第5章 材料的形變與再結(jié)晶1

1、第第5章章 材料的形變和再結(jié)晶材料的形變和再結(jié)晶 1材料受力材料受力F彈性變形彈性變形塑性變形塑性變形斷裂斷裂2研究材料的變形規(guī)律及其微觀機(jī)制，分析了解各種內(nèi)研究材料的變形規(guī)律及其微觀機(jī)制，分析了解各種內(nèi)外因素對(duì)變形的影響，以及研究討論冷變形材料在回外因素對(duì)變形的影響，以及研究討論冷變形材料在回復(fù)再結(jié)晶過程中組織、結(jié)構(gòu)和性能的變化規(guī)律，具有復(fù)再結(jié)晶過程中組織、結(jié)構(gòu)和性能的變化規(guī)律，具有十分重要的理論和實(shí)際意義十分重要的理論和實(shí)際意義 34本章本章 章節(jié)結(jié)構(gòu)章節(jié)結(jié)構(gòu)5.1彈性和粘彈性彈性和粘彈性 5.2晶體的塑性變形晶體的塑性變形 5.3回復(fù)和再結(jié)晶回復(fù)和再結(jié)晶 5.4熱變形與動(dòng)態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶熱

2、變形與動(dòng)態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶5.5陶瓷材料變形的特點(diǎn)陶瓷材料變形的特點(diǎn)5.6高聚物的塑性變形高聚物的塑性變形 5.1 彈性和粘彈性彈性和粘彈性 彈性變形彈性變形塑性變形塑性變形55.1.1 彈性變形的本質(zhì)彈性變形的本質(zhì) rUOr00dUdr(a)rFO斜率S0r00吸引力排斥力(b)彈性變形彈性變形是指外力去除是指外力去除后能夠完全恢復(fù)的那部后能夠完全恢復(fù)的那部分變形，可從分變形，可從原子間結(jié)原子間結(jié)合力合力的角度來了解它的的角度來了解它的物理本質(zhì)物理本質(zhì)。圖（圖（a）體系能量與原子間）體系能量與原子間距的關(guān)系和（距的關(guān)系和（b）原子作用）原子作用力和距離的關(guān)系。力和距離的關(guān)系。65.1.2彈性變形

3、的特征和彈性模量彈性變形的特征和彈性模量 彈性變形的主要特征是：彈性變形的主要特征是： （1）理想的彈性變形是）理想的彈性變形是可逆變形可逆變形，加載時(shí)變形，加載時(shí)變形，卸載時(shí)變形消失并恢復(fù)原狀卸載時(shí)變形消失并恢復(fù)原狀 。（2）金屬、陶瓷和部分高分子材料不論是加載）金屬、陶瓷和部分高分子材料不論是加載或卸載時(shí)，只要在彈性變形范圍內(nèi)，其應(yīng)力與應(yīng)或卸載時(shí)，只要在彈性變形范圍內(nèi)，其應(yīng)力與應(yīng)變之間都保持變之間都保持單值線性函數(shù)關(guān)系單值線性函數(shù)關(guān)系，即即服從虎克（服從虎克（Hooke）定律）定律：在正應(yīng)力下，在正應(yīng)力下，= E，在切應(yīng)力下，在切應(yīng)力下，=G，式中，式中， ， 分別為正應(yīng)力和切應(yīng)力；分別為

4、正應(yīng)力和切應(yīng)力； ， 分別為正應(yīng)變和切應(yīng)變；分別為正應(yīng)變和切應(yīng)變；E，G分別為彈性模量（楊氏模量）和切變模量分別為彈性模量（楊氏模量）和切變模量Robert Hooke 1635 17037彈性模量與切變彈性模量之間的關(guān)系為：彈性模量與切變彈性模量之間的關(guān)系為：式中，式中，v為材料泊松比為材料泊松比，表示，表示側(cè)向收縮能力側(cè)向收縮能力。一般金屬材。一般金屬材料的泊松比在料的泊松比在0.250.35之間，高分子材料則相對(duì)較大些之間，高分子材料則相對(duì)較大些。彈性模量彈性模量代表著使原子離開平衡位置的難易程度代表著使原子離開平衡位置的難易程度。表征晶體表征晶體中中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物

5、理量。金剛石一類的的物理量。金剛石一類的共價(jià)鍵晶體共價(jià)鍵晶體原原子間結(jié)合力很大，子間結(jié)合力很大，彈性模量很高彈性模量很高；金屬和離子晶體的相對(duì)較；金屬和離子晶體的相對(duì)較低；分子鍵的固體如塑料、橡膠等的鍵合力更弱，彈性模量低；分子鍵的固體如塑料、橡膠等的鍵合力更弱，彈性模量更低，通常比金屬材料的低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。更低，通常比金屬材料的低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 89（3）彈性變形量隨材料的不同而異）彈性變形量隨材料的不同而異 多數(shù)金屬材料多數(shù)金屬材料線性線性彈性變量彈性變量不超過不超過0.5%高分子材料高分子材料非線性非線性高彈性變量高彈性變量最高可達(dá)最高可達(dá)1000%低于比例極低于比例極限限p的應(yīng)力的應(yīng)力范圍

6、內(nèi)范圍內(nèi) 符合符合虎克虎克定律定律 一般情況一般情況不符不符合虎合虎克定克定律律 105.1.3彈性的不完整性彈性的不完整性多數(shù)工程上應(yīng)用的材料為多晶體甚至為非晶態(tài)或者是兩者多數(shù)工程上應(yīng)用的材料為多晶體甚至為非晶態(tài)或者是兩者皆有的物質(zhì)，其皆有的物質(zhì)，其內(nèi)部存在各種類型的缺陷內(nèi)部存在各種類型的缺陷，彈性變形時(shí)，彈性變形時(shí)，可能出現(xiàn)可能出現(xiàn)加載線與卸載線不重合加載線與卸載線不重合、應(yīng)變的發(fā)展跟不上應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展跟不上應(yīng)力的變化等有別于理想彈性變形特點(diǎn)的現(xiàn)象，稱之為的變化等有別于理想彈性變形特點(diǎn)的現(xiàn)象，稱之為彈性的彈性的不完整性不完整性。彈性的彈性的不完整性不完整性包申格效應(yīng)包申格效應(yīng) 彈性后效彈性

7、后效 彈性滯后彈性滯后 111包申格效應(yīng)包申格效應(yīng) 材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（小于材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（小于4），而后同向），而后同向加載則加載則 e升高，反向加載則升高，反向加載則 e下降。此現(xiàn)象稱之為下降。此現(xiàn)象稱之為包申格效包申格效應(yīng)應(yīng)，它是多晶體金屬材料的普遍現(xiàn)象。它是多晶體金屬材料的普遍現(xiàn)象。 2彈性后效彈性后效一些實(shí)際晶體，在加載或卸載一些實(shí)際晶體，在加載或卸載時(shí)，應(yīng)變不是瞬時(shí)達(dá)到其平衡時(shí)，應(yīng)變不是瞬時(shí)達(dá)到其平衡值，而是通過一種弛豫過程來值，而是通過一種弛豫過程來完成其變化的。這種在彈性極完成其變化的。這種在彈性極限限 e范圍內(nèi)，應(yīng)變滯后于外加范圍內(nèi)，應(yīng)變滯后于外加

8、應(yīng)力，并和應(yīng)力，并和時(shí)間時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象稱有關(guān)的現(xiàn)象稱為為彈性后效彈性后效或或滯彈性滯彈性。c應(yīng)變應(yīng)變adOcabanan00時(shí)間時(shí)間恒應(yīng)力下的應(yīng)變弛豫恒應(yīng)力下的應(yīng)變弛豫12由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，在由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，在-曲線上使加載線與卸載線曲線上使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，稱之為不重合而形成一封閉回線，稱之為彈性滯后彈性滯后。3.彈性滯后彈性滯后OOO(a)(b)(d)(c) 彈性滯后彈性滯后(環(huán)環(huán))與循環(huán)韌性與循環(huán)韌性 (a)單向加載單向加載; (b)交變加載交變加載(慢慢); (c)交變加載交變加載(快快); (d)交變加載塑性滯后交變加載塑性滯后135.1.4 粘彈性粘彈性

