1、1,陳 康 敏,江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2009年01月,材料的變形與斷裂,2,第一篇 材料的變形,3,第三章 材料的塑性變形,4,一、單晶體金屬的塑性變形,5,塑性變形,當(dāng)材料所受應(yīng)力超過彈性極限后，開始發(fā)生不可逆的永久變形，又稱塑性變形。 塑性變形：對金屬材料組織和性能有顯著的影響。 材料的強度和塑性是兩個重要的力學(xué)性能，它決定了零構(gòu)件的使用性能和加工成形的工藝性能。,了解塑性變形的本質(zhì)、特點，宏觀及微觀組織變化規(guī)律， 有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，正確確定各種加工工藝。,6,一、單晶體金屬的塑性變形,單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。 正應(yīng)力：只能引起彈性變形及解理

2、斷裂。 只有在切應(yīng)力的作用下，金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。,金屬材料常見的塑性變形方式：滑移和孿生兩種。,7,一、滑移變形,1、滑移現(xiàn)象： 表面經(jīng)拋光的金屬單晶體在拉伸時，當(dāng)應(yīng)力超過屈服強度時，在表面會出現(xiàn)一些與應(yīng)力軸成一定角度的平行細(xì)線。 在顯微鏡下，此平行細(xì)線是一些較大的臺階（滑移帶）。 滑移帶：又是由許多小臺階組成，此小臺階稱為滑移線。,鈷單晶形變時的滑移,8,塑性變形的方式和特點,滑移：指晶體的一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對于另一部分發(fā)生滑動的現(xiàn)象。,9,2、滑移系 金屬材料在切應(yīng)力作用下，沿滑移面和滑移方向進行的切變過程。 滑移面：面間距最大原子最密排晶面。 滑移方

3、向：原子最密排的方向。 一個滑移面與其上的一個滑移方向組成一個滑移系。 滑移系越多，金屬的塑性越好，但并不是唯一因素。 金屬的塑性還受溫度、成分和預(yù)先變形程度等的影響。,10,滑移系,3、晶體的主要滑移系： 隨其晶體點陣的不同而異。 1）面心立方（fcc）金屬： 滑移面為111，共有 4 組； 滑移方向為，每個滑移面上包含 3 個滑移方向。 共有43=12個 滑移系。,11,2）體心立方（bcc）金屬： 滑移面：為110晶面族，共有 6 個面； 滑移方向：為晶向族（立方體對角線）；每個滑移面上有2個滑移方向，共有62=12 滑移系。,12,bcc金屬的滑移系：除110晶面族外，也可為112和1

4、23晶面族，此三種滑移面及其共同的滑移方向的組合，總共有48個可能的滑移系。 bcc金屬滑移系雖較多（為fcc 4 倍多），但其滑移面原子密排程度不如 fcc ，滑移方向數(shù)目也較少，故其塑性不如fcc金屬好。,此外，fcc晶體派-納力要低的多，從而其內(nèi)位錯較易滑移。,13,3）密排六方（hcp）金屬：情況較為復(fù)雜 其滑移面和三個滑移方向常因具體金屬的晶格常數(shù)（c/a）和溫度不同而發(fā)生變化。 通常，只有一個滑移面（0001）和三個滑移方向 ，共有13 = 3個滑移系，如鎂、鋅、鈷等。,密排六方金屬滑移系少，滑移過程中，可能采取的空間位向少，故塑性差。,14,4、滑移變形的特點 ： 1）滑移只能在

5、切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力。,15,2）滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。 因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。,沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。 通常是晶體中的密排面和密排方向。,面心立方晶格金屬中不同晶面的面間距 （紙面為（100）面，所示晶面垂直于紙面）,16,3）一個滑移面和其上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系。 滑移系越多，金屬發(fā)生滑移可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I比滑移面更大。 因而金屬的塑性，fccbcchcp 。,17,典型材料的滑移系：,18,4）滑移時，晶體兩部分

6、的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍。 滑移結(jié)果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。,銅拉伸試樣表面滑移帶,19,5）滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動 晶體發(fā)生塑變時，常伴隨取向改變。 若無夾頭約束，滑移面無轉(zhuǎn)動，拉力軸取向須不斷變化。 若夾頭不動，即拉力軸方向不變，晶體須不斷發(fā)生轉(zhuǎn)動。,無夾具約束，晶面相互移動而滑移面無轉(zhuǎn)動,有夾具約束，滑移面發(fā)生轉(zhuǎn)動,20,切應(yīng)力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉(zhuǎn)動。,21,5、滑移的幾何學(xué) 作用在滑移系上的分解剪切應(yīng)力： 外應(yīng)力與滑移面法線的夾角； 外應(yīng)力與滑移向的夾角； -拉伸應(yīng)力； coscos-稱為取向因子。 當(dāng)其達到臨界分切應(yīng)力（屈服強

7、度），開始滑移塑變（屈服）。屈服發(fā)生在取向因子最大的滑移系上。,22,當(dāng)滑移面、滑移方向與外力都呈45角時（= 45），滑移方向上切應(yīng)力最大（軟位向），因而最容易發(fā)生滑移。,當(dāng)s時，晶體屈服，開始塑變,臨界切應(yīng)力，為材料常數(shù)， 與晶體取向無關(guān)。,即為滑移的臨界分切應(yīng)力定律。,23,轉(zhuǎn)動原因：晶體滑移后使正應(yīng)力和切應(yīng)力分量組成了力偶。 轉(zhuǎn)動結(jié)果：使滑移面法線與外力軸夾角增大，使外力與滑移方向夾角變小。,24,6、滑移機理: 若將滑移設(shè)想為剛性整體滑動，所需理論臨界切應(yīng)力值比實測臨界切應(yīng)力值大34個數(shù)量級。 實際上，滑移是通過滑移面上位錯的運動來實現(xiàn)的。,25,滑移：是靠位錯沿滑移面的運動而實現(xiàn)的

