材料科學(xué)基礎(chǔ)第五章

1、材料不同，其彈、塑性性能差異很大材料不同，其彈、塑性性能差異很大 塑性變形，對(duì)鍛、軋、拉、擠有重要作用，塑性變形，對(duì)鍛、軋、拉、擠有重要作用， 對(duì)鑄造、熱處理則對(duì)鑄造、熱處理則 要盡量避免要盡量避免 彈性變形（彈性變形（elastic deformation） 塑性變形（塑性變形（plastic deformation） 外力外力 材料材料 外形尺寸變化外形尺寸變化 內(nèi)部組織、性能變化內(nèi)部組織、性能變化 塑性變形塑性變形 彈性變形彈性變形(Elastic Deformation) 低碳鋼的拉伸試驗(yàn)低碳鋼的拉伸試驗(yàn) 彈性變形彈性變形: 可逆性可逆性 外力去處后可完全恢復(fù)外力去處后可完全恢復(fù) r=

2、r0 原子處于平衡位置原子處于平衡位置 位能位能 U 為為 Umin 最穩(wěn)定 最穩(wěn)定 F=0 r r0 即偏離其平衡位置即偏離其平衡位置 F引力引力 斥力斥力 力圖使原子恢復(fù)其力圖使原子恢復(fù)其 原來(lái)的平衡位置原來(lái)的平衡位置 變形消失變形消失 本質(zhì)本質(zhì):可從原子間結(jié)合力的可從原子間結(jié)合力的 角度來(lái)了解之角度來(lái)了解之 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系(Stress-Strain behavior) 虎克定律虎克定律(Hookes law) s s = Ee e t t = Gg g 廣義虎克定律廣義虎克定律 矩陣表達(dá)式矩陣表達(dá)式 二二 彈性模量彈性模量 E (Elastic modulus) 表征晶體中

3、原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量, 反映原子間的反映原子間的 結(jié)合力結(jié)合力,是組織結(jié)構(gòu)不敏感參數(shù)。對(duì)晶體而言，系各向異性是組織結(jié)構(gòu)不敏感參數(shù)。對(duì)晶體而言，系各向異性 沿原子最密排的晶向沿原子最密排的晶向 Emax 沿原子最疏的晶向沿原子最疏的晶向 Emin 工程上工程上E系材料剛度的度量系材料剛度的度量 彈性變形量隨材料不同而異彈性變形量隨材料不同而異 E-modulus of elasticity (Youngs modulus) G-shear modulus u-poissons ratio G = E/2(1+u) 2. 單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形 Pl

4、astic Deformation of Single Crystal 塑性變形塑性變形 滑移滑移 Slip 孿生孿生 Twinning 晶界滑動(dòng)晶界滑動(dòng) Grain boundary Sliding 擴(kuò)散性蠕變擴(kuò)散性蠕變 Diffusional Creep l1.現(xiàn)象現(xiàn)象 nmh200 單晶體的拉伸試驗(yàn)單晶體的拉伸試驗(yàn) 塑性變形的不均勻性塑性變形的不均勻性 滑移帶（滑移帶（Slip band) 滑移線滑移線 （Slip line） nmd20 沿一定的晶面、一定晶向進(jìn)行沿一定的晶面、一定晶向進(jìn)行 滑移面滑移面 Slip plane 滑移方向滑移方向 Slip direction l2.滑移的

5、晶體學(xué)特征滑移的晶體學(xué)特征 滑移面和滑移方向滑移面和滑移方向 晶體中原子密度最大的面和方向晶體中原子密度最大的面和方向 Slip plane & Slip direction 為什么為什么? fcc：滑移面：滑移面111 滑移方向滑移方向 hcp: 0001 c/a1.633 0001 ,1010,1011 c/a1.633 bcc: Tm/4 112 Tm/4 Tm/2 110 0.8Tm 123 滑移系滑移系 晶體中一個(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向組成晶體中一個(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向組成 滑移的空間取向滑移的空間取向 （ Slip system ） 晶體結(jié)構(gòu)不同，滑移系的數(shù)目不同晶體結(jié)構(gòu)

6、不同，滑移系的數(shù)目不同 （Number of slip systems） fcc：111 有四組，而每個(gè)有四組，而每個(gè) (111) 面上共有三個(gè)面上共有三個(gè) 110， 故共有故共有 4312 個(gè)滑移系個(gè)滑移系 hcp：1個(gè)個(gè)(0001)面面 3個(gè)個(gè)方向方向133個(gè)滑移系個(gè)滑移系 bcc： 110面共有面共有6組，每個(gè)組，每個(gè)110上有上有2個(gè)個(gè)方向方向 12組組 112 1個(gè)個(gè) 24組組 123 1個(gè)個(gè) 故共有故共有6212124148個(gè)滑移系個(gè)滑移系 一般滑移系愈多，滑移過(guò)程中可能采取的空間取向也就愈一般滑移系愈多，滑移過(guò)程中可能采取的空間取向也就愈 多，這種材料的塑性就愈好。多，這種材料的

7、塑性就愈好。 t 滑移滑移 圓柱形試樣單向拉伸時(shí)作用在滑移面上沿滑移方向的圓柱形試樣單向拉伸時(shí)作用在滑移面上沿滑移方向的 stcoscoscos A P 其中其中 A P 為作用在試樣橫斷面上的拉伸應(yīng)力為作用在試樣橫斷面上的拉伸應(yīng)力 coscos為取向因子（為取向因子（Schmid） t 晶體滑移晶體滑移 必須使必須使t t t tc（臨界分切應(yīng)力）（臨界分切應(yīng)力） t tc 取決晶體中原子間的結(jié)合力，即與晶體類型、純度（雜取決晶體中原子間的結(jié)合力，即與晶體類型、純度（雜 質(zhì)）、溫度以及變形速度有關(guān)，與外力無(wú)關(guān)。質(zhì)）、溫度以及變形速度有關(guān)，與外力無(wú)關(guān)。 一切影響位錯(cuò)滑移難易程度的因素均影響一切

8、影響位錯(cuò)滑移難易程度的因素均影響 t tc stcoscos sc t s coscos c s 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 當(dāng)當(dāng) 90或或 90 時(shí)，時(shí)，s ss 晶體不能產(chǎn)生滑移晶體不能產(chǎn)生滑移 只有當(dāng)只有當(dāng) 45 時(shí)，時(shí)，s ssmin 首先發(fā)生滑移首先發(fā)生滑移 2t tc 映象規(guī)則：映象規(guī)則：利用投影圖中心部分的八個(gè)取向三角形利用投影圖中心部分的八個(gè)取向三角形 滑移面上發(fā)生相對(duì)位移滑移面上發(fā)生相對(duì)位移 晶體轉(zhuǎn)動(dòng)晶體轉(zhuǎn)動(dòng) 空間取向發(fā)生變化空間取向發(fā)生變化 晶體滑移晶體滑移 在拉伸時(shí)使滑移面和滑移方在拉伸時(shí)使滑移面和滑移方 向逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸平行向逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸平行 在壓縮時(shí)使滑移面和滑移方向在壓

