Ch5材料的變形和再結(jié)晶變形

1、第5章 金屬的變形和再結(jié)晶 塑性變形及隨后的加熱對金屬材塑性變形及隨后的加熱對金屬材 料組織和性能有顯著的影響料組織和性能有顯著的影響. . 了解了解 塑性變形的本質(zhì)塑性變形的本質(zhì), ,塑性變形及加熱時塑性變形及加熱時 組織的變化，有助于發(fā)揮金屬的性組織的變化，有助于發(fā)揮金屬的性 能潛力，正確確定加工工藝能潛力，正確確定加工工藝. . 5萬噸水壓機萬噸水壓機 第一節(jié) 彈性變形 1. 應(yīng)力-應(yīng)變曲線 彈性極限彈性極限e ：材料不發(fā)生塑性變形可承受的最大應(yīng)力值。材料不發(fā)生塑性變形可承受的最大應(yīng)力值。 , E/ 表征材料的表征材料的剛度（材料抵抗彈性變形的能力剛度（材料抵抗彈性變形的能力 ） 彈性模

2、量的比較：彈性模量的比較：陶瓷金屬高分子材料。陶瓷金屬高分子材料。 工程應(yīng)用：工程應(yīng)用： 要求低要求低E（易彈性變形且變形能力大），（易彈性變形且變形能力大），如沙發(fā)墊子。如沙發(fā)墊子。 要求高要求高E（保持固有形狀能力強），（保持固有形狀能力強），如主軸如主軸 ，鉆桿。，鉆桿。 要求比剛度（要求比剛度（E/）大（輕而不易變形），）大（輕而不易變形），如航空航天如航空航天 碳纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料 Ti合金合金 Al合金鋼鐵合金鋼鐵 強度強度材料抵抗變形和斷裂的材料抵抗變形和斷裂的 能力。能力。 屈服強度（屈服強度（條件屈服強度條件屈服強度）：）：s（0.2 ）=Ps/F（MPa）, 指材料

3、由彈性變形階指材料由彈性變形階 段過渡到彈塑性變形階段的臨界應(yīng)力，段過渡到彈塑性變形階段的臨界應(yīng)力， 是零件最重要的設(shè)計指標(biāo)。是零件最重要的設(shè)計指標(biāo)。 抗拉強度：抗拉強度：b=Pb/F，材料抵抗均勻變形材料抵抗均勻變形 和斷裂所能承受的最大應(yīng)力，和斷裂所能承受的最大應(yīng)力，也是重要也是重要 的設(shè)計指標(biāo)，數(shù)據(jù)易得。的設(shè)計指標(biāo)，數(shù)據(jù)易得。 比強度比強度s/及及b/，單位質(zhì)量的強度：，單位質(zhì)量的強度： 水泥水泥 0.8，木材，木材 12.5，鋼，鋼 5.2，鋁，鋁 11.1 ，Ti 13.3，碳纖維，碳纖維 160.9。 s 0.2 (3)塑性塑性材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。材料產(chǎn)生塑性變形而不破

4、壞的能力。 延伸率延伸率 =（l1l0）/l0100%。(標(biāo)距長度伸長量與原標(biāo)距長度伸長量與原 始標(biāo)距長度之比始標(biāo)距長度之比) 斷面收縮率斷面收縮率 =（F0F1）/F0100%。 塑性不能直接作為設(shè)計指標(biāo)，但可作為參考指標(biāo)。塑性不能直接作為設(shè)計指標(biāo)，但可作為參考指標(biāo)。 塑性指標(biāo)的作用：塑性指標(biāo)的作用：降低應(yīng)力集中降低應(yīng)力集中(通過屈通過屈 服服)，抵抗局部過載，提高零件的可靠性；，抵抗局部過載，提高零件的可靠性； 良好的塑性有利于壓力加工。良好的塑性有利于壓力加工。 拉伸試樣的頸縮現(xiàn)拉伸試樣的頸縮現(xiàn) 象象 斷裂后 2 金屬的彈性變形金屬的彈性變形 彈變特點彈變特點 單值性：單值性： 可逆性可

5、逆性 變形量小變形量小 彈性變形是塑性變形的先行階段彈性變形是塑性變形的先行階段,塑性變形中還塑性變形中還 伴隨著一定的彈性變形伴隨著一定的彈性變形. 彈性變形實質(zhì)是晶格在外力作用下產(chǎn)生的彈性彈性變形實質(zhì)是晶格在外力作用下產(chǎn)生的彈性 畸變畸變,是原子間結(jié)合力的反映和度量是原子間結(jié)合力的反映和度量. 2.1 彈性變形的本質(zhì) 晶體內(nèi)原子間結(jié)合能和作用晶體內(nèi)原子間結(jié)合能和作用 力隨距離變化關(guān)系示意圖力隨距離變化關(guān)系示意圖.當(dāng)當(dāng) 原子處于平衡位置時原子處于平衡位置時,原子間原子間 距為距為r0,位能位能u處于最低位置處于最低位置, 相互作用力為相互作用力為0,這是最穩(wěn)定這是最穩(wěn)定 狀態(tài)狀態(tài). 彈性變形