8、。 當(dāng)位錯移動到晶體表面時，便產(chǎn)生大小為 b 的滑移臺階，若有大量位錯沿滑移面上運動到表面，宏觀上，晶體的一部分相對另一部份沿滑移面發(fā)生了相對位移，這便是滑移。 滑移矢量與柏氏矢量 b 平行。,刃位錯的滑移過程 a）原始態(tài)晶體，b，c）位錯滑移中間階段；d）位錯移出晶體表面，形成一個臺階,26,螺位錯的滑移： 位錯線向左移動一個原子間距，則晶體因滑移而產(chǎn)生的臺階亦擴大了一個原子間距。,螺型位錯滑移導(dǎo)致晶體塑性變形的過程 （a）原始狀態(tài)的晶體；（b）（c）位錯滑移中間階段；（d）位錯移出晶體表面，形成一個臺階。,27,晶體通過位錯運動產(chǎn)生滑移時，只是位錯中心的少數(shù)原子發(fā)生移動，其移動距離遠小于一

9、個原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作位錯的易動性。,28,29,7、多滑移與交滑移： 1）多滑移 單滑移：對有多組滑移系的晶體，當(dāng)其與外力軸取向不同時，處于軟位向的一組滑移系首先開動，這便是單滑移。 多滑移：若兩組或幾組滑移系處在同等有利的位向，在滑移時，各滑移系同時開動，或因滑移中晶體的轉(zhuǎn)動使兩個或多個滑移系交替滑移稱為多滑移。,30,如：沿 fcc 晶體001方向施加外力，力軸與四個111面的夾角均為54.7，力軸和四個方向的夾角均為45。此時就會有幾個滑移系同時產(chǎn)生滑移（多滑移）。,31,若發(fā)生雙滑移或多系滑移，在表面上所見到的滑移線就不再是一組平行線，會出現(xiàn)二組或多組的交叉形

10、的滑移帶。,不銹鋼中的交叉滑移帶,鋁在雙滑移時產(chǎn)生的交叉形滑移帶,32,2）交滑移： 交滑移：是指兩個或多個滑移面沿同一個滑移方向滑移。 交滑移實質(zhì)：是螺位錯在不改變滑移方向的情況下，從一個滑移面滑到交線處，轉(zhuǎn)到另一個滑移面的過程。 交滑移：表面滑移線是彎曲的折線，而不再是平直的。,螺位錯XY的交滑移 a）滑移面為A面，b）交滑移到B面，c）再次滑移到A面,33,金屬晶體在發(fā)生滑移時， 1）單滑移：金屬晶體首先發(fā)生單滑移，因只有一個滑移系起作用，加工硬化效果很小。 2）多滑移：隨著晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動，會使數(shù)個滑移系同時處于有利的位向，從而發(fā)生多滑移，這時因不同滑移系間的位錯相互交割，加工硬化效果上升

11、。,3）交滑移：隨后又可能轉(zhuǎn)變?yōu)榻换?，這時加工硬化效果下降， 在表面出現(xiàn)曲折或波紋狀的滑移帶。,應(yīng)力應(yīng)變曲線與滑移,34,Cu不易交滑移 無波紋狀滑移帶,Al易交滑移產(chǎn)生 波紋狀滑移帶,35,滑移的表面痕跡 ： 單滑移：單一方向的滑移帶；多滑移：相互交叉的滑移帶； 交滑移：波紋狀的滑移帶。如圖鋁晶體的滑移。,交滑移,鋁晶體的滑移 a）單滑移，b）多滑移，c）交滑移,36,二、孿生變形,孿生：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的均勻切變。此切變并未使晶體點陣發(fā)生變化，但卻使切變區(qū)晶體取向與未切變區(qū)晶體呈鏡面對稱。,孿生是冷塑性變形的另一種重要形式。 常作為滑移不易

12、進行時的補充。,37,孿生變形： 發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶， 均勻切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面稱為孿晶界。 發(fā)生均勻切變的那組晶面稱為孿晶面； 孿生面的移動方向稱為孿生方向。,晶體的孿生面和孿生方向與其晶體結(jié)構(gòu)類型有關(guān)，,38,孿生使晶體變形與未變形部分以孿晶面為界構(gòu)成了鏡面對稱關(guān)系。 在顯微鏡下一般呈帶狀，有時為透鏡狀。多數(shù)發(fā)源于晶界，終止于晶內(nèi)，又稱機械孿晶。,孿晶組織,孿生示意圖,39,孿生變形特點,1）孿生也是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，通常出現(xiàn)于滑移受阻而引起的應(yīng)力集中區(qū)，其臨界分切應(yīng)力要比滑移大得多。 孿生變形速度極快, 接近聲速。,面心立方晶體的孿生變形示意圖（1-10）面原子排列情況

