材料強度學-細晶強化

1、材 料 強 度 學材料強度：表征材料承載能力 的力學性能指標。是材料對變形和斷裂的抗力。定義：用給定塑性變形量或塑性變形速度所對應的應力或斷裂前所能承受的最大應力屈服強度：剛剛發(fā)生塑性變形所對應的應力。蠕變強度：一定溫度下給定的穩(wěn)定蠕變速度所對應的應力。疲勞強度：給定的疲勞斷裂周次所對應的應力幅。e.g.強度硬度？硬度：材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度，是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標鋼和黃銅的強度硬度關系（選自美國Metal Handbook第九版第一卷）強度：化學成分微觀結構環(huán)境應力狀態(tài)材料強度的影響因素：GraphiteDiamond研究材料變形與斷裂行為及其與應力、環(huán)

2、境等外部因素的關系，探明變形與斷裂行為的微觀機制，并建立變形與斷裂定量理論。材料強度學的任務：強度塑性變形位錯空位位錯晶界固溶原子第二相原子缺陷點缺陷位錯的運動與晶體塑性1926年，蘇聯(lián)物理學家雅科夫弗侖克爾（Jacov Frenkel）理想完整晶體模型理論屈服強度常用金屬的G 值 104MPa105MPa理論切變強度應為103MPa104MPa金屬的屈服強度僅為0.510MPa理論臨界分剪應力埃貢歐羅萬（Egon Orowan）邁克爾波拉尼（Michael Polanyi）G.I. 泰勒（G. I. Taylor）塑性變形的位錯機制理論一側相對于另一側的整體剛性滑移 通過位錯的運動來實現(xiàn) 剪

3、切應力的存在是塑性變形得以發(fā)生的最基本因素。晶體的范性形變就是位錯運動的結果。其存在對材料的物理性能，尤其是力學性能，具有極大的影響。位錯：指晶體材料的一種內(nèi)部微觀缺陷，即原子的局部不規(guī)則排列（晶體學缺陷）。從幾何角度看，位錯屬于一種線缺陷，可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線。刃型位錯螺型位錯攀移面缺陷：二維尺寸 晶體外表面（external surfaces） 晶粒邊界（grain boundaries） 孿晶界（twin boundaries） 相界面（phase boundaries） 層錯（stacking faults）晶界：兩個空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。(是單晶體區(qū)

4、別與多晶體的主要特征)晶界的特性：晶界原子排列混亂、缺陷和雜質(zhì)原子多、能量高； 晶界上原子擴散速度較快；晶界對位錯運動有阻礙作用；晶界易產(chǎn)生氧化、局部熔化和腐蝕等；晶界的原子混亂排列和高能量有利于固態(tài)相變的形核。 晶界分類：大角度晶界：晶粒位向差大于10度的晶界。其結構為幾個原子范圍內(nèi)的原子的混亂排列，可視為一個過渡區(qū)。小角度晶界：晶粒位向差小于10度的晶界。其結構為位錯列，又分為對稱傾側晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。亞晶界：位向差小于1度的亞晶粒之間的邊界。為位錯結構。晶粒的平均直徑通常在0.0150.25mm范圍內(nèi)，而亞晶粒的平均直徑則通常為0.001mm的范圍內(nèi)孿晶界：兩塊相鄰孿晶的共晶面。分為共格孿

5、晶界和非共格孿晶界。晶粒之間變形的傳播過程： 位錯在晶界塞積;應力集中;相鄰晶粒位錯源開動;相鄰晶粒變形;宏觀塑性變形。 有晶界條件下(多晶體)的變形特點：多晶體塑性變形總是一批一批晶粒逐步地發(fā)生，從少量晶粒開始逐步擴大到大量的晶粒，從不均勻變形逐步發(fā)展到比較均勻的變形。軟取向晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性 原因：各晶粒之間變形具有非同時性。 要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨立變形會導致 晶體分裂） 條件：獨立滑移系5個。（保證晶粒形狀的自由變化）晶粒大小與性能的關系： 晶粒越細，強度越高(細晶強化：Hall-Petch 公式可知)s=0+kd-1/2原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。而且