6、的難易程度取決于彈性變形的難易程度取決于 作用力作用力-間距曲線斜率間距曲線斜率S0. 彈性模量彈性模量E是原子間結(jié)合力的是原子間結(jié)合力的 反映反映,是個對組織和結(jié)構(gòu)不敏是個對組織和結(jié)構(gòu)不敏 感的性能。感的性能。 發(fā)生彈性變形的難易程度取決于斜率S0，而 2 0 2 dFd u S drdr 由于金屬材料的彈性變形量很小，所以原子間距 只在r0附近變化，可把S0看作常數(shù)。于是彈性變形所需 外力F= S0(r- r0). 由于單位面積內(nèi)的原子鍵數(shù)為 ，所以 2 0 1 r 00 2 000 SrrF rrr 即有 0 0 0 0 S r S E r 2.2 彈性變形的特征 （1）理想的彈性變形是

7、可逆變形，加載時變形，卸載時 變形消失并恢復(fù)原狀； （2）在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力應(yīng)變曲線之間服從Hooke 定律： ,EG 彈性模量與切變模量之間關(guān)系為： 2(1) E G 多數(shù)工程上應(yīng)用的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。 包申格效應(yīng) 彈性后效 彈性滯后 2.3彈性的不完整性 包申格效應(yīng)：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（或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力升高），反 向加載則se下降。此現(xiàn)象稱之為包申格效應(yīng)。它

8、是多晶體金屬 材料的普遍現(xiàn)象。 彈性后效：一些實際晶體，在加載或卸載時，應(yīng)變不是瞬時 達(dá)到其平衡值，而是通過一種弛豫過程來完成其變化的。這 種在彈性極限e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。教材圖5.3 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。 一 滑移觀察 滑移線和滑移帶 如果把經(jīng)過拋光的單晶體試樣進(jìn)行塑性變形，則在顯微鏡下可 以看到拋光表面上出現(xiàn)平行的

9、黑線，稱為滑移帶（見下圖）； 在電子顯微鏡下，滑移帶是一組更細(xì)的線組成，這更細(xì)的線條 稱為滑移線。 滑移帶（銅）500滑移帶與滑移線（示意圖） 第二節(jié)第二節(jié) 滑移與孿晶變形滑移與孿晶變形 二、滑移機制二、滑移機制 滑移是位錯在切應(yīng)力作用下運動的結(jié)果。滑移是位錯在切應(yīng)力作用下運動的結(jié)果。 滑移都是沿著滑移面和該面上的滑移方向進(jìn)行?；贫际茄刂泼婧驮撁嫔系幕品较蜻M(jìn)行。 為什么滑移面都是原子最密排面，滑移方向都是為什么滑移面都是原子最密排面，滑移方向都是 最密排方向？最密排方向？ 位錯寬度：位錯寬度：位錯作為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界 線，實際上是一個過渡區(qū)域，這個過渡區(qū)域就叫做位錯寬

10、度。 位錯具有一定寬度是兩種能量平衡的結(jié)果：界面能和彈性畸 變能。 位錯寬度在計算中的界定：在位錯中心處，它離左右兩 端的平衡位置是b/2,在位錯中心附近的個原子列相對于它們 原來的平衡位置都有所偏離，離位錯中心越遠(yuǎn)，偏離其自身 平衡位置越小，現(xiàn)規(guī)定到減小為偏離自身平衡位置的位移為 b/4時，位錯兩側(cè)的寬度范圍以W表示，為位錯寬度。 2 (1) u Gb W 2 u G b a 2/ 2 1 W b p N G e 理論剪切強度 位錯點陣阻力位錯點陣阻力 b a NP e G )1( 2 1 2 泊松系數(shù) 柏氏矢量原子間距，其中， ba 1）a越大，即原子面間距大，越大，即原子面間距大， 越小

11、，表示點陣越小，表示點陣 阻力小，說明原子面間距越大，位錯運動阻力小，阻力小，說明原子面間距越大，位錯運動阻力小， 而而a增大的面即原子最密排面。增大的面即原子最密排面。 NP 2） ，即說明原子排列越緊密，其，即說明原子排列越緊密，其 位錯運動阻力小。位錯運動阻力小。 NP b 3）fcc及沿基面及沿基面0001滑移的滑移的hcp,其其 最低，最低， 沿沿 及及 滑移的滑移的hcp的的 增高；增高； bcc的的 隨溫度降低而急劇增高。隨溫度降低而急劇增高。 NP NP NP 00111101 4） 大小本質(zhì)上取決于晶體結(jié)構(gòu)和鍵的方向性。大小本質(zhì)上取決于晶體結(jié)構(gòu)和鍵的方向性。 NP NP 5）

