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1、金属学与热处理第四章课件第一页，本课件共有76页金属的变形概述金属的变形概述 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 合金的塑性变形合金的塑性变形塑性变形对组织性能的影响塑性变形对组织性能的影响内容目录内容目录第二页，本课件共有76页第三页，本课件共有76页纳米铜的室温超塑性纳米铜的室温超塑性第四页，本课件共有76页弹性变形弹塑性变形断裂弹性变形弹塑性变形断裂eyIIIIIIIV第五页，本课件共有76页1)应力：应力：作用在材料任一截面单位面积上的力。作用在材料任一截面单位面积上的力。正应力正应力:同截面垂直的称为同截面垂直的称为“正应力正应力”或或“法向应法向应力力
2、”剪应力剪应力:同截面相切的称为同截面相切的称为“剪应力剪应力”或或“切应力切应力”2)应变应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。：物体形状尺寸所发生的相对改变。线应变线应变:物体内部某处的线段在变形后长度的改变值物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值同线段原长之比值剪应变剪应变:物体内两互相垂直的平面在变形后夹角的物体内两互相垂直的平面在变形后夹角的改变值改变值体积应变体积应变:变形后物体内任一微小单元体体积的改变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位体积之比值变同原单位体积之比值第六页，本课件共有76页弹性变形阶段弹性变形阶段 I I：e，-e-e为线性关系为线性关系；屈
3、服阶段屈服阶段 II II弹塑性变形阶段弹塑性变形阶段 III III：应力在应力在e到到b之间发生均匀之间发生均匀塑性变形；塑性变形；颈缩阶段颈缩阶段 IV IV：b之后；之后；断裂：断裂：发生在发生在K点。点。eyIIIIIIIV第七页，本课件共有76页p变变形可逆，去除外力后完全恢复，形可逆，去除外力后完全恢复，变变形消失。形消失。p特点：服从胡克定律，即特点：服从胡克定律，即应应力与力与应变应变成正比成正比pE为弹为弹性模量、性模量、G称称为为切切变变模量，模量，反映材料反映材料对弹对弹性性变变形的抗力，形的抗力，代表材料的代表材料的“刚刚度度”。eyIIIIIIIV第八页，本课件共有
4、76页当当应应力力大大于于弹弹性性极极限限时时，材材料料不不但但发发生生弹弹性性变变形形，而而且且还还发发生生塑塑性性变变形形，即即在在外外力力去去除除后后，其其变变形形不不能能得得到到完完全全的的恢恢复复，而而具具有有残残留留变变形形或或永永久久变形。变形。塑性变形塑性变形不能恢复的永久性变形不能恢复的永久性变形第九页，本课件共有76页1)1)屈服屈服：材料开始发生塑性：材料开始发生塑性变形。变形。2)2)屈屈服服特特点点：即即使使外外力力不不再再增增加加，试试样样也也会会继继续续变变形形，这这种种变变形形属属于于塑塑性性变变形形，在在拉拉伸伸曲曲线线上上会会出出现现锯锯齿齿状状的的平平台台
5、。这这是是部部分分材材料料所具有的特征。所具有的特征。退火低碳钢的拉伸应力应变曲线退火低碳钢的拉伸应力应变曲线eyIIIIIIIV第十页，本课件共有76页对具有屈服现象的材料用屈服现象发生时对对具有屈服现象的材料用屈服现象发生时对应的应力表示；应的应力表示；对屈服现象不明显的材料，则以所产生的塑对屈服现象不明显的材料，则以所产生的塑性应变达性应变达0.2%时的应力值表示。时的应力值表示。屈服强度屈服强度材材料料开开始始发发生生微微量量塑塑性性变变形形的的抗抗力力，也称为屈服极限，用也称为屈服极限，用y表示表示第十一页，本课件共有76页在在屈屈服服后后的的变变形形阶阶段段，试试样样整整体体进进行
6、行均均匀匀的的塑塑性性变变形形。如如果果不不再再增增加加外外力力，材材料料的的变变形将不能继续下去。形将不能继续下去。eyI IIIIIIV第十二页，本课件共有76页eyIIIIIIIV已已经经发发生生变变形形处处的的强强度度提提高高，进进一一步步变变形形困困难难，即即变变形形要要在在更更大大的的应应力力作作用用下下才才能能进进行行。下下一一步步的的变变形形发发生生在在未未变变形形或或变变形形相相对对较较小小的的位位置置，达达到到同同样样变变形形后后，在在更更大大的的应力作用下发生变形。应力作用下发生变形。维持材料均匀变形的原因维持材料均匀变形的原因是材料发生了加工硬化。是材料发生了加工硬化。