9、變形形式除了彈性變形、塑性變形外還有一種粘性流動(dòng)。變形形式除了彈性變形、塑性變形外還有一種粘性流動(dòng)。粘性流動(dòng)粘性流動(dòng)：非晶態(tài)固體和液體在很小外力作用下便會(huì)發(fā)生沒非晶態(tài)固體和液體在很小外力作用下便會(huì)發(fā)生沒有確定形狀的流變，并且在外力去除后，形變不能回復(fù)。有確定形狀的流變，并且在外力去除后，形變不能回復(fù)。 純粘性流動(dòng)服從純粘性流動(dòng)服從牛頓粘性流動(dòng)定律牛頓粘性流動(dòng)定律：ddt式中 為應(yīng)力， 為應(yīng)變速率， 稱為拈度系數(shù)，反映了流體的內(nèi)摩擦力，即流體流動(dòng)的難易程度，其單位是Pa s14一些非晶體，有時(shí)甚至多晶體，在比較小的應(yīng)力時(shí)可以一些非晶體，有時(shí)甚至多晶體，在比較小的應(yīng)力時(shí)可以同時(shí)表現(xiàn)出彈性和粘性，這

10、就是同時(shí)表現(xiàn)出彈性和粘性，這就是粘彈性現(xiàn)象粘彈性現(xiàn)象。1.Maxwell 模型模型 對(duì)解釋應(yīng)力松弛特別有用對(duì)解釋應(yīng)力松弛特別有用E應(yīng)力隨時(shí)間的變化應(yīng)力隨時(shí)間的變化00( )exp()exp()EtttE式中，稱為松弛系數(shù)15E2.Voight 模型模型可用來描述蠕變回復(fù)、彈性后可用來描述蠕變回復(fù)、彈性后效和彈性記憶等過程效和彈性記憶等過程。粘彈性變形粘彈性變形的特點(diǎn)是的特點(diǎn)是應(yīng)變落后于應(yīng)力應(yīng)變落后于應(yīng)力。當(dāng)加上周期應(yīng)力時(shí)，。當(dāng)加上周期應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線就成一回線，所包含的面積即為應(yīng)力循環(huán)應(yīng)變曲線就成一回線，所包含的面積即為應(yīng)力循環(huán)一周所損耗的能量，即內(nèi)耗一周所損耗的能量，即內(nèi)耗 （循環(huán)

11、韌性）。（循環(huán)韌性）。( )dtEdt1617本章本章 章節(jié)結(jié)構(gòu)章節(jié)結(jié)構(gòu)5.1彈性和粘彈性彈性和粘彈性 5.2晶體的塑性變形晶體的塑性變形 5.3回復(fù)和再結(jié)晶回復(fù)和再結(jié)晶 5.4熱變形與動(dòng)態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶熱變形與動(dòng)態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶5.5陶瓷材料變形的特點(diǎn)陶瓷材料變形的特點(diǎn)5.6高聚物的塑性變形高聚物的塑性變形 5.2晶體的塑性變形晶體的塑性變形 5.2.1單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形主要主要滑移滑移孿生孿生扭折扭折高溫情況高溫情況擴(kuò)散性變形擴(kuò)散性變形晶界滑動(dòng)和移動(dòng)晶界滑動(dòng)和移動(dòng)181滑移滑移 a滑移線滑移線與與滑移帶滑移帶 當(dāng)應(yīng)力超過晶體的彈性極限后，晶體中就會(huì)產(chǎn)生當(dāng)應(yīng)力超過晶體的彈性極限后，

12、晶體中就會(huì)產(chǎn)生層片之間層片之間的的相相對(duì)滑移對(duì)滑移，大量的層片間滑動(dòng)的累積就構(gòu)成晶體的宏觀，大量的層片間滑動(dòng)的累積就構(gòu)成晶體的宏觀塑性變形塑性變形。晶體塑性變形的晶體塑性變形的不均不均勻性，滑移勻性，滑移只是集中只是集中發(fā)生在一些晶面上，發(fā)生在一些晶面上，而滑移帶或滑移線之而滑移帶或滑移線之間的晶體層片則未產(chǎn)間的晶體層片則未產(chǎn)生變形，只是彼此之生變形，只是彼此之間作間作相對(duì)位移相對(duì)位移 。滑移帶形成示意圖滑移帶形成示意圖19b滑移系滑移系 塑性變形時(shí)位錯(cuò)只沿著一定的塑性變形時(shí)位錯(cuò)只沿著一定的晶面晶面和和晶向晶向運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)，這些晶面和晶向分別稱為晶面和晶向分別稱為“滑移面滑移面”和和“滑移方

13、向滑移方向”。晶體結(jié)構(gòu)不。晶體結(jié)構(gòu)不同，其滑移面和滑移方向也不同同，其滑移面和滑移方向也不同 滑移面滑移面通常是通常是原子的密排面原子的密排面滑移方向滑移方向通常是通常是原子的密排方向原子的密排方向原子密度最大的晶面其原子密度最大的晶面其面間面間距最大距最大，點(diǎn)陣阻力最小點(diǎn)陣阻力最小 最密排方向上的最密排方向上的原子間距原子間距最短最短，即，即位錯(cuò)位錯(cuò)b最小最小 2021一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向合起來叫做一個(gè)一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向合起來叫做一個(gè)滑移系滑移系 在其他條件相同時(shí)，晶體中的在其他條件相同時(shí)，晶體中的滑移系愈多滑移系愈多，滑移過程可能，滑移過程可能采取的采取的空間取向

14、便愈多空間取向便愈多，滑移容易進(jìn)行，它的，滑移容易進(jìn)行，它的塑性便愈好塑性便愈好 面心立方面心立方晶體的滑移系共有晶體的滑移系共有11143=12個(gè)個(gè)；體心立方體心立方晶體，可同時(shí)沿晶體，可同時(shí)沿110112123晶面滑移，故滑移系共有晶面滑移，故滑移系共有11062+112121+123241=48個(gè)個(gè)；而而密排密排六方六方晶體的滑移系僅有晶體的滑移系僅有(0001)13=3個(gè)個(gè)。hcp多晶體的塑性不如多晶體的塑性不如fcc或或bcc的好的好。 22c滑移的臨界分切應(yīng)力滑移的臨界分切應(yīng)力 晶體的滑移是在晶體的滑移是在切應(yīng)力切應(yīng)力作用下進(jìn)行的，但其中許多滑移系并作用下進(jìn)行的，但其中許多滑移系并

15、非同時(shí)參與滑移，而非同時(shí)參與滑移，而只有當(dāng)外力在某一滑移系中的分切應(yīng)力只有當(dāng)外力在某一滑移系中的分切應(yīng)力達(dá)到一定臨界值時(shí)達(dá)到一定臨界值時(shí)，該滑移系方可以首先，該滑移系方可以首先發(fā)生滑移發(fā)生滑移，該分切，該分切應(yīng)力稱為應(yīng)力稱為滑移的臨界分切應(yīng)力滑移的臨界分切應(yīng)力?；频呐R界分切應(yīng)力滑移的臨界分切應(yīng)力是一個(gè)真實(shí)反映單晶體受力是一個(gè)真實(shí)反映單晶體受力起始屈服起始屈服的物理量。其數(shù)值與晶體的類型、純度，以及溫度等因素的物理量。其數(shù)值與晶體的類型、純度，以及溫度等因素有關(guān)，還與該晶體的加工和處理狀態(tài)、變形速度，以及滑有關(guān)，還與該晶體的加工和處理狀態(tài)、變形速度，以及滑移系類型等因素有關(guān)移系類型等因素有關(guān)。

16、cos cosFA23cosA法法線線滑移方滑移方向向FFA計(jì)算分切應(yīng)力的示意圖計(jì)算分切應(yīng)力的示意圖F在滑移方向的分力為在滑移方向的分力為cosF滑移面的面積為滑移面的面積為/cosA外力對(duì)滑移面的外力對(duì)滑移面的分切應(yīng)力分切應(yīng)力為為cos cosFAcos cos為為取向因子取向因子451當(dāng)，取向因子有最大值2F/A 為為宏觀上的起始屈服強(qiáng)度宏觀上的起始屈服強(qiáng)度240121084260.10.10.30.30.5900cos cos鎂晶體拉伸的屈服應(yīng)力與晶體鎂晶體拉伸的屈服應(yīng)力與晶體 取向的關(guān)系取向的關(guān)系當(dāng)當(dāng)9090或或9090時(shí)時(shí)s均均為無限大為無限大當(dāng)滑移面與外力方向平行，當(dāng)滑移面與外力方

