材料科学基础第五章

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1、第五第五(1)(1)章章 材料的塑性变形材料的塑性变形 The plastic deformation of materials材料不同，其弹、塑性性能差异很大材料不同，其弹、塑性性能差异很大塑性变形，对锻、轧、拉、挤有重要作用，塑性变形，对锻、轧、拉、挤有重要作用， 对铸造、热处理则对铸造、热处理则 要尽量避免要尽量避免 弹性变形（弹性变形（elastic deformation）塑性变形（塑性变形（plastic deformation）外力外力 材料材料外形尺寸变化外形尺寸变化内部组织、性能变化内部组织、性能变化 塑性变形塑性变形 1. 1. 弹性和粘弹性弹性和粘弹性(Elasticit

2、y and (Elasticity and Viscoelasticity)Viscoelasticity)一一.弹性变形弹性变形(Elastic Deformation)二二. 低碳钢的拉伸试验低碳钢的拉伸试验三三. 弹性变形弹性变形: 可逆性可逆性四四. 外力去处后可完全恢复外力去处后可完全恢复五五. 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 力图使原子恢复其力图使原子恢复其 原来的平衡位置原来的平衡位置 变形消失变形消失本质本质:可从原子间结合力的可从原子间结合力的角度

3、来了解之角度来了解之应力应力-应变关系应变关系(Stress-Strain behavior) 虎克定律虎克定律(Hookes law) s s = Ee e t t = Gg g 广义虎克定律广义虎克定律 矩阵表达式矩阵表达式二二 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, 反映原子间的结反映原子间的结合力合力,是组织结构不敏感参数。对晶体而言，系各向异性是组织结构不敏感参数。对晶体而言，系各向异性 沿原子最密排的晶向沿原子最密排的晶向 Emax 沿原子最疏的晶向沿原子最疏的晶向 Emin 工程上工程上E系

4、材料刚度的度量系材料刚度的度量 弹性变形量随材料不同而异弹性变形量随材料不同而异 E-modulus of elasticity (Youngs modulus) G-shear modulus u-poissons ratioG = E/2(1+u) 2. 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形Plastic Deformation of Single Crystal 塑性变形塑性变形滑移滑移 Slip孪生孪生 Twinning晶界滑动晶界滑动 Grain boundary Sliding扩散性蠕变扩散性蠕变 Diffusional Creep一一 滑移（滑移（Slip）l1.现象现象单晶体的拉伸

5、试验单晶体的拉伸试验塑性变形的不均匀性塑性变形的不均匀性滑移带（滑移带（Slip band) 滑移线滑移线 （Slip line）沿一定的晶面、一定晶向进行沿一定的晶面、一定晶向进行滑移面滑移面Slip plane滑移方向滑移方向Slip directionl2.滑移的晶体学特征滑移的晶体学特征 滑移面和滑移方向滑移面和滑移方向 晶体中原子密度最大的面和方向晶体中原子密度最大的面和方向 Slip plane & Slip direction 为什么为什么? fcc：滑移面：滑移面111 滑移方向滑移方向 hcp: 0001 c/a1.633 0001 ,1010,1011 c/a1.633 b

6、cc: Tm/4 112 Tm/4 Tm/2 110 0.8Tm 123滑移系滑移系 晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成滑移的空间取向滑移的空间取向（ Slip system ）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 （Number of slip systems） 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， 故共有故共有 4312 个滑移系个滑移系 hcp：1个个(0001)面面 3个个方向方向133个滑移系个滑移系 bcc： 110面共有面共有6组，每个组，每个110上有上

7、有2个个方向方向 12组组 112 1个个 24组组 123 1个个 故共有故共有6212124148个滑移系个滑移系 一般滑移系愈多，滑移过程中可能采取的空间取向也就愈一般滑移系愈多，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。多，这种材料的塑性就愈好。3. 3. 滑移所需临界分切应力滑移所需临界分切应力滑移所需临界分切应力滑移所需临界分切应力 CriticalCritical（resolvedresolved）shear stressshear stress滑移滑移圆柱形试样单向拉伸时作用在滑移面上沿滑移方向的圆柱形试样单向拉伸时作用在滑移面上沿滑移方向的其中其中为作用在试

8、样横断面上的拉伸应力为作用在试样横断面上的拉伸应力为取向因子（为取向因子（Schmid）晶体滑移晶体滑移 必须使必须使t t t tc（临界分切应力）（临界分切应力）t tc 取决晶体中原子间的结合力，即与晶体类型、纯度（杂取决晶体中原子间的结合力，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。质）、温度以及变形速度有关，与外力无关。 一切影响位错滑移难易程度的因素均影响一切影响位错滑移难易程度的因素均影响 t tc屈服强度屈服强度当当 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 2t tc快

9、速确定具有最大取向因子coscos的滑移系方法映象规则：映象规则：利用投影图中心部分的八个取向三角形利用投影图中心部分的八个取向三角形4. 4. 晶体在滑移时的转动晶体在滑移时的转动晶体在滑移时的转动晶体在滑移时的转动 （rotationrotation）滑移面上发生相对位移滑移面上发生相对位移晶体转动晶体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在拉伸时使滑移面和滑移方在拉伸时使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴平行向逐渐转到与应力轴平行在压缩时使滑移面和滑移方向在压缩时使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴垂直逐渐转到与应力轴垂直转动的原因转动的原因两对力偶：两对力偶：为上下两滑移面的

