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1、会计学1材料材料(cilio)强学细晶强化强学细晶强化第一页，共52页。材料强度：材料强度：表征表征(bi(bio zhno zhn)材料承载能力材料承载能力 的力学性能指标。是材料对的力学性能指标。是材料对变形和断裂的抗力。变形和断裂的抗力。定义：定义：用给定塑性变形量或塑性变形速度所对应的应力用给定塑性变形量或塑性变形速度所对应的应力(yngl)(yngl)或断裂前所能承受的最大应力或断裂前所能承受的最大应力(yngl)(yngl)屈服强度：刚刚发生塑性变形所对应的应力。屈服强度：刚刚发生塑性变形所对应的应力。蠕变强度：一定温度下给定的稳定蠕变速度所对应的应力。蠕变强度：一定温度下给定的稳
2、定蠕变速度所对应的应力。疲劳强度：给定的疲劳断裂周次所对应的应力幅。疲劳强度：给定的疲劳断裂周次所对应的应力幅。e.g.第1页/共51页第二页，共52页。强度强度(qingd(qingd)硬度硬度(yngd)(yngd)？硬度：硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度，是材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度，是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标第2页/共51页第三页，共52页。钢和黄铜的强度钢和黄铜的强度(qingd)(qingd)硬度关系（选硬度关系（选自美国自美国Metal HandbookMetal Handbook第九版第一卷）第
3、九版第一卷）第3页/共51页第四页，共52页。第4页/共51页第五页，共52页。强度强度(qingd(qingd)：化学成分化学成分微观微观(wigun)(wigun)结构结构环境环境(hun(hunjng)jng)应力状态应力状态材料强度的影响因素：材料强度的影响因素：第5页/共51页第六页，共52页。GraphiteGraphiteDiamondDiamond第6页/共51页第七页，共52页。研究材料变形与断裂行为及其与应力、环境等研究材料变形与断裂行为及其与应力、环境等外部因素的关系外部因素的关系(gun x)(gun x)，探明变形与断裂，探明变形与断裂行为的微观机制，并建立变形与断裂
4、定量理论。行为的微观机制，并建立变形与断裂定量理论。材料强度材料强度(qingd)(qingd)学的任学的任务：务：第7页/共51页第八页，共52页。强度强度(qin(qingd)gd)塑性变形塑性变形位错位错空位空位(kn(kn wi)wi)位错位错晶界晶界固溶原子固溶原子(yunz)(yunz)第二相原子第二相原子缺陷缺陷第8页/共51页第九页，共52页。点缺陷点缺陷第9页/共51页第十页，共52页。位错的运动位错的运动(yndng)(yndng)与晶体塑与晶体塑性性19261926年，苏联物理学家年，苏联物理学家(w l xu ji)(w l xu ji)雅科夫雅科夫弗仑克尔（弗仑克尔（
5、Jacov FrenkelJacov Frenkel）理想完整晶体模型理论理想完整晶体模型理论(lln)(lln)屈屈服强度服强度常用金属的常用金属的G G 值值 10104 4MPaMPa10105 5MPaMPa理论切变强度应为理论切变强度应为10103 3MPaMPa10104 4MPaMPa金属的屈服强度仅为金属的屈服强度仅为0.50.510MPa10MPa 理论临界分剪应力理论临界分剪应力第10页/共51页第十一页，共52页。埃贡埃贡欧罗万（欧罗万（Egon OrowanEgon Orowan）迈克尔迈克尔波拉尼（波拉尼（Michael PolanyiMichael Polanyi）
6、G.I.G.I.泰勒泰勒(ti l)(ti l)（G.I.G.I.TaylorTaylor）塑性变形的塑性变形的位错机制位错机制(jzh)(jzh)理论理论一侧相对于另一侧的整体一侧相对于另一侧的整体(zhngt)(zhngt)刚性滑刚性滑移移 通过位错的运动来实现通过位错的运动来实现 第11页/共51页第十二页，共52页。第12页/共51页第十三页，共52页。剪切应力的存在是塑性变形得以发生剪切应力的存在是塑性变形得以发生(fshng)(fshng)的最基本因的最基本因素。素。晶体的范性形变就是位错运动的结果。其存在对材晶体的范性形变就是位错运动的结果。其存在对材料的物理性能，尤其料的物理性
7、能，尤其(yuq)(yuq)是力学性能，具有极是力学性能，具有极大的影响。大的影响。位错：指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的位错：指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列局部不规则排列(pili)(pili)（晶体学缺陷）。从几何（晶体学缺陷）。从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线。移部分与未滑移部分的分界线。第13页/共51页第十四页，共52页。刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错第14页/共51页第十五页，共52页。第15页/共51页第十六页，共52页。攀移攀移第16页/共51页第十七页，共52
