材料科學(xué)課件：第八章 材料的變形與斷裂（四）

1、 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-2-91第八章第八章 材料的變形與斷裂（四）材料的變形與斷裂（四） 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-2-92十二、金屬的熱變形、蠕變和超塑性十二、金屬的熱變形、蠕變和超塑性1.金屬熱變形過(guò)程以及對(duì)組織與性能的影響金屬熱變形過(guò)程以及對(duì)組織與性能的影響熱變形：金屬在再結(jié)晶溫度以上的加工變形熱變形：金屬在再結(jié)晶溫度以上的加工變形金屬的熱變形可看作是金屬的熱變形可看作是兩個(gè)過(guò)程的組合兩個(gè)過(guò)程的組合：像冷加工那樣發(fā)生晶粒的伸長(zhǎng)與加工硬化像冷加工那樣發(fā)生晶粒的伸長(zhǎng)與

2、加工硬化又發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程，同時(shí)又新形成了等軸晶粒與又發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程，同時(shí)又新形成了等軸晶粒與消除了加工硬化消除了加工硬化動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶動(dòng)、靜態(tài)再結(jié)晶就其物理過(guò)動(dòng)、靜態(tài)再結(jié)晶就其物理過(guò)程及所產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，程及所產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別一般只以是否完成了再結(jié)一般只以是否完成了再結(jié)晶作為最后判別晶作為最后判別軋制 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-2-93高溫時(shí)熱變形后的再結(jié)晶實(shí)際上是很快的高溫時(shí)熱變形后的再結(jié)晶實(shí)際上是很快的右圖是右圖是51B60鋼

3、（鋼（WC 0.6%， WCr 0.8%，微量，微量B）在）在1200奧氏體化后在奧氏體化后在920軋制，變形量軋制，變形量60，于不同溫度，于不同溫度下停歇不同時(shí)間，隨之淬火后觀察其再下停歇不同時(shí)間，隨之淬火后觀察其再結(jié)晶進(jìn)行情況：結(jié)晶進(jìn)行情況：在在900下停歇只需下停歇只需1min就可完成再結(jié)晶，隨溫度降低，開(kāi)始就可完成再結(jié)晶，隨溫度降低，開(kāi)始發(fā)生和完成再結(jié)晶的時(shí)間稍長(zhǎng)，即使終軋溫度降到臨界溫度發(fā)生和完成再結(jié)晶的時(shí)間稍長(zhǎng)，即使終軋溫度降到臨界溫度Ar3以下如以下如 800，再結(jié)晶完成時(shí)間也只需，再結(jié)晶完成時(shí)間也只需10min。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料

4、的變形與斷裂 2022-2-94 實(shí)際實(shí)際 工藝處理：工藝處理：一般終軋溫度選在單相奧氏體區(qū)，溫度要盡可一般終軋溫度選在單相奧氏體區(qū)，溫度要盡可能低，目的是防止熱軋后再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大能低，目的是防止熱軋后再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大。 圖圖849是低碳鋼（是低碳鋼（ WC 0.2%）熱軋前后組織變化示意圖，臨）熱軋前后組織變化示意圖，臨界點(diǎn)界點(diǎn)Ar3為為830，在，在850可獲得細(xì)小的奧氏體等軸晶，這就保證可獲得細(xì)小的奧氏體等軸晶，這就保證了隨后冷卻時(shí)其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物鐵素體和珠光體也是細(xì)小的。了隨后冷卻時(shí)其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物鐵素體和珠光體也是細(xì)小的。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與

5、斷裂 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 p例例1 1、鎢、鎢的再結(jié)晶溫度約為的再結(jié)晶溫度約為12001200，因此，即使在，因此，即使在10001000進(jìn)行變形加進(jìn)行變形加工也屬于冷加工。工也屬于冷加工。p例例2 2、錫、錫在在室溫室溫進(jìn)行變形加工也屬進(jìn)行變形加工也屬于熱加工。于熱加工。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-2-972. 金屬的蠕變金屬的蠕變 金屬在室溫下或者溫度低于金屬在室溫下或者溫度低于0.3Tm時(shí)的變形，主要是通過(guò)滑移和孿晶兩種時(shí)的變形，主要是通過(guò)滑移和孿晶兩種方式進(jìn)行。方式進(jìn)行。

