合金的塑性變形課件

合金的塑性變形提高材料強(qiáng)度的另一種方法是合金化。合金元素在基體中有兩種存在方式：與基體金屬形成固溶體；形成第二相。合金塑性變形的基本方式仍然是滑移和孿生，但由于組織、結(jié)構(gòu)的變化，其塑性變形各有特點(diǎn)。合金的塑性變形提高材料強(qiáng)度的另一種方法是合金化。一、固溶體的塑性變形固溶強(qiáng)化：溶質(zhì)原子溶入基體后，使其強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。溶質(zhì)原子的加入，提高屈服應(yīng)力-應(yīng)變水平，曲線上移。一、固溶體的塑性變形固溶強(qiáng)化：溶質(zhì)原子溶入基體后，使其強(qiáng)度、影響固溶強(qiáng)化的因素：溶質(zhì)原子的濃度越高，強(qiáng)化作用越大，但不保持線形關(guān)系，低濃度時(shí)，強(qiáng)化效應(yīng)更顯著。溶質(zhì)原子與基體金屬原子尺寸相差越大，強(qiáng)化作用也越大。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素比形成置換固溶體的溶質(zhì)元素的強(qiáng)化作用大。溶質(zhì)原子與基體金屬的價(jià)電子數(shù)相差越大，強(qiáng)化作用越大。影響固溶強(qiáng)化的因素：溶質(zhì)原子的濃度越高，強(qiáng)化作用越大，但不保固溶強(qiáng)化的機(jī)制溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用、電交互作用及化學(xué)交互作用，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)(提高屈服強(qiáng)度)，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力(提高整個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變水平)。固溶強(qiáng)化的機(jī)制溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用、電交互作用及化學(xué)溶質(zhì)原子在晶體中造成點(diǎn)陣畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生彈性交互作用。柯垂?fàn)?Cotrell)氣團(tuán)：溶質(zhì)原子與位錯(cuò)發(fā)生交互作用，集聚在位錯(cuò)線附近，以降低體系的畸變能所形成的溶質(zhì)原子氣團(tuán)。溶質(zhì)原子在晶體中造成點(diǎn)陣畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)的應(yīng)柯氏氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)有“釘扎”作用，為使位錯(cuò)掙脫氣團(tuán)的“釘扎”而運(yùn)動(dòng)或拖著氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)，必須施加更大的外力。因此，固溶體合金的塑性變形抗力要高于純金屬，即強(qiáng)度提高了?？率蠚鈭F(tuán)對(duì)位錯(cuò)有“釘扎”作用，為使位錯(cuò)掙脫氣團(tuán)的“釘扎”而運(yùn)屈服和應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象：低碳鋼拉伸時(shí)有上、下屈服點(diǎn)和屈服延伸現(xiàn)象。試樣在上屈服點(diǎn)出現(xiàn)明顯塑性變形，同時(shí)應(yīng)力突然下降到下屈服點(diǎn)。在下屈服點(diǎn)發(fā)生連續(xù)變形，而應(yīng)力并不升高或出現(xiàn)微小波動(dòng)，即出現(xiàn)屈服平臺(tái)。屈服和應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象：低碳鋼拉伸時(shí)有上、下屈服點(diǎn)和屈服延伸現(xiàn)象在屈服延伸階段，試樣的應(yīng)變不均勻，應(yīng)力達(dá)到上屈服點(diǎn)，在試樣應(yīng)力集中處首先開(kāi)始塑性變形，能在試樣表面觀察到與縱軸呈約45°交角的應(yīng)變痕跡——呂德斯帶。此時(shí)，應(yīng)力下降到下屈服點(diǎn)，呂德斯帶沿試樣長(zhǎng)度方向擴(kuò)展開(kāi)來(lái)。