10、法向分应力为上下两滑移面的法向分应力在该力偶作用下，使滑移面转至轴在该力偶作用下，使滑移面转至轴向平行向平行垂直于滑移方向的分切应力垂直于滑移方向的分切应力在该力偶作用下，使滑移方向转到最大在该力偶作用下，使滑移方向转到最大分切应力方向分切应力方向是是/滑移方向的真正引起滑滑移方向的真正引起滑移的有效分切应力移的有效分切应力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几何几何硬硬软软化现象化现象5. 多系滑移多系滑移 Multiple slip 外力下，滑移首先发生在分切应力最大，且外力下，滑移首先发生在分切应力最大，且t tc的滑的滑

11、移系原始滑移系（移系原始滑移系（primary slip system）上。但由于伴）上。但由于伴随晶体转动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（硬取向）另一组原取向不利（硬取向）滑移系逐渐转向比较有利的取向（软取向），从而开始滑滑移系逐渐转向比较有利的取向（软取向），从而开始滑移，形成两组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称移，形成两组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称为多系滑移。为多系滑移。综上所述，滑移变形的基本特点：综上所述，滑移变形的基本特点： ) 滑移变形系不均匀的切变，它只集中在某些晶面上；滑移变形系不均匀的切变，它只集中在某些晶面上； ) 滑移结果两部分晶体

12、产生相对移动，移动的距离滑移结果两部分晶体产生相对移动，移动的距离nb， 仍保持晶体学的一致性；仍保持晶体学的一致性； ) 沿着一定的晶面和晶向进行，滑移系较多的材料为沿着一定的晶面和晶向进行，滑移系较多的材料为（fcc） 一般具有较好塑性；一般具有较好塑性； ) 在切应力作用下，且在切应力作用下，且t t t tc； ）滑移同时，滑移面和滑移方向将发生转动；）滑移同时，滑移面和滑移方向将发生转动； ）实质位错沿滑移面的运动过程）实质位错沿滑移面的运动过程二二 孪生孪生 （Twin） 滑移系较少的滑移系较少的hcp，或在低温下或者当滑移受阻时晶体会，或在低温下或者当滑移受阻时晶体会 以另一种变

13、形方式以另一种变形方式孪生变形进行孪生变形进行 Deformation by twinning 1. 孪生变形过程孪生变形过程 孪生是在切应力作用下沿特定的晶面（孪生是在切应力作用下沿特定的晶面（twin plane）与晶向（与晶向（twin direction）产生的均匀切变。发生孪生的）产生的均匀切变。发生孪生的区域称为孪晶带（区域称为孪晶带（twin band）。）。l不同晶体结构往往有不同孪生面和孪生方向：不同晶体结构往往有不同孪生面和孪生方向：l fcc：111 hcp:1012l bcc: 1122. 孪晶的形成孪晶的形成变形（机械）孪晶：变形产生变形（机械）孪晶：变形产生 呈透镜

14、状或片状呈透镜状或片状生生 长长 孪孪 晶晶 ：晶体生长过程中形成：晶体生长过程中形成退退 火火 孪孪 晶晶 ：退火过程中形成：退火过程中形成形核形核长大长大两个阶段两个阶段变形孪晶的生长大致可分为变形孪晶的生长大致可分为 孪生临界切应力比滑移的大得多，只有在滑移很难进孪生临界切应力比滑移的大得多，只有在滑移很难进行的条件下才会发生。例如，行的条件下才会发生。例如，Mg孪生所需孪生所需t tc=4.934.3=4.934.3MPa,而滑移时而滑移时t tc仅为仅为0.49MPa。但孪晶的长大。但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速度极快（与冲击波的速度相当）有相当数量

15、的能量被释放出来，故常可听见明显可闻放出来，故常可听见明显可闻“咔、嚓咔、嚓”声，也称孪生吼声，也称孪生吼叫。叫。通过单纯孪生达到的变形量是极为有限的，如通过单纯孪生达到的变形量是极为有限的，如Zn单晶，孪单晶，孪生只能获得生只能获得7.27.4伸长率，远小于滑移所作的贡献。但伸长率，远小于滑移所作的贡献。但是孪生变形改变了晶体的位向，从而可使晶体处于更有利是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，于发生滑移的位置，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。孪生的机制：孪生时每层晶面的位置是借助一个不全位错

16、孪生的机制：孪生时每层晶面的位置是借助一个不全位错 （肖克莱）的移动而成的，是借助位错增殖的（肖克莱）的移动而成的，是借助位错增殖的 极轴机制来实现的。极轴机制来实现的。3. 孪生形变的意义孪生形变的意义l孪生的主要特点孪生的主要特点：l）孪生是均匀切变，）孪生是均匀切变，l）相对移动距离不是孪生方向的原子间距的整数）相对移动距离不是孪生方向的原子间距的整数 倍，孪生面两边晶体位向不同成镜面对称；倍，孪生面两边晶体位向不同成镜面对称；l）切变区内与孪生面平行的每一层原子面均相对）切变区内与孪生面平行的每一层原子面均相对 其邻面沿孪生方向位移了一定距离，且每一层其邻面沿孪生方向位移了一定距离，且

17、每一层 原子相对于孪生面的切变量和它与孪生面的距原子相对于孪生面的切变量和它与孪生面的距 离成正比；离成正比；l）孪生改变了晶体取向，因此出现孪晶的试样经）孪生改变了晶体取向，因此出现孪晶的试样经 重新抛光，腐蚀后仍能显现出来。重新抛光，腐蚀后仍能显现出来。l）在切应力作用下，且）在切应力作用下，且t tt tc c但但t tc c( (孪生孪生) ) t tc c( (滑移滑移) )l）实质借助一个不全位错运动而成，存在形核与）实质借助一个不全位错运动而成，存在形核与 长大过程。长大过程。三三 扭折扭折 Kink hcp的的Cd压缩时，外力与压缩时，外力与(0001)面平行，面平行，故在故在