17、向平行，或垂直時(shí)不可能產(chǎn)生滑移或垂直時(shí)不可能產(chǎn)生滑移當(dāng)當(dāng)45時(shí)，時(shí)，s最小，即最小，即產(chǎn)生滑移的產(chǎn)生滑移的最小分切應(yīng)力最小分切應(yīng)力通常稱取向因子大的為通常稱取向因子大的為軟取軟取向向，取向因子小的為，取向因子小的為硬取向硬取向屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力(s)25d滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng) 單晶體滑移時(shí)，除滑移面發(fā)生相對(duì)位移外，往往伴隨著單晶體滑移時(shí)，除滑移面發(fā)生相對(duì)位移外，往往伴隨著晶晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)面的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)于只有一組滑移面的，對(duì)于只有一組滑移面的hcp，這種現(xiàn)象尤為明顯，這種現(xiàn)象尤為明顯 FFFF拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)單晶發(fā)生滑移拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)單晶發(fā)生滑移與轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖與轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖由于拉伸夾頭不能做由于拉伸夾頭不

18、能做橫向動(dòng)作，單晶體的橫向動(dòng)作，單晶體的取向必須進(jìn)行相應(yīng)的取向必須進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)，滑移面區(qū)域平滑移面區(qū)域平行軸向行軸向2612121122單晶拉伸時(shí)晶體轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶作用單晶拉伸時(shí)晶體轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶作用單晶發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶作用機(jī)制單晶發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶作用機(jī)制a中，在力偶作用下中，在力偶作用下滑移面滑移面將產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)并逐漸趨于將產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)并逐漸趨于與軸向與軸向平行平行ab有有效效分分切切應(yīng)應(yīng)力力使滑移方向轉(zhuǎn)使滑移方向轉(zhuǎn)至最大分切應(yīng)至最大分切應(yīng)力方向力方向27 晶體受壓時(shí)的晶面轉(zhuǎn)動(dòng)晶體受壓時(shí)的晶面轉(zhuǎn)動(dòng) (a)壓縮前壓縮前 (b)壓縮后壓縮后晶體晶體受壓變形受壓變形時(shí)也要發(fā)生時(shí)也要發(fā)生晶面轉(zhuǎn)動(dòng)晶面轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)動(dòng)

19、的結(jié)果是使，但轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果是使滑移滑移面逐漸趨于與壓力軸線相垂直面逐漸趨于與壓力軸線相垂直晶體在滑移時(shí)滑移面晶體在滑移時(shí)滑移面發(fā)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)生轉(zhuǎn)動(dòng)，滑移方向，滑移方向也會(huì)也會(huì)改變。導(dǎo)致滑移面上的改變。導(dǎo)致滑移面上的分切應(yīng)力分切應(yīng)力也也隨之變化隨之變化由于由于45時(shí)分切應(yīng)時(shí)分切應(yīng)力最大力最大。滑移轉(zhuǎn)動(dòng)后滑移轉(zhuǎn)動(dòng)后趨近趨近45，分切應(yīng)力增，分切應(yīng)力增大有利滑移；大有利滑移；遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離45，分切應(yīng)力逐漸減，分切應(yīng)力逐漸減小小，滑移趨于困難滑移趨于困難。28e多系滑移多系滑移 對(duì)于具有多組滑移系的晶體，對(duì)于具有多組滑移系的晶體，滑移首先在取向最有利的滑移滑移首先在取向最有利的滑移系（其分切應(yīng)力最大）中進(jìn)行系（

20、其分切應(yīng)力最大）中進(jìn)行，但由于變形時(shí)晶面轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)，但由于變形時(shí)晶面轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，另一組滑移面上的分切應(yīng)力也可能逐漸增加到足以發(fā)生果，另一組滑移面上的分切應(yīng)力也可能逐漸增加到足以發(fā)生滑移的臨界值以上，于是晶體的滑移就可能在兩組或更多的滑移的臨界值以上，于是晶體的滑移就可能在兩組或更多的滑移面上同時(shí)進(jìn)行或交替地進(jìn)行，從而產(chǎn)生滑移面上同時(shí)進(jìn)行或交替地進(jìn)行，從而產(chǎn)生多系滑移多系滑移 f滑移的位錯(cuò)機(jī)制滑移的位錯(cuò)機(jī)制 實(shí)際測(cè)得晶體滑移的臨界分切應(yīng)力值較理論計(jì)算值低實(shí)際測(cè)得晶體滑移的臨界分切應(yīng)力值較理論計(jì)算值低34個(gè)數(shù)量級(jí)，表個(gè)數(shù)量級(jí)，表明晶體滑移并不是晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著滑移面作剛性整體明晶體滑移

21、并不是晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿著滑移面作剛性整體位移，而是位移，而是借助位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)來逐步地進(jìn)行的借助位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)來逐步地進(jìn)行的 晶體的滑移必須在一定的外力作用下才能發(fā)生，晶體的滑移必須在一定的外力作用下才能發(fā)生，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)要克服阻力要克服阻力 2912圖中圖中1和和2為等同位置，當(dāng)位錯(cuò)處于為等同位置，當(dāng)位錯(cuò)處于這種平衡位置時(shí)，其能量最小，相這種平衡位置時(shí)，其能量最小，相當(dāng)于處在能谷中。當(dāng)位錯(cuò)從位置當(dāng)于處在能谷中。當(dāng)位錯(cuò)從位置1移移動(dòng)到位置動(dòng)到位置2時(shí)，需要越過一個(gè)時(shí)，需要越過一個(gè)勢(shì)壘勢(shì)壘，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)遇到位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)遇到點(diǎn)陣阻力點(diǎn)陣阻力。由。由于派爾斯（于派爾斯

22、（Peierls）和納巴）和納巴羅羅（Nabarro）首先估算了這一阻力，）首先估算了這一阻力，故又稱為故又稱為派派-納（納（P-N）力）力 2222expexp1(1)1P NGdGWbb式中，式中，b為滑移方向上的為滑移方向上的原子間距原子間距，d為滑移面的為滑移面的面間距面間距，為為泊松比泊松比，W=d/(1-)代表代表位錯(cuò)寬度位錯(cuò)寬度 302孿生孿生a孿生變形過程孿生變形過程 切變并未使晶體的點(diǎn)陣類型發(fā)生變化，但它卻使切變并未使晶體的點(diǎn)陣類型發(fā)生變化，但它卻使均勻切變均勻切變區(qū)區(qū)中的中的晶體取向發(fā)生變更晶體取向發(fā)生變更，變?yōu)榕c未切變區(qū)晶體呈鏡面對(duì)，變?yōu)榕c未切變區(qū)晶體呈鏡面對(duì)稱的取向稱的

23、取向,這一變形過程稱為這一變形過程稱為孿生孿生 31b孿生的特點(diǎn)孿生的特點(diǎn) （1）孿生變形也是在）孿生變形也是在切應(yīng)力切應(yīng)力作用下發(fā)生的，并通常出現(xiàn)于作用下發(fā)生的，并通常出現(xiàn)于滑移受阻而引起的應(yīng)力集中區(qū)滑移受阻而引起的應(yīng)力集中區(qū)，因此，孿生所需的，因此，孿生所需的臨界切臨界切應(yīng)力要比滑移時(shí)大得多應(yīng)力要比滑移時(shí)大得多。 （2）孿生是一種）孿生是一種均勻切變均勻切變，即切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平行的，即切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平行的每一層原子面均相對(duì)于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定每一層原子面均相對(duì)于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距離，且每一層原子相對(duì)于孿生面的切變量跟它與孿生的距離，且每一層原子相對(duì)于孿生面的

24、切變量跟它與孿生面的距離成正比面的距離成正比 （3）孿晶的兩部分晶體形成）孿晶的兩部分晶體形成鏡面對(duì)稱鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系的位向關(guān)系 32c孿晶的形成孿晶的形成 形成孿晶的主要三種方式形成孿晶的主要三種方式“變形孿晶變形孿晶” 通過通過機(jī)械變形機(jī)械變形而產(chǎn)生的孿晶，而產(chǎn)生的孿晶，也稱為也稱為 “機(jī)械孿晶機(jī)械孿晶”，它的特征通常，它的特征通常呈透鏡呈透鏡狀或片狀狀或片狀 “生長(zhǎng)孿晶生長(zhǎng)孿晶”它包括晶體自氣態(tài)（如氣相沉它包括晶體自氣態(tài)（如氣相沉積）、液態(tài)（液相凝固）或固體中長(zhǎng)大時(shí)形積）、液態(tài)（液相凝固）或固體中長(zhǎng)大時(shí)形成的孿晶成的孿晶 “退火孿晶退火孿晶”,變形金屬在其再結(jié)晶退火過變形金屬在其再結(jié)晶