如果試樣上形成幾個(gè)呂德斯帶，在屈服延伸階段就會(huì)有應(yīng)力波動(dòng)，當(dāng)屈服擴(kuò)展到整個(gè)試樣標(biāo)距范圍，屈服延伸階段結(jié)束。在屈服延伸階段，試樣的應(yīng)變不均勻，應(yīng)力達(dá)到上屈服點(diǎn)，在試樣應(yīng)應(yīng)變時(shí)效應(yīng)變時(shí)效：經(jīng)過(guò)預(yù)變形的金屬放置一段時(shí)間后，屈服應(yīng)力提高的現(xiàn)象。若在拉伸前，對(duì)試樣先進(jìn)行少量的預(yù)塑性變形，則屈服點(diǎn)可暫時(shí)不出現(xiàn)。試樣放置一段較長(zhǎng)時(shí)間或經(jīng)200℃左右短時(shí)加熱，再拉伸，則屈服點(diǎn)又重新出現(xiàn)，且屈服應(yīng)力提高。應(yīng)變時(shí)效應(yīng)變時(shí)效：經(jīng)過(guò)預(yù)變形的金屬放置一段時(shí)間后，屈服應(yīng)力提現(xiàn)象的解釋：屈服點(diǎn)的出現(xiàn)通常與金屬中溶有微量的雜質(zhì)(或溶質(zhì))原子有關(guān)。如將低碳鋼經(jīng)700℃濕氫處理，去除N、C原子后拉伸，屈服點(diǎn)不出現(xiàn)，去N、C原子的試樣稍許滲入些C原子再拉伸，屈服現(xiàn)象又出現(xiàn)。原因：微量溶質(zhì)原子集聚在位錯(cuò)周圍，形成的柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)，對(duì)位錯(cuò)有“釘扎”作用。位錯(cuò)脫釘所需的應(yīng)力——上屈服點(diǎn)；已脫釘?shù)奈诲e(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)所需應(yīng)力——下屈服點(diǎn)。已經(jīng)屈服的試樣，卸載后立即重新拉伸，位錯(cuò)已脫釘，不出現(xiàn)屈服點(diǎn)；但卸載后放置較長(zhǎng)時(shí)間或稍加熱后再拉伸，溶質(zhì)原子已經(jīng)通過(guò)擴(kuò)散又重新集聚到位錯(cuò)線周圍形成了氣團(tuán)，故屈服現(xiàn)象又重新出現(xiàn)。現(xiàn)象的解釋：屈服點(diǎn)的出現(xiàn)通常與金屬中溶有微量的雜質(zhì)(或溶質(zhì))屈服現(xiàn)象給生產(chǎn)帶來(lái)的問(wèn)題深沖用低碳鋼薄板在沖壓成型時(shí)，會(huì)因屈服延伸區(qū)的不均勻變形（呂德斯帶）而使工件表面粗糙不平。使屈服點(diǎn)消除的措施：預(yù)冷軋（1~2%的壓下量）后，再?zèng)_壓；加少量Ti、Nb、V、Al等與C、N形成化合物。屈服現(xiàn)象給生產(chǎn)帶來(lái)的問(wèn)題深沖用低碳鋼薄板在沖壓成型時(shí)，會(huì)因屈二、多相合金的塑性變形與第二相強(qiáng)化單相合金借固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度的作用有限，兩相或多相合金的強(qiáng)化作用更顯著。聚合型多相合金：第二相的尺寸與基體晶粒尺寸屬同一數(shù)量級(jí)。彌散型多相合金：第二相粒子很細(xì)小，且彌散分布于基體晶粒內(nèi)。二、多相合金的塑性變形與第二相強(qiáng)化單相合金借固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度(一)聚合型兩相合金的變形1、兩相都有塑性：只有第二相較強(qiáng)時(shí)，合金才能強(qiáng)化。合金的變形阻力決定于兩相的體積分?jǐn)?shù)，滑移首先發(fā)生于較弱一相中。如較強(qiáng)相占到30%（體積），兩相以接近相等的應(yīng)變發(fā)生變形，較強(qiáng)相占到70%時(shí)，以它為主。(一)聚合型兩相合金的變形1、兩相都有塑性：2、第二相為硬脆相：合金的性能主要取決于脆性相的形狀和分布。硬脆相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在塑性相的晶界上，降低合金塑性，強(qiáng)度也降低。如Fe3CⅡ呈網(wǎng)狀分布時(shí)。硬脆相呈片狀分布在基體相中，提高合金強(qiáng)度，片層越細(xì)，強(qiáng)化效果越好，塑性也較好（類似于細(xì)晶強(qiáng)化）。如P，變形集中在基體相中，位錯(cuò)的移動(dòng)被限制在Fe3C片層之間很短的距離內(nèi)，增加了繼續(xù)變形的阻力，使鋼強(qiáng)度提高。