材料的變形與斷裂-西安交大材料科學(xué)基礎(chǔ)

1、第八章第八章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂金屬變形概述金屬變形概述金屬的彈性變形金屬的彈性變形滑移與孿晶變形滑移與孿晶變形單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形概述概述多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形純金屬的變形強化純金屬的變形強化合金的變形與強化合金的變形與強化冷變形金屬的組織與性能冷變形金屬的組織與性能冷變形金屬的回復(fù)階段冷變形金屬的回復(fù)階段冷變形金屬的再結(jié)晶冷變形金屬的再結(jié)晶金屬的熱變形、蠕變與超塑性金屬的熱變形、蠕變與超塑性陶瓷晶體的變形陶瓷晶體的變形高分子材料的變形高分子材料的變形后退后退金屬的斷裂金屬的斷裂材料的變形材料的變形單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形單系滑移、多系滑移、交滑移

2、單系滑移、多系滑移、交滑移彈性變形：彈性變形：E,實質(zhì)，原子結(jié)合力大，實質(zhì)，原子結(jié)合力大， 熔點高，則熔點高，則E越大越大塑性變形塑性變形滑移：晶體滑移系滑移：晶體滑移系孿生：孿生：滑移面滑移面滑移方向滑移方向?qū)\生面孿生面孿生方向?qū)\生方向概概 述述下頁下頁后退后退coscossc返回返回第一節(jié)第一節(jié) 金屬變形概述金屬變形概述下頁下頁后退后退 金屬材料的一個重要特點是在具有高強度的同時還金屬材料的一個重要特點是在具有高強度的同時還具有優(yōu)良的塑性，也就是說在高溫和常壓下，金屬材料具有優(yōu)良的塑性，也就是說在高溫和常壓下，金屬材料可以在外力作用下改變形狀而不破壞，從而具有優(yōu)越的可以在外力作用下改變形狀

3、而不破壞，從而具有優(yōu)越的加工成型性能。同時在塑性變形的過程中，金屬內(nèi)部的加工成型性能。同時在塑性變形的過程中，金屬內(nèi)部的組織和亞結(jié)構(gòu)發(fā)生著一系列的變化，導(dǎo)致其強度、韌性組織和亞結(jié)構(gòu)發(fā)生著一系列的變化，導(dǎo)致其強度、韌性等力學(xué)性能的變化。等力學(xué)性能的變化。 金屬的塑性和強度是兩個十分重要的概念。屈服強金屬的塑性和強度是兩個十分重要的概念。屈服強度就是指材料抵抗塑性變形的能力。度就是指材料抵抗塑性變形的能力。 金屬在外力作用下的行為可通過應(yīng)力金屬在外力作用下的行為可通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線來描應(yīng)變曲線來描述，一般分為三個階段：述，一般分為三個階段：（1）彈性變形：去除應(yīng)力后，形變完全恢復(fù)，在彈性范）彈性變

4、形：去除應(yīng)力后，形變完全恢復(fù)，在彈性范圍中，材料服從虎克定律。圍中，材料服從虎克定律。（2）塑性變形：去除應(yīng)力后，形變不能完全恢復(fù)，留有）塑性變形：去除應(yīng)力后，形變不能完全恢復(fù)，留有部分永久變形，即金屬中的部分原子離開原平衡位置，產(chǎn)部分永久變形，即金屬中的部分原子離開原平衡位置，產(chǎn)生永久位移。生永久位移。（3）斷裂。）斷裂。金屬中的塑性變形可通過如下幾種方式來完成：金屬中的塑性變形可通過如下幾種方式來完成：滑移；滑移；孿生；孿生；晶界滑動；晶界滑動；擴散性蠕變。擴散性蠕變。后退后退下頁下頁返回返回第二節(jié)第二節(jié) 金屬的彈性變形金屬的彈性變形彈變特點彈變特點單值性單值性：可逆性可逆性變形量小變形量

