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1、本章知识结构本章知识结构金属的变形特性金属的变形特性晶体的塑性变形晶体的塑性变形组织与性能的变化组织与性能的变化多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形合金的塑性变形合金的塑性变形n 弹性变形弹性变形弹性变形弹性变形 材料受外力作用时产生变形,当外力去除后恢复其原材料受外力作用时产生变形,当外力去除后恢复其原材料受外力作用时产生变形,当外力去除后恢复其原材料受外力作用时产生变形,当外力去除后恢复其原来形状,这种随外力消失而消失的变形,称为来形状,这种随外力消失而消失的变形,称为来形状,这种随外力消失而消失的变形,称为来形状,这种随外力消失而消失的变形,称为弹性变形弹性变
2、形弹性变形弹性变形。 弹弹性性变变形的形的实质实质是在是在应应力的作用下,材料内部原子力的作用下,材料内部原子间间距就偏离了平衡位置,但未超距就偏离了平衡位置,但未超过过其原子其原子间间的的结结合力。晶体合力。晶体材料反映材料反映为为晶格晶格发发生了伸生了伸长长( (缩缩短短) )或歪扭。原子的相或歪扭。原子的相邻邻关关系系还还未未发发生改生改变变,故外力去除后,原子,故外力去除后,原子间结间结合力便可以使合力便可以使变变形完全恢复。形完全恢复。 n定定义义:不能恢复的永久性:不能恢复的永久性变变形叫形叫塑性塑性变变形形。当。当应应力力大于大于弹弹性极限性极限时时,材料不但,材料不但发发生生弹
3、弹性性变变形,而且形,而且还还发发生塑性生塑性变变形,即在外力去除后,其形,即在外力去除后,其变变形不能得到形不能得到完全的恢复,而具有残留完全的恢复,而具有残留变变形或永久形或永久变变形。形。n塑性:是指材料能塑性:是指材料能发发生塑性生塑性变变形的量或能力,用伸形的量或能力,用伸长长率率(%)(%)或断面减或断面减缩缩率率(%)(%)表示。表示。 n实质实质:塑性:塑性变变形的形的实质实质是在是在应应力的作用下,材料内力的作用下,材料内部原子相部原子相邻邻关系已关系已经发经发生改生改变变,故外力去除后,原,故外力去除后,原子回到另一平衡位置,物体将留下永久子回到另一平衡位置,物体将留下永久
4、变变形。形。 n 塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形 6.2 6.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形常温下塑性变形的主要方式:常温下塑性变形的主要方式:常温下塑性变形的主要方式:常温下塑性变形的主要方式:滑移滑移滑移滑移、孪生孪生孪生孪生。 滑滑滑滑移移移移:在在在在切切切切应应应应力力力力作作作作用用用用下下下下,晶晶晶晶体体体体的的的的一一一一部部部部分分分分相相相相对对对对于于于于另另另另一一一一部部部部分分分分沿沿沿沿着着着着一一一一定定定定的的的的晶晶晶晶面面面面(滑滑滑滑移移移移面面面面)和和和和晶晶晶晶向向向向(滑滑滑滑移移移移方方方方向向向向)产产产产生生生生相相相相对对对对位
5、位位位移移移移,且且且且不不不不破破破破坏坏坏坏晶晶晶晶体体体体内内内内部部部部原原原原子子子子排排排排列列列列规规规规律性的塑变方式。律性的塑变方式。律性的塑变方式。律性的塑变方式。(1)滑移)滑移滑移系滑移系晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面上一定的晶体晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面上一定的晶体学方向进行,将其称为学方向进行,将其称为滑移面滑移面滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向滑移方向滑移方向。 滑移面和滑移方向往往是晶体中原子最密排的晶滑移面和滑移方向往往是晶体中原子最密排的晶面和晶向。面和晶向。 每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个滑
6、移系滑移系。滑移系的个数:滑移系的个数:(滑移面个数)滑移面个数)(每个面上(每个面上所具有的滑移方向的个数)所具有的滑移方向的个数)。面心立方晶体中的滑移系面心立方晶体中的滑移系面心立方晶体中的滑移系面心立方晶体中的滑移系n 滑移面为滑移面为111n 滑移方向为滑移方向为n 滑移系共有滑移系共有 4312个个bcc晶体112和123面的滑移系体心立方晶体中的滑移系体心立方晶体中的滑移系体心立方晶体中的滑移系体心立方晶体中的滑移系n 低温时滑移面为低温时滑移面为112,中温时多为,中温时多为110,而高温时多为,而高温时多为123n 滑移方向为滑移方向为n 滑移系为滑移系为11062+ 112
