第五章 材料的形變和再結(jié)晶

1、第五章,材料的形變和再結(jié)晶,主要內(nèi)容,1.彈性變形的本質(zhì)、特征、彈性模量等 2.單晶體、多晶體、合金的塑性變形 3.塑性變形對材料組織和性能的影響 4.冷變形金屬在加熱時組織與性能的變化 5.回復(fù)與再結(jié)晶 6.晶粒長大 7.再結(jié)晶退火與退火孿晶,3,金屬材料的鑄態(tài)組織存在的缺陷: 晶粒粗大; 組織不均勻(三晶區(qū)); 成分不均勻(偏析); 材質(zhì)不致密(疏松)等. 金屬材料冶煉澆注后,絕大多數(shù)要塑性變形后使用,少數(shù)鑄造后直接使用,如:機床床身、泵體、暖氣片等。,金屬材料經(jīng)壓力加工（塑變）后： 改變外形及尺寸；如：棒材、板材、型鋼； 組織變化，與組織有關(guān)的性能也發(fā)生變化；如：冷加工后，材料強度顯著提

2、高，塑性下降。經(jīng)鍛造后，強度提高不明顯，塑性、韌性大為改善。,材料受力后要發(fā)生變形，外力較小時產(chǎn)生彈性變形；外力較大時產(chǎn)生塑性變形，而當(dāng)外力過大時就會發(fā)生斷裂。 研究材料的變形規(guī)律及其微觀機制，分析了解各種內(nèi)外因素對變形的影響，研究冷變形材料在回復(fù)再結(jié)晶過程中組織、結(jié)構(gòu)和性能的變化規(guī)律，具有十分重要的理論和實際意義。,5,Compression （壓縮）,Tension (拉伸),Shear (剪切),Torsion (扭轉(zhuǎn)),材料受外力 F 作用后產(chǎn)生的 應(yīng)力： 應(yīng)變： F 載荷A0試樣的原始截面面積l0 試樣的原始長度l 試樣變形后的長度,在剪切變形的情況下，則有 切應(yīng)力： = F / A

3、o 切應(yīng)變： = tan ( 100 %) 應(yīng)變角；,扭轉(zhuǎn)變形情況與剪切相似 靜載：轉(zhuǎn)矩T； 應(yīng)變：轉(zhuǎn)角,6,拉伸實驗 Tensile Test,測試儀器,標(biāo)準(zhǔn)樣品,Fracture (斷裂),Tensile Strength (抗拉強度),Necking (頸縮),7,拉伸實驗 Tensile Test,Standard stress-strain curve of low-C steel,退火低碳鋼在拉伸力作用下的變形過程可分為 彈性變形 不均勻屈服塑性變形 均勻塑性變形 不均勻集中塑性變形四個階段。,將拉伸力伸長曲線的縱、橫坐標(biāo)分別用拉伸試樣的原始截面積A0和原始標(biāo)距長度L0去除，則得到

4、應(yīng)力應(yīng)變曲線。 彈性極限、屈服強度和抗拉強度，是工程上具有重要意義的強度指標(biāo)。,10,10,1. Initial,2. Small load,3. Unload,Elastic means reversible!,Elastic Deformation（彈性變形）, = E,Hookes Law,11,11,1. Initial,2. Small load,3. Unload,Plastic means permanent!,Plastic Deformation（塑性變形）,第一節(jié) 彈性和黏彈性,材料在外力作用下發(fā)生變形。當(dāng)外力較小時，產(chǎn)生彈性變形。彈性變形是可逆變形，卸載時，變形消失并恢復(fù)

5、原狀。 彈性變形：指外力去除后能夠完全恢復(fù)的那部分變形，可從原子間結(jié)合力的角度來了解它的物理本質(zhì)。 彈性變形的實質(zhì)：晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。,一、彈性變形的本質(zhì),原子處于平衡位置時，相互作用力為零，這是最穩(wěn)定的狀態(tài)。 原子間距為r0，位能U處于最低位置，原子受力后將偏離其平衡位置，原子間距增大時將產(chǎn)生引力；原子間距減小時將產(chǎn)生斥力。 外力去除后，原子都恢復(fù)到原來的平衡位置，所產(chǎn)生的變形完全消失。,彈性變形本質(zhì)：,14,彈性變形的本質(zhì),FN = 0 平衡位置r0,attractive,repulsive,原子之間的作用力！,二、彈性變形的特征和彈性模量,式中，、分別為正應(yīng)力和切應(yīng)

6、力； 、分別為正應(yīng)變和切應(yīng)變； E，G分別為彈性模量和切變模量,（1）可逆性：理想的彈性變形是加載時變形，卸載時變形消失并恢復(fù)原狀。 彈性變形量比較小，一般不超過0.51。 （2）在彈性變形范圍內(nèi)，其應(yīng)力與應(yīng)變之間保持線性函數(shù)關(guān)系，即服從虎克(Hooke)定律：,彈性變形的特征,彈性模量是表征晶體中原子間結(jié)合力強弱的物理量，故是組織結(jié)構(gòu)不敏感參數(shù)。,式中，v為材料泊松比，表示側(cè)向收縮能力。一般金屬材料的泊松比在0.250.35之間。,彈性模量與切變彈性模量之間的關(guān)系為：,彈性模量代表著使原子離開平衡位置的難易程度，是表征晶體中原子間結(jié)合力強弱的物理量。,對晶體材料而言，其彈性模量是各向異性的。

7、在單晶體中，不同晶向上的彈性模量差別很大，沿著原子最密排的晶向彈性模量最高，而沿著原子排列最疏的晶向彈性模量最低。多晶體因各晶粒任意取向，總體呈各向同性。,彈性變形量隨材料的不同而異。多數(shù)金屬材料僅在低于比例極限的應(yīng)力范圍內(nèi)符合虎克定律，彈性變形量一般不超過0.5%。,在工程上，彈性模量是材料剛度的度量。,18,彈性模量與溫度、原子結(jié)合鍵類型的關(guān)系,三、 彈性的不完整性,多數(shù)材料為多晶體甚至為非晶態(tài)或者是兩者皆有的物質(zhì)，其內(nèi)部存在各種類型的缺陷。 彈性變形時，可能出現(xiàn)加載線與卸載線不重合、應(yīng)變的發(fā)展跟不上應(yīng)力的變化等有別于理想彈性變形特點的現(xiàn)象，稱之為彈性的不完整性。 彈性不完整性的現(xiàn)象包括

8、包申格效應(yīng) 彈性后效 彈性滯后 循環(huán)韌性,1包申格效應(yīng)（Bauschinger Effect),材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（小于4），而后同向加載則e升高，反向加載則e下降。此現(xiàn)象稱之為包申格效應(yīng)。 它是多晶體金屬材料的普遍現(xiàn)象。 包申格效應(yīng)對于承受應(yīng)變疲勞的工件很重要。,微觀本質(zhì) 預(yù)塑性變形，位錯增殖、運動、纏結(jié)； 同相加載，位錯運動受阻，殘余伸長應(yīng)力增加； 反向加載，位錯被迫作反向運動，運動容易，殘余伸 長應(yīng)力降低。 包申格效應(yīng)的危害及防止方法 交變載荷情況下，顯示循環(huán)軟化（強度極限下降） 預(yù)先進行較大的塑性變形，可不產(chǎn)生包申格效應(yīng)。 第二次反向受力前，先使金屬材料回復(fù)或再結(jié)晶退 火。

