《华南师范大学材料科学与工程教程第八章材料的变形与断裂(三)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《华南师范大学材料科学与工程教程第八章材料的变形与断裂(三)（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第八章 材料的变形与断裂（三）,2,七、 合金的变形与强化,合金在形成单相固溶体后，变形时的临界切应力都高于纯金属即固溶强化，但固溶强化对具体合金来说，表现出的规律可能不一样。 （1）无限互溶的Cu-Ni合金、Ag-Au合金，其强化随溶质浓度成抛物线关系在B 等于约50时强化有极大值 （2）对多数合金，因溶解度有限，强化与溶质浓度成线性关系,1、单相合金的变形与强化,3,（3）对于置换式的溶质原子，普遍被接受的强化理论是，溶质与溶剂原子的尺寸差别，两者原子尺寸差别越大，溶解度越小，而强化效果越大,固溶强化除了考虑原子尺寸差之外，对一些合金还要考虑弹性模量的差别，当两者有模量差时，位错在溶剂
2、原子附近和在溶质原子附近的应力是不同的。,原因： 原子尺寸差别（即错配）所引起的晶格畸变，会产生一内应力场，位错在内应力场中运动受到阻力，如上图所显示的铁中加入不同合金元素所引起的强化效果与原子错配度的关系。,溶质原子的切变模量较大，对位错有斥力 反之切变模量较小时则有吸力,4,从前图和右表可看出，铜合金的屈服强度与溶质原子半径的差别大小有明显相互关系 两者半径差别越大，铜合金的强化效果越显著 原子尺寸小的元素如Be、Si的强化效果比原子尺寸大的元素如Sn、Al的强化效果大 由此说明固溶强化时原子尺寸的影响十分重要,5,(4) 对于间隙式的的溶质原子，当其固溶于体心立方如Fe中，会造成不对称畸
3、变，形成体心正方，正方度 c / a 随含碳量增加而增加,原因： 因为螺型位错的应力场只有切应力，当溶质原子（如置换式溶质原子）引起的晶格畸变是对称时，则和螺型位错无交互作用，强化效果就弱 而碳原子当被强制地（如急剧冷却）固溶于Fe中，形成所谓马氏体时，会造成显著的晶格不对称畸变，这时碳原子不仅和刃型位错，也和螺型位错有强烈的交互作用，因而产生很强的固溶强化效果热处理中淬火工艺（强化）,6,右图为低碳钢拉伸时的应力应变曲线 低碳钢在上屈服点开始塑性变形，达到屈服点后开始应力下降，在下屈服点发生连续变形而不需增加应力屈服平台 在屈服平台范围内，试样的变形先从两端开始，向中间延伸，在表面变形完成之
4、后再扩展至心部 在预先磨光抛光的拉伸试样上，可清晰看到与外力成一定角度的变形条纹吕德斯带 屈服平台之后产生明显的加工硬化,2、碳钢的屈服和应变时效,7,吕德斯带的延伸和扩展过程。 屈服平台的长短与钢的含碳量有关含碳量增大，平台缩短乃至消失。,屈服平台：,此乃因为碳（氮）原子和位错的交互作用形成柯氏气团以及位错增值这两个因素共同作用的结果。 柯氏气团碳原子偏聚于刃型位错的下方，碳原子有钉扎位错作用，位错要运动，只有先从气团挣脱出来，摆脱碳原子的钉扎，从而形成了上屈服点。而一旦挣脱之后位错的运动就比较容易，应力降落出现下屈服点和水平台。,低碳钢拉伸变形的特点有上下屈服点和屈服平台（即变形的不连续）
5、,8,吉尔曼约翰逊位错增值理论：晶体开始变形之后，即引起大量的位错增值，比如通过双交滑移模型的增值方式，当位错大量增值后，在维持一定的应变速率时，流变应力就要降低，就会造成屈服应力降落。,柯氏气团还能很好地解释低碳钢的应变时效，低碳钢经过少量的预备变形可以不出现明显的屈服点（右图曲线2），这是卸载后立即加载的情况。 但如变形后在室温下放置一较长时间或在低温经过短时间加热，再进行拉伸，则屈服点又复出现（线3）低碳钢的应变时效。 这一过程很可能与碳（氮）原子重新扩散到位错周围形成气团有关。,9,锅炉钢板在卷板成型后焊接或使用时，相当于经历一个人工或自然时效过程低碳钢板的应变时效常使钢的韧性降低，为