7、121+ 123241,其滑移,其滑移系可能有系可能有12-48个。个。 密排六方晶体中的滑移系密排六方晶体中的滑移系密排六方晶体中的滑移系密排六方晶体中的滑移系n 密排六方晶体中,滑移方向一般都是密排六方晶体中,滑移方向一般都是n当当c/a接近或大于接近或大于1.633时,时,0001为最密排面,滑移系为最密排面,滑移系即为即为0001,共有三个,共有三个n当当c/a小于小于1.633时,时,0001不再是密排面,滑移面将变不再是密排面,滑移面将变为柱面为柱面1010或斜面或斜面1011,滑移系分别为三个和六个。,滑移系分别为三个和六个。 滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力滑移过程开始时的
8、分切应力就称为滑移过程开始时的分切应力就称为临界分切应力临界分切应力。假设其横截面积为假设其横截面积为A, 为滑移面法线与中心轴线夹为滑移面法线与中心轴线夹角,角, 为滑移方向与外力为滑移方向与外力F夹角。夹角。 s s s scoscos coscos s称为称为临界分切应力临界分切应力。 coscos coscos 称称为为取向因子取向因子或或schmid因子。因子。n 软取向软取向n 硬取向硬取向 滑移时晶面的转动滑移时晶面的转动n n位向和晶面的变化位向和晶面的变化位向和晶面的变化位向和晶面的变化 拉伸时拉伸时拉伸时拉伸时, , , ,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向;滑移面和滑移方
9、向趋于平行于力轴方向;滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向;滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向; 压缩时,晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。压缩时,晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。压缩时,晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。压缩时,晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。n n取向因子的变化取向因子的变化取向因子的变化取向因子的变化 几何硬化:几何硬化:几何硬化:几何硬化: , 远离远离远离远离45454545 ,滑移变得困难;,滑移变得困难;,滑移变得困难;,滑移变得困难; 几何软化:几何软化:几何软化:几何软化: , 接近接近接近接近45454545 ,滑移变得容易。,滑移变得容易。,滑移变得容易。,滑移变得容易。多滑移
10、多滑移滑移过程沿两个以上滑移系同时或交替进行,这种滑移过程沿两个以上滑移系同时或交替进行,这种滑移过程就称为称滑移过程就称为称多滑移多滑移。交交交交滑滑滑滑移移移移:晶晶晶晶体体体体在在在在两两两两个个个个或或或或多多多多个个个个不不不不同同同同滑滑滑滑移移移移面面面面上上上上沿沿沿沿同同同同一一一一滑滑滑滑移移移移方方方方向进行的滑移。向进行的滑移。向进行的滑移。向进行的滑移。双双双双交交交交滑滑滑滑移移移移:交交交交滑滑滑滑移移移移后后后后的的的的螺螺螺螺位位位位错错错错再再再再转转转转回回回回到到到到与与与与原原原原滑滑滑滑移移移移面面面面平平平平行行行行的平面滑移。的平面滑移。的平面滑
11、移。的平面滑移。交滑移交滑移n n 单滑移单滑移单滑移单滑移:单一方向的滑移带单一方向的滑移带单一方向的滑移带单一方向的滑移带;n n 多滑移多滑移多滑移多滑移:相互交叉的滑移带相互交叉的滑移带相互交叉的滑移带相互交叉的滑移带;n n 交滑移交滑移交滑移交滑移:波纹:波纹:波纹:波纹状的滑移带状的滑移带状的滑移带状的滑移带。滑移的表面痕迹滑移的表面痕迹滑移的表面痕迹滑移的表面痕迹位错的易动性n 原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。n 多个位错的运动导致晶体的宏观变形。多个位错的运动导致晶体的宏观变形。(6 6)滑移的位错机制)滑移的位错机