6、而在而在 T 0.3 Tm 會(huì)發(fā)生會(huì)發(fā)生位錯(cuò)的攀移位錯(cuò)的攀移，從而產(chǎn)生，從而產(chǎn)生蠕變?nèi)渥?現(xiàn)象現(xiàn)象金屬材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，金屬材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形發(fā)生緩慢的塑性變形（指材料在高溫下的變形不僅指材料在高溫下的變形不僅與應(yīng)力與應(yīng)力有關(guān)，而且與應(yīng)力作用時(shí)間有關(guān)）。有關(guān)，而且與應(yīng)力作用時(shí)間有關(guān)）。注：恒定溫度和應(yīng)力注：恒定溫度和應(yīng)力整個(gè)過(guò)程可分為三個(gè)階段：整個(gè)過(guò)程可分為三個(gè)階段：由蠕變速率（由蠕變速率（d /dt）逐漸減慢的第一階段；）逐漸減慢的第一階段；穩(wěn)態(tài)（恒速）蠕變的第二階段；穩(wěn)態(tài)（恒速）蠕變的第二階段；在蠕變過(guò)程后期，蠕變速率加快直至斷裂，即為第三

7、階段。在蠕變過(guò)程后期，蠕變速率加快直至斷裂，即為第三階段。隨溫度與應(yīng)力的提高，蠕變第二階段漸短，即蠕變由第一階段很快過(guò)渡到第隨溫度與應(yīng)力的提高，蠕變第二階段漸短，即蠕變由第一階段很快過(guò)渡到第三階段。三階段。因此高溫條件下服役的金屬零部件壽命大大減少因此高溫條件下服役的金屬零部件壽命大大減少 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-2-98 由于蠕變第二階段蠕變速率由于蠕變第二階段蠕變速率最小且蠕變量容易推算，故高溫最小且蠕變量容易推算，故高溫下工作的零件使用壽命多規(guī)定在下工作的零件使用壽命多規(guī)定在這一階段這一階段;其蠕變速率與溫度有指數(shù)關(guān)系，其蠕變

8、速率與溫度有指數(shù)關(guān)系，作作ln 1/ T圖可得一直線，其斜圖可得一直線，其斜率為率為Q/ R，Q 為蠕變過(guò)程的激為蠕變過(guò)程的激活能活能 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-2-99 Hc / (kJmol1) QD/(kJmol1) Al 140 Cu 196 -Fe 305 -Fe 299 Mg 117 Zn 88 138 194 291 288 134 90表表 8-5 蠕變激活能蠕變激活能 Hc 和自擴(kuò)散激活能和自擴(kuò)散激活能 QD 許多金屬蠕變第二階段的激活能與自擴(kuò)散的激活能十許多金屬蠕變第二階段的激活能與自擴(kuò)散的激活能十分接近，這說(shuō)明控

9、制蠕變速率的過(guò)程是由分接近，這說(shuō)明控制蠕變速率的過(guò)程是由擴(kuò)散過(guò)程擴(kuò)散過(guò)程所控制。所控制。金屬原子的擴(kuò)散機(jī)制是空位擴(kuò)散，自擴(kuò)散的激活能金屬原子的擴(kuò)散機(jī)制是空位擴(kuò)散，自擴(kuò)散的激活能QD可看可看成是空位形成能成是空位形成能QF與空位運(yùn)動(dòng)能與空位運(yùn)動(dòng)能QM兩者之和，兩者之和， 即：即： QDQFQM體心立方金屬中原子排列不體心立方金屬中原子排列不夠緊密，空位容易運(yùn)動(dòng)，夠緊密，空位容易運(yùn)動(dòng)，QD較小，因此與面心立方金屬較小，因此與面心立方金屬相比，蠕變激活能低，蠕變相比，蠕變激活能低，蠕變速率大速率大. 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-2-910 蠕

10、變第二階段，一般認(rèn)為是由位錯(cuò)滑移產(chǎn)生的加工硬蠕變第二階段，一般認(rèn)為是由位錯(cuò)滑移產(chǎn)生的加工硬化和由位錯(cuò)攀移產(chǎn)生高溫回復(fù)，此兩過(guò)程的速率相等，于化和由位錯(cuò)攀移產(chǎn)生高溫回復(fù)，此兩過(guò)程的速率相等，于是便形成了恒定的蠕變速率過(guò)程是便形成了恒定的蠕變速率過(guò)程 位錯(cuò)攀移可消除加工硬化，例如當(dāng)位錯(cuò)滑動(dòng)遇到障礙位錯(cuò)攀移可消除加工硬化，例如當(dāng)位錯(cuò)滑動(dòng)遇到障礙而阻塞，位錯(cuò)可藉熱激活產(chǎn)生攀移而避開(kāi)障礙而阻塞，位錯(cuò)可藉熱激活產(chǎn)生攀移而避開(kāi)障礙 由位錯(cuò)攀移而引起蠕變的機(jī)制叫做位錯(cuò)蠕變由位錯(cuò)攀移而引起蠕變的機(jī)制叫做位錯(cuò)蠕變 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-2-9113.