6、晶粒越多，變形均勻性提高，由應力集中導致的開裂機會減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出高塑性。此外，晶粒越細，應力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過程中可吸收較多能量,表現(xiàn)出高韌性。故細化晶粒是同時提高材料強度、塑性和韌性的有效手段（高溫性能除外），受到廣泛重視。HallPetch 公式的位錯模型s=0+kd-1/2Hall和Petch 首先建立了低碳鋼下屈服點與晶粒尺寸的經(jīng)驗關系，并得到了Morrison, Gladman 和Pickering等人的證實。位錯塞積模型基本思路：晶界位錯塞積應力集中達到某臨界值相鄰晶粒屈服相鄰晶粒位錯源開動滑移從一個晶粒傳播到另一個晶粒。n, n

7、umber of dislocation=2for edge dislocationfor screw dislocation0Stress concentration在塞積位錯群頭部產(chǎn)生應力集中該集中應力（即S）達到使滑移位錯對釘扎的原子氣團解釘?shù)呐R界應力SSC時，晶體將發(fā)生屈服；使相鄰晶粒內(nèi)的位錯源開動的臨界應力SfC時，晶體將發(fā)生塑性流變；使鄰近某處的微裂紋開始擴展的臨界應力SCC時，晶體將發(fā)生解理斷裂；微孔聚合的臨界應力SbC時，晶體將發(fā)生塑性斷裂。晶界位錯模型 基本思路：晶界上存在臺階或坎故晶界本身也可以作為位錯源位錯移出晶界必須通過坎位錯林所需的應力取決于坎的密度（隨晶粒尺寸減小而

8、增）。 可解釋純金屬中不存在位錯塞積而符合Hall-Petch 公式的情況。,位錯密度L,是屈服時單位晶界面積上發(fā)出的位錯的總長度S,晶粒表面積V,晶粒體積系數(shù)1/2表示晶界分屬兩個晶粒對于十四面體晶粒位錯強化增量公式增加形核率, N減低晶粒生長速度, G變質(zhì)處理(Inoculeation)在澆注前往液態(tài)金屬中加入形核劑，促進 形成大量的非均勻形核來細化晶粒。此法用于大型鑄件。振動、攪拌(Virbration and stir)機械振動，電磁振動，加壓澆注等。用于非常復雜的鑄件等通道轉(zhuǎn)角擠壓（ECAP）細晶強化可以取得較大的強化效果，目前在鋼鐵材料中通過低溫大塑性變形（SPD）工藝如：高壓扭轉(zhuǎn)

9、變形（HPT- High pressure torsion）累積疊軋（ARB- Accumulative roll-bonding ）動態(tài)塑性變形（DPDDynamic Plastic Deformation）動態(tài)再結晶控軋（DRCR- Dynamic recrystallization rolling/extrusion ）應變誘導鐵素體相變（DIFT- Deformation induced transformation ）Revealing the Maximum Strength in Nanotwinned CopperL.Lu. Science 30 January 2009: V

10、ol. 323 no. 5914 pp. 607-610 Strengthening Materials by Engineering Coherent Internal Boundaries at the NanoscaleK.Lu Science 17 April 2009: Vol. 324 no. 5925 pp. 349-352 Revealing the Maximum Strength in Nanotwinned CopperL.Lu. Science 30 January 2009: Vol. 323 no. 5914 pp. 607-610 本節(jié)完1各晶粒變形的不同時性和不

11、均勻性。 2各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性，需要五個以上的獨立滑移系同時動作。 由于晶界阻滯效應及取向差效應，變形從某個晶粒開始以后，不可能從一個晶粒直接延續(xù)到另一個晶粒之中，但多晶體作為一個連續(xù)的整體，每個晶粒處于其它晶粒的包圍之中，不允許各個晶粒在任一滑移系中自由變形，否則必將造成晶界開裂，為使每一晶粒與鄰近晶粒產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形，Von Mises指出：晶粒應至少能在五個獨立的滑移系上進行滑移。 fcc和bcc金屬能滿足五個以上獨立滑移系的條件，塑性通常較好；而hcp金屬獨立滑移系少，塑性通常不好。 多晶體金屬塑性變形的特點3滑移的傳遞，必須激發(fā)相鄰晶粒的位錯源。 4多晶體的變形抗力比單晶體大，變形更不均勻。 由