25、退火過程中形成的孿晶，它往往程中形成的孿晶，它往往以相互平行的孿以相互平行的孿晶面為界橫貫整個(gè)晶粒晶面為界橫貫整個(gè)晶粒，是在再結(jié)晶過程，是在再結(jié)晶過程中通過中通過堆垛層錯(cuò)堆垛層錯(cuò)的生長(zhǎng)形成的的生長(zhǎng)形成的 33形核形核長(zhǎng)大長(zhǎng)大所需所需臨界切臨界切應(yīng)力較大應(yīng)力較大，常發(fā)生在應(yīng)常發(fā)生在應(yīng)力高度集中力高度集中的地方，如的地方，如晶界晶界所需所需切切應(yīng)力較應(yīng)力較小小，并，并且長(zhǎng)大且長(zhǎng)大很快很快Mg晶體孿晶需要的切應(yīng)力：晶體孿晶需要的切應(yīng)力：4.9-34.3MPa滑移滑移時(shí)時(shí)的臨界分切應(yīng)力：的臨界分切應(yīng)力：0.49MPa0.1G（Zn單晶）單晶）0.0001G（Zn單晶）單晶）34滑移孿生滑移0.25 0

26、.500.100.751.25 1.502.55.07.510銅單晶在銅單晶在4.2K的拉伸曲線的拉伸曲線當(dāng)應(yīng)力增加到一定值時(shí)出現(xiàn)反復(fù)變當(dāng)應(yīng)力增加到一定值時(shí)出現(xiàn)反復(fù)變化的情況，主要是由化的情況，主要是由孿晶孿晶造成的造成的一段后又呈一段后又呈光滑曲線光滑曲線，由于孿晶造成了晶體方由于孿晶造成了晶體方位的變化，使某些滑移位的變化，使某些滑移系處于有利的位向，于系處于有利的位向，于是開始是開始滑移變形滑移變形35對(duì)稱性低、滑移系少的晶體容易發(fā)生孿生對(duì)稱性低、滑移系少的晶體容易發(fā)生孿生密排六方金屬密排六方金屬 ：孿生面為：孿生面為 1 0 1 2 孿生方向?yàn)閷\生方向?yàn)轶w心立方金屬體心立方金屬 ：孿生

27、面為：孿生面為 1 1 2 孿生方向?yàn)閷\生方向?yàn)槊嫘牧⒎浇饘倜嫘牧⒎浇饘?：孿生面為：孿生面為 1 1 1 孿生方向?yàn)閷\生方向?yàn)?6d孿生的位錯(cuò)機(jī)制孿生的位錯(cuò)機(jī)制 由于孿生變形時(shí)，整個(gè)孿晶區(qū)發(fā)生由于孿生變形時(shí)，整個(gè)孿晶區(qū)發(fā)生均勻切變均勻切變，其各層晶面的相對(duì)位移是，其各層晶面的相對(duì)位移是借助一個(gè)借助一個(gè)不全位錯(cuò)不全位錯(cuò)（肖克萊不全位錯(cuò)）運(yùn)動(dòng)而造成的（肖克萊不全位錯(cuò)）運(yùn)動(dòng)而造成的 C B A C BACBA BC A B CACBA面心立方晶體中孿晶的形成面心立方晶體中孿晶的形成在在111滑移面上有個(gè)全位錯(cuò)滑移面上有個(gè)全位錯(cuò)a/2掃過，滑移兩側(cè)晶掃過，滑移兩側(cè)晶體產(chǎn)生一個(gè)原子間距的相對(duì)體產(chǎn)生一個(gè)

28、原子間距的相對(duì)滑移量，且滑移量，且111面的堆垛順面的堆垛順序不變，為序不變，為ABCABC如果在相互平行且相鄰的一組如果在相互平行且相鄰的一組111上各有一個(gè)肖克萊不全上各有一個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)掃過，各滑移面的相對(duì)位位錯(cuò)掃過，各滑移面的相對(duì)位錯(cuò)就不是一個(gè)原子間距了，而錯(cuò)就不是一個(gè)原子間距了，而是是 ，晶面堆垛順序也變?yōu)椋娑讯忭樞蛞沧優(yōu)锳BCACBACB，這樣就在，這樣就在晶體的上半部形成晶體的上半部形成孿晶孿晶6 /6a373扭折扭折由于各種原因，晶體中不同部由于各種原因，晶體中不同部位的受力情況和形變方式可能位的受力情況和形變方式可能有很大的差異，對(duì)于那些既有很大的差異，對(duì)于那些既不不能

29、進(jìn)行滑移能進(jìn)行滑移也也不能進(jìn)行孿生不能進(jìn)行孿生的的地方，晶體將通過其他方式進(jìn)地方，晶體將通過其他方式進(jìn)行塑性變形行塑性變形 為了使晶體的形狀與外力相適為了使晶體的形狀與外力相適應(yīng)，當(dāng)外力超過某一臨界值時(shí)應(yīng)，當(dāng)外力超過某一臨界值時(shí)晶體將會(huì)產(chǎn)生晶體將會(huì)產(chǎn)生局部彎曲局部彎曲，這種，這種變形方式稱為變形方式稱為扭折扭折 扭折變形與孿生不同，它使扭折區(qū)晶體的扭折變形與孿生不同，它使扭折區(qū)晶體的取向發(fā)生了不對(duì)取向發(fā)生了不對(duì)稱性的變化稱性的變化。扭折是一種協(xié)調(diào)性變形，它能引起。扭折是一種協(xié)調(diào)性變形，它能引起應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛，使晶體不致斷裂使晶體不致斷裂 鎘單晶扭折及其示意圖鎘單晶扭折及其示意圖385.2.2

30、 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形1晶粒取向的影響晶粒取向的影響 室溫下，多晶體中每個(gè)晶粒變形的基本方式與單晶體相同，但由于相室溫下，多晶體中每個(gè)晶粒變形的基本方式與單晶體相同，但由于相鄰晶粒之間鄰晶粒之間取向不同取向不同，以及，以及晶界的存在晶界的存在，因而多晶體的變形既需克服，因而多晶體的變形既需克服晶界的阻礙晶界的阻礙，又要求，又要求各晶粒的變形相互協(xié)調(diào)與配合各晶粒的變形相互協(xié)調(diào)與配合，故多晶體的塑性，故多晶體的塑性變形較為復(fù)雜變形較為復(fù)雜 晶體晶體受力受力晶粒取向?qū)Χ嗑w塑性變形的影響，主要表現(xiàn)在各晶粒變形過程晶粒取向?qū)Χ嗑w塑性變形的影響，主要表現(xiàn)在各晶粒變形過程中的中的相互制約和協(xié)

31、調(diào)性相互制約和協(xié)調(diào)性 有利位置晶有利位置晶粒先滑移粒先滑移形狀改變形狀改變與周圍晶與周圍晶粒協(xié)調(diào)粒協(xié)調(diào)39xxyyzzxyyzxz任意變形都可用 , , , , , 6個(gè)應(yīng)變分量來表示，但塑性變形時(shí)，晶體的體積個(gè)應(yīng)變分量來表示，但塑性變形時(shí)，晶體的體積0VVxxyyzz+不變，故有不變，故有5個(gè)獨(dú)立的應(yīng)變分量個(gè)獨(dú)立的應(yīng)變分量，每個(gè)獨(dú)立的應(yīng)變分量是由一個(gè)獨(dú)立每個(gè)獨(dú)立的應(yīng)變分量是由一個(gè)獨(dú)立滑移系滑移系來產(chǎn)生的，所以來產(chǎn)生的，所以多晶體塑性變形多晶體塑性變形時(shí)要求時(shí)要求每個(gè)晶粒至少能在每個(gè)晶粒至少能在5個(gè)個(gè)獨(dú)立的滑移系上進(jìn)行滑移獨(dú)立的滑移系上進(jìn)行滑移 多晶體的塑性變形就與多晶體的塑性變形就與晶體的結(jié)

32、構(gòu)類型晶體的結(jié)構(gòu)類型有關(guān)：有關(guān)：滑移系甚多的滑移系甚多的面心立方面心立方和和體心立方體心立方晶體能滿足這個(gè)條件，故它們的晶體能滿足這個(gè)條件，故它們的多晶體具有多晶體具有很好的塑性很好的塑性；密排六方晶體密排六方晶體由于滑移系少，晶粒之間的應(yīng)變協(xié)調(diào)性很差，其多晶由于滑移系少，晶粒之間的應(yīng)變協(xié)調(diào)性很差，其多晶體的體的塑性變形能力很低塑性變形能力很低 402晶界的影響晶界的影響晶界上晶界上原子排列不規(guī)則原子排列不規(guī)則，點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重，晶界兩側(cè)的，晶界兩側(cè)的晶粒取向不同晶粒取向不同，滑移方向和滑移面彼此不一致，滑移要從一個(gè)晶粒直接延續(xù)到下一個(gè)滑移方向和滑移面彼此不一致，滑移要從一個(gè)晶粒直接延

