第五章材料的形變與再結(jié)晶

1、 郭開元郭開元電話：電話：1777914212317779142123郵箱：郵箱：GG 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元1緒論第一章 原子結(jié)構(gòu)與鍵合 第二章 固體結(jié)構(gòu)第三章 晶體缺陷第四章 固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)第五章 材料的形變與再結(jié)晶第六章 單組元相圖及純晶體的凝固第七章 二元相圖及其合金的凝固材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元2第五章 材料的形變與再結(jié)晶本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 5.1 5.1 彈性和粘彈性彈性和粘彈性 5.2 5.2 晶體的塑性變形晶體的塑性變形 5.3 5.3 回復(fù)和再結(jié)

2、晶回復(fù)和再結(jié)晶 5.4 熱變形與動(dòng)態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶 以下略5.5 陶瓷材料的變形5.6 高分子聚合物的變形 塑性變形的機(jī)制，對(duì)材料組織與性能的影響塑性變形的機(jī)制，對(duì)材料組織與性能的影響回復(fù)、再結(jié)晶機(jī)制與動(dòng)力學(xué)回復(fù)、再結(jié)晶機(jī)制與動(dòng)力學(xué)2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元3 彈性的不完整性彈性的不完整性（略）（略） 單晶的塑性變形：滑移、扭折、孿生的概念單晶的塑性變形：滑移、扭折、孿生的概念 滑移面和滑移方向、滑移系滑移面和滑移方向、滑移系 滑移的位錯(cuò)機(jī)制：點(diǎn)陣阻力滑移的位錯(cuò)機(jī)制：點(diǎn)陣阻力-派派-納力納力 多晶體的塑性變形：多晶體的塑性變形：Hall-Petch公式公式 合金的塑

3、性變形：形變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化合金的塑性變形：形變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化 材料的不同強(qiáng)化方式的強(qiáng)化機(jī)制材料的不同強(qiáng)化方式的強(qiáng)化機(jī)制 塑性變形對(duì)材料組織與性能的影響塑性變形對(duì)材料組織與性能的影響 回復(fù)與再結(jié)晶過程中組織與性能的改變回復(fù)與再結(jié)晶過程中組織與性能的改變 再結(jié)晶形核機(jī)制、再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大機(jī)制再結(jié)晶形核機(jī)制、再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大機(jī)制- 再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)計(jì)算計(jì)算 再結(jié)晶溫度及其影響因素再結(jié)晶溫度及其影響因素【本章重要概念】2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元4冷變形（冷變形（Tm） 按塑性變按塑性變形溫度分形溫度分體積成型（鍛造、軋制、擠壓、拉拔等）體積成型（鍛

4、造、軋制、擠壓、拉拔等）板料成型（沖裁、彎曲、拉延等）板料成型（沖裁、彎曲、拉延等）塑性變形塑性變形（固態(tài)成型）（固態(tài)成型）塑性變形分類：塑性變形分類：塑性變形在塑性變形在金屬的金屬的鍛、軋、拉、擠加工過程中有重要作用。鍛、軋、拉、擠加工過程中有重要作用。材料的塑性變形材料的塑性變形2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元5鍛、軋、拉、鍛、軋、拉、 擠擠體積成型：體積成型：鍛造鍛造軋制軋制拉拔拉拔擠壓擠壓2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元6低碳鋼的拉伸試驗(yàn)低碳鋼的拉伸試驗(yàn) e彈性極限彈性極限 s屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 b抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度彈性變形彈性變形: 具有可

5、逆性，外力去除具有可逆性，外力去除后可完全恢復(fù)后可完全恢復(fù) 塑性變形塑性變形：不可逆：不可逆 彈性變形（彈性變形（elastic deformation）塑性變形（塑性變形（plastic deformation）外力外力 材料材料完整的塑性完整的塑性變形過程變形過程外形尺寸變化外形尺寸變化內(nèi)部組織、性能變化內(nèi)部組織、性能變化 塑性變形導(dǎo)致塑性變形導(dǎo)致這種狀態(tài)自由焓較高，這種狀態(tài)自由焓較高，不穩(wěn)定，加熱后發(fā)生不穩(wěn)定，加熱后發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元7 r=r0 原子處于平衡位置原子處于平衡位置 位能位能 U 為為 Umin 最穩(wěn)定最穩(wěn)定

6、 F=0 r r0 即偏離其平衡位置即偏離其平衡位置 F引力引力 斥力斥力力圖使原子恢復(fù)其原來的平衡位力圖使原子恢復(fù)其原來的平衡位置置5.1.1 彈性的本質(zhì)彈性的本質(zhì)可從原子間結(jié)合力的角度來了解可從原子間結(jié)合力的角度來了解之。無外力作用時(shí)，之。無外力作用時(shí)，原子間結(jié)合原子間結(jié)合能和結(jié)合力是原子間距的函數(shù)能和結(jié)合力是原子間距的函數(shù)。 5.1 彈性和粘彈性(高分子)彈性變形是塑性變形之前必經(jīng)歷的過程彈性變形是塑性變形之前必經(jīng)歷的過程2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元85.1.2 彈性變形的特征彈性變形的特征（1）理想的彈性變形是可逆變形；）理想的彈性變形是可逆變形；（2）在彈