7、第十三页，本课件共有76页1)1)颈缩：颈缩：试样开始发生不均匀的塑性试样开始发生不均匀的塑性变形，产生颈缩，即塑性变形集中在变形，产生颈缩，即塑性变形集中在一局部区域进行。一局部区域进行。2)2)特特点点：宏宏观观表表现现为为外外力力在在下下降降，工工程程应应力力在在减减小小，但但颈颈缩缩区区的的材材料承受的真实应力依然在上升。料承受的真实应力依然在上升。3)3)极极限限强强度度：开开始始发发生生颈颈缩缩时时对对应应的的工工程程应应力力b b ，这这时时试试样样出出现现失失稳稳，颈颈缩缩真真实实应应力力依依然然在在上上升升，但能承受的总外力在下降。但能承受的总外力在下降。eyIIIIIIIV
8、第十四页，本课件共有76页1)1)变形量大至变形量大至K K点，试样点，试样发生断裂。发生断裂。2)2)断裂的实质是原子间断裂的实质是原子间承受的力超出最大吸承受的力超出最大吸引力，原子间的结合引力，原子间的结合受到破坏而分离。受到破坏而分离。eyIIIIIIIV第十五页，本课件共有76页l脆性断裂可沿晶界发生，称为脆性断裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂晶间断裂”，断，断口凹凸不平；口凹凸不平；l脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为“穿晶穿晶断裂断裂”，断口比较平坦。，断口比较平坦。韧性断韧性断裂裂在断裂前有明显塑性变形后发生在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂叫的
9、断裂叫“韧性断裂韧性断裂”l在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。脆性断裂脆性断裂断裂前因并未经过明显塑性变形，断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口常具有光泽。故其断口常具有光泽。第十六页，本课件共有76页 依依材材料料的的性性质质、外外界界环环境境和和受受力力方方式式不不同同，材材料料在在外外力力作作用用下下发发生生塑塑性性变变形形的的方方式式也也不不相相同同，通通常常发发生生塑塑性性变变形形的的方方式式有有：滑滑移移、孪孪生生、蠕蠕变变、流流动动。第十七页，本课件共有76页切应力
10、作用下，晶体的一切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和一定的晶面（滑移面）和晶向晶向(滑移方向）产生相滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律的塑变方部原子排列规律的塑变方式叫式叫滑移滑移。Zn Zn 单晶的滑移单晶的滑移第十八页，本课件共有76页光学显微镜：滑移带光学显微镜：滑移带电子显微镜：每条个滑移带由许多平行滑移线组成电子显微镜：每条个滑移带由许多平行滑移线组成对于对于Al单晶：单晶：每根滑移线的滑移量为每根滑移线的滑移量为100200nm；两滑移线间距；两滑移线间距20nm；滑移带之间滑移带之间200
11、0nm第十九页，本课件共有76页切切应应力力的的作作用用下下，晶晶格格发发生生弹弹性性外外扭扭，进进一一步步将将使使晶晶格格发发生生滑滑移移。外外力力去去除除后后，由由于于原原子子到到了了一一新新的的平平衡衡位位置置，晶晶体体不不能能恢恢复复到到原原来来的的形形状状，而而保保留留永永久久的的变变形形。大大量量晶晶面面的的滑滑移移将将得得到到宏宏观观变变形形效果，在晶体的表面将出现滑移产生的台阶。效果，在晶体的表面将出现滑移产生的台阶。第二十页，本课件共有76页作作用用在在晶晶格格上上的的正正应应力力只只能能使使晶晶格格的的距距离离加加大大，不不能能使使原原子子从从一一个个平平衡衡位位置置移移动
12、动到到另另一一平平衡衡位位置置，不不能能产产生生塑塑性性变变形形；正正应应力力达达到到破破坏坏原原子子间间的的吸吸引力，晶格分离，材料则出现断裂。引力，晶格分离，材料则出现断裂。材料在正应力作用下，在应力方向虽然不材料在正应力作用下，在应力方向虽然不能发生塑性变形，但正应力的分量在另一能发生塑性变形，但正应力的分量在另一方向就有切应力，可使晶格沿另外的方向方向就有切应力，可使晶格沿另外的方向上发生滑移。上发生滑移。第二十一页，本课件共有76页l滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排晶面；的最密排晶面；l滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体滑移滑动的