18、(0001)面的面的t t0，若此时孪生过程的阻，若此时孪生过程的阻力也很大，不能进行。为了使晶体的形状与力也很大，不能进行。为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某一临界值时，晶外力相适应，当外力超过某一临界值时，晶体将会产生局部弯曲，即出现扭折现象。体将会产生局部弯曲，即出现扭折现象。 扭折区晶体的取向发生了不对称变化。扭折区晶体的取向发生了不对称变化。 扭折是为适应外力而发生的不均匀局部塑性变形方式，扭折是为适应外力而发生的不均匀局部塑性变形方式，对变形起一定的协调作用，使应力得到松弛，使晶体不致发对变形起一定的协调作用，使应力得到松弛，使晶体不致发生断裂。另外由于扭折引起晶体的再取向

19、，即有可能使扭折生断裂。另外由于扭折引起晶体的再取向，即有可能使扭折带区域中的滑移系处于有利取向，促使晶体形变能力进一步带区域中的滑移系处于有利取向，促使晶体形变能力进一步发挥。发挥。 造成扭折的原因是滑移面的位错在局部地区集中，从造成扭折的原因是滑移面的位错在局部地区集中，从而引起的晶格弯曲。而引起的晶格弯曲。四四四四 塑变的位错机制塑变的位错机制塑变的位错机制塑变的位错机制1. 滑移的位错机制滑移的位错机制 根据刚性滑移模型推导出的理论切变强度根据刚性滑移模型推导出的理论切变强度(G一般为一般为104105MPa），即使采用修正值），即使采用修正值与实测值（约为与实测值（约为110MPa）

20、之间相差）之间相差34个数量级。个数量级。 位错概念引入解决这一矛盾。因为位错运动时只要求位错概念引入解决这一矛盾。因为位错运动时只要求其中心附近少数原子移动很小的距离（小于一个原子间距），其中心附近少数原子移动很小的距离（小于一个原子间距），因此所需的应力要比晶体作整体刚性滑移时小得多。这样借因此所需的应力要比晶体作整体刚性滑移时小得多。这样借助于位错的运动就可实现晶体逐步滑移。助于位错的运动就可实现晶体逐步滑移。 位错运动首先遇到点阵阻力位错运动首先遇到点阵阻力派纳力派纳力： 从上式可知从上式可知ab则则t t 故晶体的滑移通常发生在原子最密集故晶体的滑移通常发生在原子最密集的晶面并沿着最

21、密集的晶向进行。的晶面并沿着最密集的晶向进行。 除点阵阻力外，位错与点缺陷、其他位错、晶界、第二相除点阵阻力外，位错与点缺陷、其他位错、晶界、第二相 质点等交互作用，对位错的滑移运动均会产生阻力，导致晶体质点等交互作用，对位错的滑移运动均会产生阻力，导致晶体强化强化 * 晶体在滑移过程中的位错增殖晶体在滑移过程中的位错增殖, 位错密度增大位错密度增大, 相互作用相互作用,导导致强化致强化, 即即加工硬化加工硬化. t t0: :无加硬化时所需切应力无加硬化时所需切应力a:a:与材料有关常数与材料有关常数0.30.50.30.52. 孪生的机制孪生的机制 孪晶区域各晶面的相对位移距离是孪生方向原

22、子孪晶区域各晶面的相对位移距离是孪生方向原子间距的分数值，这表明孪生时每层晶面的位移应借一间距的分数值，这表明孪生时每层晶面的位移应借一个不全位错的移动而造成。个不全位错的移动而造成。 位错增殖的极轴机制：位错增殖的极轴机制：fcc 中中 OA、OB和和OC三三条位错线相交于结点条位错线相交于结点O，OA、OB不在滑移面上，属不在滑移面上，属不动位错不动位错极轴位错，极轴位错，OC为可动的不全位错，且为可动的不全位错，且只能绕极轴转动，每当它在（只能绕极轴转动，每当它在（111）面上扫过一圈，）面上扫过一圈，就产生一个单原子层的孪晶，同时又沿着螺旋面上升就产生一个单原子层的孪晶，同时又沿着螺旋

23、面上升一层，这样不断转动，上述过程逐层地重复进行，就一层，这样不断转动，上述过程逐层地重复进行，就在晶体中形成一个孪晶区域。在晶体中形成一个孪晶区域。 至于扭折带晶体位向有突变，这个取向改变的过至于扭折带晶体位向有突变，这个取向改变的过渡区系由一系列同号的刃型位错排列所构成。渡区系由一系列同号的刃型位错排列所构成。 3. 3. 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 Plastic Deformation of polycrystalline MaterialsPlastic Deformation of polycrystalline Materials 多晶体变形要受到晶界和相邻不同位向晶粒的约

24、束。周围多晶体变形要受到晶界和相邻不同位向晶粒的约束。周围晶粒同时发生相适应的变形来配合。一般多晶体为多系滑移，晶粒同时发生相适应的变形来配合。一般多晶体为多系滑移，高的加工硬化率，变形抗力增大，强度显著提高，应力高的加工硬化率，变形抗力增大，强度显著提高，应力-应变曲应变曲线无线无只出现只出现、阶段。阶段。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晶粒先开始滑移处于有利取向晶粒先开始滑移处于不利取向晶粒还末开始滑移处于不利取向晶粒还末开始滑移变形不均匀变形不均匀为保持连续性，周围晶粒变形必须相互制约，相互协调为保持连续性，周围晶粒变形必须相互制约，相互协调 多晶体

25、塑性变形时要求至少有多晶体塑性变形时要求至少有5个独立的滑移系进行滑个独立的滑移系进行滑移。移。 任意变形均可用任意变形均可用 e exx e eyy e ezz n nxy n nyz n nxz fcc, bcc 滑移系多滑移系多 塑性好塑性好 hcp 滑移系少滑移系少 塑性差塑性差二二. 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。对只有作用。对只有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。因晶界（尤其是大角晶界）处因晶界（尤其是大角晶界）处原子排列不规则，点阵畸变严原子排列不规则，