5、小E在正應(yīng)力下在正應(yīng)力下=E，在，在切應(yīng)力下切應(yīng)力下=G G=2(1+)后退后退下頁下頁 彈性模量彈性模量E、G是一重要的物是一重要的物理的和力學(xué)的參量。理的和力學(xué)的參量。 彈性模量是原子間結(jié)合力的反彈性模量是原子間結(jié)合力的反映和度量。所以它是一個對組織不敏映和度量。所以它是一個對組織不敏感的性能指標(biāo)。感的性能指標(biāo)。 E越大，則彈性變形越大，則彈性變形越難。越難。 它在工程技術(shù)上標(biāo)示材料的剛它在工程技術(shù)上標(biāo)示材料的剛度。度。后退后退下頁下頁返回返回第三節(jié)第三節(jié) 滑移與孿晶變形滑移與孿晶變形一、滑移機制一、滑移機制滑移是位錯在切應(yīng)力作用下運動的結(jié)果?；剖俏诲e在切應(yīng)力作用下運動的結(jié)果?；贫际茄?/p>

6、著滑移面和該面上的滑移方滑移都是沿著滑移面和該面上的滑移方向進行。向進行?；频奈诲e機制滑移的位錯機制baNPeG)1(212后退后退下頁下頁泊松系數(shù)柏氏矢量原子間距，其中，ba1）a越大，即原子面間距大，越大，即原子面間距大， 越小，越小，表示點陣阻力小，說明原子面間距越大，表示點陣阻力小，說明原子面間距越大，位錯運動阻力小，而位錯運動阻力小，而a增大的面即原子最密增大的面即原子最密排面。排面。NP 2） ，即說明原子排列越，即說明原子排列越緊密，其位錯運動阻力小。緊密，其位錯運動阻力小。 NPb后退后退下頁下頁3）fcc及沿基面及沿基面0001滑移的滑移的hcp,其其 最低，沿最低，沿 及

7、及 滑移滑移的的hcp的的 增高；增高；bcc的的 隨溫隨溫度降低而急劇增高度降低而急劇增高。NP NP NP 001111014） 大小本質(zhì)上取決于晶體結(jié)構(gòu)和鍵的方向性。大小本質(zhì)上取決于晶體結(jié)構(gòu)和鍵的方向性。NP NP 5） 大小順序：大小順序：fccbcc和沿楞柱面滑移的和沿楞柱面滑移的fcp共價鍵或離子鍵晶體共價鍵或離子鍵晶體6)當(dāng)活動滑移系上的分切應(yīng)力超過臨界值，也就是說當(dāng)活動滑移系上的分切應(yīng)力超過臨界值，也就是說足以克服派足以克服派-納力時，位錯開始滑動，即開始產(chǎn)生滑納力時，位錯開始滑動，即開始產(chǎn)生滑移。移。后退后退下頁下頁 當(dāng)滑移不斷進行時，試樣中的晶面會發(fā)當(dāng)滑移不斷進行時，試樣中

8、的晶面會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，將出現(xiàn)兩個相交的滑移系同時滑動，生偏轉(zhuǎn)，將出現(xiàn)兩個相交的滑移系同時滑動，顯然兩個不同滑移系上的位錯將產(chǎn)生相互的顯然兩個不同滑移系上的位錯將產(chǎn)生相互的作用，這些作用可能有幾種形式：作用，這些作用可能有幾種形式：（1）位錯相互交割，可能形成割階，而螺）位錯相互交割，可能形成割階，而螺位錯的割階是不可動的從而限制了某些位錯位錯的割階是不可動的從而限制了某些位錯的可動性，并形成位錯網(wǎng)絡(luò)。的可動性，并形成位錯網(wǎng)絡(luò)。（2）許多位錯的相互交割，形成更復(fù)雜的）許多位錯的相互交割，形成更復(fù)雜的位錯纏結(jié)。位錯纏結(jié)。二、滑移面及滑移方向二、滑移面及滑移方向為什么滑移面都是原子最密排面，滑移為什么滑

