材料力學(xué)性能10

1、思考題：2.陶瓷晶體塑性變形微觀機制是什么？有何特點？7.物理屈服延伸變形特點？與Luders帶應(yīng)變有何關(guān)系？3.簡單加載與復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)宏觀屈服條件有何關(guān)系？4.最大切應(yīng)力與形狀改變比能強度理論有何聯(lián)系與區(qū)別？5.物理屈服現(xiàn)象有何特征？1.塑性變形體積不變與多晶體協(xié)調(diào)變形有何關(guān)系？6.尖銳屈服點或應(yīng)力陡降反映了塑性變形的何種微觀特征？ 1.1.物理屈服現(xiàn)象物理屈服現(xiàn)象2.2.物理屈服的本質(zhì)物理屈服的本質(zhì) 和特定的下呈現(xiàn)的(。 (2)(2)材料特性材料特性( (內(nèi)部因素內(nèi)部因素) )溶質(zhì)原子與位錯交互作用釘扎機制：柯氏氣團切應(yīng)力作用下位錯運動狀態(tài)切應(yīng)力作用下位錯運動狀態(tài)vbmv0位錯運動機制vb

2、m0/mv材料具有明顯屈服點的條件:(1)塑性變形開始前可動位錯密度低；(2)塑性變形開始后位錯密度迅速增加 (位錯增殖或脫釘)；(3)位錯運動速率對外加應(yīng)力有強烈的依存關(guān)系 (位錯運動速率應(yīng)力敏感指數(shù)m小)。Ge、Si、LiF、bcc金屬等m值較小，屈服現(xiàn)象明顯；Fcc金屬m值較大(100200)，屈服現(xiàn)象不明顯。3.3.應(yīng)變時效應(yīng)變時效X80管線鋼不同預(yù)應(yīng)變的應(yīng)變時效行為管線鋼不同預(yù)應(yīng)變的應(yīng)變時效行為位錯與溶質(zhì)原子相互作用的結(jié)果。實驗依據(jù)：(1)應(yīng)變時效重新產(chǎn)生物理屈服的激活能與C原子在 鐵中擴散激活能相同，約84kJ/mol；(2)應(yīng)變時效所需時間與形成原子氣團的時間也在 同一數(shù)量級內(nèi)。

3、 (1)在薄鋼板冷沖壓成形時，往往因局部變形不均勻，板面呂德斯帶導(dǎo)致表面折皺，影響表面質(zhì)量。4.4.與物理屈服相關(guān)的幾個工程問題與物理屈服相關(guān)的幾個工程問題 為避免折皺出現(xiàn)，可對鋼板預(yù)變形，變形量稍大于屈服應(yīng)變，然后沖壓時將不出現(xiàn)物理屈服，避免折皺。應(yīng)變時效強化同時發(fā)生脆化，一般應(yīng)予以避免；但若調(diào)整成分和工藝以避免塑性下降過多，應(yīng)變時效亦能用于提高低碳鋼的強度。例1：川崎制鐵株式會社申請了一系列專利應(yīng)變時效硬化特性優(yōu)良的高強度冷軋鋼板及其制造方法，CN1366559具有優(yōu)良應(yīng)變時效硬化特性的熱軋鋼板、冷軋鋼板和熱浸鍍鋅鋼板以及它們的制造方法，01801490.9 沖壓成形性和應(yīng)變時效硬化特性出

4、色的高延展性鋼板及其制造方法，02122437.4例2：國家自然科學(xué)基金項目(2012-2015)基于動態(tài)應(yīng)變時效的激光溫噴丸強化延壽基礎(chǔ)研究 (2)應(yīng)變時效可能導(dǎo)致工程構(gòu)件脆性增加。繼續(xù)變形抗力：初始變形抗力：最大強度：fydddymax1.1.點陣阻力點陣阻力bwbdpeGeG2)1(21212位錯滑移時核心能量的變化： 2.2.位錯間交互作用阻力位錯間交互作用阻力Ti合金冷變形位錯纏結(jié)合金冷變形位錯纏結(jié)(1)平行位錯間交互作用(2)位錯林阻力b b1 1b b2 2位錯滑移方向位錯滑移方向位錯交割結(jié)果：在位錯線上可形成曲折位錯交割結(jié)果：在位錯線上可形成曲折( (割階或扭折割階或扭折) )