12、 大小順序：大小順序： fccbcc和沿楞柱面滑移的和沿楞柱面滑移的fcp共價鍵或離子鍵晶體共價鍵或離子鍵晶體 三、滑移面和滑移方向（滑移系）三、滑移面和滑移方向（滑移系） 一個滑移面和其上的一個滑移方向構(gòu)成一一個滑移面和其上的一個滑移方向構(gòu)成一 個滑移系。個滑移系。 體心立方晶格體心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格 110111 110 111 晶格晶格 滑移面滑移面 滑移滑移 方向方向 滑移系滑移系 三種典型金屬晶格的滑移系三種典型金屬晶格的滑移系 晶格點晶格點 陣類型陣類型 滑移面滑移面 滑移方向滑移方向 滑移系滑移系 fcc 12個個 bcc 48個個 hcp

13、3個個 111 110 110 112 123 0001 0011 1110 0121 111 0211 三種典型金屬的滑移面及滑移方向三種典型金屬的滑移面及滑移方向 塑性好壞除與晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的滑移系多少這一固有影 響因素有關(guān)外，還有雜質(zhì)對變形的影響，加工硬化的影響， 屈服強度和斷裂抗力的高低。 體心立方金屬不比面心立方金屬塑性更高。雖然有48個 潛在滑移系，但在實際變形條件下，并不等于有這么多滑移 系都同時動作。 四、孿生變形四、孿生變形 孿生變形特點：孿生變形特點： 1.孿生變形有鏡面對稱的孿晶，孿生也沿一定的孿孿生變形有鏡面對稱的孿晶，孿生也沿一定的孿 晶面及晶向方向，如：晶面及晶向方

14、向，如：fcc中中,孿晶面（孿晶面（111），孿），孿 晶方向晶方向 ; 2.孿生中原子移動受嚴(yán)格限制，同一層面原子移動孿生中原子移動受嚴(yán)格限制，同一層面原子移動 距離相等；距離相等； 3.孿生變形速度很快，形變過程與聲波在晶體中的孿生變形速度很快，形變過程與聲波在晶體中的 傳播速度相近；傳播速度相近； 4.孿生變形量很小，但由于孿生造成位向改變，故孿生變形量很小，但由于孿生造成位向改變，故 孿生發(fā)生后可能有利于滑移；孿生發(fā)生后可能有利于滑移； 211 滑移滑移 孿生孿生 (1)一部分晶體沿滑移面相一部分晶體沿滑移面相 對于另一部分晶體作切變對于另一部分晶體作切變, 切變時原子移動的距離是切變

15、時原子移動的距離是 滑移方向原子間距的整數(shù)滑移方向原子間距的整數(shù) 倍。倍。 (1)一部分晶體沿攣晶面相一部分晶體沿攣晶面相 對于另一部分晶體作切變對于另一部分晶體作切變, 切變時原子移動的距離不切變時原子移動的距離不 是滑移方向原子間距的整是滑移方向原子間距的整 數(shù)倍。數(shù)倍。 (2)滑移面兩邊晶體的位相滑移面兩邊晶體的位相 不變。不變。 (2)攣晶面兩邊晶體的位相攣晶面兩邊晶體的位相 不同，成鏡向?qū)ΨQ。不同，成鏡向?qū)ΨQ。 孿生與滑移的區(qū)別孿生與滑移的區(qū)別 滑移滑移 孿生孿生 (3)滑移所造成的臺階經(jīng)拋滑移所造成的臺階經(jīng)拋 光后，即使再侵蝕也不會光后，即使再侵蝕也不會 重現(xiàn)。重現(xiàn)。 (3)由于改

16、變了晶體的位向，由于改變了晶體的位向， 因而攣晶經(jīng)拋光和侵蝕后因而攣晶經(jīng)拋光和侵蝕后 仍能重現(xiàn)。仍能重現(xiàn)。 (4)滑移面是一種不均勻的滑移面是一種不均勻的 切變，它只集中在某一些切變，它只集中在某一些 晶面上大量進(jìn)行，而各滑晶面上大量進(jìn)行，而各滑 移帶之間的晶體并未發(fā)生移帶之間的晶體并未發(fā)生 滑移?；?。 (4)孿生是一種均勻切變，孿生是一種均勻切變， 而在切變區(qū)內(nèi)與攣晶面平而在切變區(qū)內(nèi)與攣晶面平 行的每一層原子面均相對行的每一層原子面均相對 于其相鄰晶面沿孿生方向于其相鄰晶面沿孿生方向 位移了一定距離。位移了一定距離。 孿生與滑移的區(qū)別孿生與滑移的區(qū)別(續(xù)續(xù)) 第三節(jié)第三節(jié) 單晶體的塑性變形

17、單晶體的塑性變形 對于單晶體而言，其塑性變形中，滑移是位錯在切對于單晶體而言，其塑性變形中，滑移是位錯在切 應(yīng)力作用下滑移面及滑移方向進(jìn)行，其滑移必須滿應(yīng)力作用下滑移面及滑移方向進(jìn)行，其滑移必須滿 足臨界分切應(yīng)力定律，即足臨界分切應(yīng)力定律，即 一、施密特定律一、施密特定律 coscoscc 滑移面法線方向與外力夾角滑移面法線方向與外力夾角 滑移方向與外力夾角滑移方向與外力夾角 即當(dāng)在滑移面的滑移方向上，分切應(yīng)力達(dá)到某一臨即當(dāng)在滑移面的滑移方向上，分切應(yīng)力達(dá)到某一臨 界值界值 時，晶體就開始屈服，時，晶體就開始屈服， ，位錯就，位錯就 開始滑移。開始滑移。 cs 例題 如在面心立方晶胞如在面心立