26、点阵畸变严重，再加上晶界两侧的晶粒取重，再加上晶界两侧的晶粒取向不同，滑移面和滑移方向彼向不同，滑移面和滑移方向彼此不一致之缘故。此不一致之缘故。晶内发生较大变形，晶界晶内发生较大变形，晶界处变形量较少，塑变抗力处变形量较少，塑变抗力大，可观察到位错的塞积大，可观察到位错的塞积位错在晶界上位错在晶界上产生塞积产生塞积注意注意 晶界本身的强度对多晶体的加工硬化贡献不大，而多晶晶界本身的强度对多晶体的加工硬化贡献不大，而多晶 体加工硬化的主要原因来自晶界两侧晶粒的位向差体加工硬化的主要原因来自晶界两侧晶粒的位向差 晶界阻滞效应只在变形早期影响较大，因早期晶界阻滞效应只在变形早期影响较大，因早期位错

27、位错较小较小 晶界阻滞效应的大小还与晶体的结构类型有关晶界阻滞效应的大小还与晶体的结构类型有关 hcp结构的晶界阻滞效应要比结构的晶界阻滞效应要比 fcc，bcc 类型的晶体明显类型的晶体明显 滑移系较小滑移系较小三三 晶粒大小对机械性能的影响晶粒大小对机械性能的影响 1. 对室温机械性能的影响对室温机械性能的影响 晶粒愈细、晶界愈多晶粒愈细、晶界愈多强化效应强化效应细晶强化细晶强化 s ss s sb HV Strengthening by Grain Size Re-duction 较好塑性较好塑性,因细晶的晶内和晶界附近应变差较小，变形较均匀，因细晶的晶内和晶界附近应变差较小，变形较均匀

28、， 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 细晶具有良好的综合机械性能。细晶具有良好的综合机械性能。 平衡时平衡时根据每个位错的受力情况，可导出每个位错的位置，以根据每个位错的受力情况，可导出每个位错的位置，以xi表示从障碍物开始计到第表示从障碍物开始计到第i个位错距离：个位错距离：塞积群周围所产生的应力场与一个具有塞积群周围所产生的应力场与一个具有nb的大位错所产生的大位错所产生应力场相当。显然（应力场相当。显然（1）此应力场反作用于位错源，并有）此应力场反作用于位错源，并有可能使其停止开动可能使其停止开动加工硬化加工硬化由此可见在塞积群中位错的分布是不均匀的，越靠近障碍由此可

29、见在塞积群中位错的分布是不均匀的，越靠近障碍物，位错间距越小。物，位错间距越小。位错塞积群的一个重要效应就是在它的前端会引起应力集位错塞积群的一个重要效应就是在它的前端会引起应力集中，其数值等于外加切应力中，其数值等于外加切应力n倍：倍：t t0: :无外加硬化时所需切应力无外加硬化时所需切应力a:a:与材料有关常数与材料有关常数0.30.50.30.5Hall-Petch公式：公式：屈服强度屈服强度相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，相邻晶粒位向差对位错运动的影响关系常数，相邻晶粒位向差对位错运动的影响关系与晶界结构有关与晶界结构有关系普遍的关系式，金属

30、材料如此，亚晶的尺寸与系普遍的关系式，金属材料如此，亚晶的尺寸与 s的关系，塑性的关系，塑性材料流变应力和晶粒尺寸，脆性材料的脆断应力与晶粒大小关系材料流变应力和晶粒尺寸，脆性材料的脆断应力与晶粒大小关系以及金属的疲劳强度与晶粒大小间的关系也可用霍尔以及金属的疲劳强度与晶粒大小间的关系也可用霍尔-佩奇公式佩奇公式来表达来表达位错在晶界上产生塞积位错在晶界上产生塞积位错塞积群的一个重要效应就是在它的前端会位错塞积群的一个重要效应就是在它的前端会引起应力集中，其数值等于外加切应力引起应力集中，其数值等于外加切应力n倍：倍：启动相邻晶粒内的位错源所需临界应力启动相邻晶粒内的位错源所需临界应力:2.

31、对高温强度的影响对高温强度的影响 低温时：晶界强度低温时：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晶界对滑移有阻滞作用用等强温度等强温度Tk： s晶界晶界 s晶内晶内高温时则不同，有两种不同的变形机制：高温时则不同，有两种不同的变形机制：（1）晶粒沿晶界滑动（晶界滑动机制）晶粒沿晶界滑动（晶界滑动机制） 当当T Tm/2时，以晶粒沿晶界的相对滑移方式进行时，以晶粒沿晶界的相对滑移方式进行 T扩散能力扩散能力，且原子沿晶界扩散速率，且原子沿晶界扩散速率 沿晶内的。沿晶内的。 故高温时晶界似流体一样，呈现粘滞性故高温时晶界似流体一样，呈现粘

32、滞性变形抗力变形抗力 沿晶界滑移沿晶界滑移 （2）扩散性蠕变机制）扩散性蠕变机制 蠕变：在一定蠕变：在一定t C（300 C ）下，当）下，当应力大于某一力大于某一值时，即使外力不再增加，而塑性即使外力不再增加，而塑性变形随形随时间延延长而会而会缓慢地增加慢地增加现象。象。 ABCD为多晶体中一为多晶体中一晶粒，晶粒，AB、CD晶界晶界受拉，在其附近易于受拉，在其附近易于产生空位，空位浓度产生空位，空位浓度较高，较高，AC、BD受压，受压，空位浓度较低。空位浓度较低。扩散扩散空位空位蠕变蠕变与与有关有关存在空位浓度梯度导致空位向存在空位浓度梯度导致空位向AC、BD定向移动，定向移动，原子向原子