6、此，生产中常在钢中加入WAl0.05%，使其与碳、氮原子结合，减小钢的应变时效倾向。,低碳钢应变时效的实际意义： 深冲低碳钢板时，为避免出现不连续屈服，致使表面粗糙不平或皱折，常先将钢板在深冲前进行一道光整冷扎工序，压下量为0.5%2%，如此就是预变形消除不连续屈服。,10,3、 第二相对合金变形的影响,合金所含有的第二相，对位错的运动来说，可有两种情况： 第二相可以变形，位错通过第二相时可以切过它们 第二相不能变形，位错只能绕过它们向前运动,11,位错能否切过第二相，由第二相的本性和尺寸而定 当第二相的尺寸较小并与其基体保持共格时，能被位错切过，切过时因增加表面能、通过共格应变场等因素使合金
7、强化（如Al-Cu、Al-Zn、Al-Li等铝基合金） 当第二相尺寸增大（在时效或回火温度较高时）与基体失去共格后，位错常不能切过，而只能绕过了（对钢中的碳化物、氮化物，弥散强化合金中的氧化物，一般不能变形，位错只能绕过它们）。,此式表明，间距越小，强度越高，但如质点间距太小，致使位错不能绕过第二相,位错绕过所需克服的阻力是可以简单计算的，阻力与第二相的本性无关，而只决定于第二相的间距 L，即有：,由图可知，峰值强度大体相当于位错可绕过第二相的最小质点间距,12,八、 冷变形金属的组织与性能,金属的强化变形的有利面：保证了各种冷加工成型工艺的顺利进行，没有材料的变形强化，这些工艺就无法实施 金
8、属的强化变形的不利面：随着变形的增加，金属的屈服强度和抗拉强度在不断提高，特别是屈服强度升高得很快，导致屈服比增大，塑性降低，其性能变化决定了冷加工工艺 如拉丝的拉拔次数，最终拉拔道次的拉拔力必须大于材料的屈服强度，又要小于材料的抗拉强度 这时材料的屈服强度已经十分接近抗拉强度，便容易拉断金属丝（见右图）, 此外，变形强化与其他强化方法相比，虽然能最有效地地提高强度，但塑性和韧性也降低得最多,1、冷变形金属的性能,13,(1) 退火态的纯金属或单相金属，原来晶粒为等轴状，经过拉拔和冷扎之后，晶粒沿着拉拔和冷扎方向伸长，变形量很大时，晶界可变得模糊不清 (2) 当金属中含有可变形的夹杂物或第二相
9、如 MnS、MnO、FeO等时，可随晶粒一起沿受力方向伸展 (3) 另有一类夹杂物如Al2O3、硅酸盐，不能随晶粒一起变形，但因为晶粒伸长了，这些夹杂物也呈带状分布。 以上两种情况，其夹杂物、第二相都称为纤维组织 性能：材料顺着纤维方向的强度较强，垂直于纤维方向的强度较低材料性能的各向异性,2、 冷变形金属的组织,14,概念： 金属变形时，晶体的滑移面会转动，使滑移层逐渐转向与拉力轴平行，各个晶粒的某个相同滑移系（指数相同的晶面和晶向）在变形量较大时都逐渐转向趋于与拉力轴平行，即原来的各个晶粒是任意取向的，如今则随晶粒的转动使各个晶粒的取向趋于一致，即形成了晶粒的择优取向变形织构 变形量越大，
10、择优取向程度越大，表现出织构越强,3、 形变织构,变形织构对材料的的力学性能和物理性能有重要影响 织构的形成会使材料具有强烈的各向异性 生产上有时希望产生一定方向的织构，一满足特定用途的需要,15,由于金属变形时各个部分的变形程度不同，变形后就会在金属内部残存应力（拉应力，压应力），可以在整个金属板材（线材、零件）的体积范围内平衡宏观应力；也可以在显微体积范围内平衡显微应力 残余应力的作用： 残余应力为拉应力时，会降低材料强度 残余应力为压应力时，可抵消工作载荷下部分的拉应力，有效提高材料表面的耐疲劳强度,4、 残余应力,当变形金属产生残余应力时，要通过低温退火以消除内应力 冷变形金属除了产生
11、上述的组织与性能变化之外，还会使一些物理和化学性能变化，如令金属电导率和耐腐蚀性下降，但远不如合金成分的影响那么显著,消除：,16,九、 金属的断裂,用原子间结合力模型，可求出金属的理论断裂强度 如右图，纵轴大于0时为吸力，小于0时为斥力，原子间距为a时为平衡距离，相应的原子间结合力为零 在m处，吸力达到最大，在正弦周期之半 2时，原子结合力为零，即此时原子的键合已完全被破坏而相互分离。,理论断裂强度c应克服m位置时的最大引力,计算方程为：,E为弹性模量，为分离时形成两个新断面的表面能,如以1.0 J/m2, a = 3.010 8cm代入，可得c E/ 10,1. 理论断裂强度,17,（1）