9、,2彈性后效,一些實際晶體，在彈性極限范圍內(nèi)，應(yīng)變滯后于外加應(yīng)力并和時間有關(guān)的現(xiàn)象稱為彈性后效或滯彈性。,ab=cd 滯彈性應(yīng)變,3.彈性滯后,由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，在-曲線上使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，稱之為彈性滯后。 彈性滯后表明加載時消耗于材料的變形功大于卸載時材料恢復(fù)所釋放的變形功，多余的部分被材料內(nèi)部所消耗，稱之為內(nèi)耗，其大小即用彈性滯后環(huán)面積度量。,彈性滯后環(huán),a)單向加載彈性滯后環(huán) (b)交變加載（加載速度慢）彈性滯后環(huán) c) 交變加載（加載速度快）彈性滯后環(huán) （d）交變加載塑性滯后環(huán),物理意義： 加載時消耗的變形功大于卸載時釋放的變形功。回線面積為一個循環(huán)所消耗的不可

10、逆功。 這部分被金屬吸收的功，稱為內(nèi)耗。 循環(huán)韌性 若交變載荷中的最大應(yīng)力超過金屬的彈性極限，則可得到塑性滯后環(huán)。 金屬材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力，叫 循環(huán)韌性。 循環(huán)韌性又稱為消振性。 循環(huán)韌性不好測量，常用振動振幅衰減的自然對數(shù)來 表示循環(huán)韌性的大小。 循環(huán)韌性的應(yīng)用 減振材料（機床床身、缸體等）； 樂器要求循環(huán)韌性小。,四、 黏彈性,除彈性變形、塑性變形外還有一種變形是黏性流動。 黏性流動：指非晶態(tài)固體和液體在很小外力作用下便會發(fā)生沒有確定形狀的流變，并且在外力去除后，形變不能回復(fù)。 一些非晶體，甚至多晶體，在比較小的應(yīng)力時可以同時表現(xiàn)出彈性和黏性，即黏彈性現(xiàn)象。,應(yīng)變落后于

11、應(yīng)力。當(dāng)加上周期應(yīng)力時，應(yīng)力應(yīng)變曲線就成一回線，所包含的面積即為應(yīng)力循環(huán)一周所損耗的能量，即內(nèi)耗。 黏彈性變形是既與時間有關(guān)，又具有可恢復(fù)的彈性變形，即具有彈性和黏性變形量方面特征。 黏彈性變形是高分子材料的重要力學(xué)特性之一。,黏彈性變形的特點,第二節(jié) 晶體的塑性變形,當(dāng)施加的應(yīng)力超過彈性極限時，材料發(fā)生塑性變形，即產(chǎn)生不可逆的永久變形。通過塑性變形，不但可使材料獲得預(yù)期的外形尺寸，而且可使材料內(nèi)部組織和性能產(chǎn)生變化。,29,屈服、屈服強度 Yield strength,30,屈服點確定,屈服點對應(yīng)于開始產(chǎn)生永久變形； 有些應(yīng)力-應(yīng)變曲線容易確定屈服區(qū)域（如A）； 有些應(yīng)力-應(yīng)變曲線不容易確定

12、屈服區(qū)域（如B）， 則采用0.002 偏移法來確定。,一、單晶體的塑性變形,單晶體塑性變形的兩個基本方式為滑移和孿生?；坪蛯\生都是切應(yīng)變，而且只有當(dāng)外加切應(yīng)力分量大于晶體的臨界分切應(yīng)力tc時才能開始。 其中，滑移是不均勻切變，孿生為均勻切變。 在常溫和低溫下，單晶體的塑性變形主要通過滑移方式進行的，此外，還有孿生和扭折等方式。 擴散性變形及晶界滑動和移動等方式主要存在于高溫形變中。,(1) 滑移,a滑移線與滑移帶,1. 單晶體的滑移,滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。,由大量位錯移

13、動而導(dǎo)致晶體的一部分相對于另一部分，沿著一定晶面和晶向作相對的移動，即晶體塑性變形的滑移機制。,滑移的顯微觀察,對滑移線的觀察表明：晶體塑性變形的不均勻性，滑移只是集中發(fā)生在一些晶面上，而滑移帶或滑移線之間的晶體層片則未產(chǎn)生變形，只是彼此之間作相對位移而已。,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,滑移帶：光學(xué)顯微鏡觀察到的塑變后單晶試樣表面形成的滑移條紋。 滑移線：組成滑移帶的平行線條。,35,滑移帶slip bands的形成 彈性變形外力克服單晶原子間的鍵合力，使原子偏離其平衡

14、位置，試樣開始伸長。 晶面滑移當(dāng)外力大于屈服極限后，沿單晶的某一特定晶面原子產(chǎn)生相對滑移。隨應(yīng)力的增加，發(fā)生滑移的晶面增加，塑性變形量加大。,滑移帶的數(shù)目、寬度、帶間距離以及每條帶中的滑移線的數(shù)目隨金屬和合金的不同、變形溫度、變形速度及晶體表面狀況的不同而不同。 滑移帶觀察：試樣預(yù)先拋光（不腐蝕），進行塑性變形，表面上出現(xiàn)一個個臺階，即滑移帶。,滑移變形是不均勻的，常集中在一部分晶面上，而處于各滑移帶之間的晶體沒有產(chǎn)生滑移。 滑移帶的發(fā)展過程，首先是出現(xiàn)細滑移線，后來才發(fā)展成帶，而且，滑移線的數(shù)目隨應(yīng)變程度的增大而增多，它們之間的距離則在縮短。,單晶體滑移特點,不改變晶體的取向； 不改變晶體的

15、點陣類型； 在晶體表面產(chǎn)生臺階。,塑性變形時位錯只沿著一定的晶面和晶向運動。這 些晶面和晶向分別稱為“滑移面”和“滑移方向” 滑移面：晶體的滑移通常是沿著一定的晶面發(fā)生的，此組晶面稱為滑移面； 滑移方向：滑移是沿著滑移面上一定的晶向進行的，此晶向稱為滑移方向。 一個滑移面和此面上的一個滑移方向組成一個滑移系 晶體結(jié)構(gòu)不同，其滑移面和滑移方向也不同。,b滑移系,38,Slip plane,Slip line,滑移的晶體學(xué) 滑移面 （密排面） 滑移方向（密排方向）,滑移系：一個滑移面和該面上一個滑移方向的組合。 滑移系的個數(shù)滑移面?zhèn)€數(shù)每個面上所具有的滑移方向的個數(shù),一般滑移系越多，塑性越好； 滑移

