材料力學(xué)性能10

材料力學(xué)性能哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院朱景川思考題：2.陶瓷晶體塑性變形微觀機(jī)制是什么？有何特點(diǎn)？7.物理屈服延伸變形特點(diǎn)？與Luders帶應(yīng)變有何關(guān)系？3.簡單加載與復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)宏觀屈服條件有何關(guān)系？4.最大切應(yīng)力與形狀改變比能強(qiáng)度理論有何聯(lián)系與區(qū)別？5.物理屈服現(xiàn)象有何特征？1.塑性變形體積不變與多晶體協(xié)調(diào)變形有何關(guān)系？6.尖銳屈服點(diǎn)或應(yīng)力陡降反映了塑性變形的何種微觀特征？塑性變形體積不變假設(shè)與多晶體的協(xié)調(diào)變形

S2-5物理屈服現(xiàn)象及其本質(zhì)1.物理屈服現(xiàn)象第二章材料變形行為2.物理屈服的本質(zhì)

材料特性和特定的拉伸試驗條件下呈現(xiàn)的(不均勻)塑性變形開始與傳播過程。

(2)材料特性(內(nèi)部因素)溶質(zhì)原子與位錯交互作用①釘扎機(jī)制：柯氏氣團(tuán)位錯釘扎與脫釘過程切應(yīng)力作用下位錯運(yùn)動狀態(tài)②位錯運(yùn)動機(jī)制物理屈服的位錯運(yùn)動機(jī)制材料具有明顯屈服點(diǎn)的條件:(1)塑性變形開始前可動位錯密度低；(2)塑性變形開始后位錯密度迅速增加(位錯增殖或脫釘)；(3)位錯運(yùn)動速率對外加應(yīng)力有強(qiáng)烈的依存關(guān)系(位錯運(yùn)動速率應(yīng)力敏感指數(shù)m小)。Ge、Si、LiF、bcc金屬等m值較小，屈服現(xiàn)象明顯；Fcc金屬m值較大(>100~200)，屈服現(xiàn)象不明顯。3.應(yīng)變時效應(yīng)變時效行為預(yù)應(yīng)變量對應(yīng)變時效行為的影響X80管線鋼不同預(yù)應(yīng)變的應(yīng)變時效行為位錯與溶質(zhì)原子相互作用的結(jié)果。實(shí)驗依據(jù)：(1)應(yīng)變時效重新產(chǎn)生物理屈服的激活能與C原子在鐵中擴(kuò)散激活能相同，約84kJ/mol；(2)應(yīng)變時效所需時間與形成原子氣團(tuán)的時間也在同一數(shù)量級內(nèi)。應(yīng)變時效微觀機(jī)制

(1)在薄鋼板冷沖壓成形時，往往因局部變形不均勻，板面呂德斯帶導(dǎo)致表面折皺，影響表面質(zhì)量。4.與物理屈服相關(guān)的幾個工程問題為避免折皺出現(xiàn)，可對鋼板預(yù)變形，變形量稍大于屈服應(yīng)變，然后沖壓時將不出現(xiàn)物理屈服，避免折皺。應(yīng)變時效強(qiáng)化同時發(fā)生脆化，一般應(yīng)予以避免；但若調(diào)整成分和工藝以避免塑性下降過多，應(yīng)變時效亦能用于提高低碳鋼的強(qiáng)度。例1：川崎制鐵株式會社申請了一系列專利應(yīng)變時效硬化特性優(yōu)良的高強(qiáng)度冷軋鋼板及其制造方法，CN1366559具有優(yōu)良應(yīng)變時效硬化特性的熱軋鋼板、冷軋鋼板和熱浸鍍鋅鋼板以及它們的制造方法，01801490.9沖壓成形性和應(yīng)變時效硬化特性出色的高延展性鋼板及其制造方法，02122437.4例2：國家自然科學(xué)基金項目(2012-2015)基于動態(tài)應(yīng)變時效的激光溫噴丸強(qiáng)化延壽基礎(chǔ)研究

(2)應(yīng)變時效可能導(dǎo)致工程構(gòu)件脆性增加。第三章材料變形抗力與強(qiáng)化機(jī)制繼續(xù)變形抗力：初始變形抗力：最大強(qiáng)度：ssS3-1單晶體的屈服強(qiáng)度1.點(diǎn)陣阻力(派-納力:Peierls-Nabarro)位錯滑移時核心能量的變化：