18、方晶胞001上施加一上施加一69MPa的應(yīng)的應(yīng) 力，試求滑移系力，試求滑移系(111) 上的分應(yīng)力。上的分應(yīng)力。011 由施密特定律由施密特定律 coscoscc MPaMPa1.28707.0 3 1 69 解：確定該滑移系對拉力軸的相對取向，先畫出上解：確定該滑移系對拉力軸的相對取向，先畫出上 圖。可以看出，滑移方向和拉力軸的夾角圖?？梢钥闯觯品较蚝屠S的夾角 。 ，滑移面的法線和拉力軸的夾角為，滑移面的法線和拉力軸的夾角為 ， 度45 707.0cos 003/cosaa 晶體借滑移發(fā)生塑性變形時，往往伴隨 著取向的改變 自由滑移變形 受夾具限制時的變形 晶體在拉伸時的轉(zhuǎn)動 轉(zhuǎn)動的

19、原因：轉(zhuǎn)動的原因：晶體滑移后使正應(yīng)晶體滑移后使正應(yīng) 力分量和切應(yīng)力分量組成了力偶力分量和切應(yīng)力分量組成了力偶. A0 A1 F F A0 二、單滑移、多滑移、交滑移二、單滑移、多滑移、交滑移 單滑移：當(dāng)只有一個滑移系統(tǒng)上的分切應(yīng)力最大單滑移：當(dāng)只有一個滑移系統(tǒng)上的分切應(yīng)力最大 并達(dá)到并達(dá)到 時，只發(fā)生單滑移，其位錯在滑移過程時，只發(fā)生單滑移，其位錯在滑移過程 中不會與其它位錯交互作用，故加工硬化很弱。中不會與其它位錯交互作用，故加工硬化很弱。 c 多滑移：當(dāng)有幾個滑移系統(tǒng)上的分切應(yīng)力最大并多滑移：當(dāng)有幾個滑移系統(tǒng)上的分切應(yīng)力最大并 達(dá)到達(dá)到 時，就發(fā)生多滑移。比如時，就發(fā)生多滑移。比如fcc中

20、，中，111為滑為滑 移面移面,為滑移方向為滑移方向,4個個111面構(gòu)成八面體面構(gòu)成八面體,當(dāng)拉當(dāng)拉 力軸為力軸為001時時,就有就有8個滑移系具有相同的施密特因個滑移系具有相同的施密特因 子，故可同時達(dá)到子，故可同時達(dá)到 ，同時動作。，同時動作。 c c 擴展位錯的交滑移：首先擴展位錯會先束集，然擴展位錯的交滑移：首先擴展位錯會先束集，然 后交滑移到另一滑移面，再分解為兩個不完全位錯后交滑移到另一滑移面，再分解為兩個不完全位錯 ，中間夾一層錯；層錯能大，則，中間夾一層錯；層錯能大，則d減小，擴展位錯減小，擴展位錯 易于交滑移。易于交滑移。 螺位錯的交滑移螺位錯的交滑移 擴展位錯的交滑移擴展位

21、錯的交滑移 交滑移：當(dāng)螺位錯在某一滑移面上運動受阻，會交滑移：當(dāng)螺位錯在某一滑移面上運動受阻，會 轉(zhuǎn)到另一滑移面上繼續(xù)滑移，滑移方向不變。轉(zhuǎn)到另一滑移面上繼續(xù)滑移，滑移方向不變。 12 2 Gb b d 面心立方晶面心立方晶 體全位錯與體全位錯與 分位錯的滑分位錯的滑 移移 第四節(jié)第四節(jié) 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形 一一 晶界：晶粒越多，晶界越多，位錯運動阻力越大。晶界：晶粒越多，晶界越多，位錯運動阻力越大。 晶粒位向差：位向差越大，則位錯運動阻力越大。晶粒位向差：位向差越大，則位錯運動阻力越大。 二、晶粒大小對材料強度與塑性的影響（細(xì)晶強化）二、晶粒大小對材料強度與塑性的影響（細(xì)晶強化

22、） ？ 為什么晶粒越細(xì)，材料的強度、硬度增大，為什么晶粒越細(xì)，材料的強度、硬度增大， 塑性、韌性也增加？塑性、韌性也增加？ 概述 單個晶粒變形與單晶體相似單個晶粒變形與單晶體相似, 多晶體變形比單晶體復(fù)雜多晶體變形比單晶體復(fù)雜。 晶界及晶粒位向差的影響晶界及晶粒位向差的影響 1、晶界的影響、晶界的影響 當(dāng)位錯運動到晶界附近時，當(dāng)位錯運動到晶界附近時， 受到晶界的阻礙而堆積起來受到晶界的阻礙而堆積起來, 稱稱位錯的塞積位錯的塞積。要使變形繼要使變形繼 續(xù)進(jìn)行續(xù)進(jìn)行, 則必須增加外力則必須增加外力, 從從 而使金屬的變形抗力提高。而使金屬的變形抗力提高。 c Gb L 晶界對塑性變形的影響晶界對塑