16、系數(shù)目與材料塑性的關(guān)系： 與滑移面密排程度和滑移方向個數(shù)和同時開動滑移系數(shù)目有關(guān),39,滑移發(fā)生在晶體的密排面上，并沿密排方向進行。,密排面的d最大，點陣阻力最小，最容易滑移,密排晶向原子間距最小，單位滑移量?。?相互作用力最大，滑移原子間距保持不變。,滑移系 slip systems,滑移系 = 滑移面 * 滑移方向,40,三種典型金屬晶格中的主要滑移系：,41,面心立方： 滑移面111 4個，滑移方向 3個，滑移系43=12個,42,體心立方：,變形溫度為0.50.25Tm，滑移面為110（最可能的）；,變形溫度為0.25Tm，滑移面為112；,變形溫度為0.8Tm，滑移面為123。,滑移

17、方向為。,110有6個，每個面上有2個方向，62=12 112有12個，每個面上有1個方向，121=12 123有24個，每個面上有1個方向，241=24,可能潛在的滑移系共有：12+12+24=48，其中只有前12個滑移系較普遍。,43,密排六方：,c/a1.633：滑移面00011個，滑移方向3個，滑移系13=3c/a1.633：滑移面1010和1011，滑移方向,由于hcp金屬滑移系數(shù)目較少，密排六方金屬的塑性通常 都不太好。,44,一些常見金屬滑移面與滑移方向,45,每個滑移系表示：金屬晶體在進行滑移時可能采取的一個空間取向，在其它條件相同時，滑移系越多，滑移時可能采取的空間取向越多，

18、金屬的塑性越好。 滑移方向?qū)λ苄宰饔么笥诨泼妗?密排六方金屬塑性最差，面心立方金屬塑性最好，體心立方介于中間。 啟動滑移系：開始發(fā)生滑移的滑移系； 潛在滑移系：沒有發(fā)生滑移的滑移系。,C . 滑移的臨界分切應(yīng)力,晶體的滑移是在切應(yīng)力作用下進行的。 許多滑移系并非同時參與滑移，當(dāng)外力在某一滑移系中的分切應(yīng)力達到一定臨界值時，該滑移系首先發(fā)生滑移時的分切應(yīng)力稱為滑移的臨界分切應(yīng)力。 滑移的臨界分切應(yīng)力是一個真實反映單晶體受力起始屈服的物理量。其數(shù)值與晶體的類型、純度及溫度等因素有關(guān)，還與該晶體的加工和處理狀態(tài)、變形速度及滑移系類型等因素有關(guān)。,（1）設(shè)有一截面積為A的圓柱形單晶體受軸向拉力F的作

19、用， 為滑移面法線與外力F中心軸的夾角， 為滑移方向與外力F的夾角。,滑移面的面積為,作用在此滑移面上的應(yīng)力,滑移面法線與外力中心軸的夾角,外力在滑移方向的分切應(yīng)力,48,宏觀起始 拉伸應(yīng)力,取向因子 orientation factor,施密特因子 Schmid factor,滑移方向 與外力的夾角,應(yīng)力可分解為兩個分應(yīng)力：垂直于滑移面的分正應(yīng)力和平行于滑移面的分切應(yīng)力。分切應(yīng)力作用在滑移方向上，使晶體產(chǎn)生滑移，其大小為：,slip direction,slip direction,是材料常數(shù)，與晶體取向無關(guān)！其大小取決于位錯在滑移面上運動時所受的阻力。 只有當(dāng)K時，才能開始滑移,49,臨界

20、分切應(yīng)力定律：晶體滑移時，必須在滑移面上沿滑移方向上的分切應(yīng)力達到一個臨界值時，才能開始滑移。 看出：當(dāng)分切應(yīng)力達到一個臨界值時，晶體便沿確定的滑移系發(fā)生滑移，與作用在該滑移系的正應(yīng)力無關(guān)。,S=K/ coscos,由于K與外力方向無關(guān)，則coscos改變時，相應(yīng)晶體發(fā)生塑性變形的屈服應(yīng)力也要改變。對于確定的晶體K是常數(shù)，單晶體的屈服應(yīng)力隨取向因子的變化而改變。,50,50,需要了解coscos的變化范圍：coscos=(1/2)sin2 當(dāng)=45，coscos=1/2，最大，最易滑移。把這樣的位向稱為“軟取向”。軟取向：取向因子較大的位向； 當(dāng)=0、90，coscos=0，=0，無論施加多大

21、外力也不能滑移。把這樣的位向稱為“硬取向”硬取向：取向因子較小的位向； 所以大于或小于45都不利滑移,d拉伸和壓縮時晶體的轉(zhuǎn)動,（1）拉伸：單晶體滑移時，除滑移面發(fā)生相對位移外，往往伴隨著晶面的轉(zhuǎn)動,有約束時-導(dǎo)致轉(zhuǎn)動,無約束時,分正應(yīng)力： 拉伸作用在中間一層金屬上下兩面的作用力可分為兩 個分應(yīng)力： 分正應(yīng)力1、2 垂直于滑移面，成力偶，使晶塊滑移面朝外力軸方向轉(zhuǎn)動。,分切應(yīng)力： 分切應(yīng)力與滑移方向不一致時，可分解為平行于滑移方向和垂直于滑移方向的兩個分力。 前一分力產(chǎn)生滑移，后一分力構(gòu)成力偶，使滑移方向轉(zhuǎn)至最大切應(yīng)力方向。 拉伸時，在產(chǎn)生滑移的過程中，晶體的位向在不斷改變，不僅滑移面在轉(zhuǎn)動，

22、而且滑移方向也改變位向。,（2）壓縮 壓縮時晶體的滑移面， 力圖轉(zhuǎn)至與壓力方向 垂直的位置。,55,（1）對只有一組滑移面的晶體： 幾何軟化：使滑移系轉(zhuǎn)向容易滑移的軟取向。 幾何硬化：使滑移系轉(zhuǎn)向不容易滑移的硬取向，造成形變抗力增加。 （2）對有多組滑移面的晶體：多個滑移系滑移。,晶體轉(zhuǎn)動的結(jié)果使和角發(fā)生變化，取向因子變化，導(dǎo)致：,e多系滑移,單滑移：只有一個特定的滑移系處于最有利的位置而優(yōu)先開動時，形成單滑移。 有多組滑移系的晶體，滑移首先在取向最有利的滑移系中進行，由于變形時晶面轉(zhuǎn)動，另一組滑移面上的分切應(yīng)力也可能逐漸增加到足以發(fā)生滑移的臨界值以上，于是晶體的滑移就可能在兩組或更多的滑移面

23、上同時進行或交替地進行，從而產(chǎn)生多系滑移。 位錯交互運動使位錯運動受阻，材料得到強化,57,（1）滑移的分類 多滑移：在多個（2）滑移系上同時或交替進行的滑移。 雙滑移： 單滑移： （2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸夾角分別相等的一組滑移系。,58,（3）. 交滑移 交滑移：晶體在兩個或多個不同滑移面上沿同一滑移方向進行的滑移。 機制 螺位錯的交滑移：螺位錯從一個滑移面轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面的過程； 螺位錯的雙交滑移：交滑移后的螺位錯再轉(zhuǎn)回到原滑移面的過程。,f滑移的位錯機制,晶體的滑移必須在一定的外力作用下才能發(fā)生，這說明位錯的運動要克服阻力。 位錯運動的阻力首先來自點陣