13、,40,2）孿生使一部分晶體發(fā)生均勻切變，而滑移只集中在一些滑移面上進行（不均勻變形）。 3）孿生使晶體變形部分位向發(fā)生改變，孿晶面兩側(cè)晶體位向呈鏡面對稱，而滑移后晶體各部分位向均未改變。,晶體滑移和孿生變形后的結(jié)構(gòu)與外形變化示意圖 a）變形前，b）滑移 c）孿生,41,宏觀外形看不出 孿生或?qū)ΨQ關(guān)系,微觀原子排列 顯示出孿生關(guān)系,42,面心立方晶體孿晶的高分辨率電鏡照片-實驗證實,43,4）孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距。,44,5）孿生對塑變的直接貢獻比滑移小很多，但孿生改變局部晶體位向，使新滑移系開動，間接對塑性變形做貢獻；而滑移是直接產(chǎn)生塑性變形。,45,6）孿生變形的拉

14、伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈鋸齒狀。 光滑階段是與滑移塑變對應(yīng)；鋸齒狀階段即孿生變形所致。 形變孿晶生成可大致分：形核和擴展。,銅單晶在4.2K的拉伸曲線,晶體變形先以極快速度爆發(fā)出薄片孿晶，然后孿晶界面擴展使孿晶增寬。 孿晶形核所需應(yīng)力遠高于擴展所需要應(yīng)力，故孿晶形成后載荷就會急劇下降。,46,7）孿生變形與晶體結(jié)構(gòu)： 一些密排六方金屬（如Cd，Zn，Mg 等）常發(fā)生孿生變形。,鈦合金六方相中的形變孿晶,鋅中的形變孿晶,47,體心及面心立方金屬：在形變溫度很低，形變速率極快時，也會通過孿生方式進行塑變。 在面心立方金屬中常發(fā)現(xiàn)有孿晶，這是因相變過程中原子重新排列時發(fā)生錯排而產(chǎn)生的，稱退火孿晶。,奧氏體

15、不銹鋼中退火孿晶,體心立方結(jié)構(gòu)的孿晶 -Fe中的孿晶（沖擊條件下）,48,8）孿生使表面出現(xiàn)浮凸，因?qū)\晶與基體的取向不同，表面重新拋光后并浸蝕后仍能看到。 滑移表面出現(xiàn)的滑移線，經(jīng)重新拋光后消失。,鋅形變組織 (a)拋光后變形；滑移、孿生都可看到； (b)再拋光并浸蝕；滑移看不見，孿晶仍存在；,49,二、多晶體金屬的塑性變形,50,二、多晶體金屬的塑性變形,多晶體的塑性變形: 工程上使用的金屬材料絕大多數(shù)是多晶體。 多晶體塑變與單晶體塑變即有相同之處，又有不同之處。 1）相同之處：多晶體金屬中，每個晶粒變形規(guī)律與單晶體金屬大致相似。也以滑移、孿生為基本變形方式。 2）不同之處：因多晶體存在晶界

16、，各晶粒的取向不同，故既需克服晶界的阻礙，又要求各晶粒的變形相互協(xié)調(diào)與配合，使多晶體的變形更為復(fù)雜。,51,（一）晶界及晶粒位向差的影響,1、晶界的影響 雙晶在室溫下拉伸變形后，呈現(xiàn)竹節(jié)狀。,即晶界處晶體變形較小，而晶內(nèi)變形量則大得多，整個晶粒的變形不均勻。 這表明：晶界強度高于晶內(nèi)。,雙晶拉伸,52,晶界對塑性變形的影響： 晶體在外力作用下變形，當(dāng)滑移的位錯運動到晶界附近時，受到阻礙而堆積，稱位錯塞積。 要使變形繼續(xù)進行, 須增加外力, 而使金屬變形抗力提高。,Cu-4.5Al合金晶界的位錯塞積,53,2、晶粒位向的影響 因各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一晶粒發(fā)生塑變時，為保持金屬的連續(xù)性，周圍晶粒

17、若不發(fā)生塑變，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這便成為塑性變形晶粒的變形阻力。 因各晶粒間的相互約束，使多晶體金屬的變形抗力提高。,54,多晶體金屬的塑性變形過程 多晶體中滑移系與外力夾角等于或接近于45的晶粒先發(fā)生滑移。當(dāng)塞積位錯前端的應(yīng)力達到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯開動，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。,55,多晶體金屬塑性變形特點,1）各晶粒變形不同時性： 當(dāng)多晶體受外力作用時，因各晶粒取向不同，軟取向晶粒先滑移變形，而硬取向晶?？赡苋蕴幱趶椥宰冃螤顟B(tài)。只有外力繼續(xù)增大，才能使滑移從某些

18、晶粒傳播到相鄰晶粒，并不斷傳播下去，從而產(chǎn)生宏觀可見的塑性變形。,56,2）各晶粒的變形不均勻： 多晶體各晶粒變形不同時性，也反映了各晶粒變形不均勻。 變形不均勻性：不僅存在于各晶粒間、基體與第二相間，也存在于同一晶粒內(nèi)部。 因晶界對滑移的阻礙作用，使得靠近晶界區(qū)域的滑移變形量明顯小于晶粒中心區(qū)域。 當(dāng)宏觀塑變量還不大時，個別晶粒或晶粒局部塑變量可能已達極限，加上變形不均勻產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，就有可能使這些晶粒中形成裂紋，導(dǎo)致金屬材料早期斷裂。,57,3）各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)： 多晶體作為一個整體，不允許各個晶粒任意自由變形，否則將造成晶界開裂，這就要求各晶粒間能協(xié)調(diào)變形。 為此，各晶粒須能同時沿