8、页。面缺陷面缺陷(quxin)(quxin)：二：二维尺寸维尺寸 晶体外表面（晶体外表面（external surfacesexternal surfaces）晶粒边界晶粒边界(binji)(binji)（grain boundariesgrain boundaries）孪晶界（孪晶界（twin boundariestwin boundaries）相界面（相界面（phase boundariesphase boundaries）层错（层错（stacking faultsstacking faults）第17页/共51页第十八页，共52页。晶界：两个空间位向不同的相邻晶界：两个空间位向不同的相邻
9、(xin ln)(xin ln)晶粒之间的界面。晶粒之间的界面。(是单晶体区别与多晶体的主要特征是单晶体区别与多晶体的主要特征)晶界的特性：晶界的特性：晶界原子排列混乱、缺陷和杂质原子多、能量高；晶界原子排列混乱、缺陷和杂质原子多、能量高；晶界上原子扩散速度较快；晶界上原子扩散速度较快；晶界对位错运动有阻碍作用；晶界对位错运动有阻碍作用；晶界易产生氧化、局部熔化和腐蚀等；晶界易产生氧化、局部熔化和腐蚀等；晶界的原子混乱排列和高能量有利于固态相变的形核。晶界的原子混乱排列和高能量有利于固态相变的形核。第18页/共51页第十九页，共52页。晶界分类：晶界分类：大角度晶界：大角度晶界：晶粒位向差大于
10、晶粒位向差大于1010度的晶界。其结构度的晶界。其结构(jigu)(jigu)为几个原子范围内的原子的混乱排列，可视为为几个原子范围内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。一个过渡区。第19页/共51页第二十页，共52页。小角度晶界：小角度晶界：晶晶粒粒位位向向差差小小于于1010度度的的晶晶界界。其其结结构构为为位位错错列列，又分为对称倾侧又分为对称倾侧(qngc)(qngc)晶界和扭转晶界。晶界和扭转晶界。第20页/共51页第二十一页，共52页。亚晶界：亚晶界：位位向向差差小小于于1 1度度的的亚亚晶晶粒粒之之间间的的边边界界。为为位位错错结结构。构。晶晶 粒粒 的的 平平 均均 直直 径径
11、(zhjng)(zhjng)通通 常常 在在 0.0150.0150.25mm0.25mm范范围围内内，而而亚亚晶晶粒粒的的平平均均直直径径(zhjng)(zhjng)则通常为则通常为0.001mm0.001mm的范围内的范围内第21页/共51页第二十二页，共52页。孪晶界：孪晶界：两两块块相相邻邻(xin(xin ln)ln)孪孪晶晶的的共共晶晶面面。分分为为共共格格孪孪晶晶界界和非共格孪晶界。和非共格孪晶界。第22页/共51页第二十三页，共52页。晶粒之间变形的传播过程：晶粒之间变形的传播过程：位错在晶界塞积位错在晶界塞积;应力集中应力集中;相邻晶粒位错源开动相邻晶粒位错源开动(kidng
12、);(kidng);相邻晶粒变形相邻晶粒变形;宏观塑性变形。宏观塑性变形。有晶界条件下有晶界条件下(多晶体多晶体)的变形的变形(bin xng)(bin xng)特特点：点：第23页/共51页第二十四页，共52页。第24页/共51页第二十五页，共52页。多晶体塑性变形总是一批一批晶粒逐步地发生多晶体塑性变形总是一批一批晶粒逐步地发生(fshng)(fshng)，从少量晶粒开始逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐从少量晶粒开始逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形。步发展到比较均匀的变形。软取向软取向(q xin)第25页/共51页第二十六页，共52页。晶粒之间变形的协调性晶
13、粒之间变形的协调性 原因：各晶粒之间变形具有原因：各晶粒之间变形具有(jyu)(jyu)非同时性。非同时性。要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致导致 晶体分裂）晶体分裂）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个。（保证晶粒形状的自由变化）变化）第26页/共51页第二十七页，共52页。晶粒大小与性能的关系：晶粒大小与性能的关系：晶晶粒粒越越细细，强强度度越越高高(细细晶晶强强化化：Hall-Hall-Petch Petch 公式公式(gngsh)(gngsh)可知可知)s=s=0+kd-1/20+kd-1/2原因：晶粒
