第05章_塑性變形

1、第五章第五章 金屬及合金的塑性變形金屬及合金的塑性變形金屬的變形特性 單晶體的塑性變形多晶體的塑性變形 合金的塑性變形塑性變形對(duì)組織性能的影響納米銅的室溫超塑性第一節(jié)第一節(jié) 金屬的變形概述金屬的變形概述 彈性變形彈塑性變形斷裂eyIIIIIIIV4.11.變形過(guò)程中的名詞概念變形過(guò)程中的名詞概念應(yīng)力：作用在材料任一截面單位面積上的力。同截面垂直的稱為“正應(yīng)力”或“法向應(yīng)力”，同截面相切的稱為“剪應(yīng)力”或“切應(yīng)力”。應(yīng)變：物體形狀尺寸所發(fā)生的相對(duì)改變。物體內(nèi)部某處的線段在變形后長(zhǎng)度的改變值同線段原長(zhǎng)之比值稱為“線應(yīng)變”；物體內(nèi)兩互相垂直的平面在變形后夾角的改變值稱為“剪應(yīng)變”或“角應(yīng)變”；變形后

2、物體內(nèi)任一微小單元體體積的改變同原單位體積之比值稱為“體積應(yīng)變”。2. 變形過(guò)程 彈性變形階段 I： s e，s-e為線性關(guān)系；屈服階段 II彈塑性變形階段 III：應(yīng)力在se到sb之間發(fā)生均勻塑性變形；頸縮階段 IV：sb之后；斷裂：發(fā)生在K點(diǎn)。 eyIIIIIIIV3. 彈性變形彈性變形 Ip 變形可逆，去除外力后完全恢復(fù)，變形消失。 p 特點(diǎn)：服從胡克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比p E為彈性模量、G稱為切變模量，反映材料對(duì)彈性變形的抗力，代表材料的“剛度” 。eyI IIIIIIV實(shí)質(zhì)： 應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部原子間距在較小的范圍內(nèi)偏離了平衡位置，但未超過(guò)其原子間的結(jié)合力。材料反應(yīng)為晶格發(fā)生了

3、伸長(zhǎng)(縮短)或歪扭。原子的相鄰關(guān)系還未發(fā)生改變，故外力去除后，原子間結(jié)合力便可以使變形完全恢復(fù)。 4. 塑性變形 不能恢復(fù)的永久性變形叫塑性變形。當(dāng)應(yīng)力大于彈性極限時(shí)，材料不但發(fā)生彈性變形，而且還發(fā)生塑性變形，即在外力去除后，其變形不能得到完全的恢復(fù)，而具有殘留變形或永久變形。5. 塑性變形過(guò)程II 屈服屈服：材料開始發(fā)生塑性變形。 屈服特點(diǎn)：即使外力不再增加，試樣也會(huì)繼續(xù)變形，這種變形屬于塑性變形，在拉伸曲線上會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀的平臺(tái)。這是部分材料所具有的特征。 退火低碳鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線eyI IIIIIIV屈服強(qiáng)度：材料對(duì)開始發(fā)生微量塑性變形的抗力，也稱為屈服極限，用y表示。對(duì)具有屈服現(xiàn)象的

4、材料用屈服現(xiàn)象發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力表示；對(duì)屈服現(xiàn)象不明顯的材料，則以所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變達(dá)0.2%時(shí)的應(yīng)力值表示。 eyIIIIIIIV5. 塑性變形過(guò)程塑性變形過(guò)程 III 均勻變形均勻變形在屈服后的變形階段，試樣整體進(jìn)行均勻的塑性變形。如果不再增加外力，材料的變形將不能繼續(xù)下去。eyIIIIIIIVeyIIIIIIIV原因：維持材料均勻變形的原因是材料發(fā)生了加工硬化。 已經(jīng)發(fā)生變形處的強(qiáng)度提高，進(jìn)一步變形困難，即變形要在更大的應(yīng)力作用下才能進(jìn)行。下一步的變形發(fā)生在未變形或變形相對(duì)較小的位置，達(dá)到同樣變形后，在更大的應(yīng)力作用下發(fā)生變形。5. 塑性變形過(guò)程塑性變形過(guò)程 IV頸縮頸縮 頸縮：試樣將開始發(fā)