13、方向称为滑移方向，通常也为晶体的最密排方向；的最密排方向；l一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以滑移的方式称为可以滑移的方式称为“滑移系滑移系”。第二十二页，本课件共有76页FCC第二十三页，本课件共有76页滑移系对性能的影响滑移系对性能的影响晶晶体体中中滑滑移移系系愈愈多多，晶晶体体发发生生滑滑移移的的可可能能性性便便愈愈大大，材材料的塑性愈好。料的塑性愈好。滑滑移移面面密密排排程程度度高高，滑滑移移面面上上滑滑移移方方向向个个数数越越多多，材材料料塑性越好。塑性越好。bcc的的a a-Fe与与fcc的的Al及及Cu，虽虽然然都都有有12个个滑
14、滑移移系系，但但其其滑滑移移面面密密排排程程度度较较面面心心立立方方晶晶格格低低，且且滑滑移移面面上上滑滑移移方方向向少少，所所以以塑塑性性不不如如铜铜及及铝铝；具具有有hcp晶晶格格的的Mg、Zn等等，滑移系仅有滑移系仅有3个，因此塑性较立方晶系金属差。个，因此塑性较立方晶系金属差。第二十四页，本课件共有76页左左图图中中单单晶晶体体受受拉拉应应力力F作作用用，滑滑移移面面法法线线方方向向N N与与F夹夹角角为为f f，滑滑移移方方向向和和F夹夹角角为为；注注意意：滑滑移移方方向向S、拉拉力力轴轴F和和滑滑移移面面的的法法线线N N三三者者不必在同一平面，即不必在同一平面，即 f+f+900
15、 0 。推推动动滑滑移移的的是是在在滑滑移移方方向向上上的的分分切切应应力力。同同一一外外加加应应力力作作用用下下，不不同同滑滑移移系系因因取取向向不不同同，对对应应的的分分切切应应力也不相同。力也不相同。第二十五页，本课件共有76页滑移方向上的分切应力滑移方向上的分切应力为：为：其中：其中：称称为为取取向向因因子子或或施施密密特特因因子子。当当 f+f+=90900 0，取取向向因因子有最大值子有最大值0.50.5。第二十六页，本课件共有76页当当t t达到某一临界值达到某一临界值t tc时，晶体产生时，晶体产生滑移变形，这时对应的正应力滑移变形，这时对应的正应力 为单为单晶体的屈服应力晶体
16、的屈服应力 y，称为，称为施密特定施密特定律律。y=c c/cos/cosf f cos cosl l滑移方向上切滑移方向上切应力应力t t为：为：c c是一常数，称为临界分切应力是一常数，称为临界分切应力施密特定律施密特定律第二十七页，本课件共有76页 c取取决决于于金金属属的的本本性性，不不受受f f、的的影影响响；屈屈服服强强度度y y则则随随拉拉力力轴轴相相对对于于晶晶体体的的取取向向不不同同而而不不同同，即即晶晶体体材材料存在各向异性。料存在各向异性。y=c/cosf fcosl lf f或或 9090 时时，取取向向因因子子MM最最小小，y ；这这时时的的取向称为取向称为硬取向硬取
17、向。f f，4545 时时，取取向向因因子子MM最最大大，y最最小小，晶晶体体最最易易滑移；这时的取向称为滑移；这时的取向称为软取向软取向。第二十八页，本课件共有76页第二十九页，本课件共有76页 当当外外力力作作用用于于单单晶晶体体试试样样上上时时，它它在在某某些些相相邻邻层层晶晶面面上上所所分分解解的的切切应应力力使使晶晶体体发发生生滑滑移移，而而正正应应力力和和垂垂直直滑滑移移方方向向的的另另一一正正应应力力因因滑滑移移错错开开组组成成一一力力偶偶，使使晶晶体体在在滑滑移移的的同时向外力方向发生转动。同时向外力方向发生转动。转动的趋势为滑移面趋于平行拉转动的趋势为滑移面趋于平行拉力方向，
18、滑移方向也趋于平行拉力方向，滑移方向也趋于平行拉力方向。力方向。第三十页，本课件共有76页l滑移只能在切应力的作用下发生。滑移只能在切应力的作用下发生。l滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因为在最密晶面之间的面间距最大，原子面之间的因为在最密晶面之间的面间距最大，原子面之间的结合力最弱；沿最密晶向滑移步长最小，滑移所需结合力最弱；沿最密晶向滑移步长最小，滑移所需外加切应力最小。外加切应力最小。l滑移时晶体的一部分相对另一部分的滑移距离为原子滑移时晶体的一部分相对另一部分的滑移距离为原子间距的整数倍，在晶体表面形成台阶。间距的整数倍，在晶体表
19、面形成台阶。l滑移的同时必然伴随有晶体的转动。滑移的同时必然伴随有晶体的转动。第三十一页，本课件共有76页滑移的实质是位错的运动滑移的实质是位错的运动 位错的增殖位错的增殖 位错的交割位错的交割 位错的塞积位错的塞积第三十二页，本课件共有76页 大量的理论研究证明，滑移是由于滑移面上位错运动大量的理论研究证明，滑移是由于滑移面上位错运动而造成的。上图分别表示一刃型和螺型位错在切应力的作而造成的。上图分别表示一刃型和螺型位错在切应力的作用下的运动过程，通过一根位错从滑移面的一侧运动到另用下的运动过程，通过一根位错从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的滑移。一侧便造成一个原子间距的滑移。t