23、性變形的影響 Cu-4.5Al合金晶合金晶 界的位錯塞積界的位錯塞積 2、晶粒位向的影響、晶粒位向的影響 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)。以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形這種彈性變形 便成為塑性變形晶粒便成為塑性變形晶粒 的變形阻力。由于晶的變形阻力。由于晶 粒間的這種相互約束，粒間的這種相互約束， 使得多晶體金屬的塑使得多晶體金屬的塑 性變形抗力提高。性變形抗力提高。 在變形由一個晶粒傳遞到

24、另一個晶粒時，還要考慮變形協(xié)調(diào)。在變形由一個晶粒傳遞到另一個晶粒時，還要考慮變形協(xié)調(diào)。 因為假如多晶體在變形時各個晶粒的自身變形都像單晶體一樣，因為假如多晶體在變形時各個晶粒的自身變形都像單晶體一樣， 彼此獨立變形互相不受約束，那么在晶界附近變形將是不連續(xù)彼此獨立變形互相不受約束，那么在晶界附近變形將是不連續(xù) 的，會出現(xiàn)空隙或裂縫。為了適應(yīng)變形協(xié)調(diào)，不僅要求鄰近晶的，會出現(xiàn)空隙或裂縫。為了適應(yīng)變形協(xié)調(diào)，不僅要求鄰近晶 粒的晶界附近區(qū)域有幾個滑移系動作，就是已變形的晶粒自身，粒的晶界附近區(qū)域有幾個滑移系動作，就是已變形的晶粒自身， 除了變形的主滑移系統(tǒng)外，在晶界附近也要有幾個滑移系統(tǒng)同除了變形的

25、主滑移系統(tǒng)外，在晶界附近也要有幾個滑移系統(tǒng)同 時動作。為了滿足多晶體變形協(xié)調(diào)，至少應(yīng)有時動作。為了滿足多晶體變形協(xié)調(diào)，至少應(yīng)有5個獨立的滑移個獨立的滑移 系動作。系動作。 多晶體金屬的塑性變形過程多晶體金屬的塑性變形過程 多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或 接近于接近于45的晶粒。的晶粒。當(dāng)塞積位錯前端的應(yīng)力達(dá)到一定當(dāng)塞積位錯前端的應(yīng)力達(dá)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

26、一批晶粒傳遞到另一 批晶粒，批晶粒，當(dāng)有大量晶當(dāng)有大量晶 粒發(fā)生滑移后，金屬粒發(fā)生滑移后，金屬 便顯示出明顯的塑性便顯示出明顯的塑性 變形。變形。 晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響 金屬的晶粒越細(xì)，其強度和硬度越高金屬的晶粒越細(xì)，其強度和硬度越高。 因為因為金屬晶粒越金屬晶粒越 細(xì)，晶界總面積細(xì)，晶界總面積 越大，位錯障礙越大，位錯障礙 越多；需要協(xié)調(diào)越多；需要協(xié)調(diào) 的具有不同位向的具有不同位向 的晶粒越多的晶粒越多，使，使 金屬塑性變形的金屬塑性變形的 抗力越高?？沽υ礁?。 晶粒大小與金屬強度關(guān)系晶粒大小與金屬強度關(guān)系 金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高。金屬的晶粒越

27、細(xì)，其塑性和韌性也越高。 因為因為晶粒越細(xì)晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變參與變 形的晶粒數(shù)目也越形的晶粒數(shù)目也越 多，變形越均勻，多，變形越均勻， 使在斷裂前發(fā)生較使在斷裂前發(fā)生較 大的塑性變形。強大的塑性變形。強 度和塑性同時增加度和塑性同時增加, 金屬在斷裂前消耗金屬在斷裂前消耗 的功也大，的功也大，因而其因而其 韌性也比較好。韌性也比較好。 應(yīng)變應(yīng)變 應(yīng)力應(yīng)力 塑性材料塑性材料 脆性脆性 材料材料 通過細(xì)化晶粒來同時通過細(xì)化晶粒來同時 提高金屬的強度、硬提高金屬的強度、硬 度、塑性和韌性的方度、塑性和韌性的方 法稱法稱細(xì)晶強化。細(xì)晶強化。 可知由 2 1

