力時(shí)，平均應(yīng)變 a= f11+f22 其中：f1、f2為兩個(gè)相的體積分?jǐn)?shù) 1,2為對(duì)應(yīng)應(yīng)力下兩相的應(yīng)變1,2為對(duì)應(yīng)應(yīng)變時(shí)的流變應(yīng)力,1聚合型兩

51、相合金的塑性變形,113,實(shí)際上，這兩種假設(shè)都不完全正確。形變過程中各晶粒中的 形變已是極不均勻的，第二相的存在更加大了這種不均勻性， 所以，第一種應(yīng)變相同的假設(shè)與實(shí)際不符； 按第二種應(yīng)力相同的假設(shè)，兩相間應(yīng)變必不連續(xù)分布，則在 界面處會(huì)出現(xiàn)裂縫，這也是和實(shí)際不符。 實(shí)際情況是，形變總是從較弱的相開始，隨著形變量的增加， 在某些界面處的應(yīng)力集中導(dǎo)致較硬的相形變。在形變過程要 求跨過相界面的應(yīng)力和應(yīng)變都要保持連續(xù)性。只有第二相為 硬相，且分?jǐn)?shù)大于30%的時(shí)候才能起到明顯的強(qiáng)化作用。,（2）如果兩相中一個(gè)是塑性相，而另一個(gè)是硬脆相時(shí)，則合金的機(jī)械性能主要取決于硬脆相的存在情況。,第二相呈連續(xù)網(wǎng)狀分

52、布在晶界上： 強(qiáng)度下降，塑性也很低。 原因：割裂了基體的連續(xù)性，晶粒變形受阻，導(dǎo)致 很大的應(yīng)力集中，造成過早斷裂。 第二相呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界上： 有一定的塑性和強(qiáng)度，但也降低塑性。,第二相呈孤立的粒子分布在基體上： 強(qiáng)度較低，塑性好。原因：在相同體 積分?jǐn)?shù)時(shí)，球的直徑大，位錯(cuò)線與球 體粒子交會(huì)的機(jī)會(huì)少。 第二相以片狀分布在基體上： 增加了變形抗力，而且片間距越小， 強(qiáng)度越高，塑性不降低。,115,1.2%C過共析鋼,0.77%C共析鋼,1.4%C過共析鋼,例：高C鋼中碳化物，共析鋼（0.8%C） =780MN/m2 過共析鋼（1.2%C） =700MN/m2 及銅中的少量Bi，鎳合金中的S，

53、均為薄膜狀在晶界，可在銅中加入稀土，鎳中加入微量Mg,2彌散分布型兩相合金的塑性變形,當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布在基體相中時(shí)，將產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用，通常將微粒分成不可變形的和可變形的兩類。 (1) 不可變形微粒的強(qiáng)化作用奧羅萬機(jī)制（位錯(cuò)繞過機(jī)制） 適用于第二相粒子較硬并與基體界面為非共格的情形。位錯(cuò)線饒過粒子后留下位錯(cuò)環(huán)：增加了第二相粒子的有效尺寸，減小了粒子間距；位錯(cuò)環(huán)給予位錯(cuò)源一反向作用力，繼續(xù)變形需增大應(yīng)力。,彌散分布型兩相合金的塑性變形奧羅萬機(jī)制（位錯(cuò)繞過機(jī)制） 使位錯(cuò)線彎曲到曲率半徑為R時(shí)，所需的切應(yīng)力為 =Gb/(2R) 設(shè)顆粒間距為， 則=Gb/ ， Rmin=/2 只有當(dāng)

54、外力大于Gb/ 時(shí)，位錯(cuò)線才能繞過粒子。 減小粒子尺寸(在同樣的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，粒子越小則粒子間距也越小)或提高粒子的體積分?jǐn)?shù)，都使合金的強(qiáng)度提高。,強(qiáng)化效果與粒子體積分?jǐn)?shù)f、粒子半徑r的關(guān)系：,粒子體積分?jǐn)?shù)f一定，粒子半徑r 越小，強(qiáng)化效果增大。 粒子半徑r一定，粒子體積分?jǐn)?shù)f越多，強(qiáng)化效果增大。,顆粒釘扎作用的電鏡照片,含銅鋼中時(shí)效析出的顆粒,（2）可變形微粒的強(qiáng)化作用切割機(jī)制 適用于第二相粒子較軟并與基體共格的情形。,可變形微粒的強(qiáng)化作用切割機(jī)制 強(qiáng)化作用主要決定于粒子本身的性質(zhì)以及其與基體的聯(lián)系，主要有以下幾方面的作用： A位錯(cuò)切過粒子后產(chǎn)生新的界面，提高了界面能。 B. 若共格的粒子是一