33、續(xù)到下一個(gè)晶粒是極其困難的，在晶粒是極其困難的，在室溫下室溫下晶界對(duì)滑移具有阻礙效應(yīng)晶界對(duì)滑移具有阻礙效應(yīng) 對(duì)只有對(duì)只有23個(gè)晶粒的個(gè)晶粒的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)表試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)表明，在明，在晶界處呈竹節(jié)晶界處呈竹節(jié)狀狀 41在變形過程中位錯(cuò)難以通過晶界被堵塞在晶界附近。這種在晶界附在變形過程中位錯(cuò)難以通過晶界被堵塞在晶界附近。這種在晶界附近產(chǎn)生的近產(chǎn)生的位錯(cuò)塞積群位錯(cuò)塞積群會(huì)對(duì)晶內(nèi)的會(huì)對(duì)晶內(nèi)的位錯(cuò)源位錯(cuò)源產(chǎn)生一產(chǎn)生一反作用力反作用力。此反作用。此反作用力隨力隨位錯(cuò)塞積的數(shù)目位錯(cuò)塞積的數(shù)目n而增大而增大 GbLkn0式中，式中， 0為作用于滑移面上為作用于滑移面上外外加分切應(yīng)力加分切應(yīng)力；L為位錯(cuò)

34、源至晶為位錯(cuò)源至晶界之界之距離距離；k為系數(shù)，螺位錯(cuò)為系數(shù)，螺位錯(cuò)k=1，刃位錯(cuò)，刃位錯(cuò)k=1-v。當(dāng)它增當(dāng)它增大到某一數(shù)值時(shí)，可使位錯(cuò)源大到某一數(shù)值時(shí)，可使位錯(cuò)源停止開動(dòng)，使晶體顯著強(qiáng)化停止開動(dòng)，使晶體顯著強(qiáng)化 42對(duì)多晶體而言，對(duì)多晶體而言，外加應(yīng)力外加應(yīng)力必須大至足以必須大至足以激發(fā)大量晶粒中的位錯(cuò)源動(dòng)激發(fā)大量晶粒中的位錯(cuò)源動(dòng)作作，產(chǎn)生滑移，才能覺察到宏觀的塑性變形，產(chǎn)生滑移，才能覺察到宏觀的塑性變形 由于由于晶界數(shù)量晶界數(shù)量直接決定于直接決定于晶粒的大小晶粒的大小，因此，晶界對(duì)多晶體起始，因此，晶界對(duì)多晶體起始塑變抗力的影響可通過晶粒大小直接體現(xiàn)。實(shí)踐證明，多晶體的塑變抗力的影響可通過

35、晶粒大小直接體現(xiàn)。實(shí)踐證明，多晶體的強(qiáng)度隨其晶粒細(xì)化而提高。多晶體的強(qiáng)度隨其晶粒細(xì)化而提高。多晶體的屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s與與晶粒平均直徑晶粒平均直徑d的關(guān)系可用著名的的關(guān)系可用著名的霍爾霍爾佩奇（佩奇（Hall-Petch）公式）公式表示表示 120sKd式中，式中， 0反映晶內(nèi)對(duì)變形的阻力，相當(dāng)于極大單晶的屈服強(qiáng)度；反映晶內(nèi)對(duì)變形的阻力，相當(dāng)于極大單晶的屈服強(qiáng)度；K反反映晶界對(duì)變形的影響系數(shù)，與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)映晶界對(duì)變形的影響系數(shù)，與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān) 43霍爾霍爾佩奇（佩奇（Hall-Petch）公式最初是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，但也可根據(jù)）公式最初是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，但也可根據(jù)位錯(cuò)理論，利用位錯(cuò)群在晶界附近引

36、起的塞積模型導(dǎo)出，位錯(cuò)理論，利用位錯(cuò)群在晶界附近引起的塞積模型導(dǎo)出，屈服點(diǎn)與晶粒大小的關(guān)系屈服點(diǎn)與晶粒大小的關(guān)系44進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明，霍爾進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明，霍爾佩奇公式適用性甚廣，如：佩奇公式適用性甚廣，如： 1、亞晶粒大小或兩相片狀組織的層片間距對(duì)屈服強(qiáng)度的影響、亞晶粒大小或兩相片狀組織的層片間距對(duì)屈服強(qiáng)度的影響2、塑性材料的流變應(yīng)力與晶粒大小之間的關(guān)系、塑性材料的流變應(yīng)力與晶粒大小之間的關(guān)系3、脆性材料的脆斷應(yīng)力與晶粒大小的關(guān)系、脆性材料的脆斷應(yīng)力與晶粒大小的關(guān)系4、金屬材料的疲勞強(qiáng)度、硬度與其晶粒大小的關(guān)系、金屬材料的疲勞強(qiáng)度、硬度與其晶粒大小的關(guān)系一般在室溫使用的結(jié)構(gòu)材料都希望獲得細(xì)小而均

37、勻的晶粒。因?yàn)橐话阍谑覝厥褂玫慕Y(jié)構(gòu)材料都希望獲得細(xì)小而均勻的晶粒。因?yàn)榧?xì)晶粒不僅使材料具有較高的強(qiáng)度、硬度，而且也使它具有良好細(xì)晶粒不僅使材料具有較高的強(qiáng)度、硬度，而且也使它具有良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學(xué)性能的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學(xué)性能 45u 當(dāng)當(dāng)變形溫度變形溫度高于高于0.5Tm（熔點(diǎn)）以上時(shí)，由于原子活動(dòng)（熔點(diǎn)）以上時(shí)，由于原子活動(dòng)能力的增大，以及原子沿晶界的擴(kuò)散速率加快，使高溫下能力的增大，以及原子沿晶界的擴(kuò)散速率加快，使高溫下的的晶界晶界具有一定的粘滯性特點(diǎn)；具有一定的粘滯性特點(diǎn)；u 晶界對(duì)變形的阻力大為減弱晶界對(duì)變形的阻力大為減弱，即使施加很小的應(yīng)力，只，即使

38、施加很小的應(yīng)力，只要作用時(shí)間足夠長(zhǎng)，也會(huì)發(fā)生晶粒沿晶界的相對(duì)滑動(dòng)，成要作用時(shí)間足夠長(zhǎng)，也會(huì)發(fā)生晶粒沿晶界的相對(duì)滑動(dòng)，成為多晶體在高溫時(shí)一種重要的變形方式；為多晶體在高溫時(shí)一種重要的變形方式；u 在高溫時(shí)，多晶體特別是細(xì)晶粒的多晶體還可能出現(xiàn)另在高溫時(shí)，多晶體特別是細(xì)晶粒的多晶體還可能出現(xiàn)另一種稱為一種稱為擴(kuò)散性蠕變的變形機(jī)制擴(kuò)散性蠕變的變形機(jī)制，這個(gè)過程與空位的擴(kuò)散，這個(gè)過程與空位的擴(kuò)散有關(guān)。有關(guān)。46在多晶體材料中往往存在一在多晶體材料中往往存在一“等強(qiáng)溫度等強(qiáng)溫度TE”，低于，低于TE時(shí)，時(shí)，晶界晶界強(qiáng)度強(qiáng)度高于高于晶粒內(nèi)部晶粒內(nèi)部的；高于的；高于TE時(shí)則得到相反的結(jié)果時(shí)則得到相反的結(jié)果

39、晶晶界界晶內(nèi)晶內(nèi)穿晶斷穿晶斷裂裂晶界斷裂晶界斷裂TE溫溫度度強(qiáng)度強(qiáng)度等溫強(qiáng)度示意圖等溫強(qiáng)度示意圖475.2.3 合金的塑性變形合金的塑性變形 按合金組成相不同，主要可分為按合金組成相不同，主要可分為單相固溶體合金單相固溶體合金和和多相合金多相合金，它們的，它們的塑性變形又各具有不同特點(diǎn)塑性變形又各具有不同特點(diǎn) 1單相固溶體合金的塑性變形單相固溶體合金的塑性變形 和純金屬相比最大的區(qū)別在于單相固溶體合金中存在和純金屬相比最大的區(qū)別在于單相固溶體合金中存在溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子對(duì)合金塑性變形的影響主要表現(xiàn)在溶質(zhì)原子對(duì)合金塑性變形的影響主要表現(xiàn)在（1）固溶強(qiáng)化作用固溶強(qiáng)化作用；（2）提高了塑性變形

