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1、 郭开元郭开元电话：电话：邮箱：邮箱： 材料科学基础材料科学基础08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元1绪论第一章 原子结构与键合 第二章 固体结构第三章 晶体缺陷第四章 固体中原子及分子的运动第五章 材料的形变与再结晶第六章 单组元相图及纯晶体的凝固第七章 二元相图及其合金的凝固材料科学基础材料科学基础08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元2第五章 材料的形变与再结晶本章主要内容：本章主要内容： 5.1 5.1 弹性和粘弹性弹性和粘弹性 5.2 5.2 晶体的塑性变形晶体的塑性变形 5.3 5.3 回复和再结晶回复和再结晶 5.4 热变形与动态回复、再结晶 以下略5.
2、5 陶瓷材料的变形5.6 高分子聚合物的变形 塑性变形的机制，对材料组织与性能的影响塑性变形的机制，对材料组织与性能的影响回复、再结晶机制与动力学回复、再结晶机制与动力学08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元3弹性的不完整性弹性的不完整性（略）（略）单晶的塑性变形：滑移、扭折、孪生的概念单晶的塑性变形：滑移、扭折、孪生的概念滑移面和滑移方向、滑移系滑移面和滑移方向、滑移系滑移的位错机制：点阵阻力滑移的位错机制：点阵阻力-派派-纳力纳力多晶体的塑性变形：多晶体的塑性变形：Hall-Petch公式公式合金的塑性变形：形变强化、固溶强化和弥散强化合金的塑性变形：形变强化、固溶强化和弥散强
3、化材料的不同强化方式的强化机制材料的不同强化方式的强化机制塑性变形对材料组织与性能的影响塑性变形对材料组织与性能的影响回复与再结晶过程中组织与性能的改变回复与再结晶过程中组织与性能的改变再结晶形核机制、再结晶晶粒长大机制再结晶形核机制、再结晶晶粒长大机制- 再结晶动力学再结晶动力学计算计算再结晶温度及其影响因素再结晶温度及其影响因素【本章重要概念】08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元4冷变形（冷变形（Tm） 按塑性变按塑性变形温度分形温度分体积成型（锻造、轧制、挤压、拉拔等）体积成型（锻造、轧制、挤压、拉拔等）板料成型（冲裁、弯曲、拉延等）板料成型（冲裁、弯曲、拉延等）塑性变形塑
4、性变形（固态成型）（固态成型）塑性变形分类：塑性变形分类：塑性变形在塑性变形在金属的金属的锻、轧、拉、挤加工过程中有重要作用。锻、轧、拉、挤加工过程中有重要作用。材料的塑性变形材料的塑性变形08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元5锻、轧、拉、锻、轧、拉、 挤挤体积成型：体积成型：锻造锻造轧制轧制拉拔拉拔挤压挤压08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元6低碳钢的拉伸试验低碳钢的拉伸试验 e弹性极限弹性极限 s屈服强度屈服强度 b抗拉强度抗拉强度弹性变形弹性变形: 具有可逆性，外力去除具有可逆性，外力去除后可完全恢复后可完全恢复 塑性变形塑性变形：不可逆：不可逆 弹性变形（弹
5、性变形（elastic deformation）塑性变形（塑性变形（plastic deformation）外力外力 材料材料完整的塑性完整的塑性变形过程变形过程1.外形尺寸变化外形尺寸变化2.内部组织、性能变化内部组织、性能变化 塑性变形导致塑性变形导致这种状态自由焓较高，这种状态自由焓较高，不稳定，加热后发生不稳定，加热后发生回复与再结晶回复与再结晶08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元7 r=r0 原子处于平衡位置原子处于平衡位置 位能位能 U 为为 Umin 最稳定最稳定 F=0 r r0 即偏离其平衡位置即偏离其平衡位置 F引力引力 斥力斥力力图使原子恢复其原来的平衡位置