5、生不均勻的塑性變形，產(chǎn)生了頸縮，即塑性變形集中在一局部區(qū)域進(jìn)行。 特點(diǎn)：頸縮發(fā)生后，宏觀表現(xiàn)為外力在下降，工程應(yīng)力在減小，但頸縮區(qū)的材料承受的真實(shí)應(yīng)力依然在上升。極限強(qiáng)度：材料開始發(fā)生頸縮時(shí)對(duì)應(yīng)的工程應(yīng)力b ，這時(shí)試樣出現(xiàn)失穩(wěn)，頸縮真實(shí)應(yīng)力依然在上升，但能承受的總外力在下降。eyIIIIIIIV5. 塑性變形過(guò)程 K斷裂 變形量大至K點(diǎn)，試樣發(fā)生斷裂。斷裂的實(shí)質(zhì)是原子間承受的力超出最大吸引力，原子間的結(jié)合受到破壞而分離。eyIIIIIIIV韌性斷裂：在斷裂前有明顯塑性變形后發(fā)生的斷裂叫“韌性斷裂”。在晶體構(gòu)成的材料中，內(nèi)部的晶粒都被拉長(zhǎng)成為細(xì)條狀，斷口呈纖維狀，灰暗無(wú)光。 脆性斷裂：斷裂前因并

6、未經(jīng)過(guò)明顯塑性變形，故其斷口常具有光澤，這種斷裂叫“脆性斷裂”。脆性斷裂可沿晶界發(fā)生，稱為“晶間斷裂”，斷口凹凸不平；脆性斷裂也可穿過(guò)各個(gè)晶粒發(fā)生，稱為“穿間斷裂”，斷口比較平坦。 6. 6. 塑性變形的方式塑性變形的方式材料在外力作用下發(fā)生塑性變形，依材料的性質(zhì)、外界環(huán)境和受力方式不同，進(jìn)行塑性變形的方式也不相同，通常發(fā)生塑性變形的方式有：滑移、孿生、滑移、孿生、蠕變、流動(dòng)。蠕變、流動(dòng)?；剖蔷w材料塑性變形的基本方式之一。非晶體材料原子為無(wú)規(guī)則堆積，像液體一樣只能以流動(dòng)方式來(lái)進(jìn)行，衡量其變形的難易程度的參數(shù)為粘度。在重力作用下能發(fā)生流動(dòng)的為液體，可以維持自己形狀為固體。第二節(jié) 單晶體的塑性

7、變形 常溫下塑性變形的主要方式：滑移、孿生2.1 滑移切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)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(duì)位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式叫滑移。Zn 單晶的滑移2.1.1 滑移的表象光學(xué)顯微鏡：滑移帶電子顯微鏡：每條個(gè)滑移帶由許多平行滑移線組成對(duì)于Al單晶：每根滑移線的滑移量為100200nm；兩滑移線間距20nm；滑移帶之間2000nm2.1.2 滑移變形過(guò)程 切應(yīng)力的作用下，晶格發(fā)生彈性外扭，進(jìn)一步將使晶格發(fā)生滑移。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置，晶體不能恢復(fù)到原來(lái)的形狀，而保留永久的變形。大量晶面的滑移將得到宏觀變形效果，在晶

8、體的表面將出現(xiàn)滑移產(chǎn)生的臺(tái)階。 作用在晶格上的正應(yīng)力只能使晶格的距離加大，不能使原子從一個(gè)平衡位置移動(dòng)到另一平衡位置，不能產(chǎn)生塑性變形；正應(yīng)力達(dá)到破壞原子間的吸引力，晶格分離，材料則出現(xiàn)斷裂。 材料在正應(yīng)力作用下，在應(yīng)力方向雖然不能發(fā)生塑性變形，但正應(yīng)力的分量在另一方向就有切應(yīng)力，可使晶格沿另外的方向上發(fā)生滑移。 2.1.3 滑移的晶體學(xué)特征l 滑移發(fā)生的晶面稱為滑移面，通常為晶體的最密排晶面；l 滑移滑動(dòng)的方向稱為滑移方向，通常也為晶體的最密排方向；l 一個(gè)滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)可以滑移的方式稱為“滑移系”。 FCC62433滑移系對(duì)性能的影響 晶體中滑移系愈多，晶體發(fā)生滑移的