9、縮時(shí)使滑移面和滑移方向 逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸垂直逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸垂直 21 ss 轉(zhuǎn)動(dòng)的原因轉(zhuǎn)動(dòng)的原因 兩對(duì)力偶：兩對(duì)力偶： 為上下兩滑移面的法向分應(yīng)力為上下兩滑移面的法向分應(yīng)力 在該力偶作用下，使滑移面轉(zhuǎn)至軸在該力偶作用下，使滑移面轉(zhuǎn)至軸 向平行向平行 21 tt 垂直于滑移方向的分切應(yīng)力垂直于滑移方向的分切應(yīng)力 在該力偶作用下，使滑移方向轉(zhuǎn)到最大在該力偶作用下，使滑移方向轉(zhuǎn)到最大 分切應(yīng)力方向分切應(yīng)力方向 21 tt是是/滑移方向的真正引起滑滑移方向的真正引起滑 移的有效分切應(yīng)力移的有效分切應(yīng)力 晶體滑移晶體滑移晶體轉(zhuǎn)動(dòng)晶體轉(zhuǎn)動(dòng)位向變化位向變化取向因子變化取向因子變化 分切應(yīng)力值變化分切應(yīng)力值

10、變化 幾何幾何 硬硬 軟軟 化現(xiàn)象化現(xiàn)象 5. 多系滑移多系滑移 Multiple slip 外力下，滑移首先發(fā)生在分切應(yīng)力最大，且外力下，滑移首先發(fā)生在分切應(yīng)力最大，且t t t tc的滑的滑 移系原始滑移系（移系原始滑移系（primary slip system）上。但由于伴）上。但由于伴 隨晶體轉(zhuǎn)動(dòng)隨晶體轉(zhuǎn)動(dòng)空間位向變化空間位向變化另一組原取向不利（硬取向）另一組原取向不利（硬取向） 滑移系逐漸轉(zhuǎn)向比較有利的取向（軟取向），從而開(kāi)始滑滑移系逐漸轉(zhuǎn)向比較有利的取向（軟取向），從而開(kāi)始滑 移，形成兩組（或多組）滑移系同時(shí)進(jìn)行或交替進(jìn)行，稱移，形成兩組（或多組）滑移系同時(shí)進(jìn)行或交替進(jìn)行，稱 為

11、多系滑移。為多系滑移。 綜上所述，滑移變形的基本特點(diǎn)：綜上所述，滑移變形的基本特點(diǎn)： ) 滑移變形系不均勻的切變，它只集中在某些晶面上；滑移變形系不均勻的切變，它只集中在某些晶面上； ) 滑移結(jié)果兩部分晶體產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，移動(dòng)的距離滑移結(jié)果兩部分晶體產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，移動(dòng)的距離nb， 仍保持晶體學(xué)的一致性；仍保持晶體學(xué)的一致性； ) 沿著一定的晶面和晶向進(jìn)行，滑移系較多的材料為（沿著一定的晶面和晶向進(jìn)行，滑移系較多的材料為（fcc） 一般具有較好塑性；一般具有較好塑性； ) 在切應(yīng)力作用下，且在切應(yīng)力作用下，且t t t tc； ）滑移同時(shí)，滑移面和滑移方向?qū)l(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；）滑移同時(shí)，滑移面和滑移方向?qū)?/p>

12、發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)； ）實(shí)質(zhì)位錯(cuò)沿滑移面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程）實(shí)質(zhì)位錯(cuò)沿滑移面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程 滑移系較少的滑移系較少的hcp，或在低溫下或者當(dāng)滑移受阻時(shí)晶體會(huì)，或在低溫下或者當(dāng)滑移受阻時(shí)晶體會(huì) 以另一種變形方式以另一種變形方式孿生變形進(jìn)行孿生變形進(jìn)行 Deformation by twinning 1. 孿生變形過(guò)程孿生變形過(guò)程 孿生是在切應(yīng)力作用下沿特定的晶面（孿生是在切應(yīng)力作用下沿特定的晶面（twin plane） 與晶向（與晶向（twin direction）產(chǎn)生的均勻切變。發(fā)生孿生的）產(chǎn)生的均勻切變。發(fā)生孿生的 區(qū)域稱為孿晶帶（區(qū)域稱為孿晶帶（twin band）。）。 l不同晶體結(jié)構(gòu)往往有不同孿生面和孿生方

13、向：不同晶體結(jié)構(gòu)往往有不同孿生面和孿生方向： l fcc：111 hcp:1012 l bcc: 112 2. 孿晶的形成孿晶的形成 變形（機(jī)械）孿晶：變形產(chǎn)生變形（機(jī)械）孿晶：變形產(chǎn)生 呈透鏡狀或片狀呈透鏡狀或片狀 生生 長(zhǎng)長(zhǎng) 孿孿 晶晶 ：晶體生長(zhǎng)過(guò)程中形成：晶體生長(zhǎng)過(guò)程中形成 退退 火火 孿孿 晶晶 ：退火過(guò)程中形成：退火過(guò)程中形成 形核形核 長(zhǎng)大長(zhǎng)大 兩個(gè)階段兩個(gè)階段變形孿晶的生長(zhǎng)大致可分為變形孿晶的生長(zhǎng)大致可分為 孿生臨界切應(yīng)力比滑移的大得多，只有在滑移很難進(jìn)孿生臨界切應(yīng)力比滑移的大得多，只有在滑移很難進(jìn) 行的條件下才會(huì)發(fā)生。例如，行的條件下才會(huì)發(fā)生。例如，Mg孿生所需孿生所需t t

14、c4.934.34.934.3MPa, 而滑移時(shí)而滑移時(shí)t tc僅為僅為0.49MPa。但孿晶的長(zhǎng)大速度極快（與沖。但孿晶的長(zhǎng)大速度極快（與沖 擊波的速度相當(dāng)）有相當(dāng)數(shù)量的能量被釋放出來(lái)，故?？蓳舨ǖ乃俣认喈?dāng)）有相當(dāng)數(shù)量的能量被釋放出來(lái)，故?？?聽(tīng)見(jiàn)明顯可聞聽(tīng)見(jiàn)明顯可聞“咔、嚓咔、嚓”聲，也稱孿生吼叫。聲，也稱孿生吼叫。 通過(guò)單純孿生達(dá)到的變形量是極為有限的，如通過(guò)單純孿生達(dá)到的變形量是極為有限的，如Zn單晶，孿單晶，孿 生只能獲得生只能獲得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是孿生變形改變了晶體的位向

15、，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，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。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)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（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(lái)實(shí)現(xiàn)的。極軸機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 3. 孿生形變的意義孿生形變的意義 l孿生的主要特點(diǎn)孿生的主要特點(diǎn)： l）孿生是均勻切變，）孿生是均勻切變， l）相對(duì)移動(dòng)距離不是孿生方向的原子間距的整數(shù)）相對(duì)移動(dòng)距離不是孿生方向的原子間距的整數(shù) 倍，孿生面

16、兩邊晶體位向不同成鏡面對(duì)稱；倍，孿生面兩邊晶體位向不同成鏡面對(duì)稱； l）切變區(qū)內(nèi)與孿生面平行的每一層原子面均相對(duì)）切變區(qū)內(nèi)與孿生面平行的每一層原子面均相對(duì) 其鄰面沿孿生方向位移了一定距離，且每一層其鄰面沿孿生方向位移了一定距離，且每一層 原子相對(duì)于孿生面的切變量和它與孿生面的距原子相對(duì)于孿生面的切變量和它與孿生面的距 離成正比；離成正比； l）孿生改變了晶體取向，因此出現(xiàn)孿晶的試樣經(jīng)）孿生改變了晶體取向，因此出現(xiàn)孿晶的試樣經(jīng) 重新拋光，腐蝕后仍能顯現(xiàn)出來(lái)。重新拋光，腐蝕后仍能顯現(xiàn)出來(lái)。 l）在切應(yīng)力作用下，且）在切應(yīng)力作用下，且t tt tc c但但t tc c( (孿生孿生) ) t tc