S3-1單晶體的屈服強(qiáng)度2.位錯間交互作用阻力Ti合金冷變形位錯纏結(jié)(1)平行位錯間交互作用(2)位錯林阻力b1b2位錯滑移方向位錯交割結(jié)果：在位錯線上可形成曲折(割階或扭折)。割階：位錯線上垂直于其滑移面的曲折部分。割階阻礙位錯的運(yùn)動。扭折：位錯線上位于其滑移面上的曲折部分。

扭折對位錯運(yùn)動影響不大。bb割階扭折典型的位錯交割：

①不同滑移面上兩條相垂直刃位錯交割，使兩條位錯線上各形成大小、方向等于另一條位錯線b矢量的螺型扭折。②不同滑移面上兩條相垂直螺位錯交割，使兩條位錯線上各自形成大小、方向等于另一條位錯線b矢量的刃型割階。該割階須經(jīng)攀移才能運(yùn)動。b1b2b1b2b1b2b1b2③不同滑移面上的兩條相垂直刃位錯與螺位錯交割，使刃位錯上形成大小、方向等于螺位錯b矢量的刃型扭折，螺位錯上形成大小、方向等于刃位錯b矢量的刃型割階。b1b2b2b1S3-1單晶體的屈服強(qiáng)度3.屈服強(qiáng)度本質(zhì)及構(gòu)成純凈材料單晶體：對于一般材料：Bailey-Hirsch關(guān)系式

S3-2材料基本強(qiáng)化機(jī)制1.基本途徑非晶金屬

S3-2材料基本強(qiáng)化機(jī)制2.細(xì)晶強(qiáng)化第三章材料變形抗力與強(qiáng)化機(jī)制

低碳鋼的σs與晶粒直徑的關(guān)系Hall-Petch關(guān)系

純銅σs與晶粒直徑的關(guān)系Hall-Petch關(guān)系的推導(dǎo):(扣除位錯滑移阻力i

)(單晶體

)(多晶體

)討論：(1)i、k的物理意義？(2)細(xì)晶強(qiáng)韌化機(jī)制？(3)適用范圍？強(qiáng)化：晶界阻礙位錯運(yùn)動，因此晶粒細(xì)化強(qiáng)度提高。

韌化：晶粒細(xì)小有利于協(xié)調(diào)變形；同樣的延伸率，每個晶粒的變形量減小，當(dāng)其與大晶粒一樣的話，總延伸率提高。細(xì)化晶粒是一種有效的強(qiáng)韌化手段。例外：當(dāng)晶粒細(xì)化到一定程度，比如納米量級，強(qiáng)度增加；但塑性明顯降低。原因：晶粒過小晶界不能有效塞積位錯，加工硬化能力弱，易塑性失穩(wěn)斷裂。關(guān)于細(xì)晶強(qiáng)韌化：

納米晶材料與納米結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)

納米晶金屬與通常多晶或非晶的性能性能單位金屬多晶單晶納米晶熱膨脹系數(shù)10-6K-1Cu161831比熱容(295K)J/(g×K)Pd0.24-0.37密度g/cm3Fe7.97.56彈性模量GPaPd123-88剪切模量GPaPd43-32斷裂強(qiáng)度MPaFe-1.8%C700-8000屈服強(qiáng)度MPaCu83-185飽和磁化強(qiáng)度(4K)4p×10-7Tm3/kgFe222215130磁化率4p×10-9Tm3/kgSb-1-0.0320超導(dǎo)臨界溫度KAl1.2-3.2擴(kuò)散激活能eVAg于Cu中2.0-0.39

Cu自擴(kuò)散2.04-0.64德拜溫度KFe467-3納米晶金屬材料力學(xué)行為特點(diǎn)

(1)高強(qiáng)度：臨界晶粒尺寸dc

d>dc,Hall-Petch關(guān)系

d<dc,反Hall-Petch關(guān)系dc,

nm納米晶金屬材料力學(xué)行為特點(diǎn)