24、阻力。由于點陣結(jié)構(gòu)的周期性，當(dāng)位錯沿滑移面運動時，位錯中心的能量也要發(fā)生周期性的變化。,位錯滑移時核心能量的變化,1和2為等同位置，當(dāng)位錯處于這種平衡位置時，其能量最小，相當(dāng)于處在能谷中。當(dāng)位錯從位置1移動到位置2時，需要越過一個勢壘，這就是說位錯在運動時會遇到點陣阻力。由于派爾斯（Peierls）和納巴羅（Nabarro）首先估算了這一阻力，故又稱為派納（P-N）力。,60,滑移是通過滑移面上的位錯的運動來實現(xiàn)的。,滑移不是剛性滑動,派-納（P-N）力,式中，b為滑移方向上的原子間距，d為滑移面的面間距，為泊松比，W=d/(1-)代表位錯寬度,位錯寬度越大，則派一納力越小，這是因為位錯寬度表

25、示了位錯所導(dǎo)致的點陣嚴(yán)重畸變區(qū)的范圍寬度大則位錯周圍的原子就能比較接近于平衡位置，點陣的彈性畸變能低，故位錯移動時其他原子所作相應(yīng)移動的距離較小，產(chǎn)生的阻力也較小。,位錯運動的阻力與晶體的強化,點陣阻力； 位錯與位錯的交互作用產(chǎn)生的阻力； 運動位錯交截后形成的扭折和割階，尤其是螺型位錯的割階將對位錯起釘扎作用，致使位錯運動的阻力增加； 位錯與其他晶體缺陷如點缺陷，其他位錯、晶界和第二相質(zhì)點等交互作用產(chǎn)生的阻力； 對位錯運動均會產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致晶體強化。,63,小 結(jié),滑移是不均勻的切變，發(fā)生在某些特定晶面和晶向上；,滑移使兩部分晶體產(chǎn)生相對移動，移動距離為nb，滑 移之后總是保持著原來晶體學(xué)的一

26、致性；,滑移總是沿著一定的晶向和晶面進行，滑移系比較多 的材料具有優(yōu)良的塑性；,滑移是在切應(yīng)力作用下進行，分切應(yīng)力大于臨界分切 應(yīng)力才會發(fā)生；,滑移同時滑移面和滑移方向會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動；,滑移的實質(zhì)是位錯沿著滑移面運動的結(jié)果。,2. 單晶體的孿生,當(dāng)面心立方晶體在切應(yīng)力作用下發(fā)生孿生變形時，晶體內(nèi)局部地區(qū)的各個（111）晶面沿著 11-2方向（AC），產(chǎn)生彼此相對移動距離為a/611-2的均勻切變。 這樣的切變并未使晶體的點陣類型發(fā)生變化，但它卻使均勻切變區(qū)中的晶體取向發(fā)生變更，變?yōu)榕c未切變區(qū)晶體呈鏡面對稱的取向。 這一變形過程稱為孿生。變形與未變形兩部分晶體合稱為孿晶； 均勻切變區(qū)與未切變區(qū)的分界

27、面（即兩者的鏡面對稱面）稱為孿晶界； 發(fā)生均勻切變的那組晶面稱為孿晶面（即（111）面）；孿生面的移動方向（即 11-2方向）稱為孿生方向。,a.孿生變形過程,65,（1）孿生變形也是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，并通常出現(xiàn)于滑移受阻而引起的應(yīng)力集中區(qū)，因此，孿生所需的臨界切應(yīng)力要比滑移時大得多， 例如：99.999% Cd，滑移的臨界分切應(yīng)力為30g/mm2；孿生的臨界分切應(yīng)力為422g/mm2 （2）孿生是一種均勻切變，即切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平行的每一層原子面均相對于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距離，且每一層原子相對于孿生面的切變量跟它與孿生面的距離成正比。 （3）孿晶的兩部分晶體形成鏡面對稱的位

28、向關(guān)系。 （4）形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體（密排六方金屬很容易產(chǎn)生孿生變形），面心立方晶體中很難發(fā)生孿生。 （5）孿生本身對金屬塑性變形的貢獻不大，但形成的孿晶改變了晶體的位向，使新的滑移系開動，間接對塑性變形有貢獻。 （6）不改變晶體的點陣類型,b.孿生特點,67,（8）孿晶生長要求通過基體的其它塑變方式（滑移、扭折）進行協(xié)調(diào)。 （9）孿生時可以聽到聲音，并在應(yīng)力應(yīng)變曲線上出現(xiàn)鋸齒狀的波動。 （10）孿生對總變形量貢獻不大（提供710%）。但孿生是滑移的補充，當(dāng)滑移不能進行時，孿生改變晶體取向，使滑移繼續(xù)。,（7）孿晶為條帶狀（可以是平直的、透鏡狀），可以平行，也可以交成一定角度。

29、,金屬鋅在拉伸中形成的孿晶,c孿晶的形成,在晶體中形成孿晶的主要方式有三種： 一是通過機械變形而產(chǎn)生的孿晶，也稱為“變形孿晶”或“機械孿晶”，它的特征通常呈透鏡狀或片狀； 其二為“生長孿晶”，它包括晶體自氣態(tài)（如氣相沉積）、液態(tài)（液相凝固）或固體中長大時形成的孿晶； 其三是變形金屬在其再結(jié)晶退火過程中形成的孿晶，也稱為“退火孿晶”，它往往以相互平行的孿晶面為界橫貫整個晶粒，是在再結(jié)晶過程中通過堆垛層錯的生長形成的。它實際上也應(yīng)屬于生長孿晶，系從固體中生長過程中形成。,(a) 退火孿晶示意圖 (b)純銅的退火孿晶,71,密排六方金屬滑移系少，容易進行孿生變形。 體心立方室溫只有在沖擊載荷下發(fā)生孿

30、生變形。在室溫以下由于滑移不易進行，可以孿生方式變形。 面心立方在極低溫度（4-78K）下，滑移極為困難時產(chǎn)生 -滑移難以進行時才發(fā)生孿生。,發(fā)生孿生變形的條件,孿晶的萌生一般需要較大的應(yīng)力，但隨后長大所需的應(yīng)力較小，其拉伸曲線呈鋸齒狀。孿晶核心大多是在晶體局部高應(yīng)力區(qū)形成。變形孿晶一般呈片狀。變形孿晶經(jīng)常以爆發(fā)方式形成，生成速率較快。,73,fcc：111 bcc: 112,hcp:1012,不同晶體結(jié)構(gòu)往往有不同孿生面和孿生方向：,變形孿晶的生長大致可分為,形核 長大,兩個階段,行的條件下才會發(fā)生。例如，Mg孿生所需cMPa, 而滑移時c僅為0.49MPa。但孿晶的長大速度極快（與沖 擊波