17、c( (滑移滑移) ) l）實(shí)質(zhì)借助一個(gè)不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而成，存在形核與）實(shí)質(zhì)借助一個(gè)不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而成，存在形核與 長(zhǎng)大過(guò)程。長(zhǎng)大過(guò)程。 三三 扭折扭折 Kink hcp的的Cd壓縮時(shí)，外力與壓縮時(shí)，外力與(0001)面平行，面平行， 故在故在(0001)面的面的t t0，若此時(shí)孿生過(guò)程的阻，若此時(shí)孿生過(guò)程的阻 力也很大，不能進(jìn)行。為了使晶體的形狀與力也很大，不能進(jìn)行。為了使晶體的形狀與 外力相適應(yīng)，當(dāng)外力超過(guò)某一臨界值時(shí)，晶外力相適應(yīng)，當(dāng)外力超過(guò)某一臨界值時(shí)，晶 體將會(huì)產(chǎn)生局部彎曲，即出現(xiàn)扭折現(xiàn)象。體將會(huì)產(chǎn)生局部彎曲，即出現(xiàn)扭折現(xiàn)象。 扭折區(qū)晶體的取向發(fā)生了不對(duì)稱變化。扭折區(qū)晶體的取向發(fā)生了不對(duì)

18、稱變化。 扭折是為適應(yīng)外力而發(fā)生的不均勻局部塑性變形方式，扭折是為適應(yīng)外力而發(fā)生的不均勻局部塑性變形方式， 對(duì)變形起一定的協(xié)調(diào)作用，使應(yīng)力得到松弛，使晶體不致發(fā)對(duì)變形起一定的協(xié)調(diào)作用，使應(yīng)力得到松弛，使晶體不致發(fā) 生斷裂。另外由于扭折引起晶體的再取向，即有可能使扭折生斷裂。另外由于扭折引起晶體的再取向，即有可能使扭折 帶區(qū)域中的滑移系處于有利取向，促使晶體形變能力進(jìn)一步帶區(qū)域中的滑移系處于有利取向，促使晶體形變能力進(jìn)一步 發(fā)揮。發(fā)揮。 造成扭折的原因是滑移面的位錯(cuò)在局部地區(qū)集中，從造成扭折的原因是滑移面的位錯(cuò)在局部地區(qū)集中，從 而引起的晶格彎曲。而引起的晶格彎曲。 t 2 G m 1. 滑移的

19、位錯(cuò)機(jī)制滑移的位錯(cuò)機(jī)制 根據(jù)剛性滑移模型推導(dǎo)出的理論切變強(qiáng)度根據(jù)剛性滑移模型推導(dǎo)出的理論切變強(qiáng)度 (G一般為一般為104105MPa），即使采用修正值），即使采用修正值 30 G 與實(shí)測(cè)值（約為與實(shí)測(cè)值（約為110MPa）之間相差）之間相差34個(gè)數(shù)量級(jí)。個(gè)數(shù)量級(jí)。 位錯(cuò)概念引入解決這一矛盾。因?yàn)槲诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)只要求位錯(cuò)概念引入解決這一矛盾。因?yàn)槲诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)只要求 其中心附近少數(shù)原子移動(dòng)很小的距離（小于一個(gè)原子間距），其中心附近少數(shù)原子移動(dòng)很小的距離（小于一個(gè)原子間距）， 因此所需的應(yīng)力要比晶體作整體剛性滑移時(shí)小得多。這樣借因此所需的應(yīng)力要比晶體作整體剛性滑移時(shí)小得多。這樣借 助于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)晶

20、體逐步滑移。助于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)晶體逐步滑移。 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)首先遇到點(diǎn)陣阻力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)首先遇到點(diǎn)陣阻力派納力：派納力： )1 ( 2 exp 1 2 ) 2 exp( 1 2 bv a v G b w v G NP t 從上式可知從上式可知ab則則t t 故晶體的滑移通常發(fā)生在原子最密集故晶體的滑移通常發(fā)生在原子最密集 的晶面并沿著最密集的晶向進(jìn)行。的晶面并沿著最密集的晶向進(jìn)行。 除點(diǎn)陣阻力外，位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷、其他位錯(cuò)、晶界、第二相除點(diǎn)陣阻力外，位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷、其他位錯(cuò)、晶界、第二相 質(zhì)點(diǎn)等交互作用，對(duì)位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致晶體質(zhì)點(diǎn)等交互作用，對(duì)位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致晶體 強(qiáng)化強(qiáng)化

21、 * 晶體在滑移過(guò)程中的位錯(cuò)增殖晶體在滑移過(guò)程中的位錯(cuò)增殖, 位錯(cuò)密度增大位錯(cuò)密度增大, 相互作用相互作用,導(dǎo)導(dǎo) 致強(qiáng)化致強(qiáng)化, 即加工硬化即加工硬化. 2 1 0 ttGb t t0: :無(wú)加硬化時(shí)所需切應(yīng)力無(wú)加硬化時(shí)所需切應(yīng)力 :與材料有關(guān)常數(shù)與材料有關(guān)常數(shù)0.30.50.30.5 2. 孿生的機(jī)制孿生的機(jī)制 孿晶區(qū)域各晶面的相對(duì)位移距離是孿生方向原孿晶區(qū)域各晶面的相對(duì)位移距離是孿生方向原 子間距的分?jǐn)?shù)值，這表明孿生時(shí)每層晶面的位移應(yīng)借子間距的分?jǐn)?shù)值，這表明孿生時(shí)每層晶面的位移應(yīng)借 一個(gè)不全位錯(cuò)的移動(dòng)而造成。一個(gè)不全位錯(cuò)的移動(dòng)而造成。 位錯(cuò)增殖的極軸機(jī)制：位錯(cuò)增殖的極軸機(jī)制：fcc 中中

22、OA、OB和和OC三三 條位錯(cuò)線相交于結(jié)點(diǎn)條位錯(cuò)線相交于結(jié)點(diǎn)O，OA、OB不在滑移面上，屬不在滑移面上，屬 不動(dòng)位錯(cuò)不動(dòng)位錯(cuò)極軸位錯(cuò)，極軸位錯(cuò)，OC為可動(dòng)的不全位錯(cuò)，且為可動(dòng)的不全位錯(cuò)，且 只能繞極軸轉(zhuǎn)動(dòng)，每當(dāng)它在（只能繞極軸轉(zhuǎn)動(dòng)，每當(dāng)它在（111）面上掃過(guò)一圈，）面上掃過(guò)一圈， 就產(chǎn)生一個(gè)單原子層的孿晶，同時(shí)又沿著螺旋面上升就產(chǎn)生一個(gè)單原子層的孿晶，同時(shí)又沿著螺旋面上升 一層，這樣不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，上述過(guò)程逐層地重復(fù)進(jìn)行，就一層，這樣不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，上述過(guò)程逐層地重復(fù)進(jìn)行，就 在晶體中形成一個(gè)孿晶區(qū)域。在晶體中形成一個(gè)孿晶區(qū)域。 至于扭折帶晶體位向有突變，這個(gè)取向改變的過(guò)至于扭折帶晶體位向有突變，這個(gè)取向