55、種有序結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)切過之后，沿滑移面產(chǎn)生反相疇，使位錯(cuò)切過粒子時(shí)需要附加應(yīng)力。 C由于粒子的點(diǎn)陣常數(shù)、比體積與基體不一樣，粒子周圍產(chǎn)生共格畸變，存在彈性應(yīng)變場(chǎng)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。 D由于粒子的層錯(cuò)能與基體的不同，擴(kuò)展位錯(cuò)切過粒子時(shí)，其寬度會(huì)產(chǎn)生變化，引起能量升高，從而強(qiáng)化。 E 由于基體和粒子中滑移面的取向不一致，螺型位錯(cuò)線切過粒子時(shí)必然產(chǎn)生一割階，而割階會(huì)妨礙整個(gè)位錯(cuò)線的移動(dòng)。 在實(shí)際合金中，起主要作用的往往是12種。 增大粒子尺寸或增加體積分?jǐn)?shù)有利于提高強(qiáng)度。,122,強(qiáng)化效果與粒子體積分?jǐn)?shù)f、粒子半徑r的關(guān)系：,粒子體積分?jǐn)?shù)f一定，粒子半徑r越大，強(qiáng)化效果增大。 粒子半徑r一定，粒子體積分?jǐn)?shù)f

56、越多，強(qiáng)化效果增大。,實(shí)線是優(yōu)先發(fā)生的過程。 -切過或繞過機(jī)制。 交叉點(diǎn)為強(qiáng)度增量達(dá)最大值。,第四節(jié) 金屬塑性變形后的組織與性能,一、組織的變化 顯微組織：晶粒內(nèi)出現(xiàn)大量的滑移帶，進(jìn)行了孿生變形的金屬還出現(xiàn)孿晶帶。,200X,(a) 正火態(tài),(b) 變形40%,(c) 變形80%,當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀，晶界變得模糊不清。,2. 亞結(jié)構(gòu)胞狀組織,1、位錯(cuò)密度升高： 由變形前退火態(tài)的106107/cm2增至10111012/cm2。 2、位錯(cuò)分布變化： （1）在形變量較小或形變量大但層錯(cuò)能低的合金中 由于擴(kuò)展位錯(cuò)寬，可動(dòng)性差，位錯(cuò)較分散而均勻地形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)； （2）在形變量大而層

57、錯(cuò)能高的合金中 由于擴(kuò)展位錯(cuò)窄，易交滑移，位錯(cuò)的可動(dòng)性好，位錯(cuò)形成位錯(cuò)纏結(jié)或形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。,30% plastic deformation 50% plastic deformation,變形量位錯(cuò)纏結(jié)位錯(cuò)胞 (大量位錯(cuò)纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯(cuò)密度低),胞狀組織的形成與下列因素有關(guān)： 變形量 變形量越大，胞的數(shù)量增多，尺寸減小，跨越胞壁的平均取向差也逐漸增加。 材料類型 層錯(cuò)能高的金屬（如Al、Fe）等，當(dāng)變形程度較高時(shí)，出現(xiàn)明顯的胞狀組織；低層錯(cuò)能金屬，不易形成位錯(cuò)纏結(jié)，冷變形后的胞狀組織不明顯。,二、加工硬化,1定義：金屬經(jīng)冷加工變形后，其強(qiáng)度、硬度增加、塑性降低。 2單晶體的典型加工硬化曲

58、線： 曲線的斜率=d/d稱為“加工硬化速率”,I. 易滑移階段：發(fā)生單滑移，位錯(cuò)移動(dòng)和增殖所遇到的阻力很小，I很低，約為10-4G數(shù)量級(jí)。 II. 線性硬化階段：發(fā)生多系滑移，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，II遠(yuǎn)大于I約為G/300，并接近于一常數(shù)。 III. 拋物線硬化階段：與位錯(cuò)的多滑移過程有關(guān)，III隨應(yīng)變?cè)黾佣档?，?yīng)力應(yīng)變曲線變?yōu)閽佄锞€。,3影響單晶體加工硬化曲線的因素,(1)晶體結(jié)構(gòu)： 單晶體中：面心立方的加工硬化率大（易于多系滑移，位錯(cuò)互相阻礙）；密排六方的小。多晶體的加工硬化率大于單晶體。,129,（2）變形速率和變形溫度 塑變產(chǎn)生加工硬化，溫度升高，原子熱激活會(huì)發(fā)生軟化。變形溫度高，加工硬化

59、率低；變形速率大，加工硬化率高。,130,（3）溶質(zhì)原子 加入溶質(zhì)原子增大加工硬化率。 原因： 降低層錯(cuò)能，擴(kuò)展位錯(cuò)不易交滑移； 溶質(zhì)原子的應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)交互作用，改變位錯(cuò)類型，阻礙交滑移； 阻礙回復(fù)進(jìn)行（不易軟化）。,不同Mg含量溶入鋁后的應(yīng)力應(yīng)變曲線,合金元素對(duì)銅單晶臨界切應(yīng)力的影響,131,（4）晶粒大小 細(xì)晶粒金屬加工硬化率大于粗晶粒。,4多晶體的加工硬化 a.其應(yīng)力-應(yīng)變曲線不出現(xiàn)第一階段，且加工硬化率明顯高于單晶體。,b.細(xì)晶粒的加工硬化率一般大于粗晶粒金屬,鋁的應(yīng)力應(yīng)變曲線與晶粒大小的關(guān)系1-0.034mm 2-0.088mm 3-0.24mm 4-0.54mm,c.合金比純金屬的加工硬化率要高，溶質(zhì)原子的加入，在大多數(shù)情況下增大加工硬化率。,Al-Mg合金中Mg含量對(duì)加工硬化的影響 1-3.228%Mg 2-1.617 %Mg 3-1.097 %Mg 4-0.544 %Mg 5-0 %Mg,5加工