7、性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力）在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系服從應(yīng)變關(guān)系服從胡克（胡克（Hooke）定律：定律：正應(yīng)力下正應(yīng)力下 = E 切應(yīng)力下切應(yīng)力下 = G 各向異性彈性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，即廣義虎克定律可用矩陣各向異性彈性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，即廣義虎克定律可用矩陣表示。表示。（3）彈性變形量隨材料的不同而異。）彈性變形量隨材料的不同而異。E-楊氏彈性模量楊氏彈性模量G-剪切模量剪切模量 -泊松比泊松比G = E/2(1+ )不同材料的彈、塑性性能差異很大不同材料的彈、塑性性能差異很大;如如金屬、陶瓷、高分子金屬、陶瓷、高分子2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元9彈性模量彈性模量

8、 E (Elastic modulus) 表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量, 反映原子間的結(jié)反映原子間的結(jié)合力。合金化影響小。合力。合金化影響小。 共價(jià)鍵共價(jià)鍵(E金剛石金剛石) 金屬鍵金屬鍵高分子高分子-分子鍵。分子鍵。 對(duì)單晶體而言，彈性模量是各向異性的：?jiǎn)尉w沿原子對(duì)單晶體而言，彈性模量是各向異性的：?jiǎn)尉w沿原子最密排的晶向最密排的晶向 Emax ，沿原子最疏的晶向，沿原子最疏的晶向Emin。多晶體因。多晶體因晶粒任意取向，總體呈各向同性。晶粒任意取向，總體呈各向同性。 工程上工程上E是材料剛度的度量。是材料剛度的度量。2022年3月23日星期三材料科

9、學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元10 5.2 5.2 晶體的塑性變形晶體的塑性變形單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形2. 晶體的塑性變形晶體的塑性變形合金的塑性變形合金的塑性變形4.塑性變形對(duì)材料組織與性能的影響塑性變形對(duì)材料組織與性能的影響 當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限，材料發(fā)生塑當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限，材料發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生不可逆的永久變形。性變形，產(chǎn)生不可逆的永久變形。其其本質(zhì)與彈性變形相比更為復(fù)雜本質(zhì)與彈性變形相比更為復(fù)雜。具體分析：?jiǎn)尉w具體分析：?jiǎn)尉w多晶體多晶體2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元115.2.1 單晶體（單晶體（Single Crystal）的塑性變形）的塑性變形 滑

10、移滑移 Slip孿生孿生 Twinning晶界滑動(dòng)晶界滑動(dòng) Grain boundary Sliding擴(kuò)散性蠕變擴(kuò)散性蠕變 Diffusional Creep高溫情況下高溫情況下扭折扭折 kink塑性變形方式塑性變形方式多晶體的晶粒內(nèi)，多晶體的晶粒內(nèi)，由由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定多晶體的晶粒之間多晶體的晶粒之間2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元12一、滑移（一、滑移（Slip）a. 現(xiàn)象現(xiàn)象-滑移線與滑移帶滑移線與滑移帶單晶體的拉伸試驗(yàn)單晶體的拉伸試驗(yàn)塑性變形的不均勻性特征：塑性變形的不均勻性特征：滑移只滑移只沿一定的晶面、一定沿一定的晶面、一定晶向進(jìn)行晶向進(jìn)行

11、純鐵金相組織中的滑移線純鐵金相組織中的滑移線2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元13b. 滑移的晶體學(xué)特征滑移的晶體學(xué)特征-滑移系滑移系原因是：原因是： 1、原子密度最大的晶面上面間距最大、點(diǎn)陣阻力最小。、原子密度最大的晶面上面間距最大、點(diǎn)陣阻力最小。2、最密排方向上的原子間距最短。、最密排方向上的原子間距最短。-位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)克服的阻力最小。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)克服的阻力最小?；葡担夯葡担河删w中一個(gè)滑移面和該面由晶體中一個(gè)滑移面和該面上一個(gè)滑移方向組成上一個(gè)滑移方向組成, 構(gòu)成了構(gòu)成了滑移的滑移的空間取向空間取向。表表5.3 常見金屬的滑移面與方向常見金屬的滑移面與方向滑移的特征：通

12、常滑移面和滑移方向總是晶體中原子密度最大滑移的特征：通?；泼婧突品较蚩偸蔷w中原子密度最大的面和方向的面和方向P-N力2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元14晶體結(jié)構(gòu)不同，滑移系的數(shù)目不同晶體結(jié)構(gòu)不同，滑移系的數(shù)目不同 fcc：111 有四組，而每個(gè)有四組，而每個(gè)(111)面上共有三個(gè)面上共有三個(gè)110， 共有共有4312個(gè)滑移系個(gè)滑移系 hcp：1個(gè)個(gè)(0001)面，面， 3個(gè)個(gè)方向方向 共有共有133個(gè)滑移系個(gè)滑移系 bcc： 110面共有面共有6組，組， 每個(gè)每個(gè)110上有上有2個(gè)個(gè)方向方向 112面共有面共有12組，組， 每個(gè)每個(gè)112 1個(gè)個(gè)方向方向 123面