6、力图使原子恢复其原来的平衡位置 弹性的本质弹性的本质可从原子间结合力的角度来了解可从原子间结合力的角度来了解之。无外力作用时，之。无外力作用时，原子间结合原子间结合能和结合力是原子间距的函数能和结合力是原子间距的函数。 5.1 弹性和粘弹性(高分子)弹性变形是塑性变形之前必经历的过程弹性变形是塑性变形之前必经历的过程08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元85.1.2 弹性变形的特征弹性变形的特征（1）理想的弹性变形是可逆变形；）理想的弹性变形是可逆变形；（2）在弹性变形范围内，应力）在弹性变形范围内，应力-应变关系服从应变关系服从胡克（胡克（Hooke）定律：定律：正应力下正应力下
7、 = E 切应力下切应力下 = G 各向异性弹性体的应力应变关系，即广义虎克定律可用矩阵各向异性弹性体的应力应变关系，即广义虎克定律可用矩阵表示。表示。（3）弹性变形量随材料的不同而异。）弹性变形量随材料的不同而异。E-杨氏弹性模量杨氏弹性模量G-剪切模量剪切模量 -泊松比泊松比G = E/2(1+ )不同材料的弹、塑性性能差异很大不同材料的弹、塑性性能差异很大;如如金属、陶瓷、高分子金属、陶瓷、高分子08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元9弹性模量弹性模量 E (Elastic modulus)表征晶体中原子间结合力强弱的物理量表征晶体中原子间结合力强弱的物理量, 反映原子间的结
8、反映原子间的结合力。合金化影响小。合力。合金化影响小。共价键共价键(E金刚石金刚石) 金属键金属键高分子高分子-分子键。分子键。对单晶体而言，弹性模量是各向异性的：单晶体沿原子对单晶体而言，弹性模量是各向异性的：单晶体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。多晶体因。多晶体因晶粒任意取向，总体呈各向同性。晶粒任意取向，总体呈各向同性。工程上工程上E是材料刚度的度量。是材料刚度的度量。08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元10 5.2 5.2 晶体的塑性变形晶体的塑性变形本节内容包括本节内容包括：1. 1.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变
9、形2. 多多晶体的塑性变形晶体的塑性变形3. 3.合金的塑性变形合金的塑性变形4.塑性变形对材料组织与性能的影响塑性变形对材料组织与性能的影响当应力超过弹性极限，材料发生塑当应力超过弹性极限，材料发生塑性变形，产生不可逆的永久变形。性变形，产生不可逆的永久变形。其其本质与弹性变形相比更为复杂本质与弹性变形相比更为复杂。具体分析：单晶体具体分析：单晶体多晶体多晶体08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元115.2.1 单晶体（单晶体（Single Crystal）的塑性变形）的塑性变形 1.滑移滑移 Slip2.孪生孪生 Twinning晶界滑动晶界滑动 Grain boundary
10、Sliding扩散性蠕变扩散性蠕变 Diffusional Creep高温情况下高温情况下3.扭折扭折 kink塑性变形方式塑性变形方式多晶体的晶粒内，多晶体的晶粒内，由由位错运动方式决定位错运动方式决定多晶体的晶粒之间多晶体的晶粒之间08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元12一、滑移（一、滑移（Slip）a. 现象现象-滑移线与滑移带滑移线与滑移带单晶体的拉伸试验单晶体的拉伸试验塑性变形的不均匀性特征：塑性变形的不均匀性特征：滑移只滑移只沿一定的晶面、一定沿一定的晶面、一定晶向进行晶向进行纯铁金相组织中的滑移线纯铁金相组织中的滑移线08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开