23、改變的過(guò) 渡區(qū)系由一系列同號(hào)的刃型位錯(cuò)排列所構(gòu)成。渡區(qū)系由一系列同號(hào)的刃型位錯(cuò)排列所構(gòu)成。 多晶體變形要受到晶界和相鄰不同位向晶粒的約束。周圍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(lái)配合。一般多晶體為多系滑移，晶粒同時(shí)發(fā)生相適應(yīng)的變形來(lái)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)變應(yīng)變 曲線無(wú)曲線無(wú)只出現(xiàn)只出現(xiàn)、階段。階段。 晶粒取向的影響晶粒取向的影響 外力外力F作用下作用下 處于有利取向晶粒先開(kāi)始滑移處于有利取向晶粒先開(kāi)始滑移 處于不利取向晶粒還末開(kāi)始滑移處于不利取向

24、晶粒還末開(kāi)始滑移 變形不均勻變形不均勻 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)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) 多晶體塑性變形時(shí)要求至少有多晶體塑性變形時(shí)要求至少有5個(gè)獨(dú)立的滑移系進(jìn)行滑個(gè)獨(dú)立的滑移系進(jìn)行滑 移。移。 任意變形均可用任意變形均可用 e exx e eyy e ezz n nxy n nyz n nxz fcc, bcc 滑移系多 滑移系多 塑性好塑性好 hcp 滑移系少滑移系少 塑性差塑性差 )0( zzyyxx V V eee 二二. 晶界的阻滯效應(yīng)晶界的阻滯效應(yīng) 多晶體塑性變形的另一個(gè)特點(diǎn)是晶界對(duì)變形過(guò)程的阻礙多晶體塑性變形的另一個(gè)特點(diǎn)是晶界對(duì)變形

25、過(guò)程的阻礙 作用。對(duì)只有作用。對(duì)只有23個(gè)晶粒的試樣拉伸后呈竹結(jié)狀。個(gè)晶粒的試樣拉伸后呈竹結(jié)狀。 因晶界（尤其是大角晶界）處因晶界（尤其是大角晶界）處 原子排列不規(guī)則，點(diǎn)陣畸變嚴(yán)原子排列不規(guī)則，點(diǎn)陣畸變嚴(yán) 重，再加上晶界兩側(cè)的晶粒取重，再加上晶界兩側(cè)的晶粒取 向不同，滑移面和滑移方向彼向不同，滑移面和滑移方向彼 此不一致之緣故。此不一致之緣故。 晶內(nèi)發(fā)生較大變形，晶界晶內(nèi)發(fā)生較大變形，晶界 處變形量較少，塑變抗力處變形量較少，塑變抗力 大，可觀察到位錯(cuò)的塞積大，可觀察到位錯(cuò)的塞積 位錯(cuò)在晶界上位錯(cuò)在晶界上 產(chǎn)生塞積產(chǎn)生塞積 注意注意 晶界本身的強(qiáng)度對(duì)多晶體的加工硬化貢獻(xiàn)不大，而多晶晶界本身的強(qiáng)

26、度對(duì)多晶體的加工硬化貢獻(xiàn)不大，而多晶 體加工硬化的主要原因來(lái)自晶界兩側(cè)晶粒的位向差體加工硬化的主要原因來(lái)自晶界兩側(cè)晶粒的位向差 晶界阻滯效應(yīng)只在變形早期影響較大，因早期晶界阻滯效應(yīng)只在變形早期影響較大，因早期位錯(cuò) 位錯(cuò)較小 較小 晶界阻滯效應(yīng)的大小還與晶體的結(jié)構(gòu)類型有關(guān)晶界阻滯效應(yīng)的大小還與晶體的結(jié)構(gòu)類型有關(guān) hcp結(jié)構(gòu)的晶界阻滯效應(yīng)要比結(jié)構(gòu)的晶界阻滯效應(yīng)要比 fcc，bcc 類型的晶體明顯類型的晶體明顯 滑移系較小滑移系較小 三三 晶粒大小對(duì)機(jī)械性能的影響晶粒大小對(duì)機(jī)械性能的影響 1. 對(duì)室溫機(jī)械性能的影響對(duì)室溫機(jī)械性能的影響 晶粒愈細(xì)、晶界愈多晶粒愈細(xì)、晶界愈多強(qiáng)化效應(yīng)強(qiáng)化效應(yīng)細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶

27、強(qiáng)化 s ss s sb HV Strengthening by Grain Size Re-duction 較好塑性較好塑性,因細(xì)晶的晶內(nèi)和晶界附近應(yīng)變差較小，變形較均勻，因細(xì)晶的晶內(nèi)和晶界附近應(yīng)變差較小，變形較均勻， 有可能斷裂前承受大量的變形有可能斷裂前承受大量的變形 細(xì)晶具有良好的綜合機(jī)械性能。細(xì)晶具有良好的綜合機(jī)械性能。 Gb Lk n 0 t 2 0 ) 1( 16 i kn Gb xi t 0 ttn 2 1 0 ttGb 平衡時(shí)平衡時(shí) 根據(jù)每個(gè)位錯(cuò)的受力情況，可導(dǎo)出每個(gè)位錯(cuò)的位置，以根據(jù)每個(gè)位錯(cuò)的受力情況，可導(dǎo)出每個(gè)位錯(cuò)的位置，以 xi表示從障礙物開(kāi)始計(jì)到第表示從障礙物開(kāi)始計(jì)到

28、第i個(gè)位錯(cuò)距離：個(gè)位錯(cuò)距離： 塞積群周圍所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)與一個(gè)具有塞積群周圍所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)與一個(gè)具有nb的大位錯(cuò)所產(chǎn)生的大位錯(cuò)所產(chǎn)生 應(yīng)力場(chǎng)相當(dāng)。顯然（應(yīng)力場(chǎng)相當(dāng)。顯然（1）此應(yīng)力場(chǎng)反作用于位錯(cuò)源，并有）此應(yīng)力場(chǎng)反作用于位錯(cuò)源，并有 可能使其停止開(kāi)動(dòng)可能使其停止開(kāi)動(dòng)加工硬化加工硬化 由此可見(jiàn)在塞積群中位錯(cuò)的分布是不均勻的，越靠近障礙由此可見(jiàn)在塞積群中位錯(cuò)的分布是不均勻的，越靠近障礙 物，位錯(cuò)間距越小。物，位錯(cuò)間距越小。 位錯(cuò)塞積群的一個(gè)重要效應(yīng)就是在它的前端會(huì)引起應(yīng)力集位錯(cuò)塞積群的一個(gè)重要效應(yīng)就是在它的前端會(huì)引起應(yīng)力集 中，其數(shù)值等于外加切應(yīng)力中，其數(shù)值等于外加切應(yīng)力n倍：倍： t t0: :無(wú)

29、外加硬化時(shí)所需切應(yīng)力無(wú)外加硬化時(shí)所需切應(yīng)力 :與材料有關(guān)常數(shù)與材料有關(guān)常數(shù)0.30.50.30.5 2 1 0 Kd s ss Hall-Petch公式：公式： 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度相當(dāng)于單晶體的屈服強(qiáng)度相當(dāng)于單晶體的屈服強(qiáng)度 晶粒平均直徑晶粒平均直徑 常數(shù)，相鄰晶粒位向差對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響關(guān)系常數(shù)，相鄰晶粒位向差對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響關(guān)系 與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān) 系普遍的關(guān)系式，金屬材料如此，亞晶的尺寸與系普遍的關(guān)系式，金屬材料如此，亞晶的尺寸與s ss的關(guān)系，塑性的關(guān)系，塑性 材料流變應(yīng)力和晶粒尺寸，脆性材料的脆斷應(yīng)力與晶粒大小關(guān)系材料流變應(yīng)力和晶粒尺寸，脆性材料的脆斷應(yīng)力與晶粒大小關(guān)系 以及金