31、的速度相當(dāng)）有相當(dāng)數(shù)量的能量被釋放出來，故?？?聽見明顯可聞“咔、嚓”聲，也稱孿生吼叫。,孿生臨界切應(yīng)力比滑移的大得多，只有在滑移很難進,74,75,d.孿生的位錯機制,由于孿生變形時整個孿晶區(qū)發(fā)生均勻切變，故其各層晶面的相對位移是借助一個不全位錯運動而造成的。,單位位錯,伯氏矢量等于單位點陣矢量,全位錯,伯氏矢量等于點陣矢量或其整數(shù)倍的位錯,不全位錯,伯氏矢量不等于點陣矢量整數(shù)倍的位錯,部分位錯,伯氏矢量小于點 陣矢量的位錯,肖克利不全位錯,76,以面心立方晶體為例：,如在某111滑移面上有一個全位錯a/2掃過，則滑移面兩側(cè)將產(chǎn)生一個原子間距的相對滑移量，并且111面堆垛次序不變（ABCAB

32、CABC）；而當(dāng)在相互平行且相鄰的一組111滑移面上有一個不全位錯掃過時，各滑移面間相對位移就不是一個原子間距，由于晶面發(fā)生層錯而使堆垛順序由原來的ABCABCABC變?yōu)锳BCACBACB，這樣就在晶體的上半部分形成一片孿晶。,77,位錯增殖極軸機制：,如圖OA，OB，OC三條位錯相交于結(jié)點O，OA，OB不在滑移面上，屬于不動位錯(極軸位錯)，OC為可動的不全位錯（掃動位錯），且只能繞極軸轉(zhuǎn)動，每當(dāng)它在（111）面上掃過一圈，就產(chǎn)生一個單原子層孿晶，同時又沿著螺旋面上升一層，這樣不斷轉(zhuǎn)動，上述過程逐層地重復(fù)進行，就在晶體中形成一個孿晶區(qū)。,78,通過單純孿生達到的變形量是極為有限的，如Zn單晶

33、，孿 生只能獲得7.27.4伸長率，遠小于滑移所作的貢獻。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 于發(fā)生滑移的位置，激發(fā)進一步的滑移，獲得很大變形 量，故間接貢獻卻很大。 孿生的機制：孿生時每層晶面的位置是借助一個不全位錯 （肖克萊）的移動而成的，是借助位錯增殖的極軸機制來實現(xiàn)的。,d. 孿生形變的意義,為了使晶體的形狀與外力相適應(yīng)，當(dāng)外力超過某一臨界值時晶體將會產(chǎn)生局部彎曲，這種變形方式稱為扭折，變形區(qū)域則稱為扭折帶。 扭折變形與孿生不同，它使扭折區(qū)晶體的取向發(fā)生了不對稱性的變化。 扭折是一種協(xié)調(diào)性變形，它能引起應(yīng)力松弛，使晶體不致斷裂。,3. 單晶體的扭折,扭折帶組成： 扭

34、折曲區(qū)ADCB：有清晰的界面，上下界面有符號相反的兩列刃位錯組成；彎曲區(qū)在折曲區(qū)的兩側(cè)：由同號刃位錯堆積而成，取向逐漸過渡且左右兩側(cè)的位錯符號相反。,扭折區(qū)晶體的位向發(fā)生了不對稱的變化，有可能使該區(qū)內(nèi)的滑移系處于有利取向，從而產(chǎn)生滑移。 扭折也是晶體松弛應(yīng)力的方式之一。,81,多晶體形變的特點 不同于單晶；每一晶粒的 取向“軟”和“硬”不同，形 變先后及形變量也不同。 為保持整體的連續(xù)性， 每個晶粒的形變必受 相鄰晶粒所制約。,空洞,重疊,二、多晶體的塑性變形,多晶體與單晶體比較： 相鄰各晶粒之間存在晶界；相鄰晶粒位向不同。 多晶體塑變： 每個晶粒變形基本方式同單晶體； 有特殊性。,（1）取向

35、差效應(yīng)：由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個晶粒發(fā)生塑性變形時，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。,1. 影響多晶體塑性變形的因素,多晶體變形要受到晶界和相鄰不同位向晶粒的約束。周圍晶粒同時發(fā)生相適應(yīng)的變形來配合。一般多晶體為多系滑移，高的加工硬化率，變形抗力增大，強度顯著提高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線無只出現(xiàn)、階段。,83,外力F作用下,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),處于有利取向晶粒先開始滑移 處于不利取向晶粒還末開始滑移,分切應(yīng)力滑

36、移分正應(yīng)力晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動， 軟取向硬取向；,每個晶粒的變形必須與周圍的晶粒相互協(xié)調(diào)，自身需要多個滑移系同時滑移，協(xié)調(diào)變形，保持晶體連續(xù)性。每個晶粒除了要有自身的主滑移外，還需要其它滑移系(5個)啟動以協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形。,參與滑移變形的晶粒越來越多，宏觀上處于均勻變形階段。,滑移傳遞需激發(fā)相鄰晶粒位錯源開動；,84,晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性 （1）原因：各晶粒之間，位向不同變形具有非同時性。 （2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨立變形會導(dǎo)致晶體分裂） （3）條件：多晶體塑性變形時要求至少有5個獨立的滑移系進行滑移動。（保證晶粒形狀的自由變化）,fcc, bcc 滑移系多塑性好 hcp 滑移系少塑

37、性差,（2）晶界阻滯效應(yīng)：90%以上的晶界是大角度晶界，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由約幾個納米厚的原子排列紊亂的區(qū)域與原子排列較整齊的區(qū)域交替相間而成，這種晶界本身使滑移受阻而不易直接傳到相鄰晶粒。,86,多晶體金屬的塑性變形過程,首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45的晶粒。 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。,形成亞晶（位錯胞）： 各晶粒不能同時變形，各晶粒的變形量不同，且同一個晶粒內(nèi)的不同區(qū)域有不同的滑移系開動，其滑移量、旋轉(zhuǎn)方向和彎曲

38、程度不同。結(jié)果，晶粒的形狀改變的同時，晶粒也逐漸碎化形成亞晶，就是由位錯纏結(jié)作為胞壁所形成的形變胞,88,多晶體試樣經(jīng)拉伸后，每一晶粒中的滑移帶都終止在晶界附近； 在變形過程中位錯難以通過晶界被堵塞在晶界附近； 這種在晶界附近產(chǎn)生的位錯塞積群會對晶內(nèi)的位錯源產(chǎn)生一反作用力。此反作用力隨位錯塞積的數(shù)目n而增大； 當(dāng)它增大到某一數(shù)值時，可使位錯源停止開動。使晶體顯著強化。 因此，對多晶體而言，外加應(yīng)力必須大至足以激發(fā)大量晶粒中的位錯源動作，產(chǎn)生滑移，才能覺察到宏觀的塑性變形。,0為作用于滑移面上外加分切應(yīng)力；L為位錯源至晶界之距離；k為系數(shù)，螺位錯k=1，刃位錯k=1-v。,位錯塞積數(shù)目,90,需