20、 tt tttA.A.滑移的实质是位错的运动滑移的实质是位错的运动 第三十三页，本课件共有76页 塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产生滑移台阶，塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产生滑移台阶，但位错的数量但位错的数量(位错密度位错密度)却在不断的增加，这是因为在外却在不断的增加，这是因为在外应力作用下发生塑性变形时位错会发生增殖。应力作用下发生塑性变形时位错会发生增殖。例如：例如：B B.位错的增殖位错的增殖 第三十四页，本课件共有76页 利利用用Fnak-Read源源说说明明增增殖殖的的过过程程。若若滑滑移移面面上上有有一一段段位位错错，CD两两点点钉钉住住不不可可滑滑移移，在在外外力力作
21、作用用下下位位错错应应向向右右移移动动，这这段段位位错错将将弯弯曲曲、扩扩张张，相相遇遇为为异异号号位位错错相相消消，产产生生一一位位错错环环，内内部部CD段段还还存存在在。反反复复可可生生成成一一系系列列的的位位错错环环，扩扩展展到到晶晶体体外外产产生生的的滑滑移移台阶可为柏氏矢量的整数倍。台阶可为柏氏矢量的整数倍。B B.位错的增殖位错的增殖 第三十五页，本课件共有76页 根据计算根据计算,使两端固定的位错线弯曲到曲率半径为使两端固定的位错线弯曲到曲率半径为R圆弧所圆弧所需切应力为需切应力为:F-R源模型中，直线时曲率半径为无穷大，使其弯曲所需应力源模型中，直线时曲率半径为无穷大，使其弯曲
22、所需应力很小，当半径为很小，当半径为L/2时，曲率半径最小，所需应力最大，继续向时，曲率半径最小，所需应力最大，继续向外扩展时，曲率半径又增大，切应力又减小，因此开动外扩展时，曲率半径又增大，切应力又减小，因此开动F-R位错位错源所需的临界切应力为：源所需的临界切应力为：LB B.位错的增殖位错的增殖 第三十六页，本课件共有76页b1b2扭折扭折C C.位错的交割位错的交割 图示例子表示如果位错图示例子表示如果位错ABAB向下运动向下运动扫过位错扫过位错CDCD，由于扫过区间的晶体，由于扫过区间的晶体两边发生了柏氏矢量大小的滑移，两边发生了柏氏矢量大小的滑移，在位错在位错CDCD上产生了上产生
23、了EFEF转折。转折。不在同一个滑移面上的两不在同一个滑移面上的两刃型位错运动的过程中可刃型位错运动的过程中可发生交割。发生交割。第三十七页，本课件共有76页b1b2扭折扭折C C.位错的交割位错的交割 由由于于EF的的出出现现，增增加加了了位位错错线线的的长长度度，需需要要消消耗耗一一定定的的能能量量；此此外外位位错错交交截截后后会会产产生生一一种种位位错错难难以以运运动动的的固固定定割割阶阶，成成为为后后续续位位错错运运动动的的阻阻碍碍。金金属属冷冷加加工工硬硬化化、强强度度提提高高，塑塑性性下下降降就就与与此此相相关关，称称为为割割阶强化阶强化。EF是是一一段段新新的的短短位位错错线线，
24、长长度度为为AB的的柏柏氏氏矢矢量量，它它的的柏柏氏氏矢量与矢量与CD的柏氏矢量相同的柏氏矢量相同第三十八页，本课件共有76页 位错运动时，在其前沿如果有障碍位错运动时，在其前沿如果有障碍(如晶界、不可如晶界、不可变形的硬质点变形的硬质点)，就停留不能前进，若同一位错源不，就停留不能前进，若同一位错源不断产生一系列位错源源而来，在此将产生前密后疏的位断产生一系列位错源源而来，在此将产生前密后疏的位错排列组态，称为错排列组态，称为“塞积群塞积群”。障碍物障碍物位错源位错源D D.位错的塞积位错的塞积 第三十九页，本课件共有76页 可可见见位位错错塞塞积处产积处产生很大生很大应应力集中，可能力集中
25、，可能带带来的后来的后果有：果有：螺位螺位错错可改可改变变滑移面而滑移面而发发生交滑移；生交滑移；晶界晶界处处的的应应力可能迫使相力可能迫使相邻邻晶粒中的位晶粒中的位错错运运动动来来松弛松弛应应力；力；无法松弛就有可能在此无法松弛就有可能在此处处造成裂造成裂纹纹。障碍物障碍物位错源位错源t=t=nt t0 0外加切应力外加切应力t t0 0 作用在塞积群作用在塞积群每个位错上的力为每个位错上的力为t t0 0b，则加，则加在塞积群中在塞积群中n个位错的作用个位错的作用力为力为nt t0 0b。第四十页，本课件共有76页外力作用下，以切变生成外力作用下，以切变生成“孪晶孪晶”而发生塑性变形而发生