9、移面都是原子最密排面，滑移方向都是最密排方向？方向都是最密排方向？（3）在不同滑移面的交線上，通過位錯反）在不同滑移面的交線上，通過位錯反應(yīng)形成固定位錯，在被定扎的位錯后面產(chǎn)生應(yīng)形成固定位錯，在被定扎的位錯后面產(chǎn)生位錯的塞積，它將阻礙后續(xù)位錯的繼續(xù)運動。位錯的塞積，它將阻礙后續(xù)位錯的繼續(xù)運動。后退后退下頁下頁晶格點晶格點陣類型陣類型 滑移面滑移面 滑移方向滑移方向 滑移系滑移系 fcc 12個個 bcc 48個個 hcp 3個個11111011011212300010011111001211110211三種典型金屬的滑移面及滑移方向三種典型金屬的滑移面及滑移方向后退后退下頁下頁后退后退下頁下頁

10、后退后退下頁下頁三、孿晶變形三、孿晶變形孿晶變形特點：孿晶變形特點：1.孿晶變形有鏡面對稱的孿晶，孿晶也沿孿晶變形有鏡面對稱的孿晶，孿晶也沿一定的孿晶面及晶向方向，如：一定的孿晶面及晶向方向，如：fcc中中,孿晶孿晶面（面（111），孿晶方向），孿晶方向 ;2.孿晶中原子移動受嚴格限制，同一晶面孿晶中原子移動受嚴格限制，同一晶面原子移動距離相等；原子移動距離相等； 3.孿晶變形速度很快，形變過程與聲波在孿晶變形速度很快，形變過程與聲波在晶體中的傳播速度相近；晶體中的傳播速度相近； 4.孿晶變形量很小，但由于孿晶造成位向?qū)\晶變形量很小，但由于孿晶造成位向改變，故孿晶發(fā)生后可能有利于滑移；改變，故

11、孿晶發(fā)生后可能有利于滑移；211后退后退下頁下頁面心立方晶體的孿生變形面心立方晶體的孿生變形后退后退下頁下頁(1)一部分晶體沿滑移面相一部分晶體沿滑移面相對于另一部分晶體作切變對于另一部分晶體作切變,切變時原子移動的距離是切變時原子移動的距離是滑移方向原子間距的整數(shù)滑移方向原子間距的整數(shù)倍。倍。(2)孿晶面兩邊晶體的位相孿晶面兩邊晶體的位相不同，成鏡向?qū)ΨQ。不同，成鏡向?qū)ΨQ。(2)滑移面兩邊晶體的位相滑移面兩邊晶體的位相不變。不變。(1)一部分晶體沿孿晶面相一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作切變對于另一部分晶體作切變,切變時原子移動的距離不切變時原子移動的距離不是滑移方向原子間距的整是滑移

12、方向原子間距的整數(shù)倍。數(shù)倍。 孿晶孿晶 滑移滑移孿晶與滑移的區(qū)別孿晶與滑移的區(qū)別后退后退下頁下頁(4)孿晶是一種均勻切變，孿晶是一種均勻切變，而在切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平而在切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平行的每一層原子面均相對行的每一層原子面均相對于其相鄰晶面沿孿生方向于其相鄰晶面沿孿生方向位移了一定距離。位移了一定距離。(4)滑移面是一種不均勻的滑移面是一種不均勻的切變，它只集中在某一些切變，它只集中在某一些晶面上大量進行，而各滑晶面上大量進行，而各滑移帶之間的晶體并未發(fā)生移帶之間的晶體并未發(fā)生滑移?；?。(3)由于改變了晶體的位向，由于改變了晶體的位向，因而孿晶經(jīng)拋光和侵蝕后因而孿晶經(jīng)拋光和侵蝕后仍能重線。