11、 金屬的超塑性金屬的超塑性許多金屬在一定條件下如：許多金屬在一定條件下如： 晶粒尺寸很細(xì)（約晶粒尺寸很細(xì)（約10 m以下，最好在以下，最好在5 m以下）以下） 變形溫度在變形溫度在0.50.65Tm 變形速率在變形速率在102104 /s范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，金屬可實(shí)現(xiàn)超塑金屬可實(shí)現(xiàn)超塑性變形伸長(zhǎng)率可性變形伸長(zhǎng)率可達(dá)達(dá)1000左右左右 因?yàn)榱髯儜?yīng)力因?yàn)榱髯儜?yīng)力 和應(yīng)變速率和應(yīng)變速率 有以下關(guān)系有以下關(guān)系 (一定溫度下一定溫度下): k m （式中的（式中的m為應(yīng)變速率敏感指數(shù)，室溫下，一般金屬材料的為應(yīng)變速率敏感指數(shù)，室溫下，一般金屬材料的m 很小，在很小，在 0.010.04 范圍；如溫度較高，晶

12、粒又很細(xì)時(shí)，范圍；如溫度較高，晶粒又很細(xì)時(shí)，m 值就可較高）值就可較高）要使金屬有超塑性，要使金屬有超塑性，m至少在至少在0.3以上，一般在以上，一般在0.5左右。左右。m值大時(shí)，表示應(yīng)力對(duì)值大時(shí)，表示應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率敏感應(yīng)變速率敏感顯示超塑性的原因：顯示超塑性的原因：材料在一定變形溫度、材料在一定變形溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率下的屈應(yīng)變和應(yīng)變速率下的屈服極限稱為其流變應(yīng)力服極限稱為其流變應(yīng)力 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2022-2-912 當(dāng)試樣發(fā)生頸縮，當(dāng)試樣發(fā)生頸縮，頸縮頸縮處的應(yīng)變速率較均勻變形的截面處要高約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，所以一處的應(yīng)變速率較均勻

13、變形的截面處要高約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，所以一旦在某處發(fā)生頸縮，由于應(yīng)變速率的升高，那里的流變應(yīng)力就急劇升高，這也是加工硬旦在某處發(fā)生頸縮，由于應(yīng)變速率的升高，那里的流變應(yīng)力就急劇升高，這也是加工硬化的一種方式，即抑制了頸縮的發(fā)展，變形就傳播到試樣的其他部位，這樣試樣就一直化的一種方式，即抑制了頸縮的發(fā)展，變形就傳播到試樣的其他部位，這樣試樣就一直均勻變形下去直至斷裂。均勻變形下去直至斷裂。 超塑性變形的本質(zhì)超塑性變形的本質(zhì)由晶界的滑移與晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)所致。沒(méi)有由晶界的滑移與晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)所致。沒(méi)有晶粒的伸長(zhǎng)變形晶粒的伸長(zhǎng)變形，細(xì)晶粒和高溫是實(shí)現(xiàn)這一變形的必要條件細(xì)晶粒和高溫是實(shí)現(xiàn)這一變形的必要條件對(duì)超塑性變形

14、金屬組織觀察證明：對(duì)超塑性變形金屬組織觀察證明：雖然斷裂時(shí)的延伸率很大，但晶粒并沒(méi)有拉長(zhǎng)，還是細(xì)小的等軸晶，但由于高溫和應(yīng)變雖然斷裂時(shí)的延伸率很大，但晶粒并沒(méi)有拉長(zhǎng)，還是細(xì)小的等軸晶，但由于高溫和應(yīng)變速率很低的情況下，晶粒稍有長(zhǎng)大；速率很低的情況下，晶粒稍有長(zhǎng)大；晶粒內(nèi)既無(wú)位錯(cuò)胞也無(wú)亞晶，位錯(cuò)密度也無(wú)明顯變化；晶粒內(nèi)既無(wú)位錯(cuò)胞也無(wú)亞晶，位錯(cuò)密度也無(wú)明顯變化；在預(yù)先表面拋光的試樣上作一劃痕，超塑性變形后，看到晶界附近有位移并有晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)在預(yù)先表面拋光的試樣上作一劃痕，超塑性變形后，看到晶界附近有位移并有晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 很多金屬材料在一定條件下都可以顯示超塑性，那些材料本身很難熱變形，零件