39、要注意幾點,晶界本身的強度對多晶體加工硬化的貢獻并不是很大，主要來源于晶界兩側(cè)晶粒的位相差； 晶界的阻礙作用只在早期比較大，與位錯密度有關(guān)； 晶界阻礙作用大小與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，密排六方滑移系少，所以晶界阻礙作用比面心立方和體心立方明顯。,三、晶粒大小對機械性能的影響,1晶粒大小對金屬室溫機械性能的影響 晶粒越細，室溫強度，包括s，b較大，塑性較好，稱為細晶強化。 例：10#鋼s與晶粒大小的關(guān)系 Hall-Petch公式：S=0+Kd-1/2 0，K ：材料常數(shù) 大量實驗表明，Hall-Petch公式不僅適用于屈服強度，同時也適用于塑性材料流變應(yīng)力，脆性材料脆斷應(yīng)力，及金屬材料的疲勞強度等整個

40、流變范圍以至斷裂強度。,93,常溫下晶粒越細小，屈服強度越高，塑性越好。,晶粒細小，位錯源到晶界的距離小，發(fā)放的位錯數(shù)目少，附加的切應(yīng)力小，不易激發(fā)相鄰位錯源開動，滑移不易轉(zhuǎn)到另一晶粒，屈服強度高。,晶粒越細小，屈服強度越高的原因：,94,（1）晶粒越細小，晶內(nèi)與晶界變形差異小，變形均勻，應(yīng)力集中小，不易開裂； （2）晶粒越細小，單位面積晶粒數(shù)多，有利于變形的取向多； （3）晶粒越細小，晶界多且曲折，不利于裂紋的傳播。 ,當(dāng)應(yīng)力大于屈服極限開始變形時，晶粒細小，在開裂前承受的變形量大，塑性好。,晶粒越細小，塑性越高的原因：,所以，細晶強化是提高性能的途徑之一。,2晶粒大小對高溫強度的影響,低溫

41、時：晶界強度晶內(nèi)強度 加上晶界兩側(cè)晶粒位向差影響 晶界對滑移有阻滯作用,高溫時則不同，有兩種不同的變形機制： （1）晶粒沿晶界滑動（晶界滑動機制） 當(dāng)T Tm/2時，以晶粒沿晶界的相對滑移方式進行 T擴散能力，且原子沿晶界擴散速率 沿晶內(nèi)的。 故高溫時晶界似流體一樣，呈現(xiàn)粘滯性變形抗力 沿晶界滑移 （2）擴散性蠕變機制 蠕變：在一定t C（300 C ）下，當(dāng)應(yīng)力大于某一值時，即使外力不再增加，而塑性變形隨時間延長而會緩慢地增加現(xiàn)象。,晶界薄弱地帶,96,ABCD為多晶體中一晶粒， AB、CD晶界受拉，在其 附近易于產(chǎn)生空位，空位 濃度較高，AC、BD受壓，空位濃度較低。 存在空位濃度梯度導(dǎo)致

42、空位向AC、BD定向移動，原子向AB、CD定向移動，從而使晶粒沿拉伸方向伸長，即使在恒應(yīng)力情況下，隨時間延長也會不斷發(fā)生應(yīng)變擴散性蠕變,擴散 空位,蠕變與,有關(guān),97,TTE：晶界強度低于晶內(nèi)，晶粒越細小，晶界越多，材料的強度越低。希望高溫下使用的金屬材料獲得粗大的晶粒，以減少晶界。,多晶體材料溫度和強度關(guān)系：,金屬材料晶界、晶內(nèi)強度與溫度關(guān)系,(a) 低溫；(b)高溫,多晶拉伸,98,第三節(jié) 合金的塑性變形,一、單相固溶體合金塑性變形的特點 1固溶強化,單相固溶體合金組織與純金屬相同，其塑性變形過程也與多晶體純金屬相似。但隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱固溶強化。,

43、99,曲線整體水平提高； 加工硬化率大； 溶質(zhì)原子不同，強化效果不同。,可以看出：,100,影響固溶強化的因素, 固溶體中溶質(zhì)原子的含量； 溶質(zhì)原子與基體金屬的原子半徑相差越大，強化作用也越大；, 間隙型溶質(zhì)原子比置換型溶質(zhì)原子具有更大的固溶強化效果，且由于間隙型溶質(zhì)原子在體心立方晶體中的點陣畸變屬非對稱性的，故其強化作用大于面心立方晶體的，但間隙原子的固溶度很有限，故實際強化效果也有限； 溶質(zhì)原子與基體金屬的價電 子數(shù)相差越大，固溶強化作用 越顯著，即固溶體的屈服強度 隨合金電子濃度的增加而提高。,晶格畸變，阻礙位錯運動,101,固溶強化的機制： 彈性交互作用 化學(xué)交互作用 電交互作用 幾何

44、交互作用,102,彈性交互作用：,位錯的應(yīng)力場與溶質(zhì)原子的應(yīng)力場交互作用，使溶質(zhì)原子圍繞位錯形成溶質(zhì)原子聚集區(qū)柯氏氣團。位錯移動時必須掙脫氣團的釘扎，或拖著氣團一起行動，因此阻礙了位錯運動，產(chǎn)生固溶強化。,在位錯線附近存在溶質(zhì)原子偏聚，位錯的滑移受到約束和釘扎作用，塑性變形難度增加，金屬材料的強度增加。,103,鈴木作用溶質(zhì)原子與擴展位錯的化學(xué)交互作用，使溶質(zhì)原子在堆垛層錯區(qū)的偏聚。 擴展位錯運動時，堆垛層錯必須跟著運動，由于層錯內(nèi)外溶質(zhì)原子濃度不同，增加了擴展位錯運動的阻力。 當(dāng)其它位錯與擴展位錯相交時，溶質(zhì)原子在堆垛層錯區(qū)的偏聚，增加層錯寬度，擴展位錯難以束集，不易交滑移，提高合金強度。,

45、化學(xué)交互作用：,104,位錯周圍畸變區(qū)對固溶體中電子云分布產(chǎn)生影響。由于位錯區(qū)應(yīng)力狀態(tài)不同，溶質(zhì)原子的額外電子從點陣的壓縮區(qū)移向拉伸區(qū)。使得壓縮區(qū)呈正電，拉伸區(qū)呈負(fù)電，形成局部靜電偶極。導(dǎo)致電離程度不同的溶質(zhì)原子與位錯區(qū)發(fā)生短程的交互作用，使溶質(zhì)原子或富集在拉伸區(qū)或富集在壓縮區(qū)。產(chǎn)生固溶強化。,靜電交互作用：,105,幾何交互作用：,固溶體中溶質(zhì)原子并非完全無序，而是存在某種短程有序或偏聚。當(dāng)位錯運動時，滑移面上下兩個原子面間的短程有序或偏聚受到破壞，引起自由能升高，使位錯運動受到阻礙。,強化機制,晶格畸變，阻礙位錯運動；,柯氏氣團強化。,2屈服點現(xiàn)象 試樣開始屈服時對應(yīng)的應(yīng)力稱為上屈服點 載