30、屬的疲勞強(qiáng)度與晶粒大小間的關(guān)系也可用霍爾以及金屬的疲勞強(qiáng)度與晶粒大小間的關(guān)系也可用霍爾-佩奇公式佩奇公式 來(lái)表達(dá)來(lái)表達(dá) 位錯(cuò)在晶界上產(chǎn)生塞積位錯(cuò)在晶界上產(chǎn)生塞積 位錯(cuò)塞積群的一個(gè)重要效應(yīng)就是在它的前端會(huì)位錯(cuò)塞積群的一個(gè)重要效應(yīng)就是在它的前端會(huì) 引起應(yīng)力集中，其數(shù)值等于外加切應(yīng)力引起應(yīng)力集中，其數(shù)值等于外加切應(yīng)力n倍：倍： 0 nLt 0 ntt c tt啟動(dòng)相鄰晶粒內(nèi)的位錯(cuò)源所需臨界應(yīng)力啟動(dòng)相鄰晶粒內(nèi)的位錯(cuò)源所需臨界應(yīng)力: 1 2 s Lt 1 2 s ds 2. 對(duì)高溫強(qiáng)度的影響對(duì)高溫強(qiáng)度的影響 低溫時(shí)：晶界強(qiáng)度低溫時(shí)：晶界強(qiáng)度晶內(nèi)強(qiáng)度晶內(nèi)強(qiáng)度 加上晶界兩側(cè)晶粒位加上晶界兩側(cè)晶粒位 向差影響

31、向差影響 晶界對(duì)滑移有阻滯作晶界對(duì)滑移有阻滯作 用用 等強(qiáng)溫度等強(qiáng)溫度Tk：s ss晶界 晶界 s ss晶內(nèi) 晶內(nèi) 高溫時(shí)則不同，有兩種不同的變形機(jī)制：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）晶粒沿晶界滑動(dòng)（晶界滑動(dòng)機(jī)制） 當(dāng)當(dāng)T Tm/2時(shí)，以晶粒沿晶界的相對(duì)滑移方式進(jìn)行時(shí)，以晶粒沿晶界的相對(duì)滑移方式進(jìn)行 T擴(kuò)散能力擴(kuò)散能力，且原子沿晶界擴(kuò)散速率，且原子沿晶界擴(kuò)散速率 沿晶內(nèi)的。沿晶內(nèi)的。 故高溫時(shí)晶界似流體一樣，呈現(xiàn)粘滯性故高溫時(shí)晶界似流體一樣，呈現(xiàn)粘滯性變形抗力變形抗力 沿晶界滑移沿晶界滑移 （2）擴(kuò)散性蠕變機(jī)制）擴(kuò)散性蠕變機(jī)制 蠕變：在一定蠕變：在一定

32、t C（300 C ）下，當(dāng)應(yīng)力大于某一值時(shí)，）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。現(xiàn)象。 ABCD為多晶體中一為多晶體中一 晶粒，晶粒，AB、CD晶界晶界 受拉，在其附近易于受拉，在其附近易于 產(chǎn)生空位，空位濃度產(chǎn)生空位，空位濃度 較高，較高，AC、BD受壓，受壓， 空位濃度較低。空位濃度較低。 擴(kuò)散擴(kuò)散 空位空位 蠕變?nèi)渥兣c與有關(guān)有關(guān) 存在空位濃度梯度導(dǎo)致空位向存在空位濃度梯度導(dǎo)致空位向AC、BD定向移動(dòng)，定向移動(dòng)， 原子向原子向AB、CD定向移動(dòng)，從而使晶粒沿拉伸方定向移動(dòng)，從而使晶粒沿

33、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)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)變不斷發(fā)生應(yīng)變擴(kuò)散性蠕變擴(kuò)散性蠕變 T ，d 擴(kuò)散性蠕變速率擴(kuò)散性蠕變速率 因此一般高溫合金都希望具有較粗晶粒因此一般高溫合金都希望具有較粗晶粒 四四. 多晶體的應(yīng)力多晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 與單晶相比，一般不出現(xiàn)硬化第一階段，易滑移階段。只與單晶相比，一般不出現(xiàn)硬化第一階段，易滑移階段。只 有有、線性硬化和拋物性硬化階段，呈現(xiàn)明顯的晶界阻線性硬化和拋物性硬化階段，呈現(xiàn)明顯的晶界阻 滯效應(yīng)和很高的硬化系數(shù)。滯效應(yīng)和很高的硬化系數(shù)。 面心立方晶體面心立方晶體 密排六方晶體密排六方晶體 一

34、一 單相固溶體合金的塑性變形單相固溶體合金的塑性變形 Plastic Deformation of SinglePhase alloy 1.屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象 yield phenomenon 拉伸曲線拉伸曲線 沒(méi)有明顯屈服點(diǎn)沒(méi)有明顯屈服點(diǎn) Yield point s s0.2 0.2 應(yīng)力平臺(tái)的應(yīng)力點(diǎn)稱為下屈服點(diǎn)，在幾乎是恒定的應(yīng)力下應(yīng)力平臺(tái)的應(yīng)力點(diǎn)稱為下屈服點(diǎn)，在幾乎是恒定的應(yīng)力下 發(fā)生的延長(zhǎng)稱為屈服伸長(zhǎng)。應(yīng)力平臺(tái)上每一個(gè)波動(dòng)對(duì)應(yīng)于一個(gè)發(fā)生的延長(zhǎng)稱為屈服伸長(zhǎng)。應(yīng)力平臺(tái)上每一個(gè)波動(dòng)對(duì)應(yīng)于一個(gè) 新的形變帶，即新新的形變帶，即新Lders bond，當(dāng)，當(dāng)Lders bond擴(kuò)展至試樣整擴(kuò)展至試樣

35、整 個(gè)長(zhǎng)度后，屈服伸長(zhǎng)階段就告結(jié)束，應(yīng)力又隨應(yīng)變單調(diào)增加，個(gè)長(zhǎng)度后，屈服伸長(zhǎng)階段就告結(jié)束，應(yīng)力又隨應(yīng)變單調(diào)增加， 開(kāi)始均勻塑性變形階段。開(kāi)始均勻塑性變形階段。 拉伸曲線應(yīng)力突然下降的點(diǎn)稱上屈服拉伸曲線應(yīng)力突然下降的點(diǎn)稱上屈服 點(diǎn)：試樣開(kāi)始屈服，發(fā)生明顯的塑性點(diǎn)：試樣開(kāi)始屈服，發(fā)生明顯的塑性 變形。在試樣表面觀察到與縱軸（拉變形。在試樣表面觀察到與縱軸（拉 伸軸）約呈伸軸）約呈45的應(yīng)變痕跡的應(yīng)變痕跡呂德斯呂德斯 帶（帶（Lders bond）它與試樣的未變）它與試樣的未變 形部分有明顯的界線。它與滑移帶不形部分有明顯的界線。它與滑移帶不 同，同， Lders bond穿過(guò)了試樣橫截面穿過(guò)了試樣