9、可能性便愈大，材料的塑性愈好。 滑移面密排程度高，滑移面上滑移方向個(gè)數(shù)越多，材料塑性越好。 bcc的a-Fe與fcc的Al及Cu，雖然都有12個(gè)滑移系，但其滑移面密排程度較面心立方晶格低，且滑移面上滑移方向少，所以塑性不如銅及鋁；具有hcp晶格的Mg、Zn等，滑移系僅有3個(gè)，因此塑性較立方晶系金屬差。 2.1.4 滑移的臨界分切應(yīng)力施密特定律 推動(dòng)滑移的是在滑移方向上的分切應(yīng)力。同一外加應(yīng)力作用下，不同滑移系因取向不同，對(duì)應(yīng)的分切應(yīng)力也不相同。左圖中單晶體受拉應(yīng)力F作用，滑移面法線方向N與F夾角為f，滑移方向和F夾角為；注意：滑移方向S、拉力軸F和滑移面的法線N三者不必在同一平面，即 f+90

10、0 ?；品较蛏系姆智袘?yīng)力為： 其中：稱為取向因子或施密特因子。當(dāng) f+ = 900，取向因子有最大值0.5。 施密特定律當(dāng)當(dāng)t t達(dá)到某一臨界值t tc時(shí)，晶體產(chǎn)生滑移變形，這時(shí)對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力s s為單晶體的屈服應(yīng)力s sy y，稱為施密特定律。s sy = t tc c/cos/cosf f cos cosl l滑移方向上切應(yīng)力t 為：tc c是一常數(shù)，稱為臨界分切應(yīng)力。 t tc取決于金屬的本性，不受f f、l l的影響；屈服強(qiáng)度s sy y則隨拉力軸相對(duì)于晶體的取向不同而不同，即晶體材料存在各向異性。s sy = t= tc/ /cosf fcosl lf f或l l9090 時(shí)，取向因

11、子M最小，s sy ；這時(shí)的取向稱為硬取向。f f，l l45 時(shí)，取向因子M最大，s sy y最小，晶體最易滑移；這時(shí)的取向稱為軟取向。2.1.5 臨界分切應(yīng)力與首開滑移系 l 當(dāng)外力在某個(gè)滑移面的滑移方向上的分切應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)，該滑移系開始滑移，材料開始發(fā)生塑性變形，這個(gè)切應(yīng)力值叫臨界分切應(yīng)力。l 在外力作用下，取向因子最大的滑移系將有最大的分切應(yīng)力，外力加大，將首先達(dá)到臨界分切應(yīng)力發(fā)生滑移，所以把取向因子最大的滑移系稱為這個(gè)外力下的首開滑移系。l 在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系分切應(yīng)力相同。外力加大時(shí)它們將同時(shí)達(dá)到臨界分切應(yīng)力，開始發(fā)生滑移，所以把取向因子相同的滑移系稱為這個(gè)外

12、力下的等效滑移系。 2.1.6 滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng) 2.1.6 滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng) 當(dāng)外力作用于單晶體試樣上時(shí)，它在某些相鄰層晶面上所分解的切應(yīng)力使晶體發(fā)生滑移，而正應(yīng)力和垂直滑移方向的另一正應(yīng)力因滑移錯(cuò)開組成一力偶，使晶體在滑移的同時(shí)向外力方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。 轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)為滑移面趨于平行拉力方向，滑移方向也趨于平行拉力方向。2.1.7 滑移變形的主要特點(diǎn) l 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。l 滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因?yàn)樵谧蠲芫嬷g的面間距最大，原子面之間的結(jié)合力最弱，沿最密晶向滑移步長(zhǎng)最小，滑移所需外加切應(yīng)力最小。 l 滑移時(shí)晶體的一部分相對(duì)另一部分的滑移距離為原子間距的整數(shù)倍

13、，在晶體表面形成臺(tái)階。 l 滑移的同時(shí)必然伴隨有晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)。 2.1.8 滑移的位錯(cuò)機(jī)制滑移的位錯(cuò)機(jī)制 滑移的實(shí)質(zhì)是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 位錯(cuò)的增殖 位錯(cuò)的交割 位錯(cuò)的塞積加工硬化 A. 滑移的實(shí)質(zhì)是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)滑移的實(shí)質(zhì)是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 大量的理論研究證明，滑移是由于滑移面上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而造成的。上圖分別表示一刃型和螺型位錯(cuò)在切應(yīng)力的作用下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)一根位錯(cuò)從滑移面的一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)便造成一個(gè)原子間距的滑移。 t tt tttB. 位錯(cuò)的受力 作用于位錯(cuò)上的力處于滑移面上的位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下發(fā)生滑移。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向總與位錯(cuò)線垂直，因此可以設(shè)想有一個(gè)垂直于位錯(cuò)線的力F推動(dòng)位錯(cuò)前進(jìn)。右圖中，切應(yīng)力作用下位錯(cuò)線