12、制弗兰克弗兰克-瑞德源瑞德源(2)孪生)孪生 孪生是晶体塑性变形的另一种常见方式,是指在孪生是晶体塑性变形的另一种常见方式,是指在切应力作用下,晶体的一部分沿一定的晶面(孪生面)切应力作用下,晶体的一部分沿一定的晶面(孪生面)和一定的晶向(孪生方向)相对于另一部分发生均匀和一定的晶向(孪生方向)相对于另一部分发生均匀切变的过程。切变的过程。 a.变形前b.滑移c.孪生晶体滑移和孪生变形后的结构与外形变化示意图(a)孪晶面与孪生方向(b)孪生变形时晶面移动情况面心立方晶体孪生变形示意图n n发生切变的部分称孪生带或孪晶,沿其发生孪生的晶面发生切变的部分称孪生带或孪晶,沿其发生孪生的晶面发生切变的
13、部分称孪生带或孪晶,沿其发生孪生的晶面发生切变的部分称孪生带或孪晶,沿其发生孪生的晶面称孪生面。称孪生面。称孪生面。称孪生面。n n孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。 滑移滑移孪生孪生相同点相同点1 1 切切变变;2 2 沿沿一一定定的的晶晶面面、晶晶向向进进行行;3 3 不不改改变变结结构。构。不不同同点点晶体位向晶体位向不改变不改变改变,形成镜面对称关系改变,形成镜面对称关系位移量位移量滑滑移移方方向向上上原原子子间间距距的的整数倍,较大。整数倍,较大。小小于于孪孪
14、生生方方向向上上的的原原子子间间距,较小。距,较小。对塑变的贡献对塑变的贡献很大,总变形量大。很大,总变形量大。有限,总变形量小。有限,总变形量小。变形应力变形应力有一定的临界分切压力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于所需临界分切应力远高于滑移滑移变形条件变形条件一般先发生滑移一般先发生滑移滑移困难时发生滑移困难时发生变形机制变形机制全位错运动的结果全位错运动的结果分位错运动的结果分位错运动的结果孪生的与滑移的比较孪生的与滑移的比较知识结构知识结构形变的基本概念形变的基本概念晶体的塑性变形晶体的塑性变形组织与性能的变化组织与性能的变化回复与再结晶回复与再结晶多晶体的塑性变形多晶体的塑性
15、变形单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形合金的塑性变形合金的塑性变形动态回复与动态再结晶动态回复与动态再结晶多晶体与单晶体的区别多晶体与单晶体的区别n n晶粒间存在晶界晶粒间存在晶界晶粒间存在晶界晶粒间存在晶界n n晶粒的位向不同晶粒的位向不同晶粒的位向不同晶粒的位向不同6.3 6.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形单个晶粒变形与单晶体相似单个晶粒变形与单晶体相似, ,多晶体变形比单晶体复杂。多晶体变形比单晶体复杂。锌的的应力应变曲线锌的的应力应变曲线 (1)多晶体变形的特点)多晶体变形的特点每一晶粒的取向每一晶粒的取向“软软”和和“硬硬”不同,不同,形变先后及形变量形变先后及形变量也不同。也不
16、同。为保持整体的连续为保持整体的连续性,每个晶粒的形性,每个晶粒的形变必受相邻晶粒所变必受相邻晶粒所制约。制约。相邻晶粒的协调性相邻晶粒的协调性相邻晶粒的协调性相邻晶粒的协调性 由于各相邻晶粒位向不同,当一个晶粒发生塑性由于各相邻晶粒位向不同,当一个晶粒发生塑性由于各相邻晶粒位向不同,当一个晶粒发生塑性由于各相邻晶粒位向不同,当一个晶粒发生塑性变形时,为了保持金属的连续性,周围的晶粒若不发变形时,为了保持金属的连续性,周围的晶粒若不发变形时,为了保持金属的连续性,周围的晶粒若不发变形时,为了保持金属的连续性,周围的晶粒若不发生塑性变形,则必以弹性变形来与之协调。这种弹性生塑性变形,则必以弹性变
17、形来与之协调。这种弹性生塑性变形,则必以弹性变形来与之协调。这种弹性生塑性变形,则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形变形变形变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束,使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。这种相互约束,使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。这种相互约束,使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。这种相互约束,使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。 基本规律:基本规律:基本规律:基本规律:(1) 跨过晶界的延伸率变化是连续的;跨过晶界的延伸率变化是连续的;