33、向AB、CD定向移动，从而使晶粒沿拉伸方向定向移动，从而使晶粒沿拉伸方向伸长，即使在恒应力情况下，随时间延长也会不伸长，即使在恒应力情况下，随时间延长也会不断发生应变断发生应变扩散性蠕变扩散性蠕变 T ，d 扩散性蠕变速率扩散性蠕变速率 因此一般高温合金都希望具有较粗晶粒因此一般高温合金都希望具有较粗晶粒四四. 多晶体的应力多晶体的应力-应变曲线应变曲线与单晶相比，一般不出现硬化第一阶段，易滑移阶段。只与单晶相比，一般不出现硬化第一阶段，易滑移阶段。只有有、线性硬化和抛物性硬化阶段，呈现明显的晶界阻线性硬化和抛物性硬化阶段，呈现明显的晶界阻滞效应和很高的硬化系数。滞效应和很高的硬化系数。面心立

34、方晶体面心立方晶体密排六方晶体密排六方晶体 4. 合金的塑性变形合金的塑性变形 Plastic Deformation of AlloysPlastic Deformation of Alloys一一 单相固溶体合金的塑性变形单相固溶体合金的塑性变形 Plastic Deformation of SinglePhase alloy 1.屈服现象屈服现象 yield phenomenon 拉伸曲线拉伸曲线 没有明显屈服点没有明显屈服点Yield point 0.20.2 应力平台的应力点称为下屈服点，在几乎是恒定的应力下应力平台的应力点称为下屈服点，在几乎是恒定的应力下发生的延长称为屈服伸长。应

35、力平台上每一个波动对应于一个发生的延长称为屈服伸长。应力平台上每一个波动对应于一个新的形变带，即新新的形变带，即新Lders bond，当，当Lders bond扩展至试样整扩展至试样整个长度后，屈服伸长阶段就告结束，应力又随应变单调增加，个长度后，屈服伸长阶段就告结束，应力又随应变单调增加，开始均匀塑性变形阶段。开始均匀塑性变形阶段。拉伸曲线应力突然下降的点称上屈服拉伸曲线应力突然下降的点称上屈服点：试样开始屈服，发生明显的塑性点：试样开始屈服，发生明显的塑性变形。在试样表面观察到与纵轴（拉变形。在试样表面观察到与纵轴（拉伸轴）约呈伸轴）约呈45的应变痕迹的应变痕迹吕德斯吕德斯带（带（Lde

36、rs bond）它与试样的未变）它与试样的未变形部分有明显的界线。它与滑移带不形部分有明显的界线。它与滑移带不同，同， Lders bond穿过了试样横截面穿过了试样横截面上的各个晶粒。它是一种宏观可见皱上的各个晶粒。它是一种宏观可见皱纹，也称表面桔皮，在冲压产品中需纹，也称表面桔皮，在冲压产品中需避免。避免。 屈服现象机理屈服现象机理 溶质原子与位错之间的交互作用溶质原子与位错之间的交互作用(Cottrell气团气团)来解释位错来解释位错 的钉扎作用。位错运动必须挣脱这气团，因而所需应力较的钉扎作用。位错运动必须挣脱这气团，因而所需应力较 高高上屈服点；一旦挣脱气团的钉扎后便能在较低应力上屈

37、服点；一旦挣脱气团的钉扎后便能在较低应力 下运动下运动下屈服点。下屈服点。 可动位错密度很低之缘故可动位错密度很低之缘故 材料塑性变形的应变速率材料塑性变形的应变速率 与可动位错密度与可动位错密度 之间关系：之间关系： 由于塑性变形前由于塑性变形前r rm较低，维持一定较低，维持一定 势必要求势必要求v ，即需，即需要较大的应力要较大的应力上屈服点，一旦变形开始后，位错迅速增殖上屈服点，一旦变形开始后，位错迅速增殖r rm,为维持一定为维持一定 ，则必然，则必然v t t 下屈服点下屈服点位错的柏氏矢量位错的柏氏矢量位错运动的平均速度位错运动的平均速度由试验机夹头的运动速度决定，由试验机夹头的

38、运动速度决定，接近于恒值接近于恒值应力敏感系数应力敏感系数位错作单位速度位错作单位速度运动所需应力运动所需应力位错受到有效切应力位错受到有效切应力2. 应变时效应变时效 Strain ageing对具有明显屈服现象的材料而言，对具有明显屈服现象的材料而言， s屈服屈服塑变塑变卸载卸载拉伸拉伸无屈服现象无屈服现象 室温停留几天或室温停留几天或150 C时效效 拉伸拉伸 屈服现象屈服现象 而且上屈服点比原来升高，这种现象称为应变时效而且上屈服点比原来升高，这种现象称为应变时效 不难想象，此时屈服现象的重新产生是由于在室温停不难想象，此时屈服现象的重新产生是由于在室温停留或时效时溶质原子（留或时效时

39、溶质原子（C、N）通过扩散重新聚集到位错）通过扩散重新聚集到位错附近，重新形成柯垂气团之故。附近，重新形成柯垂气团之故。 在生产中为避免在生产中为避免Lders bond的的产生，（致使工件表生，（致使工件表面失去平整与光滑）面失去平整与光滑） 尽量降低材料中尽量降低材料中杂质元素的含量元素的含量 加入少量能与溶加入少量能与溶质元素形成元素形成稳定化合物的定化合物的Me， 如如Al、V、Ti、Nb 在板材深冲在板材深冲变形前形前进行超行超过屈服伸屈服伸长范范围的的预变形形3. 固溶强化固溶强化 SolidSolution Strengthening 溶质原子溶质原子点阵畸变点阵畸变 溶质含量溶