14、運(yùn)動(dòng)一距離ds，此位錯(cuò)線段的運(yùn)動(dòng)將促使dA面上的晶塊相對(duì)于下面的晶塊錯(cuò)開了一個(gè)柏氏矢量b，此時(shí)移動(dòng)此線段所作功為：W = Fds = tdldsb；所以：F/dl =t b方向：垂直于位錯(cuò)線，指向位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向。性質(zhì)：組態(tài)力，并非實(shí)際力位錯(cuò)線張力：T=aGb2，直線時(shí)a=1，曲線時(shí)a=0.5。單根位錯(cuò)趨于直線狀；右圖中位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，兩端被障礙物釘住而彎曲成弧形，曲率為R。位錯(cuò)線受兩種力:a.作用在位錯(cuò)線法向的力tb，推動(dòng)(2) 位錯(cuò)的應(yīng)變能與線張力單位長(zhǎng)度位錯(cuò)的應(yīng)變能：w=aGb2 2 22RGbRGbbtt或B. 位錯(cuò)的受力位錯(cuò)線向右運(yùn)動(dòng)，使位錯(cuò)線彎曲； b. 接點(diǎn)處的線張力T ，使位錯(cuò)線

15、平直；穩(wěn)定時(shí)受力平衡有：t bds = 2Tsindq /2Tdq = Tds/R；將T=aGb2 (彎曲位錯(cuò), a=0.5)代入得：可見R越小，位錯(cuò)線彎曲越厲害，所需與之平衡的切應(yīng)力就越大。C. 位錯(cuò)的增殖 塑性變形的過(guò)程中，盡管位錯(cuò)移出晶體產(chǎn)生滑移臺(tái)階，但位錯(cuò)的數(shù)量(位錯(cuò)密度)卻在不斷的增加，這是因?yàn)樵谕鈶?yīng)力作用下發(fā)生塑性變形時(shí)位錯(cuò)會(huì)發(fā)生增殖。 例如： 利用Frank-Read源說(shuō)明增殖的過(guò)程。若滑移面上有一段位錯(cuò)，CD兩點(diǎn)釘住不可滑移，在外力作用下位錯(cuò)應(yīng)向右移動(dòng)，這段位錯(cuò)將彎曲、擴(kuò)張，相遇為異號(hào)位錯(cuò)相消，產(chǎn)生一位錯(cuò)環(huán)，內(nèi)部CD段還存在。反復(fù)可生成一系列的位錯(cuò)環(huán)，擴(kuò)展到晶體外的產(chǎn)生滑移臺(tái)階

16、可為柏氏矢量的整數(shù)倍。 C. 位錯(cuò)的增殖 C. 位錯(cuò)的增殖位錯(cuò)的增殖 L 2 22RGbRGbbtt或 前面提到,使一兩端固定的位錯(cuò)線彎曲到曲率半徑為R圓弧所需切應(yīng)力為: F-R源模型中，直線時(shí)曲率半徑為無(wú)窮大，使其彎曲所需應(yīng)力很小，當(dāng)半徑為L(zhǎng)/2時(shí)，曲率半徑最小，所需應(yīng)力最大，繼續(xù)向外擴(kuò)展時(shí)，曲率半徑又增大，切應(yīng)力又減小，因此開動(dòng)F-R位錯(cuò)源所需的臨界切應(yīng)力為： LGbtD. 位錯(cuò)的交割 不在同一個(gè)滑移面上的兩刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中可發(fā)生交割。圖示例子表示如果位錯(cuò)AB向下運(yùn)動(dòng)掃過(guò)位錯(cuò)CD，由于掃過(guò)區(qū)間的晶體兩邊發(fā)生了柏氏矢量大小的滑移，在位錯(cuò)CD上產(chǎn)生了EF轉(zhuǎn)折，EF長(zhǎng)度為AB的柏氏矢量，EF