18、(2) 靠近晶界处的延伸率较小;靠近晶界处的延伸率较小;(3) 细晶粒形变较均匀且强度高;细晶粒形变较均匀且强度高; 相反,大晶粒形变不均匀,强度低。相反,大晶粒形变不均匀,强度低。晶界的影响晶界的影响n n对只有两个晶粒的双对只有两个晶粒的双对只有两个晶粒的双对只有两个晶粒的双晶试样拉伸结果表明,晶试样拉伸结果表明,晶试样拉伸结果表明,晶试样拉伸结果表明,室温下拉伸变形后,室温下拉伸变形后,室温下拉伸变形后,室温下拉伸变形后,呈现竹节状。呈现竹节状。呈现竹节状。呈现竹节状。n n说明室温变形时晶界说明室温变形时晶界说明室温变形时晶界说明室温变形时晶界具有明显强化作用。具有明显强化作用。具有明
19、显强化作用。具有明显强化作用。双晶拉伸实验双晶拉伸实验 当位错运动到晶界附近时,受到晶界的阻碍而当位错运动到晶界附近时,受到晶界的阻碍而当位错运动到晶界附近时,受到晶界的阻碍而当位错运动到晶界附近时,受到晶界的阻碍而堆积起来堆积起来堆积起来堆积起来, , , ,称位错的塞积。要使变形继续进行称位错的塞积。要使变形继续进行称位错的塞积。要使变形继续进行称位错的塞积。要使变形继续进行, , , , 则必则必则必则必须增加外力须增加外力须增加外力须增加外力, , , , 从而使金属的变形抗力提高。从而使金属的变形抗力提高。从而使金属的变形抗力提高。从而使金属的变形抗力提高。晶界对塑性变形的影响晶界对
20、塑性变形的影响Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积晶粒大小对塑性变形的影响晶粒大小对塑性变形的影响n n实验表明,多晶体的实验表明,多晶体的实验表明,多晶体的实验表明,多晶体的强度随其晶粒的细化强度随其晶粒的细化强度随其晶粒的细化强度随其晶粒的细化而增加。而增加。而增加。而增加。n nHall-PatchHall-Patch关系:关系:关系:关系:屈服强度与晶粒尺寸的关系图 多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于于于
21、于45454545的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度,加上相的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度,加上相的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度,加上相的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度,加上相邻晶粒的转动,使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位邻晶粒的转动,使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位邻晶粒的转动,使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位邻晶粒的转动,使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动,从而使滑移由错开动,从而使滑移由错开动,从而使滑移由错开动,从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒,当有大量一批晶粒传递到另一批晶粒,当有大量一批晶粒传递到另一批晶粒,
22、当有大量一批晶粒传递到另一批晶粒,当有大量晶粒发生滑移后,金属便显示出明显的塑性变形。晶粒发生滑移后,金属便显示出明显的塑性变形。晶粒发生滑移后,金属便显示出明显的塑性变形。晶粒发生滑移后,金属便显示出明显的塑性变形。 铜多晶试样拉伸后形成的滑移带铜多晶试样拉伸后形成的滑移带铜多晶试样拉伸后形成的滑移带铜多晶试样拉伸后形成的滑移带(2)多晶体金属的塑性变形过程)多晶体金属的塑性变形过程n n 晶粒之间变形的传播晶粒之间变形的传播晶粒之间变形的传播晶粒之间变形的传播 位位位位错错错错在在在在晶晶晶晶界界界界塞塞塞塞积积积积 应应应应力力力力集集集集中中中中 相相相相邻邻邻邻晶晶晶晶粒粒粒粒位位位
23、位错错错错源源源源开开开开动动动动 相邻晶粒变形相邻晶粒变形相邻晶粒变形相邻晶粒变形 塑变塑变塑变塑变n n 晶粒之间变形的协调性晶粒之间变形的协调性晶粒之间变形的协调性晶粒之间变形的协调性 (a a a a)原因:各晶粒之间变形具有非同时性。)原因:各晶粒之间变形具有非同时性。)原因:各晶粒之间变形具有非同时性。)原因:各晶粒之间变形具有非同时性。 (b b b b)要要要要求求求求:各各各各晶晶晶晶粒粒粒粒之之之之间间间间变变变变形形形形相相相相互互互互协协协协调调调调。(独独独独立立立立变变变变形形形形会导致晶体分裂)会导致晶体分裂)会导致晶体分裂)会导致晶体分裂) (c c c c)条