40、的阻力提高了塑性變形的阻力；（3）有些固溶體會(huì)出現(xiàn)明顯的）有些固溶體會(huì)出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)和和應(yīng)變時(shí)效應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象現(xiàn)象 48a固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 隨溶質(zhì)含量的增加，固溶體的合金的隨溶質(zhì)含量的增加，固溶體的合金的強(qiáng)度、硬度提高強(qiáng)度、硬度提高，而，而塑性塑性有所下降有所下降的現(xiàn)象的現(xiàn)象CuNi204060801004070608050HBHBb0100200300400b/MPa1020304050/%銅鎳固溶體的力學(xué)性能和成分的關(guān)系銅鎳固溶體的力學(xué)性能和成分的關(guān)系49溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子的加入不僅的加入不僅提高了整個(gè)應(yīng)力提高了整個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的水平應(yīng)變曲線的水平，而且使合金，而且使合金的的加工硬化

41、速率增大加工硬化速率增大 真應(yīng)力真應(yīng)力/MPa1002000.10.20.30Mg3.28%1.617%1.097%0.554%0%鋁溶有鎂后的應(yīng)力應(yīng)變曲線鋁溶有鎂后的應(yīng)力應(yīng)變曲線50不同溶質(zhì)原子所引起的固溶強(qiáng)化效果存在很大差別（如下圖）不同溶質(zhì)原子所引起的固溶強(qiáng)化效果存在很大差別（如下圖） SnAuNiSi01232.55.07.5原子數(shù)分?jǐn)?shù)原子數(shù)分?jǐn)?shù) /臨界切應(yīng)力臨界切應(yīng)力 /MPa溶入合金元素對(duì)銅單晶溶入合金元素對(duì)銅單晶臨界切應(yīng)力的影響臨界切應(yīng)力的影響影響固溶強(qiáng)化的主要因素影響固溶強(qiáng)化的主要因素有：有：（1）溶質(zhì)原子的原子數(shù)分?jǐn)?shù)越高，溶質(zhì)原子的原子數(shù)分?jǐn)?shù)越高，強(qiáng)化作用也越大強(qiáng)化作用也越大

42、，特別是當(dāng)原子數(shù)，特別是當(dāng)原子數(shù)分?jǐn)?shù)很低時(shí)的強(qiáng)化效應(yīng)更為顯著分?jǐn)?shù)很低時(shí)的強(qiáng)化效應(yīng)更為顯著 （2）溶質(zhì)原子與基體金屬的）溶質(zhì)原子與基體金屬的原子尺原子尺寸相差越大，強(qiáng)化作用也越大寸相差越大，強(qiáng)化作用也越大。 （3）間隙型溶質(zhì)原子間隙型溶質(zhì)原子比比置換原子置換原子具具有較大的固溶強(qiáng)化效果有較大的固溶強(qiáng)化效果 （4）溶質(zhì)原子與基體金屬的）溶質(zhì)原子與基體金屬的價(jià)電子數(shù)相差價(jià)電子數(shù)相差越大，固溶強(qiáng)化作用越顯著。越大，固溶強(qiáng)化作用越顯著。 固溶強(qiáng)化的原因固溶強(qiáng)化的原因：溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用、化學(xué)交互作用和靜電交互作用等溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用、化學(xué)交互作用和靜電交互作用等51b屈服現(xiàn)象與應(yīng)變時(shí)

43、效屈服現(xiàn)象與應(yīng)變時(shí)效 低碳鋼退火態(tài)的工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線及屈服現(xiàn)象低碳鋼退火態(tài)的工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線及屈服現(xiàn)象 當(dāng)應(yīng)力達(dá)到當(dāng)應(yīng)力達(dá)到上屈服點(diǎn)上屈服點(diǎn)時(shí)，時(shí)，首先在試樣的首先在試樣的應(yīng)力集中處開應(yīng)力集中處開始塑性變形始塑性變形，并在試樣表面，并在試樣表面產(chǎn)生一個(gè)與拉伸軸約成產(chǎn)生一個(gè)與拉伸軸約成45交角的交角的變形帶變形帶-呂德斯呂德斯（Lders）帶）帶 與此同時(shí)，應(yīng)力降到下屈與此同時(shí)，應(yīng)力降到下屈服點(diǎn)。隨后這種變形帶沿服點(diǎn)。隨后這種變形帶沿試樣長(zhǎng)度方向不斷形成與試樣長(zhǎng)度方向不斷形成與擴(kuò)展，從而產(chǎn)生擴(kuò)展，從而產(chǎn)生拉伸曲線拉伸曲線平臺(tái)平臺(tái)的的屈服伸長(zhǎng)屈服伸長(zhǎng) 應(yīng)力的每一次微小波動(dòng)，即對(duì)應(yīng)應(yīng)力的每一次微

44、小波動(dòng)，即對(duì)應(yīng)一個(gè)一個(gè)新變形帶新變形帶的形成的形成當(dāng)屈服當(dāng)屈服擴(kuò)展到整個(gè)試樣標(biāo)距范圍擴(kuò)展到整個(gè)試樣標(biāo)距范圍時(shí)，屈服延伸階段就告結(jié)束時(shí)，屈服延伸階段就告結(jié)束 52通常認(rèn)為在固溶體合金中，溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子可以與位錯(cuò)交互作用而通常認(rèn)為在固溶體合金中，溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子可以與位錯(cuò)交互作用而形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)，即所謂的形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)，即所謂的Cottrell氣團(tuán)氣團(tuán) 間隙型溶質(zhì)原子間隙型溶質(zhì)原子和和位錯(cuò)位錯(cuò)的交互作用很強(qiáng)，位錯(cuò)被牢固地釘?shù)慕换プ饔煤軓?qiáng)，位錯(cuò)被牢固地釘扎住。位錯(cuò)要運(yùn)動(dòng)，必須扎住。位錯(cuò)要運(yùn)動(dòng)，必須在更大的應(yīng)力作用下才能掙脫在更大的應(yīng)力作用下才能掙脫Cottrell氣團(tuán)的釘扎氣團(tuán)的釘扎而移動(dòng)

45、，這就形成了而移動(dòng)，這就形成了上屈服點(diǎn)上屈服點(diǎn)；而一；而一旦掙脫之后位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)就比較容易，因此有旦掙脫之后位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)就比較容易，因此有應(yīng)力降落應(yīng)力降落，出，出現(xiàn)下現(xiàn)下屈服點(diǎn)和水平臺(tái)屈服點(diǎn)和水平臺(tái) 屈服現(xiàn)象的物理本質(zhì)屈服現(xiàn)象的物理本質(zhì) 1.Cottrell氣團(tuán)理論氣團(tuán)理論53屈服現(xiàn)象的物理本質(zhì)屈服現(xiàn)象的物理本質(zhì) 2.位錯(cuò)增殖理論位錯(cuò)增殖理論mv b由位錯(cuò)理論得由位錯(cuò)理論得位錯(cuò)的平均運(yùn)動(dòng)速度位錯(cuò)的平均運(yùn)動(dòng)速度0()mvm為應(yīng)力敏感指數(shù)，與材料無關(guān)為應(yīng)力敏感指數(shù)，與材料無關(guān)mv在拉伸試驗(yàn)中， 接近恒值，塑性變形前，較低，要使 不變就要使v增大,要使 增大，就要提高 ，這就是上屈服點(diǎn)應(yīng)力高的原因mmv

46、塑性變形開始后，位錯(cuò)迅速增殖，迅速增大，此時(shí) 仍維持一定值，故迅速增大會(huì)導(dǎo)致 突然下降，于是所需的應(yīng)力 也突然下降，產(chǎn)生了屈服降落，這也就是下屈服點(diǎn)應(yīng)力較低的原因54與低碳鋼屈服現(xiàn)象相關(guān)連的還存在一種與低碳鋼屈服現(xiàn)象相關(guān)連的還存在一種應(yīng)變時(shí)效應(yīng)變時(shí)效行為行為 低碳鋼的拉伸試驗(yàn)低碳鋼的拉伸試驗(yàn) a-預(yù)塑性變形預(yù)塑性變形 ；b-去載后立即再行加去載后立即再行加載載 ；c-去載后放置一段時(shí)間或在去載后放置一段時(shí)間或在200加熱后再加載加熱后再加載 當(dāng)退火狀態(tài)低碳鋼試樣拉伸到超過屈服點(diǎn)發(fā)當(dāng)退火狀態(tài)低碳鋼試樣拉伸到超過屈服點(diǎn)發(fā)生少量塑性變形后（生少量塑性變形后（a）卸載，然后立即重新）卸載，然后立即重新