13、共有面共有24組，組， 每個(gè)每個(gè)123 1個(gè)個(gè)方向方向 共有共有6212124148個(gè)滑移系個(gè)滑移系一般滑移系愈多，滑移過程中可能采取的空間取向也就愈多，一般滑移系愈多，滑移過程中可能采取的空間取向也就愈多，這種材料的塑性就愈好。這種材料的塑性就愈好。2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元15c. 滑移所需臨界分切應(yīng)力滑移所需臨界分切應(yīng)力 確定滑移面和方向確定滑移面和方向 Critical（resolved）shear stress圓柱形試樣圓柱形試樣單向拉伸單向拉伸情況下，作用在滑移面上沿滑移方情況下，作用在滑移面上沿滑移方向的向的切應(yīng)力切應(yīng)力：coscoscos1AFAF

14、其中其中AF作用在橫斷面上的拉伸應(yīng)力作用在橫斷面上的拉伸應(yīng)力coscos取向因子取向因子A1=2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元16晶體滑移晶體滑移 必須使必須使 c臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力: c決定了位錯(cuò)滑移的難易程度決定了位錯(cuò)滑移的難易程度 c ：取決晶體中原子間的結(jié)合力，取決晶體中原子間的結(jié)合力，即與晶體類型、純度即與晶體類型、純度（雜質(zhì)）、溫度以及變形速度有關(guān)，與外力無關(guān)。（雜質(zhì)）、溫度以及變形速度有關(guān)，與外力無關(guān)。見表見表5.4 coscossccoscoscs其中其中 s-起始屈服強(qiáng)度，由起始屈服強(qiáng)度，由取向因子取向因子決定決定圖圖5.9 P175：當(dāng)當(dāng) 90

15、或或 90 時(shí)，時(shí)， s 晶體不能產(chǎn)生滑移晶體不能產(chǎn)生滑移只有當(dāng)只有當(dāng) 45 時(shí)，時(shí)， smin 首先發(fā)生滑移首先發(fā)生滑移 2 c2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元17d. 滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)滑移面上發(fā)生相對(duì)位移滑移面上發(fā)生相對(duì)位移晶面轉(zhuǎn)動(dòng)晶面轉(zhuǎn)動(dòng)空間取向發(fā)生變化空間取向發(fā)生變化晶體滑移晶體滑移拉伸時(shí)，拉伸時(shí)，使滑移面和滑移方使滑移面和滑移方向逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸平行向逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸平行壓縮時(shí)，壓縮時(shí)，使滑移面和滑移方使滑移面和滑移方向逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸垂直向逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸垂直2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元1821轉(zhuǎn)動(dòng)的原因轉(zhuǎn)動(dòng)的原因

16、兩對(duì)力偶：兩對(duì)力偶：上下兩滑移面的法向分應(yīng)力上下兩滑移面的法向分應(yīng)力在該力偶作用下，使滑移面轉(zhuǎn)至在該力偶作用下，使滑移面轉(zhuǎn)至軸向平行軸向平行21 垂直于滑移方向的分切應(yīng)力垂直于滑移方向的分切應(yīng)力在該力偶作用下，使滑移方向轉(zhuǎn)到在該力偶作用下，使滑移方向轉(zhuǎn)到最大分切應(yīng)力方向最大分切應(yīng)力方向21平行滑移方向、真正引起滑移的有平行滑移方向、真正引起滑移的有效分切應(yīng)力效分切應(yīng)力21作用于滑移面的最大分切應(yīng)力作用于滑移面的最大分切應(yīng)力2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元19形變過程形變過程：晶體滑移晶體滑移晶體轉(zhuǎn)動(dòng)晶體轉(zhuǎn)動(dòng)位向變化位向變化取向因子變化取向因子變化 分切應(yīng)力值變化分切應(yīng)力

17、值變化e. 多系滑移多系滑移 Multiple slip 多系滑移：多系滑移： 外力下，滑移首先會(huì)發(fā)生在分切應(yīng)力最大、且外力下，滑移首先會(huì)發(fā)生在分切應(yīng)力最大、且 c的滑的滑移系原始滑移系上。移系原始滑移系上。但由于伴隨晶體轉(zhuǎn)動(dòng)但由于伴隨晶體轉(zhuǎn)動(dòng)空間位向變化空間位向變化另一組原取向不另一組原取向不利；滑移系逐漸轉(zhuǎn)向比較有利的取向，從而開始滑移，形利；滑移系逐漸轉(zhuǎn)向比較有利的取向，從而開始滑移，形成成兩組（或多組）滑移系同時(shí)進(jìn)行或交替進(jìn)行，稱為兩組（或多組）滑移系同時(shí)進(jìn)行或交替進(jìn)行，稱為多系多系滑移滑移。名詞解釋2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元202Gmf. 滑移的位錯(cuò)機(jī)制