24、条条条件件件件:独独独独立立立立滑滑滑滑移移移移系系系系 5 5 5 5个个个个。(保保保保证证证证晶晶晶晶粒粒粒粒形形形形状状状状的的的的自自自自由变化)由变化)由变化)由变化)n n 晶界对变形的阻碍作用晶界对变形的阻碍作用晶界对变形的阻碍作用晶界对变形的阻碍作用 (a a a a)晶界的特点:原子排列不规则;分布有大量缺陷。)晶界的特点:原子排列不规则;分布有大量缺陷。)晶界的特点:原子排列不规则;分布有大量缺陷。)晶界的特点:原子排列不规则;分布有大量缺陷。 (b b b b)晶晶晶晶界界界界对对对对变变变变形形形形的的的的影影影影响响响响: : : :滑滑滑滑移移移移、孪孪孪孪生生生
25、生多多多多终终终终止止止止于于于于晶晶晶晶界界界界, , , ,极极极极少穿过。少穿过。少穿过。少穿过。 晶晶粒粒大大小小与与金金属属强强度度关关系系(c c c c)晶粒大小与性能的关系晶粒大小与性能的关系晶粒大小与性能的关系晶粒大小与性能的关系 a a a a 晶粒越细,强度越高晶粒越细,强度越高晶粒越细,强度越高晶粒越细,强度越高( ( ( (细晶强化细晶强化细晶强化细晶强化:霍尔佩奇公式:霍尔佩奇公式:霍尔佩奇公式:霍尔佩奇公式) ) ) ) s s s s= = = = 0 0 0 0+kd+kd+kd+kd-1/2-1/2-1/2-1/2 原原原原因因因因:晶晶晶晶粒粒粒粒越越越越
26、细细细细,晶晶晶晶界界界界越越越越多多多多,位位位位错错错错运运运运动动动动的的的的阻阻阻阻力力力力( ( ( (位位位位错错错错塞塞塞塞积积积积与与与与交割交割交割交割) ) ) )越大。(有尺寸限制)越大。(有尺寸限制)越大。(有尺寸限制)越大。(有尺寸限制) 晶粒越多,变形均匀性提高由应力集中晶粒越多,变形均匀性提高由应力集中晶粒越多,变形均匀性提高由应力集中晶粒越多,变形均匀性提高由应力集中 导致的开裂机会减少,可承受更大的变导致的开裂机会减少,可承受更大的变导致的开裂机会减少,可承受更大的变导致的开裂机会减少,可承受更大的变 形量,表现出高塑性。形量,表现出高塑性。形量,表现出高塑性
27、。形量,表现出高塑性。 b b b b 晶粒越细,塑韧性提高晶粒越细,塑韧性提高晶粒越细,塑韧性提高晶粒越细,塑韧性提高 细晶粒材料中,应力集中小,裂纹不易细晶粒材料中,应力集中小,裂纹不易细晶粒材料中,应力集中小,裂纹不易细晶粒材料中,应力集中小,裂纹不易 萌生;晶界多,裂纹不易传播,在断裂萌生;晶界多,裂纹不易传播,在断裂萌生;晶界多,裂纹不易传播,在断裂萌生;晶界多,裂纹不易传播,在断裂 过程中可吸收较多能量过程中可吸收较多能量过程中可吸收较多能量过程中可吸收较多能量, , , ,表现表现表现表现高韧性高韧性高韧性高韧性。n n金属的晶粒越细,其塑性和韧性也越高。金属的晶粒越细,其塑性和
28、韧性也越高。金属的晶粒越细,其塑性和韧性也越高。金属的晶粒越细,其塑性和韧性也越高。n n因为晶粒越细,单位体积内晶粒数目越多,参与变因为晶粒越细,单位体积内晶粒数目越多,参与变因为晶粒越细,单位体积内晶粒数目越多,参与变因为晶粒越细,单位体积内晶粒数目越多,参与变 形的晶粒数目也越形的晶粒数目也越多,变形越均匀,多,变形越均匀,使在断裂前发生较使在断裂前发生较大的塑性变形。强大的塑性变形。强度和塑性同时增加度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗金属在断裂前消耗的功也大,因而其的功也大,因而其韧性也比较好。韧性也比较好。应变应变应力应力塑性材料塑性材料脆性脆性材料材料通过细化晶粒来同时通过细化晶粒
29、来同时通过细化晶粒来同时通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬提高金属的强度、硬提高金属的强度、硬提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方度、塑性和韧性的方度、塑性和韧性的方度、塑性和韧性的方法称法称法称法称细晶强化细晶强化细晶强化细晶强化。 等强温度示意图 当温度升高时,随着原子活动性的加强,晶界也变得当温度升高时,随着原子活动性的加强,晶界也变得逐渐不稳定,这将导致其强化效果逐渐减弱,甚至出现晶逐渐不稳定,这将导致其强化效果逐渐减弱,甚至出现晶界弱化的现象。当温度低于等强温度时,晶界强度高于晶界弱化的现象。当温度低于等强温度时,晶界强度高于晶内强度,反之则晶界强度小于晶内强度。内强度,反之则晶界