19、幾個滑移系進行滑移（多滑移）。 一般認(rèn)為，各晶粒至少應(yīng)有5個獨立滑移系啟動，才能確保產(chǎn)生任何方向不受約束的塑性變形，即其形狀才能相應(yīng)地作各種改變，而不引起晶界開裂。,58,晶粒大小對塑性變形的影響： 實驗表明：多晶體的強度隨其晶粒的細(xì)化而增加。 晶粒越細(xì)，單位體積所包含晶界越多，位錯障礙越多，需要協(xié)調(diào)的不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。,金屬材料的屈服強度與晶粒大小成線性關(guān)系，即霍爾派奇（Hall-Petch）公式：,其中i 和 Ky 都是常數(shù)。,59,金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高。 因晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)及參與變形晶粒數(shù)目越多，變形越均勻，斷裂前塑性變形越大。 強度和

20、塑性均增加, 斷裂前消耗功也大，故其韌性也較高。,細(xì)晶化是唯一的在增加材料強度的同時也增加材料塑性的強化方式。 通過細(xì)化晶粒來同時提高金屬的強度、塑性和韌性的方法稱細(xì)晶強韌化。,60,等強溫度,細(xì)晶強化前提條件：是晶界阻礙位錯滑移，這在溫度較低的情況下是存在的。 而晶界本質(zhì)上是一種缺陷，當(dāng)溫度升高時，隨原子活動加強，晶界也變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致其強化效果減弱，甚至出現(xiàn)晶界弱化現(xiàn)象。,因此，多晶體材料強度溫度關(guān)系中存在一 “等強溫度”。 小于此溫度時，晶界強度高于晶內(nèi)強度， 反之，晶界強度小于晶內(nèi)強度。,61,屈服現(xiàn)象 金屬材料在拉伸時，當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限，即使外力不再增加，甚至下降情況下，而變形繼續(xù)

21、進行的現(xiàn)象，稱為屈服。,屈服現(xiàn)象： 開始產(chǎn)生塑性變形的一種標(biāo)志。 在退火、正火、調(diào)質(zhì)中、低碳鋼和低合金鋼中最為常見。 屈服過程產(chǎn)生伸長稱 “屈服伸長”。 屈服伸長對應(yīng)的水平線段或曲折線段稱“屈服平臺”。,62,屈服點s :呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬材料拉伸時，試樣在外力不增加（保持恒定）仍能繼續(xù)伸長時的應(yīng)力。,上屈服點sU :（ReH） 試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最大應(yīng)力值，即曲線上的A點應(yīng)力。 下屈服點sL ：（ReL） 屈服階段最小應(yīng)力曲線上的B點應(yīng)力。 在通常實驗條件下，下屈服點sL （ReL）的重復(fù)性較好，將其作為屈服強度（屈服點）。,63,呂德斯（Lders）帶,在屈服伸長變形是不均勻的，

22、當(dāng)應(yīng)力達到上屈服點下降到下屈服點時，在試樣局部開始塑性變形，表面形成與拉伸軸成45的應(yīng)變痕跡，稱為呂德斯（Lders）帶。,隨后呂德斯帶逐漸擴展，直到布滿整個試樣長度，屈服伸長結(jié)束，開始進入均勻塑性變形。 拉伸曲線上的波動表示形成呂德斯帶的過程。,64,應(yīng)變時效現(xiàn)象,若將低碳鋼經(jīng)少量預(yù)變形，去載后立即加載，則暫不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。 但若預(yù)變形后，將試樣放置一段時間或稍微加熱（200）后再加載拉伸，則又出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，且屈服強度會有所提高，這即應(yīng)變時效現(xiàn)象。,65,屈服現(xiàn)象：給工業(yè)生產(chǎn)帶來一些問題。 如退火低碳鋼薄板在深沖加工時，因局部屈服產(chǎn)生不均勻變形，使工件表面粗糙不平帶狀皺褶（呂德斯帶）。 根據(jù)

23、應(yīng)變時效理論，可采用預(yù)變形的方法解決此問題。,低碳鋼薄板表面的呂德斯帶,66,屈服現(xiàn)象的解釋,屈服現(xiàn)象：最初在低碳鋼中發(fā)現(xiàn)，還有鉬、鈮、鈦等金屬。 一般認(rèn)為，在固溶體中溶質(zhì)或雜質(zhì)原子造成點陣畸變所產(chǎn)生應(yīng)力場和位錯應(yīng)力場發(fā)生交互作用，使溶質(zhì)原子將聚集在位錯線附近，形成所謂的柯垂?fàn)枺–ottrell）氣團。,因此交互作用，使體系能量處于較低狀態(tài)； 只有在較大應(yīng)力作用下，位錯才能脫離溶質(zhì)原子的釘扎； 表現(xiàn)為應(yīng)力應(yīng)變曲線上的上屈服點；,67,當(dāng)位錯繼續(xù)滑移時，就不需要開始時那么大的應(yīng)力，表現(xiàn)為應(yīng)力應(yīng)變曲線上的下屈服點； 當(dāng)繼續(xù)變形時，因應(yīng)變硬化作用，應(yīng)力又出現(xiàn)升高的現(xiàn)象。,68,應(yīng)變時效現(xiàn)象的解釋,1