(2)低塑性：尤其是均勻延伸率低純度與加工缺陷的影響；加工硬化能力較差，易塑性失穩(wěn)。

盧柯等利用電解沉積技術(shù)制備高純致密塊狀納米晶體Cu，晶粒尺寸為30nm，純度高于99.995wt%，密度可達(dá)普通純Cu理論密度的99.4%。在室溫(僅為熔點(diǎn)的22%)軋制納米晶Cu樣品，其延伸率高達(dá)5100%，無明顯的加工硬化效應(yīng)，晶粒尺寸保持不變。說明晶界運(yùn)動起重要作用。思考題：如何兼顧金屬材料的強(qiáng)韌性與導(dǎo)電性？dc,nm納米晶材料中塑性變形機(jī)制的變化晶界變形主導(dǎo)：晶界位錯發(fā)射與湮滅晶界滑移晶粒旋轉(zhuǎn)……習(xí)題四：試對比分析單晶體與多晶體的塑性變形臨界條件，基于位錯理論推導(dǎo)Hall-Petch公式并舉例說明其工程意義與適用范圍。1.應(yīng)變時效條件是什么？有何工程意義？思考題：2.何種條件下應(yīng)變時效可以用作強(qiáng)化手段？3.屈服強(qiáng)度的微觀本質(zhì)是什么？4.從屈服強(qiáng)度的本質(zhì)和應(yīng)變時效效應(yīng)推測材料強(qiáng)化時應(yīng)注意什么？8.細(xì)化晶粒對高塑性或高強(qiáng)度材料s何者影響大？7.如何理解細(xì)晶強(qiáng)化同時改善塑韌性？5.多晶體屈服強(qiáng)度微觀本質(zhì)？與單晶體有何聯(lián)系與區(qū)別？6.多晶體宏觀屈服強(qiáng)度與單晶體有何聯(lián)系與區(qū)別？

S3-2材料基本強(qiáng)化機(jī)制3.固溶強(qiáng)化Cu-Ni合金固溶強(qiáng)化(1)固溶強(qiáng)化現(xiàn)象鐵素體的固溶強(qiáng)化Al-Mg合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線溶質(zhì)原子的加入提高材料的屈服強(qiáng)度s和應(yīng)力水平,同時加工硬化率d/d不同程度增大。固溶強(qiáng)化現(xiàn)象(2)固溶強(qiáng)化規(guī)律①一般稀固溶體屈服應(yīng)力：②固溶強(qiáng)化與溶質(zhì)極限溶解度(固溶度)顯著相關(guān)；溶質(zhì)原子不同，強(qiáng)化效果不同；溶質(zhì)原子濃度越高，強(qiáng)化作用越大，低濃度時效果更明顯。溶質(zhì)原子與基體原子的尺寸相差越大，效果越明顯。間隙式溶質(zhì)元素比置換式溶質(zhì)元素固溶強(qiáng)化作用更大。溶質(zhì)原子與基體原子電負(fù)性差別越大，固溶強(qiáng)化作用越大。固溶強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)原子與位錯的彈性交互作用、電交互作用和化學(xué)交互作用阻礙了位錯的運(yùn)動。(3)固溶強(qiáng)化機(jī)理①彈性交互作用溶質(zhì)原子均勻分布——長程彈性交互作用Cottrell氣團(tuán)形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)釘扎位錯螺型位錯與周圍的溶質(zhì)原子作用，原子在沿x、y、z的三種面心位置上發(fā)生擇優(yōu)分布（應(yīng)力感生有序），使系統(tǒng)能量降低。

Snoek氣團(tuán)②電交互作用③化學(xué)交互作用面心立方晶體中的擴(kuò)展位錯④幾何交互作用⑤改變基體鍵合強(qiáng)度導(dǎo)致點(diǎn)陣阻力變化彈性交互作用強(qiáng)，但對溫度敏感，常溫下作用大；電學(xué)和化學(xué)交互作用較弱，但對溫度不敏感，高溫下作用大。強(qiáng)化效果大的溶質(zhì)元素固溶度低；多元微合金化，非單個元素強(qiáng)化的加和。