30、强度小于晶内强度。 等强温度等强温度本节要点本节要点n n概念:多滑移、交滑移、孪生、孪晶、细晶强化、概念:多滑移、交滑移、孪生、孪晶、细晶强化、概念:多滑移、交滑移、孪生、孪晶、细晶强化、概念:多滑移、交滑移、孪生、孪晶、细晶强化、等强温度等强温度等强温度等强温度n n多晶体变形的特点多晶体变形的特点多晶体变形的特点多晶体变形的特点n n细晶强化的机制(强度、塑性、韧性)细晶强化的机制(强度、塑性、韧性)细晶强化的机制(强度、塑性、韧性)细晶强化的机制(强度、塑性、韧性)n nHall-PetchHall-Petch公式公式公式公式下节内容下节内容:合金的塑性变形例例例例1 1:若单晶铜的表
31、面恰好为:若单晶铜的表面恰好为:若单晶铜的表面恰好为:若单晶铜的表面恰好为100100晶面,假设晶体可以在各晶面,假设晶体可以在各晶面,假设晶体可以在各晶面,假设晶体可以在各个滑移系上滑移,试讨论表面上可能看到的滑移线的形貌个滑移系上滑移,试讨论表面上可能看到的滑移线的形貌个滑移系上滑移,试讨论表面上可能看到的滑移线的形貌个滑移系上滑移,试讨论表面上可能看到的滑移线的形貌(滑移线的方位和他们之间的夹角)。若单晶体表面为(滑移线的方位和他们之间的夹角)。若单晶体表面为(滑移线的方位和他们之间的夹角)。若单晶体表面为(滑移线的方位和他们之间的夹角)。若单晶体表面为111111面呢?面呢?面呢?面呢
32、?解:铜晶体为面心立方点阵,其滑移系为解:铜晶体为面心立方点阵,其滑移系为解:铜晶体为面心立方点阵,其滑移系为解:铜晶体为面心立方点阵,其滑移系为111111。若铜单。若铜单。若铜单。若铜单晶体的表面为晶体的表面为晶体的表面为晶体的表面为100100晶面,当塑性变形时,晶体表面出现的晶面,当塑性变形时,晶体表面出现的晶面,当塑性变形时,晶体表面出现的晶面,当塑性变形时,晶体表面出现的滑移线应是滑移线应是滑移线应是滑移线应是111111与与与与100100的交线的交线的交线的交线,即在晶体表面上见,即在晶体表面上见,即在晶体表面上见,即在晶体表面上见到的滑移线是相互平行的,或者互相成到的滑移线是
33、相互平行的,或者互相成到的滑移线是相互平行的,或者互相成到的滑移线是相互平行的,或者互相成9090 夹角。夹角。夹角。夹角。 当铜单晶的外表面为当铜单晶的外表面为当铜单晶的外表面为当铜单晶的外表面为111111晶面时,表面出现的滑移线为晶面时,表面出现的滑移线为晶面时,表面出现的滑移线为晶面时,表面出现的滑移线为,它们要么相互平行,要么相互交角为,它们要么相互平行,要么相互交角为,它们要么相互平行,要么相互交角为,它们要么相互平行,要么相互交角为6060 。讨论:在讨论晶体表面滑移线形貌时,只要考虑晶体的滑移讨论:在讨论晶体表面滑移线形貌时,只要考虑晶体的滑移讨论:在讨论晶体表面滑移线形貌时,
34、只要考虑晶体的滑移讨论:在讨论晶体表面滑移线形貌时,只要考虑晶体的滑移面与表面的交线形貌就可以。面与表面的交线形貌就可以。面与表面的交线形貌就可以。面与表面的交线形貌就可以。例例例例2 2:铝单晶体在室温时的临界分切应力为:铝单晶体在室温时的临界分切应力为:铝单晶体在室温时的临界分切应力为:铝单晶体在室温时的临界分切应力为7.9107.9105 5PaPa,若室,若室,若室,若室温下对铝单晶试样作拉伸实验时,拉力轴为温下对铝单晶试样作拉伸实验时,拉力轴为温下对铝单晶试样作拉伸实验时,拉力轴为温下对铝单晶试样作拉伸实验时,拉力轴为123123方向,可能方向,可能方向,可能方向,可能开动的滑移系为
35、开动的滑移系为开动的滑移系为开动的滑移系为(111)101(111)101,求引起试样屈服所需要加的力。,求引起试样屈服所需要加的力。,求引起试样屈服所需要加的力。,求引起试样屈服所需要加的力。解:铝晶体为面心立方点阵,其滑移系为解:铝晶体为面心立方点阵,其滑移系为解:铝晶体为面心立方点阵,其滑移系为解:铝晶体为面心立方点阵,其滑移系为111111, 单晶体拉伸时:单晶体拉伸时:单晶体拉伸时:单晶体拉伸时: s s s scoscos coscos 已知:已知:已知:已知: s s 7.9107.9105 5PaPa,拉力轴为,拉力轴为,拉力轴为,拉力轴为123123方向,开动的滑移系为方向,