24、）當(dāng)卸載后，短時間內(nèi)因位錯已經(jīng)掙脫溶質(zhì)原子束縛，故繼續(xù)加載時不會出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。 2）當(dāng)卸載后經(jīng)較長時間或短時加熱，溶質(zhì)原子又會擴散重新聚集到位錯線附近，故繼續(xù)拉伸，又會出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。,69,盡管溶質(zhì)原子與位錯交互作用的柯氏氣團（圍繞位錯而形成的溶質(zhì)原子聚集物 ）理論，可解釋大部分晶體中出現(xiàn)的屈服現(xiàn)象。 但研究發(fā)現(xiàn)，一些無位錯晶體、離子晶體或者一些共價晶體，如銅晶須、LiF、硅等中都發(fā)現(xiàn)了屈服現(xiàn)象，上述理論無法進行解釋。 此時，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象原因可用位錯理論進行解釋。,70,屈服現(xiàn)象位錯理論解釋,材料塑性變形的應(yīng)變速率 ：與晶體中可動位錯密度、位錯運動速率v 及柏氏矢量b 成正比，即：,因變形前值

25、小，為滿足一定應(yīng)變速率（夾頭移動速率），須增大位錯運動速率v ，而v 又與應(yīng)力 相關(guān)，即,欲提高 v ，就需有較高的應(yīng)力 ，即出現(xiàn)上屈服點。 一旦塑變產(chǎn)生，位錯大量增殖，位錯密度增加，位錯運動速率v 下降，相應(yīng)的應(yīng)力就突然降低，即產(chǎn)生下屈服點。,沿滑移面上的切應(yīng)力； 0位錯以單位速率運動所需切應(yīng)力； m與材料有關(guān)，稱為位錯運動速率應(yīng)力敏感指數(shù)；,71,可見，具有明顯屈服現(xiàn)象的材料應(yīng)具備條件： 開始變形前，晶體中可動位錯密度較低； 隨著塑性變形的發(fā)生，位錯能夠迅速增殖； 位錯運動速率應(yīng)力敏感指數(shù)m 較低。 其中：m 值越低，則為使位錯運動速率v 變化所需的應(yīng)力變化越大，屈服現(xiàn)象越明顯。 Bcc金

26、屬：m 值較低（20），屈服現(xiàn)象明顯。 Fcc金屬：m 值100200，屈服不明顯。,72,屈服強度,材料的屈服：標(biāo)志著材料在應(yīng)力作用下由彈性變形彈-塑性變形狀態(tài)， 因此，屈服強度（材料屈服時所對應(yīng)的應(yīng)力值）：也就是材料抵抗起始塑性變形或產(chǎn)生微量塑性變形的能力。,在通常實驗條件下，下屈服點sL （ReL）的重復(fù)性較好，將其作為屈服強度（屈服點）。,73,對屈服現(xiàn)象不明顯（連續(xù)屈服）材料，其屈服強度常用規(guī)定微量塑性伸長應(yīng)力來表征。 規(guī)定微量塑性伸長應(yīng)力：即人為規(guī)定拉伸試樣標(biāo)距產(chǎn)生一定的微量塑性伸長率時的應(yīng)力。包括 1）規(guī)定非比例伸長應(yīng)力(p)：如p0.01、p0.05、 p0.2。 2）規(guī)定殘余

27、伸長應(yīng)力(r)：常用r0.2 （0.2 屈服強度）。 兩方法測出數(shù)值稍有差別，但在不規(guī)定測定方法時，可用0.01（條件比例極限）、0.05、 0.2 （屈服強度）表示。 3）規(guī)定總伸長應(yīng)力(t)，常用r0.5。,74,屈服強度s：是工程技術(shù)上最重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，它是從靜強度角度選擇韌性材料的基本判據(jù)。 屈服判據(jù)： 1）屈雷斯加（Tresca）最大切應(yīng)力判據(jù)： 2）米塞斯（Mises）畸變能判據(jù)： 式中1、2、3為主應(yīng)力，123。,75,屈服強度實際工程意義： 作為防止材料過量塑變而使機件失效的設(shè)計和選材依據(jù)； 由屈服強度與抗拉強度比(屈強比)的大小，衡量材料進一步產(chǎn)生塑性變形的傾向，作為

28、材料冷塑變加工和確定機件緩解應(yīng)力集中，防止脆斷的參考依據(jù)。 一般地，希望選擇屈服強度高的材料，以減輕機件重量，體積和尺寸。但追求過高的屈服強度，會增大屈強比，不利于應(yīng)力集中處的應(yīng)力重新分布，極易引起脆斷。 選擇原則：應(yīng)視機件的形狀、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變速率等。 機件截面形狀變化較大、所受應(yīng)力狀態(tài)較硬、應(yīng)變速率高時，應(yīng)選擇屈服強度較低的材料，以防脆斷。,76,影響金屬材料屈服強度的因素：有內(nèi)、外諸因素。 1）內(nèi)因 1.金屬本性及晶格類型 2.晶粒大小和亞結(jié)構(gòu) 3.溶質(zhì)元素 4.第二相 2）外因 5.溫度 6.應(yīng)變速率與應(yīng)力狀態(tài)。,77,影響屈服強度的因素,（一）影響屈服強度的內(nèi)因 1.金屬本性及晶格類

29、型 一般塑性變形主要沿基體相進行，位錯也主要分布在基體相中，基體相相當(dāng)于純金屬，其屈服強度是使位錯開動的臨界切應(yīng)力，它由位錯運動所受的各種阻力決定的。 （1）位錯運動所受的各種阻力 包括：晶格阻力（派-納力）、位錯間交互產(chǎn)生的阻力等。 不同金屬和晶格類型，位錯運動所受各種阻力并不相同。,78, 晶格阻力（P-N力）： 理想晶體中僅存在一個位錯運動時所需克服的阻力。 位錯寬度為滑移面內(nèi)原子位移大于50b區(qū)域的寬度。 P-N力與位錯寬度及柏氏矢量b有關(guān)，都與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。 Fcc金屬位錯寬度大，位錯易運動。Bcc金屬則反之。,a滑移面的晶面間距 泊松比,79, 位錯間交互產(chǎn)生的阻力 包括：a）平行