18、滑移的位錯(cuò)機(jī)制 第第3章提到：章提到：與實(shí)測(cè)值（約為與實(shí)測(cè)值（約為110MPa）之間相差）之間相差34個(gè)數(shù)量級(jí)。個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)根據(jù)剛性位移模型剛性位移模型，理論剪切強(qiáng)度，理論剪切強(qiáng)度(G一般為一般為104105MPa） 修正后的理論剪切強(qiáng)度修正后的理論剪切強(qiáng)度 =G/30，仍然偏大。仍然偏大。因?yàn)槲诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，只要附近少數(shù)因?yàn)槲诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，只要附近少數(shù)原子移動(dòng)很小的距離原子移動(dòng)很小的距離（小于一個(gè)（小于一個(gè)原子間距），因此原子間距），因此所需的應(yīng)力要比晶體作整體剛性位移時(shí)小得多所需的應(yīng)力要比晶體作整體剛性位移時(shí)小得多。這樣，借助于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)晶體逐步滑移。這樣，借助于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)晶體逐

19、步滑移。位錯(cuò)概念引入解決這一矛盾：位錯(cuò)概念引入解決這一矛盾：2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元21P178 圖圖5.13 位錯(cuò)中心能量的周期性變化位錯(cuò)中心能量的周期性變化 1、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)首先遇到點(diǎn)陣阻力首先遇到點(diǎn)陣阻力派派.納力納力(P-N force)：2exp12)1 (2exp(12bWvGbvdvGNP對(duì)于簡(jiǎn)單立方對(duì)于簡(jiǎn)單立方d=b， =0.35, 得到得到 P-N=210-4G，遠(yuǎn)小于理論剪切強(qiáng)，遠(yuǎn)小于理論剪切強(qiáng)度度G/30. 說明位錯(cuò)的滑移容易進(jìn)行說明位錯(cuò)的滑移容易進(jìn)行 P-N力與晶體結(jié)構(gòu)和原子間作用力有關(guān)。力與晶體結(jié)構(gòu)和原子間作用力有關(guān)。從上式可知滑移

20、面間距從上式可知滑移面間距d、滑移方向原子間距滑移方向原子間距b，則，則 ，因此：，因此：晶體的滑移通常發(fā)生在原子最密集的晶面并沿著最密集的晶向進(jìn)行。晶體的滑移通常發(fā)生在原子最密集的晶面并沿著最密集的晶向進(jìn)行。2、除、除點(diǎn)陣阻力點(diǎn)陣阻力外，外，位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷、其他位錯(cuò)、晶界位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷、其他位錯(cuò)、晶界(多晶體多晶體)、第二相質(zhì)點(diǎn)（合金）第二相質(zhì)點(diǎn)（合金）等交互作用，對(duì)位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生等交互作用，對(duì)位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致晶體強(qiáng)化。阻力，導(dǎo)致晶體強(qiáng)化。（5.10）2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元22綜上所述，滑移變形的基本特點(diǎn)：綜上所述，滑移變形的基本特點(diǎn)：

21、滑移實(shí)質(zhì)是位錯(cuò)滑移實(shí)質(zhì)是位錯(cuò)沿滑移面沿滑移面的運(yùn)動(dòng)過程的運(yùn)動(dòng)過程 滑移變形系不均勻的切變，它只集中在某些晶面上；滑移變形系不均勻的切變，它只集中在某些晶面上； 沿著一定的晶面和晶向進(jìn)行，沿著一定的晶面和晶向進(jìn)行，滑移系滑移系較多的材料一般具有較多的材料一般具有較好塑性；（較好塑性；（fcc） 滑移條件滑移條件：在切應(yīng)力作用下，且：在切應(yīng)力作用下，且 c； 滑移同時(shí)，滑移面和滑移方向?qū)l(fā)生滑移同時(shí)，滑移面和滑移方向?qū)l(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)；（略）（略）2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元23二、孿生二、孿生Twin金相觀察：金相觀察：純鎂、純鋅純鎂、純鋅中的形變孿晶中的形變孿晶孿生變形

22、的難易程度：孿生變形的難易程度：和對(duì)稱性、滑移系數(shù)量有關(guān)。和對(duì)稱性、滑移系數(shù)量有關(guān)。HCPBCCFCC，F(xiàn)CC極低溫下也會(huì)孿生極低溫下也會(huì)孿生- 圖圖5.18 銅單晶拉伸曲線（銅單晶拉伸曲線（4.2K）孿生的定義：滑移系較少的晶體孿生的定義：滑移系較少的晶體（如（如hcp的的 Mg,Zn,Ge），或或滑移系較多滑移系較多的晶體在低溫下，的晶體在低溫下，或或當(dāng)滑移受阻時(shí)當(dāng)滑移受阻時(shí)的一種變形方式。的一種變形方式。2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元24a. 孿生變形過程孿生變形過程P180 圖圖5.16孿晶孿晶孿晶界孿晶界孿晶面孿晶面孿晶界孿晶界孿生方向?qū)\生方向b. 孿生的特

23、點(diǎn)孿生的特點(diǎn)（簡(jiǎn)答）（簡(jiǎn)答） 臨界切應(yīng)力臨界切應(yīng)力 大于滑移的大于滑移的 c均勻切應(yīng)變均勻切應(yīng)變 孿生是在切應(yīng)力作用下沿特定的晶面與晶向產(chǎn)生的孿生是在切應(yīng)力作用下沿特定的晶面與晶向產(chǎn)生的均勻切變均勻切變。孿晶區(qū)的原子同時(shí)移動(dòng)，同一層原子移動(dòng)距離相同。孿晶區(qū)的原子同時(shí)移動(dòng)，同一層原子移動(dòng)距離相同。鏡面對(duì)稱位向關(guān)系鏡面對(duì)稱位向關(guān)系2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元25形核（難）：孿生臨界切應(yīng)力比滑移的大得多，形核（難）：孿生臨界切應(yīng)力比滑移的大得多，只有在滑移很難進(jìn)行只有在滑移很難進(jìn)行的條件下才會(huì)發(fā)生。的條件下才會(huì)發(fā)生。例如例如，Mg孿生所需孿生所需 c4.934.34.93