28、0 dkyys ysd晶粒直徑 0 ()L n A 位錯塞積模型 1.塞積相同數(shù)目位錯，細(xì)晶背應(yīng) 力大； 2.在同樣外加切應(yīng)力下，位錯塞 積數(shù)目：粗晶多，細(xì)晶少； 第第5節(jié)節(jié) 合金的變形與強化合金的變形與強化 一、合金的變形與強化一、合金的變形與強化 ？ 固溶強化機理是什么？固溶強化機理是什么？ 產(chǎn)生固溶強化的原因，是由于溶質(zhì)原子與位錯相互作產(chǎn)生固溶強化的原因，是由于溶質(zhì)原子與位錯相互作 用的結(jié)果，用的結(jié)果，溶質(zhì)原子不僅使晶格發(fā)生畸變?nèi)苜|(zhì)原子不僅使晶格發(fā)生畸變，而且易被而且易被 吸附在位錯附近形成柯氏氣團(tuán)，使位錯被釘扎住，吸附在位錯附近形成柯氏氣團(tuán)，使位錯被釘扎住，位位 錯要脫釘，則必須增加外

29、力，從而使變形抗力提高錯要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高. Cu-Ni合金成分與性能關(guān)系合金成分與性能關(guān)系 二、低碳鋼的屈服和應(yīng)變時效二、低碳鋼的屈服和應(yīng)變時效 例題 試求退火鋼中形成飽和柯氏氣團(tuán)的碳濃度試求退火鋼中形成飽和柯氏氣團(tuán)的碳濃度 解解:(1)退火碳鋼中的位錯密度為退火碳鋼中的位錯密度為 ，即在，即在 的的 體積中有體積中有 長的位錯線。長的位錯線。 (2) 的點陣常數(shù)的點陣常數(shù) ，每一晶胞中有，每一晶胞中有 2個鐵原子，故個鐵原子，故 體積內(nèi)的鐵原子數(shù)為：體積內(nèi)的鐵原子數(shù)為： 28 /10cm 3 1cm cm 8 10 Fe 86. 2 3 1cm (3)1cm長的位錯

30、線上鐵原子數(shù)為：長的位錯線上鐵原子數(shù)為： 3 22 83 2 1 08.5510 (2.86 10) cm cm n 7 8 1003. 4 1086. 2 1 1 cm cm n 因位錯線長為因位錯線長為 ，故位錯線上總的鐵原子數(shù)為，故位錯線上總的鐵原子數(shù)為 15878 1003. 4101003. 41102nn cm 8 10 (4)偏聚于位錯線下方的碳原子總數(shù)為：偏聚于位錯線下方的碳原子總數(shù)為： 15 1003. 42nnc 故形成飽和柯氏氣團(tuán)的碳濃度為故形成飽和柯氏氣團(tuán)的碳濃度為 ，即：，即： 0 2 n n n n Fe c %107 . 4 1055. 8 1003. 44 22

31、 15 cx 三、第二相彌散分布（彌散強化）三、第二相彌散分布（彌散強化） ？ 1.彌散強化機理？彌散強化機理？ 第二相不會變形：饒過機制第二相不會變形：饒過機制 提示：提示： 第二相變形：切過機制第二相變形：切過機制 圖圖5.34 圖圖5.35 位錯切割位錯切割 第二相粒第二相粒 子示意圖子示意圖 電鏡觀察電鏡觀察 當(dāng)在晶內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時當(dāng)在晶內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時，第二相顆粒越細(xì)，第二相顆粒越細(xì)， 分布越均勻，合金的強度、硬度越高，塑性、韌性分布越均勻，合金的強度、硬度越高，塑性、韌性 略有下降，這種強化方法稱略有下降，這種強化方法稱彌散強化彌散強化或或沉淀強化沉淀強化。 彌散強化的原因

32、彌散強化的原因是由于硬的顆粒不易被切變，因而是由于硬的顆粒不易被切變，因而 阻礙了位錯的運動，提高了變形抗力。阻礙了位錯的運動，提高了變形抗力。 顆粒釘扎作用的電鏡照片顆粒釘扎作用的電鏡照片 四、第二相對合金變形的影響四、第二相對合金變形的影響 1.可變形顆粒之強化作用可變形顆粒之強化作用 1）.位錯切過粒子時，粒子產(chǎn)生寬度為b的表面臺階， 由于出現(xiàn)了新的表面積，使總的界面能升高。 2）.當(dāng)粒子是有序結(jié)構(gòu)時，位錯切過后產(chǎn)生反相疇界， 引起能量升高； 3）.由于第二相粒子與基體點陣不同（至少點陣常數(shù)不 同），故當(dāng)位錯切過粒子時必然在其滑移面上造成錯排， 給位錯運動帶來困難； 4）.粒子與母相間的