30、位錯間交互作用產(chǎn)生的阻力；b）運動位錯與林位錯交互作用產(chǎn)生的阻力。 這些阻力都正比于Gb，而反比于位錯間距離 L，因位錯密度與1/L2 成正比，則, 比例系數(shù),與晶體本性、位錯結(jié)構(gòu)及分布有關(guān)，fcc：0.2，bcc： 0.4 可見，位錯密度增加，也增加，屈服強度也提高。 劇烈冷變形位錯密度增加4-5個數(shù)量級-形變強化！,80,（2）溶質(zhì)原子 在純金屬中加入溶質(zhì)原子，形成間隙型或置換型固溶合金，因在溶質(zhì)原子周圍形成晶格畸變應(yīng)力場，與位錯的交互作用，使位錯運動受阻，使屈服強度提高，即為固溶強化。,強化效果： 取決于溶質(zhì)原子與位錯交互作用能及溶質(zhì)溶度。 通常，間隙固溶體的強化效果大于置換型固溶體。,

31、81,（3）晶粒大小和亞結(jié)構(gòu) 晶界是位錯運動的障礙，要使相鄰晶粒中的位錯源開動，必須加大外應(yīng)力。減少晶粒，將增加位錯運動障礙數(shù)目，晶粒內(nèi)位錯塞積群長度，使屈服強度提高（細(xì)晶強化）。,霍爾-派奇公式：,鐵素體鋼晶粒在0.3400m間都符合，奧氏體鋼也如此，但其位錯釘扎作用較小，故其Ky值較鐵素體小1/2。 Bcc金屬較fcc、hcp金屬的Ky值高，故其強化效果最好。 亞晶界也阻礙位錯運動，霍爾-派奇公式也安全適用，只是Ky值較低，。,82,（4）第二相 第二相的強化效果與質(zhì)點本身能否變形有關(guān)。 不可變形第二相，位錯只能繞過它運動。可變形第二相，位錯可以切過，都對位錯運動產(chǎn)生阻力，使屈服強度提高。

32、 彌散型：質(zhì)點周圍形成應(yīng)力場對位錯運動產(chǎn)生阻礙-位錯彎曲,83,第二相作用還與其尺寸、形狀、數(shù)量及分布，第二相與基體的晶體學(xué)匹配程度等有關(guān)。 如：長形質(zhì)點顯著影響位錯運動，故片狀珠光體比球狀珠光體屈服強度高。 綜上所述，屈服強度是對成分、組織極為敏感的力學(xué)參數(shù)，改變合金成分或熱處理工藝都可使屈服強度產(chǎn)生明顯變化。,84,二）外因 1）溫度提高，位錯運動容易，材料的屈服強度s，但會因金屬的結(jié)構(gòu)不同，其變化趨勢不同。,85,隨溫度的降低，材料屈服強度升高。 1）體心立方（bcc）金屬，具有強烈的溫度效應(yīng)。 Fe從室溫降到196，s 提高4倍，這致使鋼低溫脆化。 2）面心立方（fcc）金屬溫度效應(yīng)則

33、較小。 Ni由室溫降到196，屈服強度只升高0.4倍。 3）hcp 金屬的溫度效應(yīng)與fcc 金屬類似。 這是因為s是由晶體內(nèi)位錯運動所受的各種阻力決定的。 bcc 金屬的派-納力P-N 較fcc金屬高很多，而派-納力在屈服強度中占有較大比例，且屬短程力，對溫度十分敏感。,86,2）應(yīng)變速率： 應(yīng)變速率提高，金屬材料的強度增加，且屈服強度s的變化較抗拉強度b 的變化劇烈。,87,在一定的應(yīng)變量和溫度下，流變應(yīng)力與應(yīng)變速率關(guān)系：,一定應(yīng)變量和溫度下的流變應(yīng)力指數(shù)；,應(yīng)變速率；,m應(yīng)變速率敏感指數(shù)；,C1在一定應(yīng)力狀態(tài)下為常數(shù)。,C1 和 m 與試驗溫度及晶粒大小有關(guān)， 金屬材料室溫下m 很低（3）

34、。 金屬拉伸時能否產(chǎn)生縮頸也與m值有關(guān)，m值高，不易產(chǎn)生。,88,3）應(yīng)力狀態(tài)： 切應(yīng)力分量，越有利于塑性變形，s。 扭轉(zhuǎn)強度 拉伸強度 彎曲強度， 三向不等拉伸下的屈服強度為最高。,89,第二節(jié) 合金的塑性變形與強化,實際使用材料絕大多數(shù)都是合金，據(jù)合金元素存在情況。 合金種類一般有固溶體、金屬間化合物以及多相混合型等， 不同種類合金的塑性變形存在著一些不同之處。,90,一、單相固溶體合金的塑性變形與固溶強化,單相固溶體合金塑性變形過程與多晶體金屬相似。 單相固溶體合金：隨溶質(zhì)含量增加，固溶體強度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱固溶強化。,銅鎳合金固溶體性能與成分的關(guān)系,91,研究還發(fā)現(xiàn)，溶質(zhì)