S3-2材料基本強(qiáng)化機(jī)制4.第二相強(qiáng)化(1)第二相分布類型集聚型分散型第三章材料變形抗力與強(qiáng)化機(jī)制單相合金可借固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度，但提高程度有限。通常使用的材料大多是兩相或多相合金。第二相來源：可通過相變熱處理(沉淀相或析出相)或粉末冶金方法(彌散相)獲得。H62黃銅鑄態(tài)組織變形和退火后(2)集聚型第二相強(qiáng)化如果兩相都具有較好塑性，則合金變形阻力取決于兩相的體積分?jǐn)?shù)?？砂吹葢?yīng)變理論或等應(yīng)力理論計算的平均流變應(yīng)力或平均應(yīng)變。(2)集聚型第二相強(qiáng)化等應(yīng)變理論假定塑性變形過程中兩相應(yīng)變相等，合金產(chǎn)生一定應(yīng)變的流變應(yīng)力為：σ=f1σ1+f2σ2式中f1和f2為兩相的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)?shù)诙嗔髯儜?yīng)力高于基相(σ2=σ1+Δσ)時,σ=f1σ1+f2(σ1+Δσ)

=σ1+f2Δσ,材料得以強(qiáng)化。等應(yīng)力理論假定兩相所受的流變應(yīng)力相等，平均應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ε=ε1f1+ε2f2

當(dāng)?shù)诙鄳?yīng)變小于基相應(yīng)變(ε2=ε1f2-Δ)時，ε=ε1f1+(ε1f2-Δ)=ε1-Δ,材料得以強(qiáng)化。如果第二相為硬脆相，則合金性能除與兩相相對含量有關(guān)外，很大程度上取決于硬脆相的形狀與分布。如果硬脆相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布于基相晶界上，則基相受限不能變形，應(yīng)力過大即沿晶界斷裂。塑性變差，甚至強(qiáng)度也隨之下降。如果硬脆相成片狀分布于基相，因變形主要集中在基相，而位錯受片層厚度限制，移動距離很短，繼續(xù)變形阻力加大，強(qiáng)度得以提高。片層越薄，強(qiáng)度越高；變形越均勻，塑性也越好，類似于細(xì)晶強(qiáng)化。如果硬脆相呈不連續(xù)等軸狀顆粒分布于基體相晶粒之間，則因基體連續(xù)，硬脆相顆粒對基體變形的影響大大減弱，強(qiáng)度下降，塑性、韌性得以提高。第二相形態(tài)對碳鋼力學(xué)性能的影響第三章材料變形抗力與強(qiáng)化機(jī)制

S3-2材料基本強(qiáng)化機(jī)制4.第二相強(qiáng)化(3)分散強(qiáng)化組織特征：力學(xué)性能特點(diǎn)：分類：沉淀強(qiáng)化或時效強(qiáng)化彌散強(qiáng)化分散相形態(tài)及分布：f,r,分散相類型：可變形粒子不可變形粒子1）不變形粒子的強(qiáng)化作用：當(dāng)移動的位錯與微粒相遇時，將因奧羅萬(Orowan,位錯繞過)機(jī)制而產(chǎn)生位錯增殖。位錯繞過時，既要克服第二相粒子的阻礙作用，又要克服位錯環(huán)對位錯源的反向應(yīng)力，而且每一個位錯繞過后都要增加一個位錯環(huán)。因此繼續(xù)變形必須增大外應(yīng)力，從而使流變應(yīng)力迅速提高。此圖為α黃銅中繞Al2O3粒子的位錯環(huán)的透射電鏡像。Ni合金位錯繞過Ni3Al粒子TEM照片位錯繞過間距為λ的第二相微粒所需要的切應(yīng)力為：

τ=Gb/λ式中G為切變彈性模量；b為柏氏矢量。位錯繞過強(qiáng)化與第二相粒子的間距成反比。λ越小，強(qiáng)化效果越好。因此，減小粒子尺寸(增大粒子數(shù))或提高粒子體積分?jǐn)?shù)(減小粒子間距)，都能使合金的強(qiáng)度提高。2）可變形粒子的強(qiáng)化作用：第二相為可變形微粒時，位錯將切過粒子使其與基相一起變形（位錯切過機(jī)制）。Ni-Cr-Al合金位錯切過Ni3Al粒子

位錯切過強(qiáng)化機(jī)制：

①點(diǎn)陣阻力增加；②若第二相粒子是有序相，位錯切過粒子產(chǎn)生反向