11、元13b. 滑移的晶体学特征滑移的晶体学特征-滑移系滑移系原因是：原因是： 1、原子密度最大的晶面上面间距最大、点阵阻力最小。、原子密度最大的晶面上面间距最大、点阵阻力最小。2、最密排方向上的原子间距最短。、最密排方向上的原子间距最短。-位错运动克服的阻力最小。位错运动克服的阻力最小。滑移系：滑移系：由晶体中一个滑移面和该面由晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成上一个滑移方向组成, 构成了构成了滑移的滑移的空间取向空间取向。表表5.3 常见金属的滑移面与方向常见金属的滑移面与方向滑移的特征：通常滑移面和滑移方向总是晶体中原子密度最大滑移的特征：通常滑移面和滑移方向总是晶体中原子密度最大的面
12、和方向的面和方向P-N力08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元14晶体结构不同，滑移系的数目不同晶体结构不同，滑移系的数目不同 fcc：111 有四组，而每个有四组，而每个(111)面上共有三个面上共有三个110， 共有共有4312个滑移系个滑移系 hcp：1个个(0001)面，面， 3个个方向方向 共有共有133个滑移系个滑移系 bcc： 110面共有面共有6组，组， 每个每个110上有上有2个个方向方向 112面共有面共有12组，组， 每个每个112 1个个方向方向 123面共有面共有24组，组， 每个每个123 1个个方向方向 共有共有6212124148个滑移系个滑移系一般
13、滑移系愈多，滑移过程中可能采取的空间取向也就愈多，一般滑移系愈多，滑移过程中可能采取的空间取向也就愈多，这种材料的塑性就愈好。这种材料的塑性就愈好。08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元15c. 滑移所需临界分切应力滑移所需临界分切应力 确定滑移面和方向确定滑移面和方向 Critical（resolved）shear stress圆柱形试样圆柱形试样单向拉伸单向拉伸情况下，作用在滑移面上沿滑移方情况下，作用在滑移面上沿滑移方向的向的切应力切应力：其中其中作用在横断面上的拉伸应力作用在横断面上的拉伸应力取向因子取向因子A1=08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元16晶体滑
14、移晶体滑移 必须使必须使 c临界分切应力临界分切应力: c决定了位错滑移的难易程度决定了位错滑移的难易程度 c ：取决晶体中原子间的结合力，取决晶体中原子间的结合力，即与晶体类型、纯度即与晶体类型、纯度（杂质）、温度以及变形速度有关，与外力无关。（杂质）、温度以及变形速度有关，与外力无关。见表见表5.4 其中其中 s-起始屈服强度，由起始屈服强度，由取向因子取向因子决定决定图图5.9 P175：当当 90或或 90 时，时， s 晶体不能产生滑移晶体不能产生滑移只有当只有当 45 时，时， smin 首先发生滑移首先发生滑移 2 c08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元17d. 滑
15、移时晶面的转动滑移时晶面的转动滑移面上发生相对位移滑移面上发生相对位移晶面转动晶面转动空间取向发生变化空间取向发生变化晶体滑移晶体滑移拉伸时，拉伸时，使滑移面和滑移方向使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴平行逐渐转到与应力轴平行压缩时，压缩时，使滑移面和滑移方使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴垂直向逐渐转到与应力轴垂直08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元18形变过程形变过程：晶体滑移晶体滑移晶体转动晶体转动位向变化位向变化取向因子变化取向因子变化 分切应力值变化分切应力值变化e. 多系滑移多系滑移 Multiple slip 多系滑移：多系滑移： 外力下，滑移首先会发生在分切应力最