26、塑性变形方式称为方式称为“孪生孪生”。第四十一页，本课件共有76页晶体的一部分相对于一定的晶面晶体的一部分相对于一定的晶面(孪生面孪生面)，沿着一定的方向，沿着一定的方向(孪生方向孪生方向)发生切变，形成对称的晶格排列，发生切变部分发生切变，形成对称的晶格排列，发生切变部分叫做叫做孪生带孪生带，或简称为，或简称为孪晶孪晶。切变部分和未切变部分呈镜面。切变部分和未切变部分呈镜面对称，对称面为对称，对称面为孪生面孪生面。(111)(111)孪晶面孪晶面(I(I0)面面(10)AACCEEAC E GAC E G孪生区域孪生区域第四十二页，本课件共有76页p孪生需要的临界切应力很大，仅在滑移困难时才
27、会发孪生需要的临界切应力很大，仅在滑移困难时才会发生。一般孪生出现在滑移系很少的晶体结构的材料中生。一般孪生出现在滑移系很少的晶体结构的材料中(如密排六方晶格金属如密排六方晶格金属)；p某些容易发生滑移的立方材料仅在低温度滑移困难或某些容易发生滑移的立方材料仅在低温度滑移困难或受冲击时来不及滑移时才可能产生孪生。受冲击时来不及滑移时才可能产生孪生。p孪晶带中，每层原子面对于相邻原子面的移动量都相孪晶带中，每层原子面对于相邻原子面的移动量都相同，其移动量不是原子间距的整倍数同，其移动量不是原子间距的整倍数(一般为原子间一般为原子间距的分数距的分数)，但它们在孪生后各自移动的距离和离孪，但它们在孪
28、生后各自移动的距离和离孪生面的距离成正比。生面的距离成正比。第四十三页，本课件共有76页p孪生带的晶格位向发生了变化，抗腐蚀性和光学反射性与孪生带的晶格位向发生了变化，抗腐蚀性和光学反射性与母体不同。母体不同。p孪生变形的速度很快，接近于声速。孪生变形在晶体表面可形成孪生变形的速度很快，接近于声速。孪生变形在晶体表面可形成浮凸。浮凸。p孪生变形所产生的塑性变形总量不大，一般不超过孪生变形所产生的塑性变形总量不大，一般不超过10%10%。会在周围的晶格中引起很大的畸变。会在周围的晶格中引起很大的畸变。p孪生变形生成的孪晶改变了晶体的位向可能有助于滑移。孪生变形生成的孪晶改变了晶体的位向可能有助于
29、滑移。p孪生变形在未穿透晶体整个断面前，具有弹性特征，继续加载时，孪生变形在未穿透晶体整个断面前，具有弹性特征，继续加载时，孪晶会增长变厚；相反，卸载时孪晶则逐渐变小，甚至消失。孪晶会增长变厚；相反，卸载时孪晶则逐渐变小，甚至消失。第四十四页，本课件共有76页ZnZn中的变形孪晶中的变形孪晶第四十五页，本课件共有76页TEM micrographs(bright field)of the as-PASed(Bi2Te3)0.2(Sb2Te3)0.8第四十六页，本课件共有76页第四十七页，本课件共有76页滑滑 移移孪孪 生生相同点相同点1.1.切变；切变；2 2 沿一定晶面、晶向进行；沿一定晶面
30、、晶向进行；3 3 不改变结构。不改变结构。不不同同点点 晶体位向晶体位向不不改改变变（对对抛抛光光面面观观察无重现性）。察无重现性）。改改变变，形形成成镜镜面面对对称称关关系系(对抛光面观察有重现性对抛光面观察有重现性)位移量位移量滑滑移移方方向向上上原原子子间间距距的整数倍，较大。的整数倍，较大。小小于于孪孪生生方方向向上上的的原原子子间间距，较小。距，较小。对塑变的贡献对塑变的贡献很大，总变形量大。很大，总变形量大。有限，总变形量小。有限，总变形量小。变形应力变形应力有有一一定定的的临临界界分分切切压压力力临界分切应力远高于滑移临界分切应力远高于滑移变形条件变形条件一般先发生滑移一般先发
31、生滑移滑移困难时发生滑移困难时发生变形机制变形机制全位错运动的结果全位错运动的结果不全位错运动的结果不全位错运动的结果第四十八页，本课件共有76页当当一一个个晶晶粒粒的的某某一一滑滑移移系系发发生生滑滑移移动动作作，即即位位错错发发生生运运动动，遇遇到到晶晶界界时时，由由于于各各个个晶晶粒粒的的位位向向不不同同，不不能能直直接接从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞积起来从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞积起来此此外外，晶晶界界处处的的杂杂质质原原子子较较多多，增增大大其其晶晶格格畸畸变变，导导致滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形。致滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形。晶界的存在可以提高材料的强度