47、加載拉伸，則可見其拉伸曲線加載拉伸，則可見其拉伸曲線不再出現(xiàn)屈服不再出現(xiàn)屈服點(diǎn)點(diǎn)（b），此時(shí)試樣不發(fā)生屈服現(xiàn)象。），此時(shí)試樣不發(fā)生屈服現(xiàn)象。如果是將預(yù)變形試樣在常溫下放置幾天或經(jīng)如果是將預(yù)變形試樣在常溫下放置幾天或經(jīng)200左右短時(shí)加熱后再行拉伸，則左右短時(shí)加熱后再行拉伸，則屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象又復(fù)出現(xiàn)又復(fù)出現(xiàn)，且屈服應(yīng)力進(jìn)一步提高（，且屈服應(yīng)力進(jìn)一步提高（c），此），此現(xiàn)象通常稱為現(xiàn)象通常稱為應(yīng)變時(shí)效應(yīng)變時(shí)效 Cottrell氣團(tuán)理論氣團(tuán)理論能很好地解釋低碳鋼能很好地解釋低碳鋼的應(yīng)變時(shí)效。當(dāng)卸載后立即重新加載，的應(yīng)變時(shí)效。當(dāng)卸載后立即重新加載，由于位錯(cuò)已經(jīng)掙脫出氣團(tuán)的釘扎，故由于位錯(cuò)已經(jīng)掙脫出氣團(tuán)

48、的釘扎，故不出現(xiàn)屈服點(diǎn)；不出現(xiàn)屈服點(diǎn)；如果卸載后放置較長(zhǎng)時(shí)間或經(jīng)時(shí)效則溶質(zhì)原子已經(jīng)通過擴(kuò)散而重新聚如果卸載后放置較長(zhǎng)時(shí)間或經(jīng)時(shí)效則溶質(zhì)原子已經(jīng)通過擴(kuò)散而重新聚集到位錯(cuò)周圍集到位錯(cuò)周圍形成了氣團(tuán)形成了氣團(tuán)，故屈服現(xiàn)象又復(fù)出現(xiàn)，故屈服現(xiàn)象又復(fù)出現(xiàn) 552多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形 由于第二相的數(shù)量、尺寸、形狀和分布不同，它與基體相的結(jié)合狀況由于第二相的數(shù)量、尺寸、形狀和分布不同，它與基體相的結(jié)合狀況不一、以及第二相的形變特征與基體相的差異，使得多相合金的塑性不一、以及第二相的形變特征與基體相的差異，使得多相合金的塑性變形更加復(fù)雜變形更加復(fù)雜 根據(jù)第二相粒子的根據(jù)第二相粒子的尺寸大小尺寸大

49、小可將合金分成兩大類：可將合金分成兩大類： 第二相粒子與基體晶粒尺寸屬同一數(shù)量級(jí)，第二相粒子與基體晶粒尺寸屬同一數(shù)量級(jí)， 稱為稱為聚合型兩相合金聚合型兩相合金 第二相粒子細(xì)小而彌散地分布在基體晶粒中，第二相粒子細(xì)小而彌散地分布在基體晶粒中， 稱為稱為彌散分布型兩相合金彌散分布型兩相合金 56a聚合型合金的塑性變形聚合型合金的塑性變形 當(dāng)組成合金的兩相晶粒尺寸屬同一數(shù)量級(jí)，且都為當(dāng)組成合金的兩相晶粒尺寸屬同一數(shù)量級(jí)，且都為塑性相塑性相時(shí)，時(shí)，則合金的變形能力取決于則合金的變形能力取決于兩相的體積分?jǐn)?shù)兩相的體積分?jǐn)?shù) 作為一級(jí)近似，可以分別假設(shè)合金變形時(shí)兩相的應(yīng)變相同和應(yīng)力作為一級(jí)近似，可以分別假設(shè)

50、合金變形時(shí)兩相的應(yīng)變相同和應(yīng)力相同，于是相同，于是1 122 1 12 2 121212121、分別為兩相的體積分?jǐn)?shù)（ ），、分別為一定應(yīng)變時(shí)的兩相流變應(yīng)力； 、分別為一定應(yīng)變時(shí)的兩相應(yīng)變57上述假設(shè)及其混合律只能作為第二相體積分?jǐn)?shù)影響的上述假設(shè)及其混合律只能作為第二相體積分?jǐn)?shù)影響的定性估算定性估算，實(shí)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)證明，這類合金在發(fā)生塑性變形時(shí)，滑移往往首先發(fā)生在明，這類合金在發(fā)生塑性變形時(shí)，滑移往往首先發(fā)生在較軟的相較軟的相中，如中，如果較強(qiáng)相數(shù)量較少時(shí)，則塑性變形基本上是在較弱的相中；只有當(dāng)果較強(qiáng)相數(shù)量較少時(shí)，則塑性變形基本上是在較弱的相中；只有當(dāng)?shù)诙诙酁檩^強(qiáng)相相為較強(qiáng)相，且體積分?jǐn)?shù)，且

51、體積分?jǐn)?shù) 大于大于30時(shí)，才能起明顯的強(qiáng)化作用時(shí)，才能起明顯的強(qiáng)化作用 58如果聚合型合金兩相中，一個(gè)是如果聚合型合金兩相中，一個(gè)是塑性相塑性相，一個(gè)是一個(gè)是脆性相脆性相，則合金在塑性變形過程，則合金在塑性變形過程中所表現(xiàn)的性能，不僅取決于中所表現(xiàn)的性能，不僅取決于第二相的第二相的相對(duì)數(shù)量相對(duì)數(shù)量，而且，而且與其形狀、大小和分布與其形狀、大小和分布密切相關(guān)密切相關(guān)。59b彌散分布型合金的塑性變形彌散分布型合金的塑性變形 當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時(shí)，將當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。第二相粒子的強(qiáng)化作用第二相粒子的強(qiáng)化

52、作用是通過是通過其其對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用而表現(xiàn)出來的。作用而表現(xiàn)出來的。通 常 可 將 第通 常 可 將 第二 相 粒 子 分二 相 粒 子 分為兩類為兩類 不可變形的不可變形的：彌散強(qiáng)化型合金中的第二相粒子：彌散強(qiáng)化型合金中的第二相粒子 借助粉末冶金加入的借助粉末冶金加入的可變形的可變形的：沉淀型粒子：沉淀型粒子 通過時(shí)效處理從過飽和固溶體中析出通過時(shí)效處理從過飽和固溶體中析出60（1）不可變形粒子的強(qiáng)化作用）不可變形粒子的強(qiáng)化作用 當(dāng)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與其相遇時(shí)，將受當(dāng)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與其相遇時(shí)，將受到粒子阻擋，使到粒子阻擋，使位錯(cuò)線繞著它位錯(cuò)線繞著它發(fā)生彎曲發(fā)生彎曲。隨著外加應(yīng)力的增。隨著

53、外加應(yīng)力的增大，位錯(cuò)線受阻部分的彎曲更大，位錯(cuò)線受阻部分的彎曲更劇，以致圍繞著粒子的位錯(cuò)線劇，以致圍繞著粒子的位錯(cuò)線在左右兩邊相遇，于是正負(fù)位在左右兩邊相遇，于是正負(fù)位錯(cuò)彼此抵消，錯(cuò)彼此抵消，形成包圍著粒子形成包圍著粒子的位錯(cuò)環(huán)的位錯(cuò)環(huán)留下，而位錯(cuò)線的其留下，而位錯(cuò)線的其余部分則越過粒子繼續(xù)移動(dòng)。余部分則越過粒子繼續(xù)移動(dòng)。顯然，位錯(cuò)按這種方式移動(dòng)時(shí)受到的阻力是很大的，而且每個(gè)留下的顯然，位錯(cuò)按這種方式移動(dòng)時(shí)受到的阻力是很大的，而且每個(gè)留下的位位錯(cuò)環(huán)要作用于位錯(cuò)源一反向應(yīng)力錯(cuò)環(huán)要作用于位錯(cuò)源一反向應(yīng)力，故繼續(xù)變形時(shí)必須增大應(yīng)力以克服此，故繼續(xù)變形時(shí)必須增大應(yīng)力以克服此反向應(yīng)力，使反向應(yīng)力，使流變