13、仍能重線。(3)滑移所造成的臺階經(jīng)拋滑移所造成的臺階經(jīng)拋光后，即使再侵蝕也不會光后，即使再侵蝕也不會重現(xiàn)。重現(xiàn)。 孿晶孿晶 滑移滑移孿生與滑移的區(qū)別孿生與滑移的區(qū)別(續(xù)續(xù))后退后退下頁下頁（6）孿晶的應(yīng)力應(yīng)變曲）孿晶的應(yīng)力應(yīng)變曲線將產(chǎn)生鋸齒形變化線將產(chǎn)生鋸齒形變化（6）滑移的應(yīng)力應(yīng)變曲線）滑移的應(yīng)力應(yīng)變曲線比較平滑比較平滑（5）而發(fā)生孿晶后，在）而發(fā)生孿晶后，在晶體內(nèi)部將出現(xiàn)孿晶和孿晶體內(nèi)部將出現(xiàn)孿晶和孿晶界。晶界。（5）滑移過后，除了不全）滑移過后，除了不全位錯運動會在滑移面上造位錯運動會在滑移面上造成層錯外，一般在滑移面成層錯外，一般在滑移面上不留下任何痕跡上不留下任何痕跡 孿晶孿晶 滑移

14、滑移孿生與滑移的區(qū)別孿生與滑移的區(qū)別(續(xù)續(xù))后退后退下頁下頁返回返回第四節(jié)第四節(jié) 單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形 對于單晶體而言，其塑性變形中，滑對于單晶體而言，其塑性變形中，滑移是位錯在切應(yīng)力作用下滑移面及滑移方移是位錯在切應(yīng)力作用下滑移面及滑移方向進行，其滑移必須滿足臨界分切應(yīng)力定向進行，其滑移必須滿足臨界分切應(yīng)力定律，即律，即一、施密特定律一、施密特定律coscoscc圖圖8-10后退后退下頁下頁 即當(dāng)在滑移面的滑移方向上，分切應(yīng)力即當(dāng)在滑移面的滑移方向上，分切應(yīng)力達到某一臨界值達到某一臨界值 時，晶體就開始屈時，晶體就開始屈服服 ，位錯就開始滑移。，位錯就開始滑移。cs 滑移面方向與

15、外力夾角滑移面方向與外力夾角 滑移面法線方向與外力夾角滑移面法線方向與外力夾角后退后退下頁下頁后退后退下頁下頁例題例題如在面心立方晶胞如在面心立方晶胞001上施加一上施加一69MPa的應(yīng)力，試求滑移系的應(yīng)力，試求滑移系(111) 上的分應(yīng)力。上的分應(yīng)力。011后退后退下頁下頁由施密特定律由施密特定律coscosccMPaMPa1.28707.03169解：確定該滑移系對拉力軸的相對取向，解：確定該滑移系對拉力軸的相對取向，先畫出上圖?？梢钥闯?，滑移方向和拉先畫出上圖。可以看出，滑移方向和拉力軸的夾角力軸的夾角 , ，滑移，滑移面的法線和拉力軸的夾角為面的法線和拉力軸的夾角為 ，度45707.

16、0cos003/cosaa后退后退下頁下頁二、單滑移、多滑移、交滑移二、單滑移、多滑移、交滑移單滑移單滑移：當(dāng)只有一個滑移系統(tǒng)上的分：當(dāng)只有一個滑移系統(tǒng)上的分切應(yīng)力最大并達到切應(yīng)力最大并達到 時，只發(fā)生單滑時，只發(fā)生單滑移，其位錯在滑移過程中不會與其它位移，其位錯在滑移過程中不會與其它位錯交互作用，故加工硬化很弱。錯交互作用，故加工硬化很弱。 c多滑移多滑移：當(dāng)有幾個滑移系統(tǒng)上的分切：當(dāng)有幾個滑移系統(tǒng)上的分切應(yīng)力最大并達到應(yīng)力最大并達到 時，就發(fā)生多滑移。時，就發(fā)生多滑移。比如比如fcc中，中，111為滑移面為滑移面,為滑移為滑移c后退后退下頁下頁方向方向,4個個111面構(gòu)成八面體面構(gòu)成八面體