15、的形很多金屬材料在一定條件下都可以顯示超塑性，那些材料本身很難熱變形，零件的形狀很復(fù)雜，且有重要用途，可通過(guò)超塑性成形獲得。狀很復(fù)雜，且有重要用途，可通過(guò)超塑性成形獲得。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 超塑性變形的機(jī)制傾向認(rèn)為是晶界滑動(dòng)和晶?；剞D(zhuǎn)為主，伴有原子的擴(kuò)散傾向認(rèn)為是晶界滑動(dòng)和晶粒回轉(zhuǎn)為主，伴有原子的擴(kuò)散。微晶超塑變形機(jī)制微晶超塑變形機(jī)制p晶粒轉(zhuǎn)換機(jī)制的二晶粒轉(zhuǎn)換機(jī)制的二維表示維表示p伴隨定向擴(kuò)散的晶伴隨定向擴(kuò)散的晶界滑動(dòng)機(jī)制（虛線箭界滑動(dòng)機(jī)制（虛線箭頭代表體擴(kuò)散方向）頭代表體擴(kuò)散方向） 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形

16、與斷裂材料的變形與斷裂 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 十三、陶瓷材料的變形十三、陶瓷材料的變形p陶瓷材料具有強(qiáng)度高、重量輕、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕陶瓷材料具有強(qiáng)度高、重量輕、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料，特別是高溫結(jié)構(gòu)材料極具潛等一系列優(yōu)點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料，特別是高溫結(jié)構(gòu)材料極具潛力；但塑、韌性差限制了應(yīng)用。力；但塑、韌性差限制了應(yīng)用。p陶瓷晶體一般由陶瓷晶體一般由共價(jià)鍵共價(jià)鍵和和離子鍵離子鍵結(jié)合，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)合，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在室溫靜拉伸時(shí)，除少數(shù)幾在室溫靜拉伸時(shí)，除少數(shù)幾個(gè)具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的晶體個(gè)具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的晶體如如

17、KClKCl，MgOMgO外，外，一般陶瓷在一般陶瓷在室溫下沒(méi)有塑性室溫下沒(méi)有塑性。即彈性變。即彈性變形階段結(jié)束后，立即發(fā)生脆形階段結(jié)束后，立即發(fā)生脆性斷裂。性斷裂。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 p陶瓷晶體的塑性變形特點(diǎn)陶瓷晶體的塑性變形特點(diǎn)彈性模量比金屬高出幾倍。彈性模量比金屬高出幾倍。原子鍵合特點(diǎn)決定。原子鍵合特點(diǎn)決定。共價(jià)鍵共價(jià)鍵晶體的鍵具有方向性，使晶體具有較高晶體的鍵具有方向性，使晶體具有較高的抗晶格畸變和阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力，使共價(jià)鍵的抗晶格畸變和阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力，使共價(jià)鍵陶瓷具有比金屬高得多的硬度和彈性模量。陶瓷具有比金屬高得多的硬

18、度和彈性模量。離子鍵離子鍵晶體的鍵方向性不明顯，但滑移不僅要晶體的鍵方向性不明顯，但滑移不僅要受到密排面和密排方向的限制，而且要受到靜電受到密排面和密排方向的限制，而且要受到靜電作用力的限制，因此實(shí)際可移動(dòng)滑移系較少，彈作用力的限制，因此實(shí)際可移動(dòng)滑移系較少，彈性模量也較高。性模量也較高。與其相的種類、分布及氣孔率與其相的種類、分布及氣孔率有關(guān)，而金屬材有關(guān)，而金屬材料的彈性模量是一個(gè)組織不敏感參數(shù)。料的彈性模量是一個(gè)組織不敏感參數(shù)。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 實(shí)際強(qiáng)度實(shí)際強(qiáng)度和和理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度相差相差1-31-3個(gè)個(gè)數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)。原

19、因是原因是工藝缺陷工藝缺陷導(dǎo)致的導(dǎo)致的微裂紋尖端的應(yīng)微裂紋尖端的應(yīng)力集中力集中，裂紋尖端之最大應(yīng)力可達(dá)到理，裂紋尖端之最大應(yīng)力可達(dá)到理論斷裂強(qiáng)度或理論屈服強(qiáng)度。論斷裂強(qiáng)度或理論屈服強(qiáng)度。因陶瓷晶體中因陶瓷晶體中可動(dòng)位錯(cuò)少可動(dòng)位錯(cuò)少，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)又，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)又困難，所以一旦困難，所以一旦達(dá)到屈服強(qiáng)度就斷裂達(dá)到屈服強(qiáng)度就斷裂。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 陶瓷的壓縮強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度約一個(gè)數(shù)量級(jí)陶瓷的壓縮強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度約一個(gè)數(shù)量級(jí)，而金屬，而金屬的抗拉強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度一般相等。的抗拉強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度一般相等。這是由于陶瓷中總是存在這是由于陶瓷中總是存在微裂紋微裂紋，拉伸時(shí)當(dāng)裂紋