33、共格或半共格界面產(chǎn)生彈性應(yīng)力場， 與位錯交互作用 5）.若基體與粒子中的滑移面取向不一致，則位錯切過 后產(chǎn)生割階； 2.不可變形顆粒之強化機制不可變形顆粒之強化機制 圖圖5.34，當(dāng)位錯掃過滑移面所遇顆粒為不可變形當(dāng)位錯掃過滑移面所遇顆粒為不可變形 時，位錯會繞過該顆粒，繼續(xù)運動。時，位錯會繞過該顆粒，繼續(xù)運動。 位錯繞過顆粒時就會發(fā)生彎曲，彎曲嚴(yán)重時，使位錯繞過顆粒時就會發(fā)生彎曲，彎曲嚴(yán)重時，使 位錯兩端相遇，為異號位錯抵消，位錯繼續(xù)向前位錯兩端相遇，為異號位錯抵消，位錯繼續(xù)向前 運動而留下一個位錯環(huán)。運動而留下一個位錯環(huán)。 由于使位錯發(fā)生彎曲是一個使位錯伸長，因而能由于使位錯發(fā)生彎曲是一個

34、使位錯伸長，因而能 量增高，即使位錯運動困難，故合金就被強化。量增高，即使位錯運動困難，故合金就被強化。 6）.粒子與基體的層錯能不同，當(dāng)擴展位錯通過后，其寬度發(fā) 生變化，引起能量升高。 一、塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響一、塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響 金屬發(fā)生塑性變形時，不僅外形發(fā)生變化，而且其金屬發(fā)生塑性變形時，不僅外形發(fā)生變化，而且其 內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長或壓扁內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長或壓扁。 1.當(dāng)變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變當(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。得模糊不清。 2.塑性變形還使晶粒破塑性變形還使晶粒破 碎為亞晶粒碎為亞晶粒(形變亞形變亞 晶

35、或形變胞晶或形變胞)。 第第6節(jié)節(jié) 冷變形金屬的組織與性能冷變形金屬的組織與性能 塑性變形前后的組織變化塑性變形前后的組織變化 5%冷變形純鋁中的位錯網(wǎng)冷變形純鋁中的位錯網(wǎng) (a) 正火態(tài)正火態(tài) (c) 變形變形80% (b) 變形變形40% 變形晶粒由許多小的胞塊組成，稱為形 變亞晶或形變胞。各胞塊之間位向差不 超過2。胞壁由大量堆積的位錯構(gòu)成， 而胞內(nèi)體積中的位錯密度很低。變形量 越大，胞塊數(shù)量越多，尺寸越小，位向 差越大，且其形成隨晶粒形狀的改變而 改變，即沿變形方向深長。是加工硬化 的主要原因。 3.性能變化（加工硬化） 易滑移階段 線性硬化階段 拋物線硬化階段 4.形變織構(gòu)形變織構(gòu)：

36、由于晶粒的轉(zhuǎn)動由于晶粒的轉(zhuǎn)動 ，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時， 會使絕大部分晶粒的某一位向與會使絕大部分晶粒的某一位向與 變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱 織構(gòu)或擇優(yōu)取向。變形金屬中的織構(gòu)或擇優(yōu)取向。變形金屬中的 這種組織狀態(tài)則稱為形變織構(gòu)。這種組織狀態(tài)則稱為形變織構(gòu)。 （板織構(gòu)與絲織構(gòu)）（板織構(gòu)與絲織構(gòu)） l形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn) 各向異性各向異性，在深沖零，在深沖零 件時，易產(chǎn)生件時，易產(chǎn)生 “制耳制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)可提高現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)可提高 硅鋼片的導(dǎo)磁率。硅鋼片的導(dǎo)磁率。 板織

37、構(gòu)板織構(gòu) 絲織構(gòu)絲織構(gòu) 形變織構(gòu)示意圖形變織構(gòu)示意圖 各向異性導(dǎo)致的銅板各向異性導(dǎo)致的銅板 “制耳制耳” 有有無無 5.殘余應(yīng)力 內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力時內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力時, 內(nèi)部變形不均內(nèi)部變形不均 勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時,外力所做的功只有外力所做的功只有10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力 殘留于金屬中殘留于金屬中. （1）宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力） 是由于金屬各部分的宏觀變形不均勻而引起的，其平衡范圍是材料是由于金屬各部分的宏觀變形不均勻而引起的，其平衡范圍是材料 的整個體積。的整個體積。 （2）微觀內(nèi)

38、應(yīng)力（第二類內(nèi)應(yīng)力） 由于各晶?；蚋鱽喚ЯＶg的變形不均勻而產(chǎn)生的，其平衡范圍由于各晶?；蚋鱽喚ЯＶg的變形不均勻而產(chǎn)生的，其平衡范圍 為幾個晶粒或幾個亞晶粒。約占全部內(nèi)應(yīng)力的為幾個晶粒或幾個亞晶粒。約占全部內(nèi)應(yīng)力的12%，但在某些局部區(qū)，但在某些局部區(qū) 域有時內(nèi)應(yīng)力很大，造成裂紋源域有時內(nèi)應(yīng)力很大，造成裂紋源。 （3）點陣畸變（第三類內(nèi)應(yīng)力） 由于金屬在塑性變形中產(chǎn)生大量點陣缺陷（如位錯、空位、間隙原由于金屬在塑性變形中產(chǎn)生大量點陣缺陷（如位錯、空位、間隙原 子等），使點陣中一部分原子偏離其平衡位置，造成晶格畸變。其作用子等），使點陣中一部分原子偏離其平衡位置，造成晶格畸變。其作用 范圍很小