40、质含量固溶体合金的强度、硬度固溶体合金的强度、硬度而塑性、韧性而塑性、韧性 定量关系式：定量关系式：点阵畸变引起临点阵畸变引起临界分切应力增量界分切应力增量常数常数溶质原子百分数溶质原子百分数柏氏矢量柏氏矢量溶剂点阵常数溶剂点阵常数 溶质原子的浓度溶质原子的浓度固溶强化因素固溶强化因素 rx/rm相差愈大相差愈大固溶强化固溶强化 间隙原子强化效果比置换原子的强间隙原子强化效果比置换原子的强 溶质原子与基体金属的价电子数相差愈大，固溶强化溶质原子与基体金属的价电子数相差愈大，固溶强化 效果愈显著效果愈显著固溶强化影响因素固溶强化影响因素二二二二. . 多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形多相合金

41、的塑性变形多相合金的塑性变形 Plastic Deformation of multiphase alloyPlastic Deformation of multiphase alloy多相合金除基体相外，存在第二相多相合金除基体相外，存在第二相 1. 聚合型合金的塑性变形聚合型合金的塑性变形 a）两相晶粒尺寸属同一数量级且均为塑性相，合金的变形决定于两）两相晶粒尺寸属同一数量级且均为塑性相，合金的变形决定于两相的体积分数相的体积分数 若两相应变相等时，合金的平均流变应力为若两相应变相等时，合金的平均流变应力为 f1 、f2 为两相的体积分数为两相的体积分数两相应力相等时，则合金的平均应变为两

42、相应力相等时，则合金的平均应变为:这类合金在发生形变时，滑移往往首先发生在较软的相中，当较强这类合金在发生形变时，滑移往往首先发生在较软的相中，当较强相数量小时，则塑性变形基本上在较弱相中；只有当第二相较强时，相数量小时，则塑性变形基本上在较弱相中；只有当第二相较强时，且占有一定体积分数（如且占有一定体积分数（如f20.3）才能起明显的强化作用。）才能起明显的强化作用。 （ ）b）一相为塑性相，另一相为脆性相时，则合金的机械性能在很大程度）一相为塑性相，另一相为脆性相时，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、大小和分布情况。上取决于硬脆相的存在数量及其形状、大小和分布情

43、况。 钢中钢中Fe3C存在数量和形貌就是明显一例存在数量和形貌就是明显一例2. 弥散分布型合金的变形弥散分布型合金的变形 当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。产生显著的强化作用。 a）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，将受到粒子阻挡，位错线当运动位错与其相遇时，将受到粒子阻挡，位错线绕着它发生弯曲，随着外加应力绕着它发生弯曲，随着外加应力，位错线弯曲更剧，最，位错线弯曲更剧，最后形成包围着粒子的位错环留下，而位错线的其余部分则后形成包围着粒子的位错环留下，而位错线的其余部分则

44、越过粒子继续运动。越过粒子继续运动。 根据位错理论可知，为使位错弯曲所需的切应力为：根据位错理论可知，为使位错弯曲所需的切应力为：位错弯曲曲率半径位错弯曲曲率半径粒子间距粒子间距当第二相微粒愈弥散即粒子间距当第二相微粒愈弥散即粒子间距l 强化作用强化作用沉淀硬化沉淀硬化 Precipitation Hardeningb）可变形微粒的强化作用）可变形微粒的强化作用 位错可切过微粒，使之随同基体一起变形。位错可切过微粒，使之随同基体一起变形。强化机制：强化机制： 位错切过粒子位错切过粒子产生新的表面积产生新的表面积总界面能总界面能 当粒子为有序结构时，位错切过会打乱滑移面上下的有序排列，产生反当粒

45、子为有序结构时，位错切过会打乱滑移面上下的有序排列，产生反相畴界相畴界总能量总能量 第二相粒子与基体的晶体点阵不同，位错切过粒子后在其滑移面上引起第二相粒子与基体的晶体点阵不同，位错切过粒子后在其滑移面上引起原子的错排，需额外做功，给位错运动带来困难原子的错排，需额外做功，给位错运动带来困难 粒子周围的弹性应力场与位错会产生交互作用，对位错运动产生阻碍粒子周围的弹性应力场与位错会产生交互作用，对位错运动产生阻碍 基体与质点滑移面取向并不一致，故切过后，必然产生一割阶基体与质点滑移面取向并不一致，故切过后，必然产生一割阶阻力阻力 基体与质点层错能不同，当扩展位错切过后，其宽度会发生变化，引起基体

46、与质点层错能不同，当扩展位错切过后，其宽度会发生变化，引起能量升高能量升高 5. 5. 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一一. 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 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 各向异性各向异性 2. 亚结构变化亚结构变化 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，各个胞之间有着所组成，各个胞之间有着微小的取向差，高密度缠结位错主要集中在胞的周围地带构成微小的取向差，高密度缠结位错主要集中在胞的周围地带构成“胞胞壁壁”，而胞内位错密

47、度很低。且随变形量，而胞内位错密度很低。且随变形量，胞数量，胞数量，尺寸，尺寸 变形材料中胞状亚结构形成不仅与变形量有关，还决定于材料变形材料中胞状亚结构形成不仅与变形量有关，还决定于材料类型：类型： 对于层错能较高晶体，易形成胞状亚结构对于层错能较高晶体，易形成胞状亚结构 对于层错能较低晶体，位错通常分解为较宽的扩展位错对于层错能较低晶体，位错通常分解为较宽的扩展位错交滑交滑移困难，位错可移动性移困难，位错可移动性，一般此类材料冷变形后胞状亚结构不明显，一般此类材料冷变形后胞状亚结构不明显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