36、橫截面 上的各個(gè)晶粒。它是一種宏觀可見(jiàn)皺上的各個(gè)晶粒。它是一種宏觀可見(jiàn)皺 紋，也稱表面桔皮，在沖壓產(chǎn)品中需紋，也稱表面桔皮，在沖壓產(chǎn)品中需 避免。避免。 屈服現(xiàn)象機(jī)理屈服現(xiàn)象機(jī)理 溶質(zhì)原子與位錯(cuò)之間的交互作用溶質(zhì)原子與位錯(cuò)之間的交互作用(Cottrell氣團(tuán)氣團(tuán))來(lái)解釋位錯(cuò)來(lái)解釋位錯(cuò) 的釘扎作用。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)必須掙脫這氣團(tuán)，因而所需應(yīng)力較的釘扎作用。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)必須掙脫這氣團(tuán)，因而所需應(yīng)力較 高高上屈服點(diǎn)；一旦掙脫氣團(tuán)的釘扎后便能在較低應(yīng)力上屈服點(diǎn)；一旦掙脫氣團(tuán)的釘扎后便能在較低應(yīng)力 下運(yùn)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)下屈服點(diǎn)。下屈服點(diǎn)。 可動(dòng)位錯(cuò)密度很低之緣故可動(dòng)位錯(cuò)密度很低之緣故 材料塑性變形的應(yīng)變速率材料塑性變形的應(yīng)

37、變速率 與可動(dòng)位錯(cuò)密度與可動(dòng)位錯(cuò)密度 之間關(guān)系：之間關(guān)系： 由于塑性變形前由于塑性變形前 m較低，維持一定較低，維持一定 勢(shì)必要求勢(shì)必要求v ，即，即 需要較大的應(yīng)力需要較大的應(yīng)力上屈服點(diǎn)，一旦變形開(kāi)始后，位錯(cuò)迅速增上屈服點(diǎn)，一旦變形開(kāi)始后，位錯(cuò)迅速增 殖殖 m,為維持一定為維持一定 ，則必然，則必然v t t 下屈服點(diǎn)下屈服點(diǎn) p e p e p e m vb mp e 位錯(cuò)的柏氏矢量位錯(cuò)的柏氏矢量 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的平均速度位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的平均速度 由試驗(yàn)機(jī)夾頭的運(yùn)動(dòng)速度決定，由試驗(yàn)機(jī)夾頭的運(yùn)動(dòng)速度決定， 接近于恒值接近于恒值 0 )( m v t t 應(yīng)力敏感系數(shù)應(yīng)力敏感系數(shù) 位錯(cuò)作單位速度位錯(cuò)作單位

38、速度 運(yùn)動(dòng)所需應(yīng)力運(yùn)動(dòng)所需應(yīng)力 位錯(cuò)受到有效切應(yīng)力位錯(cuò)受到有效切應(yīng)力 對(duì)具有明顯屈服現(xiàn)象的材料而言，對(duì)具有明顯屈服現(xiàn)象的材料而言，s ss ss屈服屈服 塑變塑變卸載卸載拉伸拉伸無(wú)屈服現(xiàn)象無(wú)屈服現(xiàn)象 室溫停留幾天或室溫停留幾天或150 C時(shí)效時(shí)效 拉伸拉伸 屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象 而且上屈服點(diǎn)比原來(lái)升高，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變時(shí)效而且上屈服點(diǎn)比原來(lái)升高，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變時(shí)效 不難想象，此時(shí)屈服現(xiàn)象的重新產(chǎn)生是由于在室溫停不難想象，此時(shí)屈服現(xiàn)象的重新產(chǎn)生是由于在室溫停 留或時(shí)效時(shí)溶質(zhì)原子（留或時(shí)效時(shí)溶質(zhì)原子（C、N）通過(guò)擴(kuò)散重新聚集到位錯(cuò)）通過(guò)擴(kuò)散重新聚集到位錯(cuò) 附近，重新形成柯垂氣團(tuán)之故。附近，重新形成柯

39、垂氣團(tuán)之故。 在生產(chǎn)中為避免在生產(chǎn)中為避免Lders bond的產(chǎn)生，（致使工件表的產(chǎn)生，（致使工件表 面失去平整與光滑）面失去平整與光滑） 盡量降低材料中雜質(zhì)元素的含量盡量降低材料中雜質(zhì)元素的含量 加入少量能與溶質(zhì)元素形成穩(wěn)定化合物的加入少量能與溶質(zhì)元素形成穩(wěn)定化合物的Me， 如如Al、V、Ti、Nb 在板材深沖變形前進(jìn)行超過(guò)屈服伸長(zhǎng)范圍的預(yù)變形在板材深沖變形前進(jìn)行超過(guò)屈服伸長(zhǎng)范圍的預(yù)變形 3. 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 SolidSolution Strengthening 溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子點(diǎn)陣畸變點(diǎn)陣畸變 溶質(zhì)含量溶質(zhì)含量固溶體合金的強(qiáng)度、硬度固溶體合金的強(qiáng)度、硬度而塑性、韌性而塑性、韌性 定量

40、關(guān)系式：定量關(guān)系式： c dc dt t 點(diǎn)陣畸變引起臨點(diǎn)陣畸變引起臨 界分切應(yīng)力增量界分切應(yīng)力增量 ba C A s 2 0 s 常數(shù)常數(shù) 溶質(zhì)原子百分?jǐn)?shù)溶質(zhì)原子百分?jǐn)?shù) 柏氏矢量柏氏矢量 溶劑點(diǎn)陣常數(shù)溶劑點(diǎn)陣常數(shù) 溶質(zhì)原子的濃度溶質(zhì)原子的濃度固溶強(qiáng)化因素固溶強(qiáng)化因素 rx/rm相差愈大相差愈大固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 間隙原子強(qiáng)化效果比置換原子的強(qiáng)間隙原子強(qiáng)化效果比置換原子的強(qiáng) 溶質(zhì)原子與基體金屬的價(jià)電子數(shù)相差愈大，固溶強(qiáng)化溶質(zhì)原子與基體金屬的價(jià)電子數(shù)相差愈大，固溶強(qiáng)化 效果愈顯著效果愈顯著 固溶強(qiáng)化影響因素固溶強(qiáng)化影響因素 多相合金除基體相外，存在第二相多相合金除基體相外，存在第二相 1. 聚合型

41、合金的塑性變形聚合型合金的塑性變形 a）兩相晶粒尺寸屬同一數(shù)量級(jí)且均為塑性相，合金的變形決定于兩）兩相晶粒尺寸屬同一數(shù)量級(jí)且均為塑性相，合金的變形決定于兩 相的體積分?jǐn)?shù)相的體積分?jǐn)?shù) 若兩相應(yīng)變相等時(shí)，合金的平均流變應(yīng)力為若兩相應(yīng)變相等時(shí)，合金的平均流變應(yīng)力為 2211 efefe 2211 sssff1 21 ff f1 、 、f2 為兩相的體積分?jǐn)?shù) 為兩相的體積分?jǐn)?shù) 兩相應(yīng)力相等時(shí)，則合金的平均應(yīng)變?yōu)閮上鄳?yīng)力相等時(shí)，則合金的平均應(yīng)變?yōu)? 這類合金在發(fā)生形變時(shí)，滑移往往首先發(fā)生在較軟的相中，當(dāng)較強(qiáng)這類合金在發(fā)生形變時(shí)，滑移往往首先發(fā)生在較軟的相中，當(dāng)較強(qiáng) 相數(shù)量小時(shí)，則塑性變形基本上在較弱相中