5、。割階：位錯線上垂直于其滑移面的曲折部分。割階：位錯線上垂直于其滑移面的曲折部分。 割階阻礙位錯的運動。割階阻礙位錯的運動。扭折：位錯線上位于其滑移面上的曲折部分。扭折：位錯線上位于其滑移面上的曲折部分。 扭折對位錯運動影響不大。扭折對位錯運動影響不大。b bb b割階割階扭折扭折典型的位錯交割：典型的位錯交割： 不同滑移面上兩條相垂直不同滑移面上兩條相垂直刃位錯交割刃位錯交割，使兩條位錯線上，使兩條位錯線上各形成大小、方向等于另一條各形成大小、方向等于另一條位錯線位錯線b b 矢量的螺型扭折。矢量的螺型扭折。不同滑移面上兩條相垂不同滑移面上兩條相垂直螺位錯交割直螺位錯交割，使兩條位錯，使兩條

6、位錯線上各自形成大小、方向等線上各自形成大小、方向等于另一條位錯線于另一條位錯線b b 矢量的刃矢量的刃型割階。該割階須經(jīng)攀移才型割階。該割階須經(jīng)攀移才能運動。能運動。b b1 1b b2 2b b1 1b b2 2b b1 1b b2 2b b1 1b b2 2不同滑移面上的兩條相垂直刃位錯與螺位錯交割不同滑移面上的兩條相垂直刃位錯與螺位錯交割，使刃，使刃位錯上形成大小、方向等于螺位錯位錯上形成大小、方向等于螺位錯b b矢量的刃型扭折，螺位矢量的刃型扭折，螺位錯上形成大小、方向等于刃位錯錯上形成大小、方向等于刃位錯b b矢量的刃型割階。矢量的刃型割階。b b1 1b b2 2b b2 2b

7、b1 1Gbd3.3.屈服強度本質(zhì)及構(gòu)成屈服強度本質(zhì)及構(gòu)成GbpdpsGbs0 1.1.基本途徑基本途徑非晶金屬非晶金屬 2.2.細晶強化細晶強化 低碳鋼的s與晶粒直徑的關(guān)系210kds Hall-Petch關(guān)系關(guān)系 純銅s與晶粒直徑的關(guān)系Hall-Petch關(guān)系的推導(dǎo): 2GbLkng2)(igGbLK(扣除位錯滑移阻力i )cgcos當(dāng)s2)(2cosiScGbdk2/1cos2dKGbciSMcoscos(單晶體 )M(多晶體 )2/12cos2dKMGbMMciS2/1kdis討論：(1)i、k的物理意義？(2)細晶強韌化機制？(3)適用范圍？關(guān)于細晶強韌化： 性能單位金屬多晶單晶納米

8、晶熱膨脹系數(shù)10-6K-1Cu161831比熱容(295K)J/(gK)Pd0.24-0.37密度g/cm3Fe7.97.56彈性模量GPaPd123-88剪切模量GPaPd43-32斷裂強度MPaFe-1.8%C700-8000屈服強度MPaCu83-185飽和磁化強度(4K)4p10-7Tm3/kgFe222215130磁化率4p10-9Tm3/kgSb-1-0.0320超導(dǎo)臨界溫度KAl1.2-3.2擴散激活能eVAg于Cu中2.0-0.39Cu自擴散2.04-0.64德拜溫度KFe467-3 反Hall-Petch關(guān)系dc , nm 尤其是均勻延伸率低p純度與加工缺陷的影響；p加工硬化

9、能力較差，易塑性失穩(wěn)。p盧柯等利用電解沉積技術(shù)制備高純致密塊狀納米晶體Cu，晶粒尺寸為30nm，純度高于99.995wt%，密度可達普通純Cu理論密度的99.4%。p在室溫(僅為熔點的22%)軋制納米晶Cu樣品，其延伸率高達5100%，無明顯的加工硬化效應(yīng)，晶粒尺寸保持不變。說明晶界運動起重要作用。思考題：如何兼顧金屬材料的強韌性與導(dǎo)電性？dc, nm習(xí)題四：試對比分析單晶體與多晶體的塑性變形臨界條件，基于位錯理論推導(dǎo)Hall-Petch公式并舉例說明其工程意義與適用范圍。1.應(yīng)變時效條件是什么？有何工程意義？思考題：2.何種條件下應(yīng)變時效可以用作強化手段？3.屈服強度的微觀本質(zhì)是什么？4.從