17、位錯(cuò)的柏氏矢量不發(fā)生變化，但滑移面已不在原滑移面上，雖然還是刃型位錯(cuò)，但其可動(dòng)性已受影響。此外兩垂直螺位錯(cuò)交截后產(chǎn)生不可動(dòng)的刃型割階，成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙，金屬冷加工硬度、強(qiáng)度提高，塑性下降就與此相關(guān)，稱為割階強(qiáng)化。b1b2扭折E. 位錯(cuò)的塞積位錯(cuò)的塞積 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在其前沿如果有障礙(如晶界、不可變形的硬質(zhì)點(diǎn))，就停留不能前進(jìn)，若同一位錯(cuò)源不斷產(chǎn)生一系列位錯(cuò)源源而來(lái)，在此將產(chǎn)生前密后疏的位錯(cuò)排列組態(tài)，稱為“塞積群”。 障礙物位錯(cuò)源障礙物移動(dòng)一距離dx，則外力做功為nt0bdx；同時(shí)障礙物也會(huì)給位錯(cuò)群一個(gè)反作用力t，一般假設(shè)其只施加短程力于領(lǐng)先位錯(cuò)，則領(lǐng)先位錯(cuò)受到障礙物的作用力為tb；塞積群移動(dòng)

18、dx時(shí)障礙物對(duì)其作功為：tbdx。按虛功原理，外力功和反作用力作功相等，得：nt0bdx=tbdx 即：t=nt0可見位錯(cuò)塞積處產(chǎn)生很大應(yīng)力集中，可能帶來(lái)的后果有：螺位錯(cuò)可改變滑移面而發(fā)生交滑移；晶界處的應(yīng)力可能迫使相鄰晶粒中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)松弛應(yīng)力；無(wú)法松弛就有可能在此處造成裂紋。 障礙物位錯(cuò)源外加切應(yīng)力t0 作用在塞積群每個(gè)位錯(cuò)上的力為t0b，則加在塞積群中n個(gè)位錯(cuò)的作用力為nt0b。設(shè)整個(gè)塞積群向F. 加工硬化加工硬化 p 變形過(guò)程中，位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)，各種位錯(cuò)會(huì)頻繁相遇，發(fā)生一系列復(fù)雜的交割作用，出現(xiàn)位錯(cuò)的纏結(jié)等等現(xiàn)象，使位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受阻；p 位錯(cuò)源發(fā)出的位錯(cuò)受阻后產(chǎn)生塞積，造成位錯(cuò)密度的逐

19、漸增大。變形量越大，位錯(cuò)密度就越大，變形抗力也越大。p 隨著位錯(cuò)密度的升高，位錯(cuò)之間的平均距離減小，它們之間的相互干擾和交互作用進(jìn)一步增強(qiáng)，因而強(qiáng)度和硬度也就越來(lái)越大。p 此外，塑性變形也會(huì)導(dǎo)致晶格畸變，使外力和滑移面的相對(duì)位向也會(huì)發(fā)生變化。使開動(dòng)位錯(cuò)所需應(yīng)力增大。2. 2 孿生變形孿生變形外力作用下，以切變生成“孿晶”而發(fā)生塑性變形方式稱為“孿生”。晶體的一部分相對(duì)于一定的晶面(孿生面)，沿著一定的方向(孿生方向)發(fā)生切變，形成對(duì)稱的晶格排列，發(fā)生切變部分叫做孿生帶，或簡(jiǎn)稱為孿晶。切變部分和未切變部分呈鏡面對(duì)稱，對(duì)稱面為孿生面。( 1 0) 面A C E GAC E G孿生區(qū)域(111)孿晶

20、面(10)AACCEEp 孿生需要的臨界切應(yīng)力很大，僅在滑移困難時(shí)才會(huì)發(fā)生。一般孿生出現(xiàn)在滑移系很少的晶體結(jié)構(gòu)的材料中(如密排六方晶格金屬)；p 某些容易發(fā)生滑移的立方材料僅在低溫度滑移困難或受沖擊時(shí)來(lái)不及滑移時(shí)才可能產(chǎn)生孿生。p 孿晶帶中，每層原子面對(duì)于相鄰原子面的移動(dòng)量都相同，其移動(dòng)量不是原子間距的整倍數(shù)(一般為原子間距的分?jǐn)?shù))，但它們?cè)趯\生后各自移動(dòng)的距離和離孿生面的距離成正比。 2.2.1 孿生變形的特點(diǎn)p 孿生帶的晶格位向發(fā)生了變化，抗腐蝕性和光學(xué)反射性與母體不同，變形孿晶呈薄片狀或透鏡片狀。 p 孿生變形的速度很快，接近于聲速。孿生變形在晶體表面可形成浮凸。 p 孿生變形所產(chǎn)生的塑