35、原子的加入通常同時提高了屈服強度和整個應(yīng)力應(yīng)變曲線的水平，并使材料的加工硬化速率增高。 如圖為Al 溶有Mg 后的應(yīng)力應(yīng)變曲線。,鋁溶有鎂后的應(yīng)力應(yīng)變曲線,92,不同溶質(zhì)原子引起的固溶強化效果不同，其影響因素： 溶質(zhì)原子濃度： 濃度越高，強化效果也越好，但并不是線性關(guān)系，低濃度時顯著； 原子尺寸因素： 溶質(zhì)與溶劑原子尺寸相差越大，強化作用越好。但原子尺寸相差較大時，溶解度也很低； 溶質(zhì)原子類型： 間隙型溶質(zhì)原子的強化效果好于置換型，特別是體心立方晶體中的間隙原子。,93,相對價因素（電子因素）： 溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)相差越大，固溶強化效果越顯著。 如圖，Cu固溶體屈服應(yīng)力隨電子濃度增加

36、而增加。,電子濃度對Cu固溶體屈服應(yīng)力的影響,94,固溶強化原因： 一般認(rèn)為，固溶強化是由于多方面的作用引起的，但主要是由于溶質(zhì)原子與位錯相互作用的結(jié)果。,溶質(zhì)原子不僅使晶格發(fā)生畸變，且易被吸附在位錯附近形成柯氏氣團。 它使位錯被釘扎住，位錯要脫釘，則須增加外力，從而使變形抗力提高。,95,二、多相合金的塑性變形與彌散強化,工程上使用的金屬結(jié)構(gòu)材料主要是兩相或多相合金。 因固溶強化雖能提高材料強度，但幅度還有限，而通過在合金中引入第二相方式，則是另一種重要的強化方式。,+鈦合金(固溶體第二相),第二相引入： 一般通過加入合金元素并經(jīng)隨后加工或熱處理等工藝獲得，也可通過如粉末冶金、復(fù)合材料等向合

37、金中直接加入強化相的方法。,96,第二相的引入，使得多相合金的塑性變形行為更加復(fù)雜。 多相合金的塑性變形： 除與合金基體相性質(zhì)有關(guān)外，還與第二相本身性質(zhì)（如強度、塑性、應(yīng)變硬化特征等）、第二相形態(tài)、大小、數(shù)量和分布以及兩相間的界面匹配、界面能、界面結(jié)合等有關(guān)。 多相合金的第二相：可為純金屬、固溶體或化合物。 工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物。,97,在討論多相合金塑性變形行為時，因第二相尺寸對合金塑性變形性能影響很大。 通常按第二相的尺度大小，將其分為兩大類： 1）聚合型：第二相與基體相尺度屬同一數(shù)量級。 2）彌散分布型：第二相極細(xì)小，且彌散分布于基體相中。,98,（一）聚合型兩相合金的塑性變形：

38、 若合金中兩相都具塑性，則其塑變決定于兩相的比例。 兩種近似處理：即合金中兩相應(yīng)變相同或應(yīng)力相同的情況。 1）若應(yīng)變相等，則應(yīng)力必不同，合金的平均流變應(yīng)力：,f1、f2為兩相的體積分?jǐn)?shù)， 1、 2為兩相在此應(yīng)變時的流變應(yīng)力。,99,2）若應(yīng)力相等，則應(yīng)變必不同，合金的平均應(yīng)變：,1、 2為兩相在此應(yīng)力時的應(yīng)變。,100,由上述可見：只有第二相為較強相時，合金才能強化。 在兩相合金塑性變形時，滑移首先發(fā)生在較弱相中。 1）較強相很少時，則變形基本都發(fā)生在較弱相中。 2）較強相比例較大（30%）時，較弱相變形不能連續(xù)，此時兩相才會以接近的應(yīng)變發(fā)生變形。 3）較強相含量很高（70%）時，則成為基體，

39、此時合金變形的主要特征將由它來決定。,101,4）若兩相合金為塑性相脆性相時，則合金的塑性特征不僅取決于兩相比例，且與硬脆相形狀、尺寸和分布相關(guān)。 如碳鋼中以滲碳體（Fe3C，硬脆相）鐵素體組織，其中Fe3C的存在方式將顯著影響其力學(xué)性能。,102,當(dāng)Fe3C在晶界呈網(wǎng)狀分布時，對合金的強度和塑性不利； 當(dāng)Fe3C在晶內(nèi)呈片狀分布時，可提高強度、硬度，但會降低塑性和韌性；,珠光體,103,（二）彌散分布型合金的塑性變形： 當(dāng)?shù)诙嘁詮浬⒎植夹问酱嬖跁r，將產(chǎn)生顯著的強化作用。 沉淀強化：若強化相顆粒是通過過飽和固溶體的時效處理沉淀析出的，就稱作沉淀強化或時效強化。 彌散強化：若借助粉末冶金或其它

40、方法加入，即彌散強化。,104,第二相顆?？煞譃椤翱勺冃蔚摹焙汀安豢勺冃蔚摹眱纱箢?。 1）彌散強化的顆粒屬不可變形的； 2）沉淀強化的顆粒多屬可變形，但當(dāng)沉淀粒子長大到一定程度后，也會變?yōu)椴豢勺冃蔚摹?因兩類顆粒與位錯作用機理不同，其強化途徑和效果各異。,105,（1）不可變形顆粒的彌散強化作用 當(dāng)運動位錯與不可變形顆粒相遇時，位錯線因受阻擋而發(fā)生彎曲；隨著應(yīng)力增加，彎曲加劇，最終繞顆粒的位錯相遇，并留下一個位錯環(huán)，而位錯線將繼續(xù)前進。,位錯繞過第二相粒子的示意圖,顯然，此過程需額外做功， 且位錯環(huán)將對后續(xù)位錯產(chǎn)生進一步阻礙作用， 這都將使材料強度的上升。,106,可見，不可變形顆粒的強化與顆