24、4.3MPa，而滑移時(shí)而滑移時(shí) c僅為僅為0.49MPa。長(zhǎng)大（易）：例如長(zhǎng)大（易）：例如，Zn單晶形核單晶形核 -0.1G，長(zhǎng)大，長(zhǎng)大 -0.001G。萌生之初，能量大量積累萌生之初，能量大量積累孿晶的長(zhǎng)大速度極快（與沖擊波的速度孿晶的長(zhǎng)大速度極快（與沖擊波的速度相當(dāng)），有相當(dāng)數(shù)量的能量被釋放出來。相當(dāng)），有相當(dāng)數(shù)量的能量被釋放出來。c. 孿晶的形成方式孿晶的形成方式變形（機(jī)械）孿晶：變形產(chǎn)生，呈透鏡狀或片狀變形（機(jī)械）孿晶：變形產(chǎn)生，呈透鏡狀或片狀生長(zhǎng)孿晶生長(zhǎng)孿晶 ：晶體生長(zhǎng)過程中形成，包括氣、液、固相生長(zhǎng)：晶體生長(zhǎng)過程中形成，包括氣、液、固相生長(zhǎng)退火孿晶退火孿晶 ：退火過程中堆垛層錯(cuò)生長(zhǎng)

25、形成，橫貫整個(gè)晶粒：退火過程中堆垛層錯(cuò)生長(zhǎng)形成，橫貫整個(gè)晶粒形核形核長(zhǎng)大長(zhǎng)大兩個(gè)階段兩個(gè)階段變形孿晶的生長(zhǎng)變形孿晶的生長(zhǎng): 可分為可分為2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元26d. 孿生變形的意義：孿生變形的意義：通過單純孿生直接達(dá)到的變形量是極為有限的。如通過單純孿生直接達(dá)到的變形量是極為有限的。如Zn單晶，單晶，孿生只能獲得孿生只能獲得7.27.4伸長(zhǎng)率，遠(yuǎn)小于滑移所作的貢獻(xiàn)。伸長(zhǎng)率，遠(yuǎn)小于滑移所作的貢獻(xiàn)。孿生變形改變了晶體的位向，從而可使晶體處于更有利于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(jìn)一步的滑移，獲得很大變形量，發(fā)生滑移的位置，

26、激發(fā)進(jìn)一步的滑移，獲得很大變形量，故間接貢獻(xiàn)卻很大。故間接貢獻(xiàn)卻很大。2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元27納米孿晶純銅納米孿晶純銅孿晶強(qiáng)化、超塑性：孿晶強(qiáng)化、超塑性：拉伸強(qiáng)度是普通純銅的十倍拉伸強(qiáng)度是普通純銅的十倍以上以上,達(dá)到高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度水平達(dá)到高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度水平;而室溫電導(dǎo)率與無氧高導(dǎo)銅相當(dāng)而室溫電導(dǎo)率與無氧高導(dǎo)銅相當(dāng) 孿晶強(qiáng)化孿晶強(qiáng)化（略）（略）2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元28壓縮壓縮hcp時(shí)，外力與時(shí)，外力與(0001)面平行，面平行，cos =0，故在故在(0001)面的面的 0，不能進(jìn)行滑移或?qū)\，不能進(jìn)行滑移或?qū)\生。生。為了使晶

27、體的形狀與外力相適應(yīng)，當(dāng)外力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(shí)，晶體將會(huì)產(chǎn)生局部彎超過某一臨界值時(shí)，晶體將會(huì)產(chǎn)生局部彎曲，即出現(xiàn)曲，即出現(xiàn)扭折現(xiàn)象扭折現(xiàn)象。扭折區(qū)晶體的取向發(fā)生了不對(duì)稱變化。扭折區(qū)晶體的取向發(fā)生了不對(duì)稱變化。造成扭折的原因造成扭折的原因：滑移面的位錯(cuò)在局部地區(qū)集中，從而引起的晶滑移面的位錯(cuò)在局部地區(qū)集中，從而引起的晶格彎曲。格彎曲。扭折的意義：扭折的意義：是為適應(yīng)外力而發(fā)生的不均勻局部塑性變形，對(duì)變是為適應(yīng)外力而發(fā)生的不均勻局部塑性變形，對(duì)變形起一定的協(xié)調(diào)作用，使應(yīng)力得到松弛，使晶體不致發(fā)生斷裂。形起一定的協(xié)調(diào)作用，使應(yīng)力得到松弛，使晶體不致發(fā)生斷裂。另外扭折