17、,當(dāng)拉力當(dāng)拉力軸為軸為001時時,就有就有8個滑移系具有相個滑移系具有相同的施密特因子，故可同時達到同的施密特因子，故可同時達到 , 同時動作。同時動作。 交滑移交滑移：當(dāng)螺位錯在某一滑移面：當(dāng)螺位錯在某一滑移面上運動受阻，會轉(zhuǎn)到另一滑移面上上運動受阻，會轉(zhuǎn)到另一滑移面上繼續(xù)滑移，滑移方向不變。繼續(xù)滑移，滑移方向不變。c后退后退下頁下頁擴展位錯的交滑移擴展位錯的交滑移：首先擴展位錯會：首先擴展位錯會先束集，然后交滑移到另一滑移面，再先束集，然后交滑移到另一滑移面，再分解為兩個不完美位錯，中間夾一層錯；分解為兩個不完美位錯，中間夾一層錯；層錯能大，則層錯能大，則d d減小，擴展位錯易于交滑減小，

18、擴展位錯易于交滑移。移。螺位錯的交滑移螺位錯的交滑移擴展位錯的交滑移擴展位錯的交滑移后退后退下頁下頁返回返回返回返回第五節(jié)第五節(jié) 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形晶界：晶粒越多，晶界越多，位錯運動晶界：晶粒越多，晶界越多，位錯運動阻力越大。阻力越大。晶粒位向差：位向差越大，則位錯運動晶粒位向差：位向差越大，則位錯運動阻力越大。阻力越大。 為了滿足多晶體變形協(xié)調(diào)，至少應(yīng)有為了滿足多晶體變形協(xié)調(diào)，至少應(yīng)有5個獨立的滑移系動作。個獨立的滑移系動作。下頁下頁后退后退一、晶界和晶體位向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊懸?、晶界和晶體位向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊憺槭裁淳ЯＴ郊殻牧蠟槭裁淳ЯＴ郊?，材料的強度、硬度增大，塑的強度、?/p>

19、度增大，塑性、韌性下降？性、韌性下降？ ？二、晶粒大小對材料強度與塑性的影響二、晶粒大小對材料強度與塑性的影響（細晶強化）（細晶強化）后退后退 下頁下頁可知由210dkyysysd晶粒直徑晶粒小晶粒小晶界多晶界多位錯運動阻力位錯運動阻力強度強度晶粒小晶粒小塑變分散在較多的晶粒上，塑變分散在較多的晶粒上，不易造成應(yīng)力集中，斷裂前不易造成應(yīng)力集中，斷裂前有較大塑變量。有較大塑變量。下頁下頁后退后退返回返回第六節(jié)第六節(jié) 純金屬的變形強化純金屬的變形強化一、位錯的交割一、位錯的交割兩位錯交叉通過的行為，即為位錯交割。兩位錯交叉通過的行為，即為位錯交割。扭折：扭折：交割形成的位錯臺階仍在原滑移面交割形成

20、的位錯臺階仍在原滑移面 上。扭折的形成有利于提高位錯的易動性，上。扭折的形成有利于提高位錯的易動性，扭折一般不阻礙位錯的滑移。扭折一般不阻礙位錯的滑移。割階：割階：交割形成的位錯滑移面不在原滑移面交割形成的位錯滑移面不在原滑移面上上可動割階可動割階不可動割階不可動割階下頁下頁后退后退可動割階可動割階不可動割階不可動割階當(dāng)割階的滑移方向與原位錯滑移方當(dāng)割階的滑移方向與原位錯滑移方向一致時，可隨原位錯一起滑移，向一致時，可隨原位錯一起滑移，只增加位錯運動的阻力，并不防礙只增加位錯運動的阻力，并不防礙位錯的滑移。位錯的滑移。當(dāng)割階的滑移方向與原位錯滑移方當(dāng)割階的滑移方向與原位錯滑移方向不一致時，不能