41、粒間距成反比，顆粒越多、越細(xì)，強化效果越好， 即奧羅萬（Orowan）機制。 在TEM觀察中，也證實了位錯環(huán)繞第二相微粒的現(xiàn)象。,由位錯理論，當(dāng)位錯彎曲至半徑 R 時所需切應(yīng)力為， 且當(dāng)R為顆粒間距的一半時，所需切應(yīng)力最小。,第二相顆粒周圍的位錯環(huán),107,當(dāng)?shù)诙嘣诰?nèi)呈顆粒狀彌散分布時，顆粒越細(xì)，分布越均勻，合金的強度、硬度越高，塑性、韌性略有下降，這種強化方法稱彌散強化或沉淀強化。,顆粒釘扎作用的電鏡照片,108,（2）可變形顆粒的強化作用： 當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ訌姸容^低且與基體共格時，位錯將切過，此時強化機制較復(fù)雜，有以下幾種可能原因： 位錯切過顆粒后，產(chǎn)生表面臺階（b），增加了顆粒與基體間界

42、面，需要相應(yīng)的能量。,位錯切過顆粒機制,109, 位錯掃過有序結(jié)構(gòu)顆粒，將在滑移面上產(chǎn)生反相疇界，導(dǎo)致有序強化。 溶質(zhì)原子在固溶體中有時會呈現(xiàn)長程有序分布（超結(jié)構(gòu)）。 當(dāng)位錯滑移過后，將破壞滑移面上下原子有序狀態(tài)，從原先滑移面兩側(cè)不同的原子變成了相同的原子，原晶體的連續(xù)性中斷，產(chǎn)生兩個疇塊，疇塊間界面即為反相疇界。,110, 因兩相結(jié)構(gòu)存在差異（至少點陣常數(shù)不同），因此當(dāng)位錯切過顆粒后，在滑移面上導(dǎo)致原子錯配，需要額外作功。 顆粒周圍存在彈性應(yīng)力場與位錯交互作用，對位錯運動有阻礙作用。,電鏡觀察,111,Al-Cu合金時效過程及其強度變化,舉例說明： Al-1.6%Cu合金，先在773K進行固

43、溶處理，由相圖可知，其組織為單相（Al）過飽和固溶體； 隨后，在463K進行時效處理，此時固溶在（Al）中的過飽和Cu 將發(fā)生析出。,Al-Cu合金相圖,112,1）在時效初期，為彌散細(xì)小的共格析出相，位錯可切過，在此位錯受到的阻力（屈服應(yīng)力）較大，它決定于切割析出相所需應(yīng)力（與析出相結(jié)構(gòu)和相界面有關(guān)），故合金強度顯著提高。,Al-1.6%Cu合金時效曲線,113,2）繼續(xù)時效，顆粒尺寸增大、數(shù)量增加，切割析出相所需應(yīng)力增大，強度隨之增加，并逐漸達到最大值。 此時奧羅萬（Orowan）機制開始起作用，屈服應(yīng)力與粒子間距成反比。,Al-1.6%Cu合金時效曲線,奧羅萬（Orowan）機制,114

44、,3）進一步時效（過時效），析出顆粒數(shù)不再增加，而發(fā)生粗化，同時也失去與基體間共格關(guān)系，合金強度開始下降。 此時，屈服應(yīng)力將隨粒子間距的增加而減少。,Al-1.6%Cu合金時效曲線,奧羅萬（Orowan）機制,115,應(yīng)變硬化（形變硬化）,在金屬材料整個變形過程中，當(dāng)外力超過屈服強度后，塑性變形并不是繼續(xù)流變下去，而需不斷增加外力才能繼續(xù)進行。表明其有阻止繼續(xù)塑性變形的能力，即應(yīng)變硬化性能。,應(yīng)變硬化： 塑性應(yīng)變是硬化的原因， 硬化是塑性應(yīng)變結(jié)果。 微觀機理： 材料內(nèi)位錯不可逆運動、運動受阻和位錯增殖。,116,應(yīng)變硬化（形變硬化）,真實應(yīng)力應(yīng)變曲線：可準(zhǔn)確描述材料的應(yīng)變硬化行為。 真實應(yīng)力S應(yīng)變e 符合Hollomon（華絡(luò)門）關(guān)系：,K硬化系數(shù)（強度系數(shù)） n應(yīng)變硬化指數(shù),117,應(yīng)變硬化指數(shù) n,應(yīng)變硬化指數(shù) n ：反映了材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。也是表征材料應(yīng)變硬化行為的性能指標(biāo)。,在極限情況下： n1，為完全理想的彈性體，應(yīng)力S應(yīng)變e 成正比。,n0，為理想塑性材料，無應(yīng)變硬化能力，此時 Se。 大多金屬材料： n0.10.5。,118,幾種金屬材料在室溫下的 n、K 值：,119,應(yīng)變硬化指數(shù) n ：對材料結(jié)構(gòu)、組份與狀態(tài)變化敏感。 1）退火態(tài)金屬的 n 值大，冷加工態(tài)金屬的 n 值小。 2）隨材料強度等級的降低而n 值增大，