48、二二. 性能变化性能变化 1.加工硬化加工硬化 Work Hardening 塑性变形后在性能上最为突出的是强度（硬度）显著提高，塑性迅速塑性变形后在性能上最为突出的是强度（硬度）显著提高，塑性迅速下降，这就是加工硬化现象下降，这就是加工硬化现象 加工硬化是材料强化的一个重要的途径，特别是对于那些不能采取热加工硬化是材料强化的一个重要的途径，特别是对于那些不能采取热处理手段来强化的材料，同时由于材料具有加工硬化特性，形变才得以处理手段来强化的材料，同时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够均匀变形。传递和扩展使整个零件在宏观上能够均匀变形。 加工硬化现象与位错间的

49、交互作用有关加工硬化现象与位错间的交互作用有关 钉扎（割阶、林位错、面角位错、钉扎（割阶、林位错、面角位错、 位错缠结位错缠结） 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定量关系式定量关系式影响加工硬化的因素：影响加工硬化的因素： 晶体结构：晶体结构：fcc，bcc 滑移系较多，易于产生多系滑移，位错常易于滑移系较多，易于产生多系滑移，位错常易于发生交截，加工硬化率较大，而发生交截，加工硬化率较大，而 hcp 滑移系较少，加工硬化率小；滑移系较少，加工硬化率小；另外多晶体的加工硬化率比单晶体高另外多晶体的加工硬化率比单晶体高 变形速率

50、和变形温度的影响变形速率和变形温度的影响塑变过程中发生塑变过程中发生强化过程强化过程软化过程：软化过程：位错依靠原子的热运动越位错依靠原子的热运动越过短程障碍，在较高温度过短程障碍，在较高温度甚至发生回复再结晶甚至发生回复再结晶低温时：有强化过程无软化过程低温时：有强化过程无软化过程高温时：主要为软化过程高温时：主要为软化过程中温时：变形速率的影响较明显，中温时：变形速率的影响较明显， 加大变形速率可使加工硬化显著提高加大变形速率可使加工硬化显著提高变形速率对加工变形速率对加工硬化影响不大硬化影响不大 溶质原子的影响：一般溶质原子（常指置换原子）加溶质原子的影响：一般溶质原子（常指置换原子）加

51、入可增大加工硬化率，因为入可增大加工硬化率，因为 a）某些溶质原子可降低层错能）某些溶质原子可降低层错能扩展位错变宽扩展位错变宽 不易交滑移；不易交滑移； b）溶质原子周围的弹性应力场可使位错线成为）溶质原子周围的弹性应力场可使位错线成为 波浪形，而不再为纯螺型位错，难发生交滑移；波浪形，而不再为纯螺型位错，难发生交滑移； c）溶质原子阻碍回复现象）溶质原子阻碍回复现象 晶粒大小的影响：一般细晶粒材料加工硬化率要大于晶粒大小的影响：一般细晶粒材料加工硬化率要大于粗晶粒材料粗晶粒材料 加工硬化除了有利一面外还有不利一面，如对必须加工硬化除了有利一面外还有不利一面，如对必须进行大变形量的零件，要使

52、零件成型势必增大设备的进行大变形量的零件，要使零件成型势必增大设备的功率，增加动力消耗，加工硬化会使材料塑性大为下功率，增加动力消耗，加工硬化会使材料塑性大为下降降开裂现象；加工过程不得不中间增加退火来消除开裂现象；加工过程不得不中间增加退火来消除加工硬化，以利于进一步变形。加工硬化，以利于进一步变形。2. 其它性能其它性能 塑性变形使金属的电阻率升高，电阻塑性变形使金属的电阻率升高，电阻 温度系数下降、导磁率下降、导热系温度系数下降、导磁率下降、导热系 数下降、磁滞损耗、矫顽力升高数下降、磁滞损耗、矫顽力升高 塑变使扩散过程加速，腐蚀速度加快塑变使扩散过程加速，腐蚀速度加快 塑变通常使金属材

53、料的密度下降，但塑变通常使金属材料的密度下降，但 对含有铸造缺陷（如气孔、疏松等）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的金属经塑性变形后可能使密度上升 塑变使弹性模量升高塑变使弹性模量升高三三. 内应力内应力 Residual Stress残余应力不均匀变形而致残余应力不均匀变形而致外力作用外力作用施加的总能量施加的总能量逸散能逸散能90储存能储存能1010（弹性能）性能）畸变能畸变能 9095%（点阵缺陷）（点阵缺陷）位错位错90空位、其它空位、其它10应变能应变能 510%宏观内应力宏观内应力90储存能在变形金属中的具体表现即为内应力储存能在变形金属中的具体表

54、现即为内应力内应力是一种弹性应力，其最高值内应力是一种弹性应力，其最高值 e内应力在变形材料内部处于自相平衡状态，即作内应力在变形材料内部处于自相平衡状态，即作用于变形材料任一截面上的内应力之和应为零用于变形材料任一截面上的内应力之和应为零根据内应力平衡范围分为：根据内应力平衡范围分为： 1. 第一类内应力第一类内应力宏观内应力宏观内应力它为各部分形变量不同，去除它为各部分形变量不同，去除外力后，应变恢复不均所致外力后，应变恢复不均所致 轧材（表层形变变量轧材（表层形变变量内部的）内部的） 表层残留压应力，内部拉应力表层残留压应力，内部拉应力 拉拔材（外圆形变量拉拔材（外圆形变量心部的）心部的