21、性變形總量不大，一般不超過(guò)10%。會(huì)在周圍得晶格中引起很大的畸變。 p 孿生變形生成的孿晶改變了晶體的位向可能有助于滑移。p 孿生變形在未穿透晶體整個(gè)斷面前，具有彈性特征，繼續(xù)加載時(shí)，孿晶會(huì)增長(zhǎng)變厚；相反，卸載時(shí)孿晶則逐漸變小，甚至消失。Zn中的變形孿晶TEM micrographs ( bright field ) of the as-PASed (Bi2Te3)0.2(Sb2Te3)0.8 滑 移孿 生相同點(diǎn)1.切變；2 沿一定晶面、晶向進(jìn)行；3 不改變結(jié)構(gòu)。不同點(diǎn) 晶體位向不改變（對(duì)拋光面觀察無(wú)重現(xiàn)性）。改變，形成鏡面對(duì)稱關(guān)系(對(duì)拋光面觀察有重現(xiàn)性)位移量滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，較大

22、。小于孿生方向上的原子間距，較小。對(duì)塑變的貢獻(xiàn)很大，總變形量大。有限，總變形量小。變形應(yīng)力有一定的臨界分切壓力臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移變形條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時(shí)發(fā)生變形機(jī)制全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果3.1 蠕變?nèi)渥?蠕變是指材料在高溫下(高于0.3Tm)的變形不僅與應(yīng)力有關(guān)，而且和應(yīng)力作用的時(shí)間有關(guān)。 蠕變過(guò)程可分為三個(gè)階段。由蠕變速率(d/d)逐漸減慢的第一階段到恒速蠕變的第二階段。在蠕變過(guò)程后期，蠕變速率加快直至斷裂，視為蠕變第三階段。隨著溫度與應(yīng)力的提高，蠕變的第二階段漸短，金屬的蠕變很快由第一階段過(guò)渡到第三階段，使高溫下服役的零件壽命大大減少。 第三節(jié) 其它塑性變形方式 蠕

23、變機(jī)理蠕變過(guò)程是一熱激活過(guò)程，蠕變現(xiàn)象可看作為應(yīng)力作用下原子流的擴(kuò)散。原子的定向流動(dòng)本身可造成材料的變形。借助原子的擴(kuò)散會(huì)發(fā)生位錯(cuò)的攀移，位錯(cuò)滑移產(chǎn)生的加工硬化和由位錯(cuò)攀移產(chǎn)生的高溫回復(fù)，這兩個(gè)過(guò)程的速率相等，便形成了恒定的蠕變速率過(guò)程。所有影響自擴(kuò)散系數(shù)的因素均按相同的方式影響蠕變速率。 3.2 粘滯性流動(dòng) 在外力作用下，在固態(tài)下處于非晶態(tài)的材料可以視為過(guò)冷液體，當(dāng)外力能克服黏度的阻力時(shí)，非晶態(tài)材料可以象液體那樣發(fā)生塑性流動(dòng)，其形狀和尺寸發(fā)生變化，材料的性質(zhì)未發(fā)生改變，可視為一種塑性變形。 第四節(jié) 多晶體的塑性變形 4.1 變形的傳遞當(dāng)一個(gè)晶粒的某一滑移系發(fā)生滑移動(dòng)作，即位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，遇到晶