14、越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。而且晶粒越多，变形均匀性提高，由应力集中导致的而且晶粒越多，变形均匀性提高，由应力集中导致的开裂机会开裂机会(j hu)(j hu)减少，可承受更大的变形量，表现减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。出高塑性。第27页/共51页第二十八页，共52页。此此外外，晶晶粒粒越越细细，应应力力集集中中小小，裂裂纹纹不不易易萌萌生生；晶晶界界多多，裂裂纹纹不不易易传传播播，在在断断裂裂过过程程中中可可吸吸收收较较多多能能量量,表表现现出出高高韧韧性。性。故故细细化化晶晶粒粒是是同同时时提提高高材材料料强强度度、塑塑性性和
15、和韧韧性性的的有有效效手手段段（高温性能除外），受到广泛（高温性能除外），受到广泛(gungfn)(gungfn)重视。重视。第28页/共51页第二十九页，共52页。第29页/共51页第三十页，共52页。HallHallPetch Petch 公式公式(gngsh)(gngsh)的位错模型的位错模型 s=s=0+kd-1/20+kd-1/2HallHall和和Petch Petch 首先建立了首先建立了低碳钢下屈服点与晶粒尺低碳钢下屈服点与晶粒尺寸的经验关系，并得到寸的经验关系，并得到(d do)(d do)了了Morrison,Morrison,Gladman Gladman 和和Picke
16、ringPickering等等人的证实。人的证实。第30页/共51页第三十一页，共52页。位错塞积模型位错塞积模型基本思路：晶界位错塞积应力集中达到某临基本思路：晶界位错塞积应力集中达到某临界值相邻晶粒屈服相邻晶粒位错源开动界值相邻晶粒屈服相邻晶粒位错源开动(kidng)(kidng)滑移从一个晶粒传播到另一个晶粒。滑移从一个晶粒传播到另一个晶粒。n,number of dislocation=2for edge dislocationfor screw dislocation0Stress concentration在塞积位错群头部产生在塞积位错群头部产生(ch(chnshng)nshng)
17、应力集中应力集中第31页/共51页第三十二页，共52页。第32页/共51页第三十三页，共52页。该集中应力（即该集中应力（即S S）达到）达到使滑移位错对钉扎的原子气团解钉的临界应力使滑移位错对钉扎的原子气团解钉的临界应力SSCSSC时，时，晶体将发生屈服；晶体将发生屈服；使相邻晶粒内的位错源开动的临界应力使相邻晶粒内的位错源开动的临界应力SfCSfC时，晶体时，晶体将发生塑性流变；将发生塑性流变；使邻近某处的微裂纹使邻近某处的微裂纹(li wn)(li wn)开始扩展的临界应力开始扩展的临界应力SCCSCC时，晶体将发生解理断裂；时，晶体将发生解理断裂；微孔聚合的临界应力微孔聚合的临界应力S
18、bCSbC时，晶体将发生塑性断裂。时，晶体将发生塑性断裂。第33页/共51页第三十四页，共52页。晶界位错模型晶界位错模型 基本思路：晶界上存在台阶或坎故晶界基本思路：晶界上存在台阶或坎故晶界本身也可以作为位错源位错移出晶界必须通本身也可以作为位错源位错移出晶界必须通过过(tnggu)(tnggu)坎位错林所需的应力取决于坎的坎位错林所需的应力取决于坎的密度（随晶粒尺寸减小而增）。密度（随晶粒尺寸减小而增）。可解释纯金属中不存在位错塞积而符合可解释纯金属中不存在位错塞积而符合Hall-Petch Hall-Petch 公式的情况。公式的情况。第34页/共51页第三十五页，共52页。,位错密度位
19、错密度L,是屈服是屈服(qf)时单位晶界面积上发出的位时单位晶界面积上发出的位错的总长度错的总长度S,晶粒表面积晶粒表面积V,晶粒体积晶粒体积系数系数1/21/2表示表示(biosh)(biosh)晶界分属两个晶晶界分属两个晶粒粒对于对于(duy)(duy)十四面体十四面体晶粒晶粒第35页/共51页第三十六页，共52页。位错强化位错强化(qinghu)(qinghu)增增量公式量公式第36页/共51页第三十七页，共52页。增加(zngji)形核率,N减低晶粒生长速度,G第37页/共51页第三十八页，共52页。第38页/共51页第三十九页，共52页。变质处理变质处理(Inoculeation)(
20、Inoculeation)在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进 形成大量的非均匀形成大量的非均匀(jnyn)(jnyn)形核来细化晶粒。形核来细化晶粒。此法用于大型铸件。此法用于大型铸件。振动、搅拌振动、搅拌(jiobn)(Virbration and stir)(jiobn)(Virbration and stir)机械振动，电磁振动，加压浇注等。机械振动，电磁振动，加压浇注等。用于非常复杂的铸件用于非常复杂的铸件第39页/共51页第四十页，共52页。等通道转角等通道转角(zhunjio)(zhunjio)挤压（挤压（ECAPECAP）细晶强化可以取得较大
21、的强化效果，目前在钢铁材料细晶强化可以取得较大的强化效果，目前在钢铁材料(cilio)(cilio)中通过低温大塑性变形（中通过低温大塑性变形（SPDSPD）工艺如：）工艺如：第40页/共51页第四十一页，共52页。高压扭转高压扭转(nizhun)(nizhun)变形（变形（HPT-High pressure HPT-High pressure torsiontorsion）第41页/共51页第四十二页，共52页。累积累积(lij)(lij)叠轧（叠轧（ARB-Accumulative roll-ARB-Accumulative roll-bonding bonding）第42页/共51页第四