21、隨原位錯一起滑向不一致時，不能隨原位錯一起滑移，明顯增加位錯運動的阻力，甚移，明顯增加位錯運動的阻力，甚至對位錯起釘扎作用。至對位錯起釘扎作用。下頁下頁后退后退不論原位錯屬于什么類型，割階的最終不論原位錯屬于什么類型，割階的最終狀態(tài)一定是刃型位錯。狀態(tài)一定是刃型位錯。刃位錯被交割所產(chǎn)生的刃位錯被交割所產(chǎn)生的割階割階最終一定是最終一定是可動割階可動割階螺位錯被交割所產(chǎn)生的割階最終一定是螺位錯被交割所產(chǎn)生的割階最終一定是不可動割階不可動割階位錯交割位錯交割下頁下頁后退后退認真理解扭折與割階的概念極其形認真理解扭折與割階的概念極其形成過程。成過程。問題 由于位錯交割形成割階，造成位錯運動由于位錯交割

22、形成割階，造成位錯運動增大，故強度提高。增大，故強度提高。后退后退 下頁下頁二、位錯反應(yīng)二、位錯反應(yīng) 兩個滑移面上的位錯相遇，在一定條兩個滑移面上的位錯相遇，在一定條件下可發(fā)生位錯反應(yīng)，形成一個不動位錯。件下可發(fā)生位錯反應(yīng)，形成一個不動位錯。 在面心立方金屬中，一個全位錯可分在面心立方金屬中，一個全位錯可分為兩個不全為兩個不全 位錯，中間夾一層錯。位錯，中間夾一層錯。211611216111021) 111 (面：121612116111021)111(面： 兩組不全位錯在兩滑移面的兩組不全位錯在兩滑移面的 交線上交線上相遇，形成一不動位錯（又稱梯桿位錯）。相遇，形成一不動位錯（又稱梯桿位錯）

23、。它象一個壓桿，壓在兩個滑移面上，使得它象一個壓桿，壓在兩個滑移面上，使得另兩個肖克萊位錯也難以運動，這種位錯另兩個肖克萊位錯也難以運動，這種位錯結(jié)合，稱為洛麥爾結(jié)合，稱為洛麥爾-柯垂?fàn)栨i?？麓?fàn)栨i。下頁下頁后退后退 由于兩滑移面的交割方向由于兩滑移面的交割方向為為 ，而位錯的，而位錯的 ， 為為韌位錯，其滑移面應(yīng)為組成，故該位錯的韌位錯，其滑移面應(yīng)為組成，故該位錯的滑移面為滑移面為(001),并不是并不是fcc的滑移面，故為的滑移面，故為不動位錯，由于位錯不動位錯，由于位錯 為不動位為不動位錯，造成其運動阻力增大，故強度增大。錯，造成其運動阻力增大，故強度增大。0110116ab 01161

24、011與三、位錯的增殖三、位錯的增殖1.F-R源源作用于彎曲位錯線上的外加切應(yīng)力：作用于彎曲位錯線上的外加切應(yīng)力：RGb2R位錯線彎曲半徑位錯線彎曲半徑下頁下頁后退后退圖圖8-18圖圖8-19CD位錯兩端被釘扎，位錯兩端被釘扎，當(dāng)其受切應(yīng)力作用時當(dāng)其受切應(yīng)力作用時,會會發(fā)生彎曲由前面所介紹發(fā)生彎曲由前面所介紹的知識的知識,彎曲嚴重兩處位彎曲嚴重兩處位錯必為異號位錯錯必為異號位錯,相互抵相互抵消消,使位錯線形成了位錯使位錯線形成了位錯環(huán)而掃出晶體，環(huán)而掃出晶體，CD位位錯在線張力的作用下拉錯在線張力的作用下拉直繼續(xù)重復(fù)該過程，直直繼續(xù)重復(fù)該過程，直到受阻而停止。到受阻而停止。下頁下頁后退后退？1