16、大、且外力下，滑移首先会发生在分切应力最大、且t c的滑移的滑移系原始滑移系上。系原始滑移系上。但由于伴随晶体转动但由于伴随晶体转动空间位向变化空间位向变化另一组原取向不利；另一组原取向不利；滑移系逐渐转向比较有利的取向，从而开始滑移，形成滑移系逐渐转向比较有利的取向，从而开始滑移，形成两两组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称为组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称为多系滑移多系滑移。名词解释08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元20f. 滑移的位错机制滑移的位错机制 第第3章提到：章提到：与实测值（约为与实测值（约为110MPa）之间相差）之间相差34个数量级。个数量级。根
17、据根据刚性位移模型刚性位移模型，理论剪切强度，理论剪切强度(G一般为一般为104105MPa） 修正后的理论剪切强度修正后的理论剪切强度 =G/30，仍然偏大。仍然偏大。因为位错运动时，只要附近少数因为位错运动时，只要附近少数原子移动很小的距离原子移动很小的距离（小于一个（小于一个原子间距），因此原子间距），因此所需的应力要比晶体作整体刚性位移时小得多所需的应力要比晶体作整体刚性位移时小得多。这样，借助于位错的运动就可实现晶体逐步滑移。这样，借助于位错的运动就可实现晶体逐步滑移。位错概念引入解决这一矛盾：位错概念引入解决这一矛盾：08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元21P178
18、图图5.13 位错中心能量的周期性变化位错中心能量的周期性变化 1、位错运动位错运动首先遇到点阵阻力首先遇到点阵阻力派派.纳力纳力(P-N force)：对于简单立方对于简单立方d=b， =0.35, 得到得到 P-N=210-4G，远小于理论剪切强度，远小于理论剪切强度G/30. 说明位错的滑移容易进行说明位错的滑移容易进行 P-N力与晶体结构和原子间作用力有关。力与晶体结构和原子间作用力有关。从上式可知滑移面间距从上式可知滑移面间距d、滑移方向原子间距滑移方向原子间距b，则，则 ，因此：，因此：晶体的滑移通常发生在原子最密集的晶面并沿着最密集的晶向进行。晶体的滑移通常发生在原子最密集的晶面
19、并沿着最密集的晶向进行。2、除、除点阵阻力点阵阻力外，外，位错与点缺陷、其他位错、晶界位错与点缺陷、其他位错、晶界(多晶体多晶体)、第二相质点（合金）第二相质点（合金）等交互作用，对位错的滑移运动均会产生等交互作用，对位错的滑移运动均会产生阻力，导致晶体强化。阻力，导致晶体强化。（5.10）08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元22二、孪生二、孪生Twin金相观察：金相观察：纯镁、纯锌纯镁、纯锌中的形变孪晶中的形变孪晶孪生变形的难易程度：孪生变形的难易程度：和对称性、滑移系数量有关。和对称性、滑移系数量有关。HCPBCCFCC，FCC极低温下也会孪生极低温下也会孪生- 图图5.18
20、 铜单晶拉伸曲线（铜单晶拉伸曲线（4.2K）孪生的定义：滑移系较少的晶体孪生的定义：滑移系较少的晶体（如（如hcp的的 Mg,Zn,Ge），或或滑移系较多滑移系较多的晶体在低温下，的晶体在低温下，或或当滑移受阻时当滑移受阻时的一种变形方式。的一种变形方式。08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元24a. 孪生变形过程孪生变形过程P180 图图5.16孪晶孪晶孪晶界孪晶界孪晶面孪晶面孪晶界孪晶界孪生方向孪生方向b. 孪生的特点孪生的特点（简答）（简答） 临界切应力临界切应力 大于滑移的大于滑移的 c均匀切应变均匀切应变 孪生是在切应力作用下沿特定的晶面与晶向产生的孪生是在切应力作用下沿