46、荷首次降低的最低載荷或不變載荷稱為下屈服點； 試樣繼續(xù)伸長，應(yīng)力保持為定值或有微小的波動，在拉伸曲線上出現(xiàn)一個應(yīng)力平臺區(qū)，試樣在此恒定應(yīng)力下的伸長稱為屈服伸長(屈服平臺)。,（1）與金屬中微量的溶質(zhì)原子有關(guān)。 溶質(zhì)原子與位錯的應(yīng)力場發(fā)生彈性交互作用，形成氣團（cottrell氣團，柯氏氣團）釘扎位錯運動，必須在更大的應(yīng)力作用下才能產(chǎn)生新的位錯或使位錯脫釘，表現(xiàn)為上屈服點； 一旦脫釘，使位錯繼續(xù)運動的應(yīng)力就不需開始時那么大，故應(yīng)力值下降到下屈服點，試樣繼續(xù)伸長，應(yīng)力保持為定值或有微少的波動。,屈服現(xiàn)象的解釋,通常把圍繞位錯而形成的溶質(zhì)原子聚集物，稱為“柯氏氣團”，它可以阻礙位錯運動，產(chǎn)生固溶強化

47、效應(yīng)。,（2） 位錯運動與增殖的結(jié)果。 應(yīng)變速率 mbv 其中： ：應(yīng)變速率，可通過試驗機人為控制成固定不變的速度 m ：位錯密度，b：柏氏矢量 而位錯運動速度v=(/0)m 其中： 0 ：位錯作單位速度運動時所需的應(yīng)力 m：應(yīng)力敏感指數(shù)， ：外加有效應(yīng)力 開始變形時，m低，欲使應(yīng)變速率固定，需要較大的v值，故需要較高的應(yīng)力 ，表現(xiàn)為上屈服點；一旦塑性變形開始后，位錯迅速增殖，m 增加，必然導(dǎo)致v的突然下降（為保持應(yīng)變速率固定），所以所需的應(yīng)力突然下降，產(chǎn)生了屈服現(xiàn)象。 產(chǎn)生屈服點現(xiàn)象還與材料的m值有關(guān)， m小的材料，如Ge，Si，LiF，F(xiàn)e等出現(xiàn)顯著的上下屈服點。,無位錯的Cu晶須、低位錯

48、密度的共價鍵晶體Si、Ge及離子晶體也有 不連續(xù)的屈服現(xiàn)象。,3應(yīng)變時效 -將低碳鋼試樣拉伸到產(chǎn)生少量預(yù)塑性變形后卸載，然后重新加載，試樣不發(fā)生屈服現(xiàn)象； -但若產(chǎn)生一定量的塑性變形后卸載，在室溫停留幾天或在低溫（如150）時效幾小時后再進行拉伸，此時屈服點現(xiàn)象重新出現(xiàn)，并且上屈服點升高，這種現(xiàn)象即應(yīng)變時效,室溫長期停留或低溫時效期間，溶質(zhì)原子C、N又聚集到位錯線周圍重新形成柯氏氣團所致。,呂德斯帶 在發(fā)生屈服延伸階段，試樣的應(yīng)變是不均勻的， 在試樣表面可觀察到與縱軸約呈45 交角的應(yīng)變痕跡，稱為呂德斯（Lders）帶。 呂德斯帶會造成拉伸和深沖過程中工件表面不平整。 注意：呂德斯帶不是滑移帶

49、,解決由于呂德斯帶造成的工件表面不平整的措施 A.加入少量能奪取固溶體合金中的溶質(zhì)原子，使之形成穩(wěn)定化合物的元素。 B板材在深沖之前進行比屈服伸長范圍稍大的預(yù)變形（約0.5%2%變形度），使位錯掙脫氣團的釘扎，然后盡快進行深沖。,當(dāng)退火低碳鋼薄板進行沖壓時，其應(yīng)力一旦接近屈服點，變形就會首先在應(yīng)力集中的區(qū)域開始，并立即出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，應(yīng)力下降。 在這一應(yīng)力作用下，變形在這個區(qū)域可以繼續(xù)進行到一定程度，這時在變形區(qū)和未變形區(qū)的交界處會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中和屈服，使得變形區(qū)逐漸向未變形區(qū)擴展。但是，在離變形區(qū)較遠的地方，仍然不會發(fā)生變形，于是就形成了狹窄的條狀區(qū)，即呂德斯帶,二、復(fù)相合金的塑性變形,主

50、要變形方式仍然是滑移與孿生。 結(jié)構(gòu)：基體+第二相 通常按第二相粒子的尺寸將合金分成兩大類： 如果第二相粒子尺寸與基體晶粒尺寸屬同一數(shù)量級，稱為聚合型； 如果第二相粒子十分細小，并且彌散地分布在基體晶粒內(nèi)，稱為彌散分布型。,(1)如果兩個相都具有塑性，則合金的變形決定于兩相的體積分?jǐn)?shù)。 等應(yīng)變理論 假定塑性變形過程中兩相應(yīng)變相等。 合金產(chǎn)生一定應(yīng)變的平均流變應(yīng)力 a = f11 + f22 ： 等應(yīng)力理論 假定塑性變形過程中兩相應(yīng)力相同。 對合金施加一定應(yīng)力時，平均應(yīng)變 a= f11+f22 其中：f1、f2為兩個相的體積分?jǐn)?shù) 1,2為對應(yīng)應(yīng)力下兩相的應(yīng)變1,2為對應(yīng)應(yīng)變時的流變應(yīng)力,1聚合型兩

51、相合金的塑性變形,113,實際上，這兩種假設(shè)都不完全正確。形變過程中各晶粒中的 形變已是極不均勻的，第二相的存在更加大了這種不均勻性， 所以，第一種應(yīng)變相同的假設(shè)與實際不符； 按第二種應(yīng)力相同的假設(shè)，兩相間應(yīng)變必不連續(xù)分布，則在 界面處會出現(xiàn)裂縫，這也是和實際不符。 實際情況是，形變總是從較弱的相開始，隨著形變量的增加， 在某些界面處的應(yīng)力集中導(dǎo)致較硬的相形變。在形變過程要 求跨過相界面的應(yīng)力和應(yīng)變都要保持連續(xù)性。只有第二相為 硬相，且分?jǐn)?shù)大于30%的時候才能起到明顯的強化作用。,（2）如果兩相中一個是塑性相，而另一個是硬脆相時，則合金的機械性能主要取決于硬脆相的存在情況。,第二相呈連續(xù)網(wǎng)狀分

52、布在晶界上： 強度下降，塑性也很低。 原因：割裂了基體的連續(xù)性，晶粒變形受阻，導(dǎo)致 很大的應(yīng)力集中，造成過早斷裂。 第二相呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界上： 有一定的塑性和強度，但也降低塑性。,第二相呈孤立的粒子分布在基體上： 強度較低，塑性好。原因：在相同體 積分?jǐn)?shù)時，球的直徑大，位錯線與球 體粒子交會的機會少。 第二相以片狀分布在基體上： 增加了變形抗力，而且片間距越小， 強度越高，塑性不降低。,115,1.2%C過共析鋼,0.77%C共析鋼,1.4%C過共析鋼,例：高C鋼中碳化物，共析鋼（0.8%C） =780MN/m2 過共析鋼（1.2%C） =700MN/m2 及銅中的少量Bi，鎳合金中的S，