25、）為什么）為什么CD位錯線會彎曲，且形成位錯線會彎曲，且形成位錯環(huán)？位錯環(huán)？2）位錯環(huán)不斷放出，是否滿足能量）位錯環(huán)不斷放出，是否滿足能量守恒？守恒？3）為什么）為什么F-R源會使材料強度增大？源會使材料強度增大？4）金屬強化的本質(zhì)是什么？）金屬強化的本質(zhì)是什么？下頁下頁后退后退2.雙交滑移機制雙交滑移機制圖圖8-21 體心立方鐵的雙交滑移體心立方鐵的雙交滑移(110)CE(101)ESEABE(110)S后退后退 下頁下頁返回返回第七節(jié)第七節(jié) 合金的變形與強合金的變形與強化化一、單相合金的變形與強化一、單相合金的變形與強化？固溶強化機理是什么？固溶強化機理是什么？思路思路溶質(zhì)原子偏聚到位錯周

26、圍形成柯氏氣團使位錯溶質(zhì)原子偏聚到位錯周圍形成柯氏氣團使位錯被釘扎，位錯運動必須甩脫柯氏氣團，使材料被釘扎，位錯運動必須甩脫柯氏氣團，使材料強度提高。強度提高。下頁下頁后退后退 固溶強化：合金在形成單相固溶體后，固溶強化：合金在形成單相固溶體后，變形時的臨界切應(yīng)力都高于純金屬。變形時的臨界切應(yīng)力都高于純金屬。二、低碳鋼的屈服和應(yīng)變時效二、低碳鋼的屈服和應(yīng)變時效下頁下頁后退后退例題例題試求退火鋼中形成飽和柯氏氣團試求退火鋼中形成飽和柯氏氣團的碳濃度。的碳濃度。28/10cm31cmcm810FeA解解:(1)退火碳鋼中的位錯密度為退火碳鋼中的位錯密度為 ，即在，即在 的的體積中有體積中有 長的位

27、錯線。長的位錯線。 (2) 的點陣常數(shù)的點陣常數(shù) ，每一晶胞中有，每一晶胞中有2個鐵原子，故個鐵原子，故 體積內(nèi)的鐵原子數(shù)為：體積內(nèi)的鐵原子數(shù)為：86. 231cm(3)1cm長的位錯線上鐵原子數(shù)為：長的位錯線上鐵原子數(shù)為：22831055. 8)1086. 2(120cmcmn781003. 41086. 211cmcmn下頁下頁后退后退因位錯線長為因位錯線長為 ，故位錯線上總的鐵原子數(shù)為，故位錯線上總的鐵原子數(shù)為158781003. 4101003. 41102nncm810(4)偏聚于位錯線下方的碳原子總數(shù)為：偏聚于位錯線下方的碳原子總數(shù)為：151003. 42nnc故形成飽和柯氏氣團的

28、碳濃度為故形成飽和柯氏氣團的碳濃度為 ，即：，即：02nnnnFec%107 . 41055. 81003. 442215cx下頁下頁后退后退三、第二相對合金變形的影響三、第二相對合金變形的影響？1.彌散強化機理？彌散強化機理？ 第二相不會變形：饒過機制第二相不會變形：饒過機制 第二相變形：切過機制第二相變形：切過機制2.切過與繞過機制為什么使合金強化？切過與繞過機制為什么使合金強化？圖圖8-27圖圖8-26思考思考下頁下頁后退后退返回返回1.可變形顆粒之強化作用可變形顆粒之強化作用 當(dāng)位錯掃過滑移面所遇顆粒為可當(dāng)位錯掃過滑移面所遇顆粒為可變形時，該顆粒就會發(fā)生變形，即滑移面變形時，該顆粒就會