36、开动的滑移系为方向,开动的滑移系为方向,开动的滑移系为(111)101(111)101,则,则,则,则 为为为为拉力轴拉力轴拉力轴拉力轴123123与与与与(111)(111)晶面的法线晶面的法线晶面的法线晶面的法线(111)(111)之间的夹角,之间的夹角,之间的夹角,之间的夹角, 为为为为123123与与与与101101之间的夹角,故之间的夹角,故之间的夹角,故之间的夹角,故讨论:由讨论:由讨论:由讨论:由schmidschmid定律可知,外力在滑移方向上的分切应力为定律可知,外力在滑移方向上的分切应力为定律可知,外力在滑移方向上的分切应力为定律可知,外力在滑移方向上的分切应力为 cosc
37、os coscos ,当,当,当,当 达到临界值时,宏观上金属开始达到临界值时,宏观上金属开始达到临界值时,宏观上金属开始达到临界值时,宏观上金属开始屈服。此时,屈服。此时,屈服。此时,屈服。此时, = = s s。例例例例3 3:沿密排六方单晶体的:沿密排六方单晶体的:沿密排六方单晶体的:沿密排六方单晶体的00010001方向分别加拉伸力和压缩力。方向分别加拉伸力和压缩力。方向分别加拉伸力和压缩力。方向分别加拉伸力和压缩力。说明在这两种情况下,形变的可能性及形变所采取的主要说明在这两种情况下,形变的可能性及形变所采取的主要说明在这两种情况下,形变的可能性及形变所采取的主要说明在这两种情况下,
38、形变的可能性及形变所采取的主要形式。形式。形式。形式。解:排六方金属的滑移面为(解:排六方金属的滑移面为(解:排六方金属的滑移面为(解:排六方金属的滑移面为(00010001),而),而),而),而00010001方向的力在滑方向的力在滑方向的力在滑方向的力在滑移面上的分切应力为零,故单晶体不能滑移。拉伸时,单移面上的分切应力为零,故单晶体不能滑移。拉伸时,单移面上的分切应力为零,故单晶体不能滑移。拉伸时,单移面上的分切应力为零,故单晶体不能滑移。拉伸时,单晶体可能产生的形变是弹性形变或随后的脆断;压缩时,晶体可能产生的形变是弹性形变或随后的脆断;压缩时,晶体可能产生的形变是弹性形变或随后的脆
39、断;压缩时,晶体可能产生的形变是弹性形变或随后的脆断;压缩时,在弹性形变后可能有孪生。在弹性形变后可能有孪生。在弹性形变后可能有孪生。在弹性形变后可能有孪生。讨论:晶体受到外力作用时,不论外力方向、大小和作用方讨论:晶体受到外力作用时,不论外力方向、大小和作用方讨论:晶体受到外力作用时,不论外力方向、大小和作用方讨论:晶体受到外力作用时,不论外力方向、大小和作用方式如何,均可将其分解成垂直某一晶面的正应力与沿此晶式如何,均可将其分解成垂直某一晶面的正应力与沿此晶式如何,均可将其分解成垂直某一晶面的正应力与沿此晶式如何,均可将其分解成垂直某一晶面的正应力与沿此晶面的切应力。只有外力引起的作用于滑
40、移面上、沿滑移方面的切应力。只有外力引起的作用于滑移面上、沿滑移方面的切应力。只有外力引起的作用于滑移面上、沿滑移方面的切应力。只有外力引起的作用于滑移面上、沿滑移方向的分切应力达到某一临界值时,才会产生滑移;而正应向的分切应力达到某一临界值时,才会产生滑移;而正应向的分切应力达到某一临界值时,才会产生滑移;而正应向的分切应力达到某一临界值时,才会产生滑移;而正应力只能引起弹性变形,甚至断裂。力只能引起弹性变形,甚至断裂。力只能引起弹性变形,甚至断裂。力只能引起弹性变形,甚至断裂。例例例例4 4:某面心立方晶体的可动滑移系为(:某面心立方晶体的可动滑移系为(:某面心立方晶体的可动滑移系为(:某
41、面心立方晶体的可动滑移系为(111111)110110。(1 1)指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量;)指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量;)指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量;)指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量;(2 2)如果滑移是由纯刃型位错引起的,指出位错线的方向;)如果滑移是由纯刃型位错引起的,指出位错线的方向;)如果滑移是由纯刃型位错引起的,指出位错线的方向;)如果滑移是由纯刃型位错引起的,指出位错线的方向;(3 3)如果滑移是由纯螺型位错引起的,指出位错线的方向;)如果滑移是由纯螺型位错引起的,指出位错线的方向;)如果滑移是由纯螺型位错引起的,指出位错线的方向;)如果滑移是由纯螺型位错引