21、特定的晶面与晶向产生的均匀切变均匀切变。孪晶区的原子同时移动，同一层原子移动距离相同。孪晶区的原子同时移动，同一层原子移动距离相同。镜面对称位向关系镜面对称位向关系08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元25形核（难）：孪生临界切应力比滑移的大得多，形核（难）：孪生临界切应力比滑移的大得多，只有在滑移很难进行只有在滑移很难进行的条件下才会发生。的条件下才会发生。例如例如，Mg孪生所需孪生所需 c=4.934.3=4.934.3MPa，而滑移时而滑移时 c仅为仅为0.49MPa。长大（易）：例如长大（易）：例如，Zn单晶形核单晶形核 -0.1G，长大，长大 -0.001G。萌生之初，能
22、量大量积累萌生之初，能量大量积累孪晶的长大速度极快（与冲击波的速度孪晶的长大速度极快（与冲击波的速度相当），有相当数量的能量被释放出来。相当），有相当数量的能量被释放出来。c. 孪晶的形成方式孪晶的形成方式变形（机械）孪晶：变形产生，呈透镜状或片状变形（机械）孪晶：变形产生，呈透镜状或片状生长孪晶生长孪晶 ：晶体生长过程中形成，包括气、液、固相生长：晶体生长过程中形成，包括气、液、固相生长退火孪晶退火孪晶 ：退火过程中堆垛层错生长形成，横贯整个晶粒：退火过程中堆垛层错生长形成，横贯整个晶粒形核形核长大长大两个阶段两个阶段变形孪晶的生长变形孪晶的生长: 可分为可分为08 八月 2024材料科学基
23、础CAI课件-郭开元26d. 孪生变形的意义：孪生变形的意义：通过单纯孪生直接达到的变形量是极为有限的。如通过单纯孪生直接达到的变形量是极为有限的。如Zn单晶，单晶，孪生只能获得孪生只能获得7.27.4伸长率，远小于滑移所作的贡献。伸长率，远小于滑移所作的贡献。孪生变形改变了晶体的位向，从而可使晶体处于更有利于孪生变形改变了晶体的位向，从而可使晶体处于更有利于发生滑移的位置，激发进一步的滑移，获得很大变形量，发生滑移的位置，激发进一步的滑移，获得很大变形量，故间接贡献却很大。故间接贡献却很大。08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元27 5.2.2 多晶体的塑性变形 Plastic
24、Deformation of polycrystalline Materials 多晶体变形要受到多晶体变形要受到晶界和相邻不同位向晶粒晶界和相邻不同位向晶粒的约束。周围晶的约束。周围晶粒同时发生相适应的变形来配合。粒同时发生相适应的变形来配合。 一般多晶体为多系滑移，具有高的加工硬化率，变形抗力增一般多晶体为多系滑移，具有高的加工硬化率，变形抗力增大，强度显著提高。大，强度显著提高。具体分析：单晶体具体分析：单晶体多晶体多晶体08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元30一一.晶粒取向的影响晶粒取向的影响 外力外力F作用下作用下处于有利取向的晶粒先开始滑移处于有利取向的晶粒先开始滑移
25、处于不利取向晶粒还未开始滑移处于不利取向晶粒还未开始滑移变形不均匀变形不均匀为保持变形的连续性，周围晶粒变形必须相互制约，相为保持变形的连续性，周围晶粒变形必须相互制约，相互协调互协调多晶体塑性变形时，要求至少有多晶体塑性变形时，要求至少有5个独立的滑移系相互协个独立的滑移系相互协调来进行滑移。调来进行滑移。fcc, bcc 滑移系多，处于有利位置的取向多滑移系多，处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08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元31位错在晶界上产生塞积位错在晶界上产生塞积（交通堵塞）（交通堵塞）晶内发生较大变形，晶界处晶内发生较大变形，晶