12、金属的实际断裂强度比理论断裂强度要低很多，至少低一个数量级，,（3）金属材料内部存在裂纹的原因是： 多半是由变形的不均匀和变形受到阻碍（如晶界、第二相等），产生了很大的应力集中，当应力集中达到了理论断裂强度才开始萌生裂纹 生产上的制造工艺缺陷，特别是焊接工艺，在焊缝区域总认为是已有裂纹存在,2 、实际断裂强度,（2）实际强度远远低于理论强度的原因是：,材料内部存在裂纹,18,十、 冷变形金属的回复阶段,冷变形金属,内能高,亚稳状态 室温下:原子难以扩散,形变组织保持,保持加工硬化、残余内应力等。 加热:原子扩散增强,亚稳稳态. 冷变形金属加热:相继发生回复,再结晶,晶粒长大. 加热后性能变化：
13、消除加工硬化，强度、硬度降低，塑性、韧性提高,*形变金属及合金在退火过程中的变化,冷变形金属:随加热T,或加热到T0.5T熔后保温,组织变化如图:,*形变金属及合金在退火过程中的变化,(显微组织的变化),再结晶后组织恢复到变形前的程度，性能也恢复到变形前的程度,晶粒长大:新晶粒逐渐相互合并长大.,(储存能与内应力变化),随T,储存能逐渐释放. 再结晶后,形变储存能全部释放.,再结晶:内应力全部消除.,*形变金属及合金在退火过程中的变化,按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类： 第类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。当一个物体的第类内应
14、力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。 第类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。 第III类内应力是存在于极小范围（几个原子间距）的内应力。 在工程上通常所说的残余应力就是第类内应力。到目前为止，第类内应力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。 除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第类内应力。,(性能变化),晶粒长大:力学性能降低.,*形变金属及合金在退火过程中的变化,23,冷变形金属在加热时先后经历了回复、再
15、结晶、晶粒长大三个阶段 在再结晶阶段 从组织上看是以产生无畸变的新晶核，然后在变形金属基体内长大，形成大角度晶界的新晶粒为标志的； 从性能上看是以力学性能（如强度、硬度）和物理性能（如电阻、储存变形能的释放）产生急剧的变化为标志的 在再结晶过程未进行之前，一个相当宽的温度范围都属于回复阶段,十、 冷变形金属的回复阶段,冷变形金属在内部储存了较高的弹性畸变能，有高的位错密度（退火态金属的位错密度约为108/cm2，强烈冷变形后可达1012/cm2），且位错缠结成胞不规则分布，也伴有大量的空位 弹性畸变能的减小是回复和再结晶的驱动力，而晶粒长大则是力图使界面能减小的结果。,概念:冷变形金属在加热温
16、度不高时,仅因金属中的一些点缺陷和位错迁移而引起亚结构和某些性能变化.晶粒外形无明显变化.,24,1、回复阶段性能与组织的变化 在回复阶段，可观察到以下现象： （1）宏观内应力经过低温加热（一般在200250）后，大部分去除，而微观应力仍然残存； （2）电阻率 / 降低。Cu、Ag、Al线材预先在90K下变形，在室温（293K）下导电性能可逐渐恢复，相对原始变形态来说，电阻率下降30，而与此同时硬度和流变应力却觉察不出有什么变化； （3）硬度和流变应力的变化随金属不同而异 密排六方金属Zn、Cd在室温下就可绝大部分地去除冷变形产生的加工硬化； Cu、黄铜直到加热至350，其硬度没有明显变化； Fe在350以上就看到部分加工硬化的去除。 （4）显微组织至少在光学显微镜下看不出任何变化，在高温回复时，在电镜下看到晶粒内的胞状位错结构转变为亚晶,25,在回复阶段，对那些能察觉到有部分加