32、。晶界的存在可以提高材料的强度。第四十九页，本课件共有76页l位错在晶界处的塞积产生了大的应力集中，当应力集位错在晶界处的塞积产生了大的应力集中，当应力集中能使相邻晶粒的位错源开动，相邻取向不利的晶粒中能使相邻晶粒的位错源开动，相邻取向不利的晶粒也能开始变形；也能开始变形；l相邻晶粒的变形也使位错塞积产生的应力集中得以相邻晶粒的变形也使位错塞积产生的应力集中得以松弛，原来变形的晶粒可以进一步的变形，这就是松弛，原来变形的晶粒可以进一步的变形，这就是滑移的传播过程。滑移的传播过程。位错在晶界塞积位错在晶界塞积应力集中应力集中相邻晶粒位错源相邻晶粒位错源开动开动相邻晶粒变形相邻晶粒变形塑变塑变过程
33、过程第五十页，本课件共有76页T位错塞积造成很大的应力集中，这一应力集中使相邻晶位错塞积造成很大的应力集中，这一应力集中使相邻晶粒某些滑移系上的分切应力达到临界切应力值，于是位粒某些滑移系上的分切应力达到临界切应力值，于是位错源开动，开始塑性变形。错源开动，开始塑性变形。但是多晶体中每个晶粒都但是多晶体中每个晶粒都处于其它晶粒的包围之中，其变形不能是孤立的，必处于其它晶粒的包围之中，其变形不能是孤立的，必然要与邻近晶粒相互协调配合然要与邻近晶粒相互协调配合。（独立变形会导致晶。（独立变形会导致晶体分裂）体分裂）T条件：独立滑移系条件：独立滑移系 5 5个。（保证晶粒形状的自由变个。（保证晶粒形
34、状的自由变化）化）第五十一页，本课件共有76页一种是在晶界附近区域，除了有基面滑移外，可能一种是在晶界附近区域，除了有基面滑移外，可能有柱面或棱锥面等较难滑移的晶面作为滑移面有柱面或棱锥面等较难滑移的晶面作为滑移面另一种则是产生孪晶变形，孪晶和滑移结合起来，另一种则是产生孪晶变形，孪晶和滑移结合起来，连续地进行变形。连续地进行变形。面面心心和和体体心心立立方方金金属属容容易易满满足足变变形形协协调调条条件件；但但密密排排六六方方金金属属滑滑移移系系一一般般只只有有三三个个，有两种方式可以实现变形协调：有两种方式可以实现变形协调：第五十二页，本课件共有76页p由于每个晶粒的位向不同，同一外力作用
35、下，每个晶粒中不同由于每个晶粒的位向不同，同一外力作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切应力亦不同。滑移面和滑移方向上所受的分切应力亦不同。p滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成4545o o，即施密特因子较，即施密特因子较大的晶粒，必将首先发生滑移变形，通常称这种位向的晶粒为大的晶粒，必将首先发生滑移变形，通常称这种位向的晶粒为处于处于“软位向软位向”；p滑移面或滑移方向处于或接近于与外力相平行或垂直，即施密滑移面或滑移方向处于或接近于与外力相平行或垂直，即施密特因子较小特因子较小(接近接近0)0)的晶粒则处于的晶粒则处于“硬位向硬位向”，它们
36、所受的分，它们所受的分切应力将较小，较难发生滑移。切应力将较小，较难发生滑移。p由此可见，多晶体金属中的塑性变形将会在不同晶粒中逐批由此可见，多晶体金属中的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过程。发生，是个不均匀的塑性变形过程。第五十三页，本课件共有76页 外外力力作作用用下下，当当首首批批处处于于软软位位向向的的晶晶粒粒发发生生滑滑移移时时，其其周周围围处处于于硬硬位位向向的的晶晶粒粒尚尚不不能能发发生生滑滑移移而而只只能能以以弹弹性性变变形形相相适适应应，便便会会在在首首批批晶晶粒粒的的晶晶界界附附近近造造成成位位错错堆堆积积，随随着着外外力力增增大大至至应应力力集集中
37、中达达到到一一定定程程度度，形形变变才才会会越越过过晶晶界界，传传递递到到另另一批晶粒中。一批晶粒中。分批滑移分批滑移第五十四页，本课件共有76页随着滑移的发生，伴随晶粒的转随着滑移的发生，伴随晶粒的转动，其位向同时也在变化，有的动，其位向同时也在变化，有的位向在硬化，有的位向在软化，位向在硬化，有的位向在软化，软位向的晶粒开始滑移变形。软位向的晶粒开始滑移变形。晶粒的转动晶粒的转动所所以以，多多晶晶体体的的塑塑性性变变形形是是一一批批批批晶晶粒粒逐逐步步地地发发生生，从从少少量量晶晶粒粒开开始始逐逐步步扩扩大大到到大大量量的的晶晶粒粒，从从不不均均匀匀变变形形逐逐步步发发展展到到比比较较均均