24、界時(shí)，由于各個(gè)晶粒的位向不同，不能直接從一個(gè)晶粒移動(dòng)到另一晶粒，便塞積起來(lái)；加之晶界處的雜質(zhì)原子也往往較多，增大其晶格畸變，在滑移時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力較大，難以發(fā)生變形，可見晶界的存在可以提高材料的強(qiáng)度。位錯(cuò)在晶界處的塞積產(chǎn)生了大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中能使相鄰晶粒的位錯(cuò)源開動(dòng)，相鄰取向不利的晶粒也能開始變形，相鄰晶粒的變形也使位錯(cuò)塞積產(chǎn)生的應(yīng)力集中得以松弛，原來(lái)變形的晶?？梢赃M(jìn)一步的變形，這就是滑移的傳播過(guò)程。 位錯(cuò)在晶界塞積應(yīng)力集中相鄰晶粒位錯(cuò)源開動(dòng)相鄰晶粒變形塑變4.2 變形的協(xié)調(diào)T 原因：各晶粒之間變形具有非同時(shí)性。T 要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。 （獨(dú)立變形會(huì)導(dǎo)致晶體分裂）T 條件：獨(dú)立

25、滑移系5個(gè)。 （保證晶粒形狀的自由變化）面心和體心立方金屬容易滿足變形協(xié)調(diào)條件；但密排六方金屬滑移系一般只有三個(gè)，有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)：一種是在晶界附近區(qū)域，除了有基面滑移外，可能有柱面或棱錐面等較難滑移的晶面作為滑移面；另一種則是產(chǎn)生孿晶變形，孿晶和滑移結(jié)合起來(lái)，連續(xù)地進(jìn)行變形。 4.3 塑性變形過(guò)程的不均勻性p 由于每個(gè)晶粒的位向不同，同一外力作用下，每個(gè)晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切應(yīng)力亦不同。p 滑移面和滑移方向處于或接近于與外力成45o，即施密特因子較大的晶粒，必將首先發(fā)生滑移變形，通常稱這種位向的晶粒為處于“軟位向”；p 滑移面或滑移方向處于或接近于與外力相平行或垂直

26、，即施密特因子較小(接近0)的晶粒則處于“硬位向”，它們所受的分切應(yīng)力將較小，較難發(fā)生滑移。p 由此可見，多晶體金屬中的塑性變形將會(huì)在不同晶粒中逐批發(fā)生，是個(gè)不均勻的塑性變形過(guò)程。 4.4 晶粒位向的影響分批滑移：外力作用下，當(dāng)首批處于軟位向的晶粒發(fā)生滑移時(shí)，由于晶界影響及其周圍處于硬位向的晶粒尚不能發(fā)生滑移而只能以彈性變形相適應(yīng)，便會(huì)在首批晶粒的晶界附近造成位錯(cuò)堆積，隨著外力增大至應(yīng)力集中達(dá)到一定程度，形變才會(huì)越過(guò)晶界，傳遞到另一批晶粒中。晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)：隨著滑移的發(fā)生，伴隨晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，其位向同時(shí)也在變化，有的位向在硬化，有的位向在軟化，軟位向的晶粒開始滑移變形。所以，多晶體的塑性變形是一批批晶

27、粒逐步地發(fā)生，從少量晶粒開始逐步擴(kuò)大到大量的晶粒，從不均勻變形逐步發(fā)展到比較均勻的變形，比單晶體中復(fù)雜得多。 4.5 晶粒大小對(duì)材料強(qiáng)度的影響材料晶粒愈細(xì)，晶界總面積愈大，晶界對(duì)變形的阻礙作用愈明顯，對(duì)塑性變形的抗力也便愈大。對(duì)純金屬、單相合金或低碳鋼都發(fā)現(xiàn)室溫屈服強(qiáng)度和晶粒大小有以下關(guān)系： 式中的d為晶粒的平均直徑，k為比例常數(shù)。這是個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，但又表達(dá)了一個(gè)普遍規(guī)律。該公式常稱為霍爾-佩奇(Hall-Petch)關(guān)系。 4.6 晶粒大小對(duì)材料塑性的影響晶粒大小對(duì)材料塑性的影響 晶粒愈細(xì)，不僅強(qiáng)度愈高，而且塑性與韌性也較高。晶粒愈細(xì)，單位體積中晶粒數(shù)量愈多，變形時(shí)同樣的形變量便可分散在更多的