10、屈服強度的本質(zhì)和應(yīng)變時效效應(yīng)推測材料強化時應(yīng)注意什么？8.細化晶粒對高塑性或高強度材料s何者影響大？7.如何理解細晶強化同時改善塑韌性？5.多晶體屈服強度微觀本質(zhì)？與單晶體有何聯(lián)系與區(qū)別？6.多晶體宏觀屈服強度與單晶體有何聯(lián)系與區(qū)別？ 3.3.固溶強化固溶強化Cu-Ni合金固溶強化鐵素體的固溶強化Al-Mg合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線溶質(zhì)原子的加入提高溶質(zhì)原子的加入提高材料的屈服強度材料的屈服強度s和和應(yīng)力水平應(yīng)力水平, ,同時加工硬化率同時加工硬化率d d /d/d 不同程度增大不同程度增大。一般稀固溶體屈服應(yīng)力：mskC0固溶強化與溶質(zhì)極限溶解度(固溶度)顯著相關(guān)；n溶質(zhì)原子不同，強化效果不同；溶質(zhì)

11、原子溶質(zhì)原子不同，強化效果不同；溶質(zhì)原子濃度越高，強化作用越大，低濃度時效果濃度越高，強化作用越大，低濃度時效果更明顯。更明顯。n溶質(zhì)原子與基體原子的尺寸相差越大，效溶質(zhì)原子與基體原子的尺寸相差越大，效果越明顯。果越明顯。n間隙式溶質(zhì)元素比置換式溶質(zhì)元素固溶強間隙式溶質(zhì)元素比置換式溶質(zhì)元素固溶強化作用更大?；饔酶?。n溶質(zhì)原子與基體原子電負性差別越大，固溶質(zhì)原子與基體原子電負性差別越大，固溶強化作用越大。溶強化作用越大。固溶強化的實質(zhì)是溶質(zhì)原子與位錯的固溶強化的實質(zhì)是溶質(zhì)原子與位錯的和和阻阻礙了位錯的運動礙了位錯的運動。彈性交互作用溶質(zhì)原子均勻分布長程彈性交互作用形成溶質(zhì)原子氣團釘扎位錯螺型

12、位錯與周圍的溶質(zhì)原子作用，原子在沿x、y、z的三種面心位置上發(fā)生擇優(yōu)分布（應(yīng)力感生有序），使系統(tǒng)能量降低。 電交互作用化學(xué)交互作用面心立方晶體中的擴展位錯幾何交互作用改變基體鍵合強度導(dǎo)致點陣阻力變化n彈性交互作用強，但對溫度敏感，常溫下作用大；彈性交互作用強，但對溫度敏感，常溫下作用大；n電學(xué)和化學(xué)交互作用較弱，但對溫度不敏感，高電學(xué)和化學(xué)交互作用較弱，但對溫度不敏感，高溫下作用大。溫下作用大。n強化效果大的溶質(zhì)元素固溶度低；強化效果大的溶質(zhì)元素固溶度低；n多元微合金化，非單個元素強化的加和。多元微合金化，非單個元素強化的加和。 4.4.第二相強化第二相強化n單相合金可借固溶強化提高強度，但提

13、高單相合金可借固溶強化提高強度，但提高程度有限。通常使用的材料大多是兩相或程度有限。通常使用的材料大多是兩相或多相合金。多相合金。n第二相來源：可通過相變熱處理第二相來源：可通過相變熱處理()或粉末冶金方法或粉末冶金方法()獲得。獲得。H62黃銅黃銅鑄態(tài)組織鑄態(tài)組織變形和退火后變形和退火后n如果兩相都具有較好塑性，則合金變形阻力取決于如果兩相都具有較好塑性，則合金變形阻力取決于兩相的體積分?jǐn)?shù)兩相的體積分?jǐn)?shù)?？砂??？砂椿蚧蛴嬎阌嬎愕钠骄髯儜?yīng)力或平均應(yīng)變。的平均流變應(yīng)力或平均應(yīng)變。假定塑性變形過程中兩相應(yīng)變相等假定塑性變形過程中兩相應(yīng)變相等，合，合金產(chǎn)生一定應(yīng)變的流變應(yīng)力為：金產(chǎn)生一定應(yīng)變的流變