42、；只有當(dāng)?shù)诙噍^強(qiáng)時(shí)，相數(shù)量小時(shí)，則塑性變形基本上在較弱相中；只有當(dāng)?shù)诙噍^強(qiáng)時(shí)， 且占有一定體積分?jǐn)?shù)（如且占有一定體積分?jǐn)?shù)（如f20.3）才能起明顯的強(qiáng)化作用。）才能起明顯的強(qiáng)化作用。 （ ） b）一相為塑性相，另一相為脆性相時(shí)，則合金的機(jī)械性能在很大程度）一相為塑性相，另一相為脆性相時(shí)，則合金的機(jī)械性能在很大程度 上取決于硬脆相的存在數(shù)量及其形狀、大小和分布情況。上取決于硬脆相的存在數(shù)量及其形狀、大小和分布情況。 鋼中鋼中Fe3C存在數(shù)量和形貌就是明顯一例存在數(shù)量和形貌就是明顯一例 2. 彌散分布型合金的變形彌散分布型合金的變形 當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時(shí)，將當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)

43、小彌散的微粒均勻分布于基體相中時(shí)，將 會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。 a）不可變形粒子的強(qiáng)化作用）不可變形粒子的強(qiáng)化作用 當(dāng)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與其相遇時(shí)，將受到粒子阻擋，位錯(cuò)線當(dāng)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與其相遇時(shí)，將受到粒子阻擋，位錯(cuò)線 繞著它發(fā)生彎曲，隨著外加應(yīng)力繞著它發(fā)生彎曲，隨著外加應(yīng)力，位錯(cuò)線彎曲更劇，最，位錯(cuò)線彎曲更劇，最 后形成包圍著粒子的位錯(cuò)環(huán)留下，而位錯(cuò)線的其余部分則后形成包圍著粒子的位錯(cuò)環(huán)留下，而位錯(cuò)線的其余部分則 越過(guò)粒子繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。越過(guò)粒子繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)位錯(cuò)理論可知，為使位錯(cuò)彎曲所需的切應(yīng)力為：根據(jù)位錯(cuò)理論可知，為使位錯(cuò)彎曲所需的切應(yīng)力為： t Gb R Gb 2 位錯(cuò)彎曲曲率半徑位

44、錯(cuò)彎曲曲率半徑 粒子間距粒子間距 當(dāng)?shù)诙辔⒘Ｓ鷱浬⒓戳Ｗ娱g距當(dāng)?shù)诙辔⒘Ｓ鷱浬⒓戳Ｗ娱g距l(xiāng) 強(qiáng)化作用強(qiáng)化作用 沉淀硬化沉淀硬化 Precipitation Hardening b）可變形微粒的強(qiáng)化作用）可變形微粒的強(qiáng)化作用 位錯(cuò)可切過(guò)微粒，使之隨同基體一起變形。位錯(cuò)可切過(guò)微粒，使之隨同基體一起變形。 強(qiáng)化機(jī)制：強(qiáng)化機(jī)制： 位錯(cuò)切過(guò)粒子位錯(cuò)切過(guò)粒子產(chǎn)生新的表面積產(chǎn)生新的表面積總界面能總界面能 當(dāng)粒子為有序結(jié)構(gòu)時(shí)，位錯(cuò)切過(guò)會(huì)打亂滑移面上下的有序排列，產(chǎn)生反當(dāng)粒子為有序結(jié)構(gòu)時(shí)，位錯(cuò)切過(guò)會(huì)打亂滑移面上下的有序排列，產(chǎn)生反 相疇界相疇界總能量總能量 第二相粒子與基體的晶體點(diǎn)陣不同，位錯(cuò)切過(guò)粒子后在其滑

45、移面上引起第二相粒子與基體的晶體點(diǎn)陣不同，位錯(cuò)切過(guò)粒子后在其滑移面上引起 原子的錯(cuò)排，需額外做功，給位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)困難原子的錯(cuò)排，需額外做功，給位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)困難 粒子周圍的彈性應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)會(huì)產(chǎn)生交互作用，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙粒子周圍的彈性應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)會(huì)產(chǎn)生交互作用，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙 基體與質(zhì)點(diǎn)滑移面取向并不一致，故切過(guò)后，必然產(chǎn)生一割階基體與質(zhì)點(diǎn)滑移面取向并不一致，故切過(guò)后，必然產(chǎn)生一割階阻力阻力 基體與質(zhì)點(diǎn)層錯(cuò)能不同，當(dāng)擴(kuò)展位錯(cuò)切過(guò)后，其寬度會(huì)發(fā)生變化，引起基體與質(zhì)點(diǎn)層錯(cuò)能不同，當(dāng)擴(kuò)展位錯(cuò)切過(guò)后，其寬度會(huì)發(fā)生變化，引起 能量升高能量升高 一一. 顯微組織變化顯微組織變化 1. 晶粒形狀變化晶粒

46、形狀變化 纖維狀組織纖維狀組織強(qiáng)烈冷變形的特征強(qiáng)烈冷變形的特征 各向異性各向異性 2. 亞結(jié)構(gòu)變化亞結(jié)構(gòu)變化 胞狀亞結(jié)構(gòu)：變形晶粒是由許多胞狀亞結(jié)構(gòu)：變形晶粒是由許多“胞胞”所組成，各個(gè)胞之間有著所組成，各個(gè)胞之間有著 微小的取向差，高密度纏結(jié)位錯(cuò)主要集中在胞的周圍地帶構(gòu)成微小的取向差，高密度纏結(jié)位錯(cuò)主要集中在胞的周圍地帶構(gòu)成“胞胞 壁壁”，而胞內(nèi)位錯(cuò)密度很低。且隨變形量，而胞內(nèi)位錯(cuò)密度很低。且隨變形量，胞數(shù)量，胞數(shù)量，尺寸，尺寸 變形材料中胞狀亞結(jié)構(gòu)形成不僅與變形量有關(guān)，還決定于材料變形材料中胞狀亞結(jié)構(gòu)形成不僅與變形量有關(guān)，還決定于材料 類型：類型： 對(duì)于層錯(cuò)能較高晶體，易形成胞狀亞結(jié)構(gòu)對(duì)于

47、層錯(cuò)能較高晶體，易形成胞狀亞結(jié)構(gòu) 對(duì)于層錯(cuò)能較低晶體，位錯(cuò)通常分解為較寬的擴(kuò)展位錯(cuò)對(duì)于層錯(cuò)能較低晶體，位錯(cuò)通常分解為較寬的擴(kuò)展位錯(cuò)交滑交滑 移困難，位錯(cuò)可移動(dòng)性移困難，位錯(cuò)可移動(dòng)性，一般此類材料冷變形后胞狀亞結(jié)構(gòu)不明顯，一般此類材料冷變形后胞狀亞結(jié)構(gòu)不明顯 銅材經(jīng)過(guò)不同程度冷軋后的光學(xué)顯微組織及薄膜投射電鏡像銅材經(jīng)過(guò)不同程度冷軋后的光學(xué)顯微組織及薄膜投射電鏡像 二二. 性能變化性能變化 1.加工硬化加工硬化 Work Hardening 塑性變形后在性能上最為突出的是強(qiáng)度（硬度）顯著提高，塑性迅速塑性變形后在性能上最為突出的是強(qiáng)度（硬度）顯著提高，塑性迅速 下降，這就是加工硬化現(xiàn)象下降，這就是