厚Fe3C片易斷裂，薄片反而能承受一些變形。硬脆相呈較粗顆粒分布在基體相中，強(qiáng)度降低，塑性、韌性提高。如過(guò)共析鋼經(jīng)球化退火后的球狀Fe3C，因基體連續(xù)，F(xiàn)e3C對(duì)基體變形的阻礙作用大大減弱。2、第二相為硬脆相：冷加工后珠光體中滲碳體片的斷裂和變形15000×a)斷裂；b)變形冷加工后珠光體中滲碳體片的斷裂和變形15000×(二)彌散型合金的塑性變形第二相以細(xì)小彌散的微粒均勻分布在基體中，將產(chǎn)生顯著的彌散強(qiáng)化作用。第二相可從過(guò)飽和固溶體中析出，也可由粉末冶金方法加入。第二相分類：不可變形微粒，可變形微粒。(二)彌散型合金的塑性變形第二相以細(xì)小彌散的微粒均勻分布在基1、不可變形微粒的強(qiáng)化作用移動(dòng)位錯(cuò)與不可變形微粒相遇：位錯(cuò)線將饒過(guò)粒子，留下包圍著微粒的位錯(cuò)環(huán)，位錯(cuò)線其余部分則越過(guò)粒子繼續(xù)移動(dòng)。有實(shí)驗(yàn)觀察證實(shí)。位錯(cuò)按此方式移動(dòng)時(shí)受到的阻力很大，強(qiáng)度顯著提高。1、不可變形微粒的強(qiáng)化作用移動(dòng)位錯(cuò)與不可變形微粒相遇：位錯(cuò)α黃銅中圍繞著Al2O3粒子的位錯(cuò)環(huán)（透射電鏡像）α黃銅中圍繞著Al2O3粒子的位錯(cuò)環(huán)（透射電鏡像）粒子間距及尺寸對(duì)強(qiáng)化的影響位錯(cuò)繞過(guò)間距為λ的第二相微粒所需的切應(yīng)力為：即：λ越小，強(qiáng)化效果越顯著。減小粒子尺寸（在同樣體積分?jǐn)?shù)時(shí)，粒子越小，粒子間距越?。┗蛱岣吡Ｗ拥捏w積分?jǐn)?shù)，都使合金的強(qiáng)度提高。此機(jī)制稱奧羅萬(wàn)機(jī)制，計(jì)算和實(shí)測(cè)值相符。粒子間距及尺寸對(duì)強(qiáng)化的影響位錯(cuò)繞過(guò)間距為λ的第二相微粒所需的2、可變形微粒的強(qiáng)化作用第二相為可變形微粒時(shí)，位錯(cuò)將切過(guò)粒子，使其與基體一起變形，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使材料的強(qiáng)度提高。此現(xiàn)象也有電鏡觀察證實(shí)。位錯(cuò)切過(guò)粒子，產(chǎn)生的強(qiáng)化因素有：粒子結(jié)構(gòu)與基體不同，在其滑移面上造成原子錯(cuò)排，要求錯(cuò)排能。使粒子生成寬為b的臺(tái)階，需表面能。粒子周圍的彈性應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)交互作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。各因素綜合作用使合金強(qiáng)度提高。增大體積分?jǐn)?shù)或增大粒子尺寸都有利于提高強(qiáng)度。2、可變形微粒的強(qiáng)化作用第二相為可變形微粒時(shí)，位錯(cuò)將切過(guò)粒子位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到細(xì)小彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)，無(wú)論是繞過(guò)去或切過(guò)去，都要受到很大的阻力，將引起金屬的顯著強(qiáng)化。彌散強(qiáng)化：彌散分布的細(xì)小第二相質(zhì)點(diǎn)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，引起合金顯著強(qiáng)化的現(xiàn)象。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到細(xì)小彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)，無(wú)論是繞過(guò)去或切過(guò)去合金的塑性變形課件啟動(dòng)F-R源所需要的切應(yīng)力當(dāng)外加切應(yīng)力τ作用時(shí)，CD上將受到的力有：f=τb：驅(qū)動(dòng)力，使位錯(cuò)向前彎曲。線張力T：T=(1/2)Gb2，使位錯(cuò)變直。平衡時(shí)有：fds=2Tsin(dθ/2)ds=rdθ，sin(dθ/2)≈dθ/2平衡半徑：r=Gb/2τ使位錯(cuò)彎曲到半徑r所