14、應(yīng)力為： =f11+f22 式中式中f1和和f2為兩相的體積分?jǐn)?shù)。為兩相的體積分?jǐn)?shù)。n當(dāng)?shù)诙嗔髯儜?yīng)力高于基相當(dāng)?shù)诙嗔髯儜?yīng)力高于基相(2 =1+)時時, =f11+f2(1+) =1+f2, 材料得以強化。材料得以強化。假定兩相所受的流變應(yīng)力相等假定兩相所受的流變應(yīng)力相等，平均平均應(yīng)變?yōu)椋簯?yīng)變?yōu)椋?=1f1+2f2 n當(dāng)?shù)诙鄳?yīng)變小于基相應(yīng)變當(dāng)?shù)诙鄳?yīng)變小于基相應(yīng)變(2=1f2- )時，時， =1f1+(1f2- )=1- , 材料得以強化材料得以強化。 如果第二相為硬脆相，則合金性能除與兩相相如果第二相為硬脆相，則合金性能除與兩相相對含量有關(guān)外，很大程度上取決于硬脆相的對含量有關(guān)外，很大程

15、度上取決于硬脆相的形狀形狀與分布與分布。n如果如果硬脆相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布于基相晶界上，硬脆相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布于基相晶界上，則基相受限不能變形，應(yīng)力過大即沿晶界則基相受限不能變形，應(yīng)力過大即沿晶界斷裂斷裂。塑性變差，甚至強度也隨之下降。塑性變差，甚至強度也隨之下降。n如果硬脆相成片狀分布于基相，因變形主如果硬脆相成片狀分布于基相，因變形主要集中在基相，而位錯受片層厚度限制，要集中在基相，而位錯受片層厚度限制，移動距離很短，繼續(xù)變形阻力加大，強度移動距離很短，繼續(xù)變形阻力加大，強度得以提高。片層越薄，強度越高；變形越得以提高。片層越薄，強度越高；變形越均勻，塑性也越好，類似于細晶強化。均勻，塑性也越好

16、，類似于細晶強化。n如果硬脆相呈不連續(xù)等軸狀顆粒分布于基如果硬脆相呈不連續(xù)等軸狀顆粒分布于基體相晶粒之間，則因基體連續(xù)，硬脆相顆體相晶粒之間，則因基體連續(xù)，硬脆相顆粒對基體變形的影響大大減弱，強度下降，粒對基體變形的影響大大減弱，強度下降，塑性、韌性得以提高。塑性、韌性得以提高。 4.4.第二相強化第二相強化n組織特征：n力學(xué)性能特點：n分類：沉淀強化或時效強化彌散強化n分散相形態(tài)及分布：f, r, n分散相類型：可變形粒子不可變形粒子 1）不變形粒子的強化作用：）不變形粒子的強化作用：當(dāng)移動的位錯當(dāng)移動的位錯與微粒相遇時，將因與微粒相遇時，將因而產(chǎn)生位錯增殖而產(chǎn)生位錯增殖。n位錯繞過時，既要

17、克服第二相粒子的阻礙位錯繞過時，既要克服第二相粒子的阻礙作用，又要克服位錯環(huán)對位錯源的反向應(yīng)作用，又要克服位錯環(huán)對位錯源的反向應(yīng)力，而且每一個位錯繞過后都要增加一個力，而且每一個位錯繞過后都要增加一個位錯環(huán)位錯環(huán)。因此繼續(xù)變形必須增大外應(yīng)力，。因此繼續(xù)變形必須增大外應(yīng)力，從而使流變應(yīng)從而使流變應(yīng) 力迅速提高。力迅速提高。 此圖為此圖為黃銅黃銅 中繞中繞Al2O3粒粒 子的位錯環(huán)的子的位錯環(huán)的 透射電鏡像。透射電鏡像。 位錯繞過間距為位錯繞過間距為的第二相微粒所需要的切的第二相微粒所需要的切應(yīng)力為：應(yīng)力為： =Gb/ 式中式中G為切變彈性模量；為切變彈性模量；b為柏氏矢量。為柏氏矢量。 位錯繞過強化與第二相粒子的間距成反比。位錯繞過強化與第二相粒子的間距成反比。越小，強化效果越好。越小，強化效果越好。 因此，因此，減小粒子尺寸減小粒子尺寸(增大粒子數(shù)增大粒子數(shù))或提高或提高粒子體積分?jǐn)?shù)粒子體積分?jǐn)?shù)(減小粒子間距減小粒子間距)，都能使合，都能使合金的強度提高金的強度提高。 2）可變形粒子的強化作用：第二相為可變）可變形粒子的強化作用：第二相為可變形微粒時，位錯將切過粒子