28、引起晶體的再取向，使扭折帶區(qū)域中的滑移系處于有利另外扭折引起晶體的再取向，使扭折帶區(qū)域中的滑移系處于有利取向，使晶體形變能力進(jìn)一步發(fā)揮。取向，使晶體形變能力進(jìn)一步發(fā)揮。2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元29 5.2.2 多晶體的塑性變形 Plastic Deformation of polycrystalline Materials 多晶體變形要受到多晶體變形要受到晶界和相鄰不同位向晶粒晶界和相鄰不同位向晶粒的約束。周圍的約束。周圍晶粒同時(shí)發(fā)生相適應(yīng)的變形來配合。晶粒同時(shí)發(fā)生相適應(yīng)的變形來配合。 一般多晶體為多系滑移，具有高的加工硬化率，變形抗力一般多晶體為多系滑移，具有

29、高的加工硬化率，變形抗力增大，強(qiáng)度顯著提高。增大，強(qiáng)度顯著提高。具體分析：?jiǎn)尉w具體分析：?jiǎn)尉w多晶體多晶體2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元30晶粒取向的影響晶粒取向的影響 外力外力F作用下作用下處于有利取向的晶粒先開始滑移處于有利取向的晶粒先開始滑移處于不利取向晶粒還未開始滑移處于不利取向晶粒還未開始滑移變形不均勻變形不均勻?yàn)楸３肿冃蔚倪B續(xù)性，周圍晶粒變形必須相互制約，相為保持變形的連續(xù)性，周圍晶粒變形必須相互制約，相互協(xié)調(diào)互協(xié)調(diào) 多晶體塑性變形時(shí)，要求至少有多晶體塑性變形時(shí)，要求至少有5個(gè)獨(dú)立的滑移系相互協(xié)個(gè)獨(dú)立的滑移系相互協(xié)調(diào)來進(jìn)行滑移。調(diào)來進(jìn)行滑移。 fcc,

30、bcc 滑移系多，處于有利位置的取向多滑移系多，處于有利位置的取向多塑性好塑性好 hcp 滑移系少滑移系少塑性差塑性差)0(zzyyxxVV2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元31位錯(cuò)在晶界上產(chǎn)生塞積位錯(cuò)在晶界上產(chǎn)生塞積（交通堵塞）（交通堵塞）晶內(nèi)發(fā)生較大變形，晶界處晶內(nèi)發(fā)生較大變形，晶界處變形量較少，塑變抗力大，變形量較少，塑變抗力大，可觀察到可觀察到位錯(cuò)的塞積，位錯(cuò)位錯(cuò)的塞積，位錯(cuò)無法轉(zhuǎn)移到相鄰晶粒中。無法轉(zhuǎn)移到相鄰晶粒中。23個(gè)晶粒的試樣拉伸后呈竹結(jié)狀。個(gè)晶粒的試樣拉伸后呈竹結(jié)狀。 二二. 晶界的阻滯效應(yīng)晶界的阻滯效應(yīng)多晶體塑性變形的另一個(gè)特點(diǎn)是晶界對(duì)變形過程的阻礙作

31、用。多晶體塑性變形的另一個(gè)特點(diǎn)是晶界對(duì)變形過程的阻礙作用。晶界對(duì)多晶體變形產(chǎn)生阻礙作用的原因：晶界對(duì)多晶體變形產(chǎn)生阻礙作用的原因： 1、大角晶界處原子排列不規(guī)則，點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重；、大角晶界處原子排列不規(guī)則，點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重；2、晶界兩側(cè)的晶粒取向不同，滑移面和滑移方向彼此不一致。、晶界兩側(cè)的晶粒取向不同，滑移面和滑移方向彼此不一致。2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元32三、晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響三、晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響（ 重要概念重要概念 ） 1. 對(duì)室溫力學(xué)性能的影響對(duì)室溫力學(xué)性能的影響細(xì)晶強(qiáng)化：細(xì)晶強(qiáng)化：細(xì)晶組織具有良好的綜合力學(xué)性能，可兼顧強(qiáng)度細(xì)晶組織具有良好的綜合

32、力學(xué)性能，可兼顧強(qiáng)度和塑性和塑性 晶粒愈細(xì)、晶界愈多晶粒愈細(xì)、晶界愈多強(qiáng)化效應(yīng)強(qiáng)化效應(yīng)- s b HV 較好塑性，細(xì)晶的晶內(nèi)和晶界附近應(yīng)變差較小，變形較均勻，較好塑性，細(xì)晶的晶內(nèi)和晶界附近應(yīng)變差較小，變形較均勻，有可能斷裂前承受大量的變形有可能斷裂前承受大量的變形 210KdsHall-Petch公式：公式：屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度相當(dāng)于單晶體的屈服強(qiáng)度相當(dāng)于單晶體的屈服強(qiáng)度晶粒平均直徑晶粒平均直徑常數(shù)，反映晶界對(duì)變形的影響，與晶界結(jié)常數(shù)，反映晶界對(duì)變形的影響，與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)構(gòu)有關(guān)晶界本身的強(qiáng)度對(duì)多晶體的加工硬化貢獻(xiàn)不大，晶界本身的強(qiáng)度對(duì)多晶體的加工硬化貢獻(xiàn)不大，多晶體多晶體加工硬化的主要原因來自晶界