38、匀匀的变形，比单晶体中复杂得多。的变形，比单晶体中复杂得多。第五十五页，本课件共有76页式中的式中的d为晶粒的平均直径，为晶粒的平均直径，k为比例常数。这是个经为比例常数。这是个经验公式，但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍尔验公式，但又表达了一个普遍规律。该公式常称为霍尔-佩奇佩奇(Hall-Petch)关系。关系。材料晶粒愈细，晶界总面积愈大，晶界对变形的阻碍材料晶粒愈细，晶界总面积愈大，晶界对变形的阻碍作用愈明显，对塑性变形的抗力也便愈大。作用愈明显，对塑性变形的抗力也便愈大。对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和对纯金属、单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和晶粒大小有以下关系
39、：晶粒大小有以下关系：第五十六页，本课件共有76页晶晶粒粒愈愈细细，单单位位体体积积中中晶晶粒粒数数量量愈愈多多，变变形形时时同同样样的的形形变变量量便便可可分分散散在在更更多多的的晶晶粒粒中中发发生生，晶晶粒粒转转动动的的阻阻力力小小，晶晶粒粒间间易易于于协协调调，产产生生较较均均匀匀的的变变形形，不不致致造造成成局局部部的的应应力力集集中中。因因而而断断裂裂前前便便可可发发生生较较大的塑性形变量，具有较高的冲击载荷抗力。大的塑性形变量，具有较高的冲击载荷抗力。所以都通过各种方法所以都通过各种方法(凝固、压力加工、热处理凝固、压力加工、热处理)使材料使材料获得细而均匀的晶粒，细化晶粒是目前提
40、高材料力学性获得细而均匀的晶粒，细化晶粒是目前提高材料力学性能的有效途径之一。能的有效途径之一。晶粒愈细，不仅强度愈高，而且塑性与韧性也较高。晶粒愈细，不仅强度愈高，而且塑性与韧性也较高。原因原因第五十七页，本课件共有76页(1)固溶强化固溶强化固溶体材料随溶质含量提高其固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。下降的现象。(2)强化机制强化机制a.晶格畸变，阻碍位错运动；晶格畸变，阻碍位错运动；b.柯氏气团强化。柯氏气团强化。第五十八页，本课件共有76页p溶质原子含量越多，强化效果越好；溶质原子含量越多，强化效果越好；p溶剂与溶质原子半径差越大
41、，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；p价电子数差越大，强化效果越好；价电子数差越大，强化效果越好；p间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。（3）固溶强化的影响因素）固溶强化的影响因素第五十九页，本课件共有76页如果合金中两相相差不大，且变形性能相近，则合金如果合金中两相相差不大，且变形性能相近，则合金的变形性能为两相的平均值。此时合金的强度可以用的变形性能为两相的平均值。此时合金的强度可以用下式表示：下式表示：j ja a a a+j+jb b b b a a、b b分别是两相的强度；分别是两相的强度；j ja a、j jb
42、 b分别是两相的体积分别是两相的体积分数。可见合金强度随较强一相含量增多而提高。分数。可见合金强度随较强一相含量增多而提高。第六十页，本课件共有76页l脆性相在空间上分割塑性相，从而使塑性相的变形能脆性相在空间上分割塑性相，从而使塑性相的变形能力无从发挥，经少量变形后，即沿连续的脆性相开裂，力无从发挥，经少量变形后，即沿连续的脆性相开裂，使合金的塑性和韧性急剧下降。使合金的塑性和韧性急剧下降。l脆性相越多，网越连续，合金塑性就越差。脆性相越多，网越连续，合金塑性就越差。l过共析钢的二次渗碳体在晶界上呈网状分布时，过共析钢的二次渗碳体在晶界上呈网状分布时，钢的脆性增加、强度和塑性下降。可通过热加
43、工钢的脆性增加、强度和塑性下降。可通过热加工和热处理的相互配合来破坏和消除其网状分布。和热处理的相互配合来破坏和消除其网状分布。A.A.硬脆第二相在塑性相晶界连续网状分布硬脆第二相在塑性相晶界连续网状分布第六十一页，本课件共有76页s sF为铁素体的屈服强度，为铁素体的屈服强度，d为珠光体片间距，为常数。为珠光体片间距，为常数。.脆性相在塑性相中呈片状或层状分布脆性相在塑性相中呈片状或层状分布钢中珠光体即为此例钢中珠光体即为此例位错的移动被限制在渗碳体片之间的很短距离内，此时位错运位错的移动被限制在渗碳体片之间的很短距离内，此时位错运动至障碍物渗碳体片之前时，形成位错平面塞积群，当其应力动至障
44、碍物渗碳体片之前时，形成位错平面塞积群，当其应力集中足以诱发临近铁素体中位错源开动时，相邻的铁素体才开集中足以诱发临近铁素体中位错源开动时，相邻的铁素体才开始变形。其屈服也可用始变形。其屈服也可用Hall-Petch公式描述：公式描述：可可见见珠珠光光体体片片间间距距越越薄薄，则则强强度度越越高高，且且其其变变形形越越均均匀匀，且且变变形形能能力力增增加加。对对于于细细珠珠光光体体，渗渗碳碳体体片片甚甚至至也也能能滑滑移移弯弯曲曲变变形形。因因此此细细珠光体不仅强度高，塑性也好。珠光体不仅强度高，塑性也好。第六十二页，本课件共有76页位错绕过第二相粒子弥散强化位错绕过第二相粒子弥散强化L可见，