26、界处变形量较少，塑变抗力大，变形量较少，塑变抗力大，可观察到可观察到位错的塞积，位错位错的塞积，位错无法转移到相邻晶粒中。无法转移到相邻晶粒中。23个晶粒的试样拉伸后呈竹结状。个晶粒的试样拉伸后呈竹结状。 二二. 晶界的阻滞效应晶界的阻滞效应多晶体塑性变形的另一个特点是晶界对变形过程的阻碍作用。多晶体塑性变形的另一个特点是晶界对变形过程的阻碍作用。晶界对多晶体变形产生阻碍作用的原因：晶界对多晶体变形产生阻碍作用的原因： 1、大角晶界处原子排列不规则，点阵畸变严重；、大角晶界处原子排列不规则，点阵畸变严重；2、晶界两侧的晶粒取向不同，滑移面和滑移方向彼此不一致。、晶界两侧的晶粒取向不同，滑移面和
27、滑移方向彼此不一致。08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元32三、晶粒大小对力学性能的影响三、晶粒大小对力学性能的影响（ 重要概念重要概念 ） 1. 对室温力学性能的影响对室温力学性能的影响细晶强化：细晶强化：细晶组织具有良好的综合力学性能，可兼顾强度细晶组织具有良好的综合力学性能，可兼顾强度和塑性和塑性晶粒愈细、晶界愈多晶粒愈细、晶界愈多强化效应强化效应- s b HV 较好塑性，细晶的晶内和晶界附近应变差较小，变形较均匀，较好塑性，细晶的晶内和晶界附近应变差较小，变形较均匀，有可能断裂前承受大量的变形有可能断裂前承受大量的变形 Hall-Petch公式：公式：屈服强度屈服强度相
28、当于单晶体的屈服强度相当于单晶体的屈服强度晶粒平均直径晶粒平均直径常数，反映晶界对变形的影响，与晶界结常数，反映晶界对变形的影响，与晶界结构有关构有关晶界本身的强度对多晶体的加工硬化贡献不大，晶界本身的强度对多晶体的加工硬化贡献不大，多晶体多晶体加工硬化的主要原因来自晶界两侧晶粒的位向差。加工硬化的主要原因来自晶界两侧晶粒的位向差。例见图例见图5.2508 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元332. 对高温强度的影响对高温强度的影响低温时：低温时：晶界强度晶界强度晶内强度晶内强度；加上晶界两侧晶粒位加上晶界两侧晶粒位向差影响向差影响 晶界对滑移有阻滞作用晶界对滑移有阻滞作用高温时：温
29、度升高，与原子扩散速率有关的晶界滑动高温时：温度升高，与原子扩散速率有关的晶界滑动和与空位扩散有关的蠕变机制和与空位扩散有关的蠕变机制 晶界强度晶界强度0.3）才能起明显的强化作用。）才能起明显的强化作用。例如，例如，Pb-Sn、Cu-Zn等二相合金。等二相合金。b）一相为塑性相，另一相为脆性相时）一相为塑性相，另一相为脆性相时，则合金的机械性，则合金的机械性能在很大程度上取决于硬脆相的存在数量及其形状、大小能在很大程度上取决于硬脆相的存在数量及其形状、大小和分布情况。和分布情况。例如，亚共晶例如，亚共晶Al-Si合金、合金、钢中渗碳体钢中渗碳体Fe3C存在的数量和存在的数量和形貌就是明显一例
30、形貌就是明显一例 1. 聚合型合金聚合型合金08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元412. 弥散分布型合金弥散分布型合金 当第二相以细小弥散的微粒均当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。生显著的强化作用。 不可变形粒子的强化作用不可变形粒子的强化作用当运动位错与其相遇时，将受当运动位错与其相遇时，将受到粒子阻挡，位错线绕着它发到粒子阻挡，位错线绕着它发生弯曲，随着外加应力生弯曲，随着外加应力，位，位错线弯曲更剧，最后形成包围错线弯曲更剧，最后形成包围着粒子的位错环留下，而位错着粒子的位错环留下，而位错线的其余部分则越过粒子继
31、续线的其余部分则越过粒子继续运动。运动。概念的区别概念的区别沉淀强化沉淀强化 和弥散强化和弥散强化半原子面08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元42一一一一. . 显微组织变化显微组织变化显微组织变化显微组织变化1. 晶粒形状变化晶粒形状变化 等轴晶等轴晶纤维状组织纤维状组织 强烈冷变形的特征强烈冷变形的特征各向同性各向同性各向异性各向异性2. 亚结构变化亚结构变化 P191 图图5.36位错密度迅速增长，形成位错密度迅速增长，形成位错缠结位错缠结106107cm-2 - 10111012cm-2 5.2.4 塑性变形后组织与性能的变化塑性变形后组织与性能的变化08 八月 2024