33、兩側(cè)晶粒的位向差。加工硬化的主要原因來自晶界兩側(cè)晶粒的位向差。例見圖例見圖5.252022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元332. 對(duì)高溫強(qiáng)度的影響對(duì)高溫強(qiáng)度的影響低溫時(shí)：低溫時(shí)：晶界強(qiáng)度晶界強(qiáng)度晶內(nèi)強(qiáng)度晶內(nèi)強(qiáng)度；加上晶界兩側(cè)晶粒位加上晶界兩側(cè)晶粒位向差影響向差影響 晶界對(duì)滑移有阻滯作用晶界對(duì)滑移有阻滯作用高溫時(shí)：溫度升高，與原子擴(kuò)散速率有關(guān)的晶界滑動(dòng)高溫時(shí)：溫度升高，與原子擴(kuò)散速率有關(guān)的晶界滑動(dòng)和與空位擴(kuò)散有關(guān)的蠕變機(jī)制和與空位擴(kuò)散有關(guān)的蠕變機(jī)制 晶界強(qiáng)度晶界強(qiáng)度0.3）才能起明顯的強(qiáng)化作用。）才能起明顯的強(qiáng)化作用。例如，例如，Pb-Sn、Cu-Zn等二相合金。等二相合金。b

34、）一相為塑性相，另一相為脆性相時(shí)）一相為塑性相，另一相為脆性相時(shí)，則合金的機(jī)械性，則合金的機(jī)械性能在很大程度上取決于硬脆相的存在數(shù)量及其形狀、大小能在很大程度上取決于硬脆相的存在數(shù)量及其形狀、大小和分布情況。和分布情況。例如，亞共晶例如，亞共晶Al-Si合金、合金、鋼中滲碳體鋼中滲碳體Fe3C存在的數(shù)量和存在的數(shù)量和形貌就是明顯一例形貌就是明顯一例 1. 聚合型合金聚合型合金2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元412. 彌散分布型合金彌散分布型合金 當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時(shí)，將均勻分布于基體相中時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。會(huì)產(chǎn)生顯

35、著的強(qiáng)化作用。 不可變形粒子的強(qiáng)化作用不可變形粒子的強(qiáng)化作用當(dāng)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與其相遇時(shí)，將當(dāng)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與其相遇時(shí)，將受到粒子阻擋，位錯(cuò)線繞著受到粒子阻擋，位錯(cuò)線繞著它發(fā)生彎曲，隨著外加應(yīng)力它發(fā)生彎曲，隨著外加應(yīng)力，位錯(cuò)線彎曲更劇，最后形成位錯(cuò)線彎曲更劇，最后形成包圍著粒子的位錯(cuò)環(huán)留下，包圍著粒子的位錯(cuò)環(huán)留下，而位錯(cuò)線的其余部分則越過而位錯(cuò)線的其余部分則越過粒子繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。粒子繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。概念的區(qū)別概念的區(qū)別沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化 和彌散強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化半原子面2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元421. 晶粒形狀變化晶粒形狀變化 等軸晶等軸晶纖維狀組織纖維狀組織 強(qiáng)烈冷變形的特征強(qiáng)烈冷變形的特

36、征各向同性各向同性各向異性各向異性2. 亞結(jié)構(gòu)變化亞結(jié)構(gòu)變化 P191 圖圖5.36位錯(cuò)密度迅速增長(zhǎng)，形成位錯(cuò)密度迅速增長(zhǎng)，形成位錯(cuò)纏結(jié)位錯(cuò)纏結(jié)106107cm-2 - 10111012cm-2 5.2.4 塑性變形后組織與性能的變化塑性變形后組織與性能的變化2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元43圖圖5.36 銅材經(jīng)過不同程度冷軋后的光學(xué)顯微組織及薄膜投射電鏡像銅材經(jīng)過不同程度冷軋后的光學(xué)顯微組織及薄膜投射電鏡像圖圖a,b 胞狀亞結(jié)構(gòu)：變形晶粒是由許多胞狀亞結(jié)構(gòu)：變形晶粒是由許多“胞胞”所組成，各個(gè)胞之間有著微小的取向差。所組成，各個(gè)胞之間有著微小的取向差。圖圖c,d 高

37、密度高密度纏結(jié)位錯(cuò)纏結(jié)位錯(cuò)主要集中在胞的周圍主要集中在胞的周圍地帶構(gòu)成地帶構(gòu)成“胞壁胞壁”，而胞內(nèi)位錯(cuò)密度很低。，而胞內(nèi)位錯(cuò)密度很低。圖圖e,f 隨變形量隨變形量，胞數(shù)量，胞數(shù)量，尺寸，尺寸，細(xì)長(zhǎng)帶細(xì)長(zhǎng)帶狀胞狀胞2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元44 1.加工硬化加工硬化 塑性變形后，性能上最為突出的變化是強(qiáng)度（硬度）顯著塑性變形后，性能上最為突出的變化是強(qiáng)度（硬度）顯著提高，塑性迅速下降。書中提高，塑性迅速下降。書中圖圖5.39，表，表5.6 (P193) 加工硬化的本質(zhì)加工硬化的本質(zhì)：與與位錯(cuò)間的交互作用位錯(cuò)間的交互作用及位錯(cuò)增殖、密度增加有及位錯(cuò)增殖、密度增加有關(guān)關(guān)