45、第二相粒子间可见，第二相粒子间距越小，强化作用越距越小，强化作用越明显。明显。.硬脆第二相在塑性相中呈颗粒状分布硬脆第二相在塑性相中呈颗粒状分布第六十三页，本课件共有76页位错切过第二相粒子沉淀强化位错切过第二相粒子沉淀强化若第二相粒子硬度不太高，尺若第二相粒子硬度不太高，尺寸较小且可变形时，运动的位寸较小且可变形时，运动的位错与其相遇时将切过粒子，与错与其相遇时将切过粒子，与基体一起变形，如右图。由于基体一起变形，如右图。由于位错切过第二相粒子产生新的位错切过第二相粒子产生新的表面，将额外作功，消耗能量，表面，将额外作功，消耗能量，因而可以强化材料。因而可以强化材料。一般从过饱和固溶体中沉淀
46、析出的共格粒子属于这种情况，因一般从过饱和固溶体中沉淀析出的共格粒子属于这种情况，因此这种强化也称此这种强化也称沉淀强化沉淀强化。第六十四页，本课件共有76页1)1)形成纤维组织形成纤维组织晶粒沿变形方向被拉长或压扁晶粒沿变形方向被拉长或压扁;杂质呈细带状或链状分布。杂质呈细带状或链状分布。第六十五页，本课件共有76页（1 1）线）线(丝丝)织构：织构：某一晶向趋于与变形方向平行。某一晶向趋于与变形方向平行。(如拉拔时形成如拉拔时形成)（2 2）面面(板板)织织构构：某某晶晶面面趋趋于于平平行行于于轧轧制制面面，某某晶晶向向趋趋于于平平行于主变形方向。行于主变形方向。(轧制或挤压时形成）轧制或
47、挤压时形成）2 2）形成形变织构形成形变织构形变织构形变织构多晶体材料由塑性变形导致的各晶多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。粒呈择优取向的组织。织构的类型织构的类型第六十六页，本课件共有76页线织构线织构面织构面织构第六十七页，本课件共有76页“制耳制耳”HPHE热热压压烧烧结结热热挤挤压压烧烧结结对性能的影响对性能的影响利：电工硅钢片利：电工硅钢片热电材料等热电材料等弊：制耳弊：制耳第六十八页，本课件共有76页3)3)形成位错胞（亚结构）形成位错胞（亚结构）第六十九页，本课件共有76页金属在大量变形之后，由于位错的运动和交互作用，金属在大量变形之后，由于位错的运动和交互作用，
48、位错不均匀分布，使晶粒碎化成许多位向略有差异位错不均匀分布，使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。的亚晶粒。亚晶粒边界上聚集大量位错，而内部的位错密度相亚晶粒边界上聚集大量位错，而内部的位错密度相对低得多。对低得多。随着变形量的增大，产生的亚结构也越细。随着变形量的增大，产生的亚结构也越细。整个晶粒内部的位错密度的提高将降低材料的耐腐蚀整个晶粒内部的位错密度的提高将降低材料的耐腐蚀性。性。3)3)形成位错胞（亚结构）形成位错胞（亚结构）第七十页，本课件共有76页材料在变形后，产生加工硬化。强度、硬度显著提高，而材料在变形后，产生加工硬化。强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降。塑性、韧性明显
49、下降。加工硬化的工程意义：加工硬化的工程意义：1.加工硬化是强化材料的重要手段，尤加工硬化是强化材料的重要手段，尤其是对于那些不能用热处理方法强化其是对于那些不能用热处理方法强化的金属材料。的金属材料。2.加工硬化有利于金属进行均匀变形。因加工硬化有利于金属进行均匀变形。因为金属已变形部分产生硬化，将使继续为金属已变形部分产生硬化，将使继续的变形主要在未变形或变形较少的部分的变形主要在未变形或变形较少的部分发展。发展。3.加工硬化给金属的继续变形造加工硬化给金属的继续变形造成了困难，加速了模具的损耗。成了困难，加速了模具的损耗。在加工过程中常常要进行在加工过程中常常要进行“中中间退火间退火”以
50、消除这种不利影响，以消除这种不利影响，因而增加了能耗和成本。因而增加了能耗和成本。第七十一页，本课件共有76页残余应残余应力力指去除外力之后，残留于材料内部、且自指去除外力之后，残留于材料内部、且自身平衡于材料内部的应力。身平衡于材料内部的应力。塑性变形后材料内部的残余内应力明显增加，塑性变形后材料内部的残余内应力明显增加，它主要是由于材料在外力作用下内部变形不均它主要是由于材料在外力作用下内部变形不均匀所造成的。匀所造成的。第七十二页，本课件共有76页分分类类第一类第一类内应力内应力材料表层和心部变形不均匀或不同部分之间变形不均材料表层和心部变形不均匀或不同部分之间变形不均匀，造成平衡于它们