55、） 外园残余张应力，心部压应力外园残余张应力，心部压应力 弯曲件：伸长侧残余压应力，弯曲件：伸长侧残余压应力，缩短侧张应力一般不超过总储缩短侧张应力一般不超过总储存能的存能的1轧制轧制2. 第二类内应力第二类内应力微观内应力微观内应力 其作用范围与晶粒尺寸为同一数量级其作用范围与晶粒尺寸为同一数量级 多晶体的变形量是不均匀的，晶粒间、每个晶粒内部的多晶体的变形量是不均匀的，晶粒间、每个晶粒内部的不同部分应变量是不等的不同部分应变量是不等的,当外力去除后，各个晶粒的应变当外力去除后，各个晶粒的应变恢复也是不等的恢复也是不等的 第二类内应力产生第二类内应力产生 第二类内应力有时可达到很大的数值，甚

56、至可能造成显第二类内应力有时可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹，并导致工件破坏微裂纹，并导致工件破坏3. 第三类内应力第三类内应力点阵畸变点阵畸变 由于点阵缺陷而致，它使变形材料处于热力学不稳定状由于点阵缺陷而致，它使变形材料处于热力学不稳定状态，从而导致变形材料加热时的回复及再结晶过程态，从而导致变形材料加热时的回复及再结晶过程 工件一般不希望存在宏观内应力，特别是表面的张应力，其危工件一般不希望存在宏观内应力，特别是表面的张应力，其危害性更大，若它与外力叠加，很容易使工件产生断裂或变形；害性更大，若它与外力叠加，很容易使工件产生断裂或变形；但有时如对承受疲劳载荷的零件来说，表层的残留压

57、应力（可但有时如对承受疲劳载荷的零件来说，表层的残留压应力（可通过喷丸、滚压强化），有利于提高其疲劳强度通过喷丸、滚压强化），有利于提高其疲劳强度四四. 变形织构变形织构 Deformation texture 单向塑性变形时，多晶体中原为任意位向的各个单向塑性变形时，多晶体中原为任意位向的各个晶粒经转动后会使各个晶粒的取向趋于一致，这个过晶粒经转动后会使各个晶粒的取向趋于一致，这个过程称为程称为“择优取向择优取向”，择优取向后的晶体结构称为，择优取向后的晶体结构称为“织构织构”（Texture）变形织构以区别退火织构和变形织构以区别退火织构和再结晶织构。再结晶织构。 1. 丝织构：拉丝时形成

58、的织构，其特点：各个晶丝织构：拉丝时形成的织构，其特点：各个晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行，用粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行，用表示，如冷拔铁丝织构为表示，如冷拔铁丝织构为 织构织构 2. 板织构：轧制时形成，其特征：多个晶粒的某板织构：轧制时形成，其特征：多个晶粒的某一晶向趋向于与轧向平行，用一晶向趋向于与轧向平行，用 hkl 表示，表示，如冷轧黄铜如冷轧黄铜 H70 具有具有 110 织构，织构造成材织构，织构造成材料各向异性是板材及线材生产中极其重要也是人们极料各向异性是板材及线材生产中极其重要也是人们极其关心的问题。其关心的问题。 织构有利有弊织构有利有弊 制耳制耳 取向

59、硅钢片取向硅钢片课堂讨论题：课堂讨论题： 1. 塑性变形的两种主要形式：滑移和孪生的异同点塑性变形的两种主要形式：滑移和孪生的异同点 2. 塑性变形的位错机制塑性变形的位错机制 3.多晶体塑性变形特点多晶体塑性变形特点 4.屈服现象、加工硬化、应变时效现象屈服现象、加工硬化、应变时效现象 5. 归纳总结若干种材料强化手段归纳总结若干种材料强化手段习习 题题 1. 试指出试指出Cu与与a a-Fe两晶体易滑移的晶面和晶向，并分别两晶体易滑移的晶面和晶向，并分别求出它们的滑移面间距、滑移方向上的原子间距以及点求出它们的滑移面间距、滑移方向上的原子间距以及点阵阻力（已知阵阻力（已知v=0.3,GCu

60、=48300MPa，Ga-Fe=81600MPa） 2. 设合金中一段直位错线运动时受到间距为设合金中一段直位错线运动时受到间距为 的第二相粒的第二相粒子的阻碍，试求证使位错按绕过机制继续运动所需的切子的阻碍，试求证使位错按绕过机制继续运动所需的切应力为：应力为：式中式中T线张力，线张力，b柏氏矢量，柏氏矢量，G切变模量，切变模量，r0第二第二相粒子半径，相粒子半径，B常数常数3.设有一截面积为设有一截面积为3.14mm2，长度为，长度为800mm的圆柱状金属晶的圆柱状金属晶体承受拉伸作用。若在与轴线呈体承受拉伸作用。若在与轴线呈45角的晶面上有一刃型角的晶面上有一刃型位位错（b210-10m

61、），），试问在在应力作用下力作用下该位位错滑出晶滑出晶体体时所所产生的伸生的伸长量：若量：若该晶体中含有晶体中含有108cm-2位位错密度密度在在应力作用下全部滑出晶体，力作用下全部滑出晶体，试计算由此而算由此而产生的生的总变形形量（假定没有新位量（假定没有新位错产生）和相生）和相应的正的正应变。4.已知已知Cu的的111滑移系的临界分切应力为滑移系的临界分切应力为滑移系的临界分切应力为滑移系的临界分切应力为1 1MPaMPa，试计算算要使（要使（111）面上产生）面上产生101方向的方向的滑移，在滑移，在滑移，在滑移，在001方向方向上上应施加多大的应力？而要使（施加多大的应力？而要使（111）面上产生）面上产生110方向方向的的滑移，又为多少？滑移，又为多少？滑移，又为多少？滑移，又为多少？5.证明证明 fcc 晶体在孪生变形时产生的切变量为晶体在孪生变形时产生的切变量为0.707。6.6. 试结合金属合金属单晶体、多晶体、晶体、多晶体、单相合金与复相合金，相合金与复相合金，总结其塑性其塑性变形的特点。形的特点。