54、應(yīng)力迅速提高流變應(yīng)力迅速提高 61根據(jù)位錯(cuò)理論，迫使位錯(cuò)線彎曲到曲率半徑為根據(jù)位錯(cuò)理論，迫使位錯(cuò)線彎曲到曲率半徑為R時(shí)所需切應(yīng)力為時(shí)所需切應(yīng)力為G bR2R= /2，位錯(cuò)線彎曲到該狀態(tài)所需切應(yīng)力為，位錯(cuò)線彎曲到該狀態(tài)所需切應(yīng)力為 G b上述位錯(cuò)繞過障礙物的機(jī)制是由奧羅萬（上述位錯(cuò)繞過障礙物的機(jī)制是由奧羅萬（EOrowan）首）首先提出的，故通常稱為先提出的，故通常稱為奧羅萬機(jī)制奧羅萬機(jī)制，它已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。，它已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 62（2）可變形微粒的強(qiáng)化作用）可變形微粒的強(qiáng)化作用 當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ訛楫?dāng)?shù)诙嗔Ｗ訛榭勺冃慰勺冃挝⒘Ｎ⒘r(shí)，位錯(cuò)將切過粒時(shí)，位錯(cuò)將切過粒子使之隨同基體一起變子使之隨同基體

55、一起變形形ABBA滑移面滑移面位錯(cuò)切割粒子的機(jī)制位錯(cuò)切割粒子的機(jī)制在這種情況下，在這種情況下，強(qiáng)化作用主要強(qiáng)化作用主要決定于粒子本身的性質(zhì)決定于粒子本身的性質(zhì)，以及，以及與基體的聯(lián)系與基體的聯(lián)系，其強(qiáng)化機(jī)制甚，其強(qiáng)化機(jī)制甚為復(fù)雜，且因合金而異為復(fù)雜，且因合金而異 635.2.4 塑性變形對(duì)材料組織與性能的影響塑性變形對(duì)材料組織與性能的影響 塑性變形不但可以改變材料的外形和尺寸，而且能夠塑性變形不但可以改變材料的外形和尺寸，而且能夠使材料的使材料的內(nèi)部組織內(nèi)部組織和各種和各種性能性能發(fā)生變化，在變形的同發(fā)生變化，在變形的同時(shí)，伴隨著變性時(shí)，伴隨著變性 1顯微組織的變化顯微組織的變化2亞結(jié)構(gòu)的變化

56、亞結(jié)構(gòu)的變化 3性能的變化性能的變化 4形變織構(gòu)形變織構(gòu) 5殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力 641顯微組織的變化顯微組織的變化 3、當(dāng)、當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒變得模糊不清變形量很大時(shí)，晶粒變得模糊不清，晶粒已難以分，晶粒已難以分辨而辨而呈現(xiàn)出一片如纖維狀的條紋呈現(xiàn)出一片如纖維狀的條紋，稱為，稱為纖維組織纖維組織。纖維纖維的分布方向的分布方向即是即是材料流變伸展的方向材料流變伸展的方向 經(jīng)塑性變形后，金屬材料的顯微組織發(fā)生明顯的改變。經(jīng)塑性變形后，金屬材料的顯微組織發(fā)生明顯的改變。1、每個(gè)晶粒內(nèi)部出現(xiàn)大量的、每個(gè)晶粒內(nèi)部出現(xiàn)大量的滑移帶滑移帶或或?qū)\晶帶孿晶帶；2、隨著變形度的增加，原來的、隨著變形度的增加，原來

57、的等軸晶粒將逐漸沿其變等軸晶粒將逐漸沿其變形方向伸長(zhǎng)；形方向伸長(zhǎng)；652亞結(jié)構(gòu)的變化亞結(jié)構(gòu)的變化 晶體的晶體的塑性變形塑性變形是借助是借助位錯(cuò)位錯(cuò)在應(yīng)力作用下在應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)和不斷增殖運(yùn)動(dòng)和不斷增殖。隨著變形。隨著變形度的增大，晶體中的度的增大，晶體中的位錯(cuò)密度迅速提高位錯(cuò)密度迅速提高，經(jīng)嚴(yán)重冷變形后，位錯(cuò)密度，經(jīng)嚴(yán)重冷變形后，位錯(cuò)密度可從原先退火態(tài)的可從原先退火態(tài)的6721112210101010cmcm增至 經(jīng) 一 定 量 的經(jīng) 一 定 量 的塑性變形后，晶塑性變形后，晶體中的位錯(cuò)線通體中的位錯(cuò)線通過運(yùn)動(dòng)與交互作過運(yùn)動(dòng)與交互作用，開始呈現(xiàn)紛用，開始呈現(xiàn)紛亂的不均勻分布，亂的不均勻分布，并形

58、成并形成位錯(cuò)纏結(jié)位錯(cuò)纏結(jié)。66進(jìn)一步進(jìn)一步增加變形度增加變形度時(shí)，大量位錯(cuò)發(fā)生聚集，并由纏結(jié)的位時(shí)，大量位錯(cuò)發(fā)生聚集，并由纏結(jié)的位錯(cuò)組成錯(cuò)組成胞狀亞結(jié)構(gòu)胞狀亞結(jié)構(gòu)。其中，高密度的纏結(jié)位錯(cuò)主要集中于。其中，高密度的纏結(jié)位錯(cuò)主要集中于胞的周圍，構(gòu)成胞的周圍，構(gòu)成胞壁胞壁，而胞內(nèi)的位錯(cuò)密度很低，而胞內(nèi)的位錯(cuò)密度很低67變形晶粒變形晶粒是由許多是由許多這種這種胞狀亞結(jié)構(gòu)胞狀亞結(jié)構(gòu)組組成，各胞之間存在成，各胞之間存在微小的位向差。隨微小的位向差。隨著變形度的增大，著變形度的增大，變形胞的數(shù)量增多、變形胞的數(shù)量增多、尺寸減小。如果經(jīng)尺寸減小。如果經(jīng)強(qiáng)烈冷軋或冷拉等強(qiáng)烈冷軋或冷拉等變形，則伴隨變形，則伴隨纖

59、維纖維組織的出現(xiàn)組織的出現(xiàn)，其亞，其亞結(jié)構(gòu)也將由結(jié)構(gòu)也將由大量大量細(xì)細(xì)長(zhǎng)狀長(zhǎng)狀變形胞變形胞組成組成。68研究發(fā)現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)，胞狀亞結(jié)構(gòu)胞狀亞結(jié)構(gòu)的形成不僅與的形成不僅與變形程度變形程度有關(guān)，而且有關(guān)，而且還取決于還取決于材料類型材料類型。對(duì)于。對(duì)于層錯(cuò)能較高的金屬和合金層錯(cuò)能較高的金屬和合金（如鋁、（如鋁、鐵等），其擴(kuò)展位錯(cuò)區(qū)較窄，可通過束集而發(fā)生交滑移，鐵等），其擴(kuò)展位錯(cuò)區(qū)較窄，可通過束集而發(fā)生交滑移，故在變形過程中經(jīng)位錯(cuò)的增殖和交互作用，故在變形過程中經(jīng)位錯(cuò)的增殖和交互作用，容易出現(xiàn)明顯容易出現(xiàn)明顯的胞狀結(jié)構(gòu)的胞狀結(jié)構(gòu)69層錯(cuò)能較低的金屬層錯(cuò)能較低的金屬（如不（如不銹鋼等），其擴(kuò)展位錯(cuò)區(qū)銹

60、鋼等），其擴(kuò)展位錯(cuò)區(qū)較寬，使交滑移很困難，較寬，使交滑移很困難，因此在這類材料中易觀察因此在這類材料中易觀察到到位錯(cuò)塞積群的存在位錯(cuò)塞積群的存在，由，由于位錯(cuò)的移動(dòng)性差，形變于位錯(cuò)的移動(dòng)性差，形變后大量的位錯(cuò)雜亂的排列后大量的位錯(cuò)雜亂的排列于晶體中，構(gòu)成較為均勻于晶體中，構(gòu)成較為均勻分布的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。分布的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。這類材料即使在大量變形這類材料即使在大量變形時(shí)，時(shí)，出現(xiàn)胞狀亞結(jié)構(gòu)的傾出現(xiàn)胞狀亞結(jié)構(gòu)的傾向性較小。向性較小。703性能的變化性能的變化 材料在材料在塑性變形過程中塑性變形過程中，隨著內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)的變化，隨著內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)的變化，其力學(xué)、物理和化學(xué)性能均發(fā)生明顯的改變其力學(xué)、物理和化