38、 釘扎釘扎 繼續(xù)變形發(fā)生困難，必須加大應(yīng)力才能繼續(xù)變形繼續(xù)變形發(fā)生困難，必須加大應(yīng)力才能繼續(xù)變形加工硬化加工硬化 加工硬化是材料強(qiáng)化的一個(gè)重要的途徑；特別是純金屬及某些不能通過固溶時(shí)效熱處理強(qiáng)化的合金。 由于材料具有加工硬化特性，形變才得以傳遞和擴(kuò)展使整個(gè)零件在宏觀上能夠均勻變形。210Gb定量關(guān)系式：定量關(guān)系式：2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元45 電阻率電阻率：塑性變形使金屬的電阻率升高。變化程度塑性變形使金屬的電阻率升高。變化程度因材質(zhì)而異，如純銅、黃銅、鎢絲。因材質(zhì)而異，如純銅、黃銅、鎢絲。另外，電阻溫度系數(shù)下降、導(dǎo)磁率下降、導(dǎo)熱系數(shù)下降等另外，電阻溫度系數(shù)下降

39、、導(dǎo)磁率下降、導(dǎo)熱系數(shù)下降等 腐蝕速度腐蝕速度：塑變使缺陷增多，擴(kuò)散過程加速，腐蝕塑變使缺陷增多，擴(kuò)散過程加速，腐蝕速度加快速度加快 密度密度：對(duì)含有鑄造缺陷（如氣孔、疏松等）的金屬，對(duì)含有鑄造缺陷（如氣孔、疏松等）的金屬，經(jīng)塑性變形后可能使密度上升經(jīng)塑性變形后可能使密度上升 彈性模量彈性模量：塑變使彈性模量升高塑變使彈性模量升高2. 其它性能的變化其它性能的變化2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元46三三. 變形織構(gòu)變形織構(gòu) Deformation texture 單向塑性變形時(shí)，多晶體中原為任意位向的各個(gè)單向塑性變形時(shí)，多晶體中原為任意位向的各個(gè)晶粒經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)后會(huì)使各個(gè)晶粒

40、的取向趨于一致，這個(gè)過晶粒經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)后會(huì)使各個(gè)晶粒的取向趨于一致，這個(gè)過程稱為程稱為“擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向”，擇優(yōu)取向后的晶體結(jié)構(gòu)稱為，擇優(yōu)取向后的晶體結(jié)構(gòu)稱為“織構(gòu)織構(gòu)”（Texture）變形織構(gòu)變形織構(gòu) 退火織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)退火織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)（略）（略）2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元471. 絲織構(gòu)：拉絲時(shí)形成的織構(gòu)，其特點(diǎn)：各個(gè)晶粒的某絲織構(gòu)：拉絲時(shí)形成的織構(gòu)，其特點(diǎn)：各個(gè)晶粒的某一晶向與拉拔方向平行或接近平行，用一晶向與拉拔方向平行或接近平行，用表示，表示，如冷拔鐵絲織構(gòu)為如冷拔鐵絲織構(gòu)為 織構(gòu)織構(gòu)2. 板織構(gòu)：軋制時(shí)形成，其特征：多個(gè)晶粒的某一晶向板織構(gòu)：軋制時(shí)形

41、成，其特征：多個(gè)晶粒的某一晶向趨向于與軋向平行，用趨向于與軋向平行，用 hkl 表示，如冷軋表示，如冷軋黃銅黃銅 H70 具有具有 110 織構(gòu)。織構(gòu)。織構(gòu)造成材料各向異性，在板材及線材生產(chǎn)應(yīng)用中極其織構(gòu)造成材料各向異性，在板材及線材生產(chǎn)應(yīng)用中極其重要。重要?？棙?gòu)有利有弊織構(gòu)有利有弊-各向異性：沖壓性；磁性。各向異性：沖壓性；磁性。2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元48四四. 殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力 Residual Stress殘余應(yīng)力不均勻變形而致殘余應(yīng)力不均勻變形而致外力作用外力作用施加的總能量施加的總能量逸散能逸散能90儲(chǔ)存能儲(chǔ)存能1010（彈性能）（彈性能）畸變能畸變能 9095%（點(diǎn)陣缺陷）（點(diǎn)陣缺陷）位錯(cuò)位錯(cuò)90空位、其它空位、其它10應(yīng)變能應(yīng)變能 510%宏觀內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力90殘余應(yīng)力的危害：殘余應(yīng)力的危害：變形、開裂、應(yīng)力腐蝕。變形、開裂、應(yīng)力腐蝕。 去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火殘余應(yīng)力的應(yīng)用殘余應(yīng)力的應(yīng)用：表面殘余應(yīng)力：表面殘余應(yīng)力-表層強(qiáng)化表層強(qiáng)化-提高疲勞壽命提高疲勞壽命儲(chǔ)存能在變形金屬中的具體表現(xiàn)即為內(nèi)應(yīng)力儲(chǔ)存能在變形金屬中的具體表現(xiàn)即為內(nèi)應(yīng)力2022年3月23日星期三材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-郭開元49根據(jù)內(nèi)應(yīng)力平衡范圍分為：根據(jù)內(nèi)應(yīng)力平衡范圍分為： 1. 第一類內(nèi)應(yīng)力第