53、均為薄膜狀在晶界，可在銅中加入稀土，鎳中加入微量Mg,2彌散分布型兩相合金的塑性變形,當(dāng)?shù)诙嘁约毿浬⒌奈⒘＞鶆蚍植荚诨w相中時，將產(chǎn)生顯著的強化作用，通常將微粒分成不可變形的和可變形的兩類。 (1) 不可變形微粒的強化作用奧羅萬機制（位錯繞過機制） 適用于第二相粒子較硬并與基體界面為非共格的情形。位錯線饒過粒子后留下位錯環(huán)：增加了第二相粒子的有效尺寸，減小了粒子間距；位錯環(huán)給予位錯源一反向作用力，繼續(xù)變形需增大應(yīng)力。,彌散分布型兩相合金的塑性變形奧羅萬機制（位錯繞過機制） 使位錯線彎曲到曲率半徑為R時，所需的切應(yīng)力為 =Gb/(2R) 設(shè)顆粒間距為， 則=Gb/ ， Rmin=/2 只有當(dāng)

54、外力大于Gb/ 時，位錯線才能繞過粒子。 減小粒子尺寸(在同樣的體積分?jǐn)?shù)時，粒子越小則粒子間距也越小)或提高粒子的體積分?jǐn)?shù)，都使合金的強度提高。,強化效果與粒子體積分?jǐn)?shù)f、粒子半徑r的關(guān)系：,粒子體積分?jǐn)?shù)f一定，粒子半徑r 越小，強化效果增大。 粒子半徑r一定，粒子體積分?jǐn)?shù)f越多，強化效果增大。,顆粒釘扎作用的電鏡照片,含銅鋼中時效析出的顆粒,（2）可變形微粒的強化作用切割機制 適用于第二相粒子較軟并與基體共格的情形。,可變形微粒的強化作用切割機制 強化作用主要決定于粒子本身的性質(zhì)以及其與基體的聯(lián)系，主要有以下幾方面的作用： A位錯切過粒子后產(chǎn)生新的界面，提高了界面能。 B. 若共格的粒子是一

55、種有序結(jié)構(gòu)，位錯切過之后，沿滑移面產(chǎn)生反相疇，使位錯切過粒子時需要附加應(yīng)力。 C由于粒子的點陣常數(shù)、比體積與基體不一樣，粒子周圍產(chǎn)生共格畸變，存在彈性應(yīng)變場，阻礙位錯運動。 D由于粒子的層錯能與基體的不同，擴展位錯切過粒子時，其寬度會產(chǎn)生變化，引起能量升高，從而強化。 E 由于基體和粒子中滑移面的取向不一致，螺型位錯線切過粒子時必然產(chǎn)生一割階，而割階會妨礙整個位錯線的移動。 在實際合金中，起主要作用的往往是12種。 增大粒子尺寸或增加體積分?jǐn)?shù)有利于提高強度。,122,強化效果與粒子體積分?jǐn)?shù)f、粒子半徑r的關(guān)系：,粒子體積分?jǐn)?shù)f一定，粒子半徑r越大，強化效果增大。 粒子半徑r一定，粒子體積分?jǐn)?shù)f

56、越多，強化效果增大。,實線是優(yōu)先發(fā)生的過程。 -切過或繞過機制。 交叉點為強度增量達最大值。,第四節(jié) 金屬塑性變形后的組織與性能,一、組織的變化 顯微組織：晶粒內(nèi)出現(xiàn)大量的滑移帶，進行了孿生變形的金屬還出現(xiàn)孿晶帶。,200X,(a) 正火態(tài),(b) 變形40%,(c) 變形80%,當(dāng)變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變得模糊不清。,2. 亞結(jié)構(gòu)胞狀組織,1、位錯密度升高： 由變形前退火態(tài)的106107/cm2增至10111012/cm2。 2、位錯分布變化： （1）在形變量較小或形變量大但層錯能低的合金中 由于擴展位錯寬，可動性差，位錯較分散而均勻地形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)； （2）在形變量大而層

57、錯能高的合金中 由于擴展位錯窄，易交滑移，位錯的可動性好，位錯形成位錯纏結(jié)或形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。,30% plastic deformation 50% plastic deformation,變形量位錯纏結(jié)位錯胞 (大量位錯纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯密度低),胞狀組織的形成與下列因素有關(guān)： 變形量 變形量越大，胞的數(shù)量增多，尺寸減小，跨越胞壁的平均取向差也逐漸增加。 材料類型 層錯能高的金屬（如Al、Fe）等，當(dāng)變形程度較高時，出現(xiàn)明顯的胞狀組織；低層錯能金屬，不易形成位錯纏結(jié)，冷變形后的胞狀組織不明顯。,二、加工硬化,1定義：金屬經(jīng)冷加工變形后，其強度、硬度增加、塑性降低。 2單晶體的典型加工硬化曲

58、線： 曲線的斜率=d/d稱為“加工硬化速率”,I. 易滑移階段：發(fā)生單滑移，位錯移動和增殖所遇到的阻力很小，I很低，約為10-4G數(shù)量級。 II. 線性硬化階段：發(fā)生多系滑移，位錯運動困難，II遠大于I約為G/300，并接近于一常數(shù)。 III. 拋物線硬化階段：與位錯的多滑移過程有關(guān)，III隨應(yīng)變增加而降低，應(yīng)力應(yīng)變曲線變?yōu)閽佄锞€。,3影響單晶體加工硬化曲線的因素,(1)晶體結(jié)構(gòu)： 單晶體中：面心立方的加工硬化率大（易于多系滑移，位錯互相阻礙）；密排六方的小。多晶體的加工硬化率大于單晶體。,129,（2）變形速率和變形溫度 塑變產(chǎn)生加工硬化，溫度升高，原子熱激活會發(fā)生軟化。變形溫度高，加工硬化

59、率低；變形速率大，加工硬化率高。,130,（3）溶質(zhì)原子 加入溶質(zhì)原子增大加工硬化率。 原因： 降低層錯能，擴展位錯不易交滑移； 溶質(zhì)原子的應(yīng)力場與位錯交互作用，改變位錯類型，阻礙交滑移； 阻礙回復(fù)進行（不易軟化）。,不同Mg含量溶入鋁后的應(yīng)力應(yīng)變曲線,合金元素對銅單晶臨界切應(yīng)力的影響,131,（4）晶粒大小 細晶粒金屬加工硬化率大于粗晶粒。,4多晶體的加工硬化 a.其應(yīng)力-應(yīng)變曲線不出現(xiàn)第一階段，且加工硬化率明顯高于單晶體。,b.細晶粒的加工硬化率一般大于粗晶粒金屬,鋁的應(yīng)力應(yīng)變曲線與晶粒大小的關(guān)系1-0.034mm 2-0.088mm 3-0.24mm 4-0.54mm,c.合金比純金屬的加工硬化率要高，溶質(zhì)原子的加入，在大多數(shù)情況下增大加工硬化率。,Al-Mg合金中Mg含量對加工硬化的影響 1-3.228%Mg 2-1.617 %Mg 3-1.097 %Mg 4-0.544 %Mg 5-0 %Mg,5加工