32、材料科学基础CAI课件-郭开元43图图5.36 铜材经过不同程度冷轧后的光学显微组织及薄膜投射电镜像铜材经过不同程度冷轧后的光学显微组织及薄膜投射电镜像图图a,b 胞状亚结构：变形晶粒是由许多胞状亚结构：变形晶粒是由许多“胞胞”所组成，各个胞之间有着微小的取向差。所组成，各个胞之间有着微小的取向差。图图c,d 高密度高密度缠结位错缠结位错主要集中在胞的周围主要集中在胞的周围地带构成地带构成“胞壁胞壁”，而胞内位错密度很低。，而胞内位错密度很低。图图e,f 随变形量随变形量，胞数量，胞数量，尺寸，尺寸，细长带细长带状胞状胞08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元44二二. 性能变化性能
33、变化 1.加工硬化加工硬化 塑性变形后，性能上最为突出的变化是强度（硬度）显著塑性变形后，性能上最为突出的变化是强度（硬度）显著提高，塑性迅速下降。书中提高，塑性迅速下降。书中图图5.39，表，表5.6 (P193) 加工硬化的本质加工硬化的本质：与与位错间的交互作用位错间的交互作用及位错增殖、密度增加有及位错增殖、密度增加有关关 钉扎钉扎 继续变形发生困难，必须加大应力才能继续变形继续变形发生困难，必须加大应力才能继续变形加工硬化加工硬化 加工硬化是材料强化的一个重要的途径；特别是纯金属及某些不能通过固溶时效热处理强化的合金。由于材料具有加工硬化特性，形变才得以传递和扩展使整个零件在宏观上能
34、够均匀变形。定量关系式：定量关系式：08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元45 电阻率电阻率：塑性变形使金属的电阻率升高。变化程度因塑性变形使金属的电阻率升高。变化程度因材质而异，如纯铜、黄铜、钨丝。材质而异，如纯铜、黄铜、钨丝。另外，电阻温度系数下降、导磁率下降、导热系数下降等另外，电阻温度系数下降、导磁率下降、导热系数下降等 腐蚀速度腐蚀速度：塑变使缺陷增多，扩散过程加速，腐蚀速塑变使缺陷增多，扩散过程加速，腐蚀速度加快度加快 密度密度：对含有铸造缺陷（如气孔、疏松等）的金属，对含有铸造缺陷（如气孔、疏松等）的金属，经塑性变形后可能使密度上升经塑性变形后可能使密度上升 弹性模量
35、弹性模量：塑变使弹性模量升高塑变使弹性模量升高2. 其它性能的变化其它性能的变化08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元461.固溶强化固溶强化 (对于不同合金应选择性利用对于不同合金应选择性利用:结构材料结构材料导电材料导电材料)2.形变强化形变强化3.沉淀硬化沉淀硬化1.固溶处理（形变）时效固溶处理（形变）时效2.常见合金系常见合金系 ：Cu-Fe-(P)，Cu-Cr-(Zr)，Cu-Ni-Si， Cu-Ni-P，Cu-Ni-Sn4.弥散强化弥散强化1.第二相颗粒第二相颗粒Ti3SiC2，Al2O3，TiC，WC2.关键和难点：如何将第二相颗粒关键和难点：如何将第二相颗粒引入引入铜基体铜基体5.复合纤维强化复合纤维强化：人工：人工(粉末冶金粉末冶金)、自生（熔铸法）、自生（熔铸法）1.塑性变形塑性变形两相复合体，大量塑变，两相复合体，大量塑变，Cu-Ag，Cu-Nb， Cu-Cr， Cu-Fe2.原位反应原位反应化学反应生成增强体化学反应生成增强体3.原位生长原位生长共晶合金定向凝固共晶合金定向凝固 Cu-Cr4.优点：强度特别高优点：强度特别高:1000MPa以上以上 缺点：工艺复杂缺点：工艺复杂塑性变形的应用塑性变形的应用(开发新材料，活用Cu合金的强化方式)逆思维逆思维-阻碍变形的方式阻碍变形的方式08 八月 2024材料科学基础CAI课件-郭开元52