39、，在幾十至幾百納米范圍內(nèi)。它使金屬的硬度、強度升高，而范圍很小，在幾十至幾百納米范圍內(nèi)。它使金屬的硬度、強度升高，而 塑性和抗腐蝕性能下降。殘余應(yīng)力的塑性和抗腐蝕性能下降。殘余應(yīng)力的8090%消耗于點陣畸變。消耗于點陣畸變。 冷塑變后金屬處于不穩(wěn)定狀態(tài)冷塑變后金屬處于不穩(wěn)定狀態(tài)（加熱后）向穩(wěn)定狀態(tài)（加熱后）向穩(wěn)定狀態(tài) 轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。 T不高時，原子短程擴散回到平衡位置，畸變不高時，原子短程擴散回到平衡位置，畸變，殘余，殘余 應(yīng)力應(yīng)力，理化性能恢復(fù)。，理化性能恢復(fù)。 回復(fù)是指經(jīng)冷塑性變形的金屬在加熱時，在光學(xué)顯微組織 發(fā)生改變前所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能變化的過程。 顯微組織仍保持纖維組織； 機械性

40、能變化不大； 理化性能顯著變化，如電阻減小，抗應(yīng)力腐蝕性能提高； 第一類內(nèi)應(yīng)力基本消除。 一般認(rèn)為，回復(fù)是點缺陷和位錯在加熱時發(fā)生運動，從而 改變他們的組態(tài)和數(shù)量的過程。 低溫時主要是空位缺陷的運動 溫度稍高時，位錯也可以發(fā)生運動：異號位錯相 消，密度降低；胞壁位錯重新組合，亞晶粒長大；沿 垂直于滑移面的方向排列成位錯墻，構(gòu)成小角度亞晶界， 形成回復(fù)亞晶（多變形化）。 通過形核與長大通過形核與長大無畸變的等軸晶，強度無畸變的等軸晶，強度塑性塑性 （加工硬化消除），組織與力性完全恢復(fù)。（加工硬化消除），組織與力性完全恢復(fù)。 當(dāng)加熱溫度高于回復(fù)溫度時，在變形組織的基體上產(chǎn)生新的無當(dāng)加熱溫度高于回復(fù)

41、溫度時，在變形組織的基體上產(chǎn)生新的無 畸變的晶核，并迅速長大形成等軸晶，逐漸取代全部變形組織，這畸變的晶核，并迅速長大形成等軸晶，逐漸取代全部變形組織，這 個過程稱為再結(jié)晶。個過程稱為再結(jié)晶。 驅(qū)動力：存儲能；驅(qū)動力：存儲能； 在能量較高的區(qū)域優(yōu)先形核：在能量較高的區(qū)域優(yōu)先形核：1.亞晶形核亞晶形核;2晶界凸出形核晶界凸出形核 u再結(jié)晶溫度及其影響因素 冷變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度。工程定義：經(jīng)大 量變形的金屬在約1h的保溫時間內(nèi)，能夠完成再結(jié)晶的最低 溫度。 影響因素：影響因素： 預(yù)先變形度：預(yù)先變形度：金屬再結(jié)晶前塑性變形的相對變形量金屬再結(jié)晶前塑性變形的相對變形量 稱為預(yù)先變形度。

42、預(yù)先變形度越大稱為預(yù)先變形度。預(yù)先變形度越大, 金屬的晶體缺陷金屬的晶體缺陷 就越多就越多, 組織越不穩(wěn)定組織越不穩(wěn)定, 最低再結(jié)晶溫度也就越低。最低再結(jié)晶溫度也就越低。 當(dāng)預(yù)先變形度達(dá)到一定大小后當(dāng)預(yù)先變形度達(dá)到一定大小后, 金屬的最低再結(jié)晶溫金屬的最低再結(jié)晶溫 度趨于某一穩(wěn)定值。度趨于某一穩(wěn)定值。 金屬的熔點：金屬的熔點：熔點越高熔點越高, 最低再結(jié)晶溫度也就越高最低再結(jié)晶溫度也就越高 雜質(zhì)和合金元素雜質(zhì)和合金元素：由于雜質(zhì)和合金元素特別是高熔點元：由于雜質(zhì)和合金元素特別是高熔點元 素素, 阻礙原子擴散和晶界遷移阻礙原子擴散和晶界遷移, 可顯著提高最低再結(jié)晶溫可顯著提高最低再結(jié)晶溫 度。如高純度鋁度。如高純度鋁(99.999%)的最低再結(jié)晶溫度為的最低再結(jié)晶溫度為80, 而而 工業(yè)純鋁工業(yè)純鋁(99.0%)的最低再結(jié)晶溫度提高到了的最低再結(jié)晶溫度提高到了290。 加熱速度加熱速度：再結(jié)晶是一個擴散過程：再結(jié)晶是一個擴散過程, 需要一定時間才能需要一定時間才能 完成。加熱速度太高會使再結(jié)晶在較高溫度下發(fā)生完