48、加工硬化現(xiàn)象 加工硬化是材料強(qiáng)化的一個(gè)重要的途徑，特別是對(duì)于那些不能采取加工硬化是材料強(qiáng)化的一個(gè)重要的途徑，特別是對(duì)于那些不能采取 熱處理手段來(lái)強(qiáng)化的材料，同時(shí)由于材料具有加工硬化特性，形變才得熱處理手段來(lái)強(qiáng)化的材料，同時(shí)由于材料具有加工硬化特性，形變才得 以傳遞和擴(kuò)展使整個(gè)零件在宏觀上能夠均勻變形。以傳遞和擴(kuò)展使整個(gè)零件在宏觀上能夠均勻變形。 加工硬化現(xiàn)象與位錯(cuò)間的交互作用有關(guān)加工硬化現(xiàn)象與位錯(cuò)間的交互作用有關(guān) 釘扎（割階、林位錯(cuò)、面角位錯(cuò)、釘扎（割階、林位錯(cuò)、面角位錯(cuò)、 位錯(cuò)纏結(jié)位錯(cuò)纏結(jié)） 繼續(xù)變形發(fā)生困難，必須加大應(yīng)力才能繼續(xù)變形繼續(xù)變形發(fā)生困難，必須加大應(yīng)力才能繼續(xù)變形加工硬化加工硬化

49、 2 1 0 ttGb 定量關(guān)系式定量關(guān)系式 影響加工硬化的因素：影響加工硬化的因素： 晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)：fcc，bcc 滑移系較多，易于產(chǎn)生多系滑移，位錯(cuò)常易于滑移系較多，易于產(chǎn)生多系滑移，位錯(cuò)常易于 發(fā)生交截，加工硬化率較大，而發(fā)生交截，加工硬化率較大，而 hcp 滑移系較少，加工硬化率小；滑移系較少，加工硬化率?。?另外多晶體的加工硬化率比單晶體高另外多晶體的加工硬化率比單晶體高 變形速率和變形溫度的影響變形速率和變形溫度的影響 塑變過(guò)程中發(fā)生塑變過(guò)程中發(fā)生 強(qiáng)化過(guò)程強(qiáng)化過(guò)程 軟化過(guò)程：軟化過(guò)程：位錯(cuò)依靠原子的熱運(yùn)動(dòng)越位錯(cuò)依靠原子的熱運(yùn)動(dòng)越 過(guò)短程障礙，在較高溫度過(guò)短程障礙，在較高溫度

50、 甚至發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶甚至發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶 低溫時(shí)：有強(qiáng)化過(guò)程無(wú)軟化過(guò)程低溫時(shí)：有強(qiáng)化過(guò)程無(wú)軟化過(guò)程 高溫時(shí)：主要為軟化過(guò)程高溫時(shí)：主要為軟化過(guò)程 中溫時(shí)：變形速率的影響較明顯，中溫時(shí)：變形速率的影響較明顯， 加大變形速率可使加工硬化顯著提高加大變形速率可使加工硬化顯著提高 變形速率對(duì)加工變形速率對(duì)加工 硬化影響不大硬化影響不大 溶質(zhì)原子的影響：一般溶質(zhì)原子（常指置換原子）加溶質(zhì)原子的影響：一般溶質(zhì)原子（常指置換原子）加 入可增大加工硬化率，因?yàn)槿肟稍龃蠹庸び不?，因?yàn)?a）某些溶質(zhì)原子可降低層錯(cuò)能）某些溶質(zhì)原子可降低層錯(cuò)能擴(kuò)展位錯(cuò)變寬擴(kuò)展位錯(cuò)變寬 不易交滑移；不易交滑移； b）溶質(zhì)原子周圍的彈性

51、應(yīng)力場(chǎng)可使位錯(cuò)線成為）溶質(zhì)原子周圍的彈性應(yīng)力場(chǎng)可使位錯(cuò)線成為 波浪形，而不再為純螺型位錯(cuò)，難發(fā)生交滑移；波浪形，而不再為純螺型位錯(cuò)，難發(fā)生交滑移； c）溶質(zhì)原子阻礙回復(fù)現(xiàn)象）溶質(zhì)原子阻礙回復(fù)現(xiàn)象 晶粒大小的影響：一般細(xì)晶粒材料加工硬化率要大于晶粒大小的影響：一般細(xì)晶粒材料加工硬化率要大于 粗晶粒材料粗晶粒材料 加工硬化除了有利一面外還有不利一面，如對(duì)必須加工硬化除了有利一面外還有不利一面，如對(duì)必須 進(jìn)行大變形量的零件，要使零件成型勢(shì)必增大設(shè)備的進(jìn)行大變形量的零件，要使零件成型勢(shì)必增大設(shè)備的 功率，增加動(dòng)力消耗，加工硬化會(huì)使材料塑性大為下功率，增加動(dòng)力消耗，加工硬化會(huì)使材料塑性大為下 降降開(kāi)裂現(xiàn)

52、象；加工過(guò)程不得不中間增加退火來(lái)消除開(kāi)裂現(xiàn)象；加工過(guò)程不得不中間增加退火來(lái)消除 加工硬化，以利于進(jìn)一步變形。加工硬化，以利于進(jìn)一步變形。 2. 其它性能其它性能 塑性變形使金屬的電阻率升高，電阻塑性變形使金屬的電阻率升高，電阻 溫度系數(shù)下降、導(dǎo)磁率下降、導(dǎo)熱系溫度系數(shù)下降、導(dǎo)磁率下降、導(dǎo)熱系 數(shù)下降、磁滯損耗、矯頑力升高數(shù)下降、磁滯損耗、矯頑力升高 塑變使擴(kuò)散過(guò)程加速，腐蝕速度加快塑變使擴(kuò)散過(guò)程加速，腐蝕速度加快 塑變通常使金屬材料的密度下降，但塑變通常使金屬材料的密度下降，但 對(duì)含有鑄造缺陷（如氣孔、疏松等）對(duì)含有鑄造缺陷（如氣孔、疏松等） 的金屬經(jīng)塑性變形后可能使密度上升的金屬經(jīng)塑性變形后

53、可能使密度上升 塑變使彈性模量升高塑變使彈性模量升高 殘余應(yīng)力不均勻變形而致殘余應(yīng)力不均勻變形而致 外力作用外力作用 施加的總能量施加的總能量 逸散能逸散能90 儲(chǔ)存能儲(chǔ)存能1010 （彈性能）（彈性能） 畸變能畸變能 9095% （點(diǎn)陣缺陷）（點(diǎn)陣缺陷） 位錯(cuò)位錯(cuò)90 空位、其它空位、其它10 應(yīng)變能應(yīng)變能 510% 宏觀內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力90 儲(chǔ)存能在變形金屬中的具體表現(xiàn)即為內(nèi)應(yīng)力儲(chǔ)存能在變形金屬中的具體表現(xiàn)即為內(nèi)應(yīng)力 內(nèi)應(yīng)力是一種彈性應(yīng)力，其最高值內(nèi)應(yīng)力是一種彈性應(yīng)力，其最高值 s se 內(nèi)應(yīng)力在變形材料內(nèi)部處于自相平衡狀態(tài)，即作內(nèi)應(yīng)力在變形材料內(nèi)部處于自相平衡狀態(tài)，即作 用于變形材料任一截面上的內(nèi)應(yīng)力之和應(yīng)為零用于變形材料任一截面上的內(nèi)應(yīng)力之和應(yīng)為零 2. 第二類內(nèi)應(yīng)力第