42、起的,指出位错线的方向;(4 4)指出在)指出在)指出在)指出在(2)(3)(2)(3)两种情况下滑移时位错线的移动方向;两种情况下滑移时位错线的移动方向;两种情况下滑移时位错线的移动方向;两种情况下滑移时位错线的移动方向;(5 5)假定在该滑移系上作用一大小为)假定在该滑移系上作用一大小为)假定在该滑移系上作用一大小为)假定在该滑移系上作用一大小为0.7MPa0.7MPa的切应力,试计的切应力,试计的切应力,试计的切应力,试计算单位刃型位错和螺型位错线受力的大小和方向。(点阵算单位刃型位错和螺型位错线受力的大小和方向。(点阵算单位刃型位错和螺型位错线受力的大小和方向。(点阵算单位刃型位错和螺
43、型位错线受力的大小和方向。(点阵常数常数常数常数a=0.2nma=0.2nm)解解解解(1 1)引起滑移的单位位错的柏氏矢量)引起滑移的单位位错的柏氏矢量)引起滑移的单位位错的柏氏矢量)引起滑移的单位位错的柏氏矢量b b=a110/2=a110/2,即沿滑,即沿滑,即沿滑,即沿滑移方向上相邻两个原子间的连线所表示的矢量。移方向上相邻两个原子间的连线所表示的矢量。移方向上相邻两个原子间的连线所表示的矢量。移方向上相邻两个原子间的连线所表示的矢量。(2 2)位错线位于滑移面上,设位错线的方向为)位错线位于滑移面上,设位错线的方向为)位错线位于滑移面上,设位错线的方向为)位错线位于滑移面上,设位错线
44、的方向为 uvwuvw ,则有,则有,则有,则有u+v-w=0u+v-w=0;位错线与;位错线与;位错线与;位错线与b b垂直,则有垂直,则有垂直,则有垂直,则有-u+v=0-u+v=0。由上两式得:。由上两式得:。由上两式得:。由上两式得: u:v:w=1:1:2 u:v:w=1:1:2,所以位错线方向为,所以位错线方向为,所以位错线方向为,所以位错线方向为112112。(3 3)位错线位于滑移面上,且平行于)位错线位于滑移面上,且平行于)位错线位于滑移面上,且平行于)位错线位于滑移面上,且平行于b b,所以位错线的方向,所以位错线的方向,所以位错线的方向,所以位错线的方向为为为为11011
45、0。(4 4)在()在()在()在(2 2)时,位错线运动方向平行于)时,位错线运动方向平行于)时,位错线运动方向平行于)时,位错线运动方向平行于b b;在(;在(;在(;在(3 3)时,位)时,位)时,位)时,位错线运动方向垂直于错线运动方向垂直于错线运动方向垂直于错线运动方向垂直于b b。(5 5)在外加切应力作用下,位错线单位长度上所受的力的)在外加切应力作用下,位错线单位长度上所受的力的)在外加切应力作用下,位错线单位长度上所受的力的)在外加切应力作用下,位错线单位长度上所受的力的大小大小大小大小 F= F= b b,方向与位错线垂直。方向与位错线垂直。方向与位错线垂直。方向与位错线垂
46、直。n变变形形:物体在外力的作用下,其形状和尺寸的改:物体在外力的作用下,其形状和尺寸的改变变。n应应力力:物体内部任一截面:物体内部任一截面单单位面位面积积上的相互作用力。上的相互作用力。可分可分为为正正应应力和切力和切应应力力。n应变应变:物体形状尺寸所:物体形状尺寸所发发生的相生的相对对改改变变。可分。可分为为正正应应变变和切和切应变应变。n弹弹性性变变形形:材料受外力作用时产生变形,当外力去材料受外力作用时产生变形,当外力去材料受外力作用时产生变形,当外力去材料受外力作用时产生变形,当外力去除后恢复其原来形状。除后恢复其原来形状。除后恢复其原来形状。除后恢复其原来形状。n塑性塑性变变形
47、形:材料在外力作用下产生永久的不可恢复材料在外力作用下产生永久的不可恢复材料在外力作用下产生永久的不可恢复材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形,称为的变形,称为的变形,称为的变形,称为塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形。滑移滑移滑移滑移:滑移是在外力作用下,晶体的一部分沿着一定滑移是在外力作用下,晶体的一部分沿着一定的晶面的晶面( (滑移面滑移面) )的一定方向的一定方向( (滑移方向滑移方向) )相对于晶体的相对于晶体的另一部分发生的相对滑动,并且不破坏原子间排列规另一部分发生的相对滑动,并且不破坏原子间排列规律。律。滑移面滑移面:滑移发生的晶面,通常为晶体的最密排晶面;:滑移发生的晶面,通常为晶体的最密排晶面;滑移方向滑移方向:滑移滑动的方向,通常为晶体的最密排方向;:滑移滑动的方向,通常为晶体的最密排方向;滑移系滑移系:由一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成。:由一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成。 临界分切应力临界分切应力:滑移过程开始的分切应力。:滑移过程开始的分切应力。 s s s scoscos coscos