28、晶粒中發(fā)生，晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力小，晶粒間易于協(xié)調(diào)，產(chǎn)生較均勻的變形，不致造成局部的應(yīng)力集中，而引起裂紋的過(guò)早產(chǎn)生和發(fā)展。因而斷裂前便可發(fā)生較大的塑性形變量，具有較高的沖擊載荷抗力。所以都通過(guò)各種方法(凝固、壓力加工、熱處理)使材料獲得細(xì)而均勻的晶粒，細(xì)化晶粒是目前提高材料力學(xué)性能的有效途徑之一。 第五節(jié)：合金的塑性變形(1) 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、 硬度提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。(2) 強(qiáng)化機(jī)制強(qiáng)化機(jī)制: a. 晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)； b. 柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化。5. 1 固溶體的塑性變形p 溶質(zhì)原子含量越多，強(qiáng)化效果越好；p 溶劑與溶質(zhì)原子半徑差越大，強(qiáng)化效果越好；p 價(jià)

29、電子數(shù)差越大，強(qiáng)化效果越好；p 間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果高于置換式溶質(zhì)原子。（3）固溶強(qiáng)化的影響因素5.2 多相合金的塑性變形5.2.1 合金中兩相性能相近如果合金中兩相相差不大，且變形性能相近，則合金的變形性能為兩相的平均值。此時(shí)合金的強(qiáng)度可以用下式表示：sjasa+ jbsbsa、sb分別是兩相的強(qiáng)度；ja、jb分別是兩相的體積分?jǐn)?shù)。可見合金強(qiáng)度隨較強(qiáng)一相含量增多而提高。5.2.2 合金中兩相性能相差很大A. 硬脆第二相在塑性相晶界連續(xù)網(wǎng)狀分布l 脆性相在空間上分割塑性相，從而使塑性相的變形能力無(wú)從發(fā)揮，經(jīng)少量變形后，即沿連續(xù)的脆性相開裂，使合金的塑性和韌性急劇下降。l 脆性相越多，網(wǎng)越連

30、續(xù)，合金塑性就越差。l 過(guò)共析鋼的二次滲碳體在晶界上呈網(wǎng)狀分布時(shí)，鋼的脆性增加、強(qiáng)度和塑性下降?？赏ㄟ^(guò)熱加工和熱處理的相互配合來(lái)破壞和消除其網(wǎng)狀分布。. 脆性相在塑性相中呈片狀或?qū)訝罘植间撝兄楣怏w即為此例。位錯(cuò)的移動(dòng)被限制在滲碳體片之間的很短距離內(nèi)，此時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)至障礙物滲碳體片之前時(shí)，形成位錯(cuò)平面塞積群，當(dāng)其應(yīng)力集中足以誘發(fā)臨近鐵素體中位錯(cuò)源開動(dòng)時(shí)，相鄰的鐵素體才開始變形。因此其屈服也可用Hall-Petch公式描述：sF為鐵素體的屈服強(qiáng)度，d為珠光體片間距，為常數(shù)?？梢娭楣怏w片間距越薄，則強(qiáng)度越高，且其變形越均勻，且變形能力增加。對(duì)于細(xì)珠光體，滲碳體片甚至也能滑移彎曲變形。因此細(xì)珠光體不僅強(qiáng)

31、度高，塑性也好。21-+=KdFyss. 硬脆第二相在塑性相中呈顆粒狀分布位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子彌散強(qiáng)化L LGbt可見，第二相粒子間距越小，強(qiáng)化作用越明顯。位錯(cuò)切過(guò)第二相粒子沉淀強(qiáng)化若第二相粒子硬度不太高，尺寸較小且可變形時(shí)，運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)與其相遇時(shí)將切過(guò)粒子，與基體一起變形，如右圖。由于位錯(cuò)切過(guò)第二相粒子產(chǎn)生新的表面，將額外作功，消耗能量，因而可以強(qiáng)化材料。一般從過(guò)飽和固溶體中沉淀析出的共格粒子屬于這種情況，因此這種強(qiáng)化也稱沉淀強(qiáng)化。第六節(jié) 塑性變形對(duì)組織性能的影響6.1 塑性變形對(duì)組織和結(jié)構(gòu)的影響 形成纖維組織晶粒延變形方向被拉長(zhǎng)或壓扁; 雜質(zhì)呈細(xì)帶狀或鏈狀分布。(1) 形變織構(gòu)： 多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈 擇優(yōu)取向的組織。(2) 線(絲)織構(gòu)： 某一晶向趨于與變形方向平行。 (如拉拔時(shí)形成) 面(板)織構(gòu)： 某晶面趨于平行于軋制面，某晶向