22、十三页，共52页。动态动态(dngti)(dngti)塑性变形（塑性变形（DPDDynamic Plastic DPDDynamic Plastic DeformationDeformation）第43页/共51页第四十四页，共52页。动态再结晶控轧（动态再结晶控轧（DRCR-Dynamic recrystallization DRCR-Dynamic recrystallization rolling/extrusion rolling/extrusion）应变应变(yngbin)(yngbin)诱导铁素体相变（诱导铁素体相变（DIFT-Deformation induced DIFT-De
23、formation induced transformation transformation）第44页/共51页第四十五页，共52页。Revealing the Maximum Strength in Nanotwinned CopperL.Lu.Science 30 January 2009:Vol.323 no.5914 pp.607-610 第45页/共51页第四十六页，共52页。Strengthening Materials by Engineering Coherent Internal Boundaries at the NanoscaleK.Lu Science 17 Apri
24、l 2009:Vol.324 no.5925 pp.349-352 第46页/共51页第四十七页，共52页。Revealing the Maximum Strength in Nanotwinned CopperL.Lu.Science 30 January 2009:Vol.323 no.5914 pp.607-610 第47页/共51页第四十八页，共52页。本节完本节完第48页/共51页第四十九页，共52页。1 1各晶粒变形的不同时性和不均匀性。各晶粒变形的不同时性和不均匀性。2 2各晶粒变形的相互协调性，需要五个以上的独立滑移系同各晶粒变形的相互协调性，需要五个以上的独立滑移系同时动作。
25、时动作。由于晶界阻滞效应及取向差效应，变形从某个晶粒由于晶界阻滞效应及取向差效应，变形从某个晶粒开始以后，不可能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒之中，但开始以后，不可能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒之中，但多晶体作为一个连续的整体多晶体作为一个连续的整体(zhngt)(zhngt)，每个晶粒处于其它晶，每个晶粒处于其它晶粒的包围之中，不允许各个晶粒在任一滑移系中自由变形，否粒的包围之中，不允许各个晶粒在任一滑移系中自由变形，否则必将造成晶界开裂，为使每一晶粒与邻近晶粒产生协调变形，则必将造成晶界开裂，为使每一晶粒与邻近晶粒产生协调变形，Von MisesVon Mises指出：晶粒应至少能在五个
26、独立的滑移系上进行滑指出：晶粒应至少能在五个独立的滑移系上进行滑移。移。fccfcc和和bccbcc金属能满足五个以上独立滑移系的条件，塑性通常较金属能满足五个以上独立滑移系的条件，塑性通常较好；而好；而hcphcp金属独立滑移系少，塑性通常不好。金属独立滑移系少，塑性通常不好。多晶体金属多晶体金属(jnsh)(jnsh)塑性变形的特点塑性变形的特点第49页/共51页第五十页，共52页。3 3滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。4 4多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。由于晶界阻滞效应及取向差效应，使多晶体
27、的变形抗由于晶界阻滞效应及取向差效应，使多晶体的变形抗力比单晶体大，其中，取向差效应是多晶体加工硬化力比单晶体大，其中，取向差效应是多晶体加工硬化更主要的原因，一般说来，晶界阻滞效应只在变形早更主要的原因，一般说来，晶界阻滞效应只在变形早期较重要期较重要.5 5塑性变形时，导致一些物理、化学性能的变化。塑性变形时，导致一些物理、化学性能的变化。6 6时间性时间性hcphcp系的多晶体金属与单晶体比较，前者具有明显的晶系的多晶体金属与单晶体比较，前者具有明显的晶界阻滞效应和极高的加工硬化率，而在立方晶系金属界阻滞效应和极高的加工硬化率，而在立方晶系金属中，多晶和单晶试样的应力中，多晶和单晶试样的应力应变曲线应变曲线(qxin)(qxin)就没就没有那么大的差别。有那么大的差别。第50页/共51页第五十一页，共52页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)。第51页/共51页第五十二页，共52页。