29、發(fā)生變形，即滑移面上下錯動了一個原子間距，這可能產(chǎn)生一上下錯動了一個原子間距，這可能產(chǎn)生一系列使體系能量增高的結(jié)果。系列使體系能量增高的結(jié)果。 1）切應(yīng)力顆粒部分與基體晶體相接，）切應(yīng)力顆粒部分與基體晶體相接，因為常數(shù)不同，故產(chǎn)生一部分錯排能。因為常數(shù)不同，故產(chǎn)生一部分錯排能。 2）增加了相界面積，故界面能增加。）增加了相界面積，故界面能增加。 圖圖8-26下頁下頁后退后退 3）若顆粒為有序結(jié)構(gòu)，破壞有序結(jié)）若顆粒為有序結(jié)構(gòu)，破壞有序結(jié)構(gòu)后產(chǎn)生反相疇界，故增加一部分反相疇構(gòu)后產(chǎn)生反相疇界，故增加一部分反相疇界能。界能。 4）造成粒子周圍應(yīng)力場與位錯應(yīng)力）造成粒子周圍應(yīng)力場與位錯應(yīng)力場作用，阻礙

30、位錯運動。場作用，阻礙位錯運動。 位錯切過顆粒周圍是能量上升過程，位錯切過顆粒周圍是能量上升過程，因而位錯掃過該顆粒是一個克服阻力做功因而位錯掃過該顆粒是一個克服阻力做功過程，因而使位錯滑移困難，塑變不易進過程，因而使位錯滑移困難，塑變不易進行，合金強化。行，合金強化。后退后退 下頁下頁2.不可變形顆粒之強化機制不可變形顆粒之強化機制 圖圖8-27，當(dāng)位錯掃過滑移面所遇顆粒當(dāng)位錯掃過滑移面所遇顆粒為不可變形時，位錯會繞過該顆粒，繼續(xù)為不可變形時，位錯會繞過該顆粒，繼續(xù)運動。運動。 位錯繞過顆粒時就會發(fā)生彎曲，彎曲位錯繞過顆粒時就會發(fā)生彎曲，彎曲嚴重時，使位錯兩端相遇，為異號位錯抵嚴重時，使位錯

31、兩端相遇，為異號位錯抵消，位錯繼續(xù)向前運動而留下一個位錯環(huán)。消，位錯繼續(xù)向前運動而留下一個位錯環(huán)。 由于使位錯發(fā)生彎曲是一個使位錯伸由于使位錯發(fā)生彎曲是一個使位錯伸長，因而能量增高，即使位錯運動困難，長，因而能量增高，即使位錯運動困難，故合金就被強化。故合金就被強化。下頁下頁后退后退返回返回第八節(jié)第八節(jié) 冷變形金屬的組織與性能冷變形金屬的組織與性能一、冷變形金屬的力學(xué)性能一、冷變形金屬的力學(xué)性能 金屬的冷變形如金屬經(jīng)冷軋薄板、拉金屬的冷變形如金屬經(jīng)冷軋薄板、拉絲和深沖零件等。隨著變形的增加，金屬絲和深沖零件等。隨著變形的增加，金屬的屈服強度和抗拉強度在不斷提高，特別的屈服強度和抗拉強度在不斷提

32、高，特別是屈服強度升高很快，導(dǎo)致屈強比增大，是屈服強度升高很快，導(dǎo)致屈強比增大，塑性降低。塑性降低。二、冷變形金屬的組織二、冷變形金屬的組織 經(jīng)拉拔和冷軋后晶粒沿著拉拔和軋制經(jīng)拉拔和冷軋后晶粒沿著拉拔和軋制方向伸長。方向伸長。后退后退 下頁下頁 變形量很大時，晶界變得模糊不清。變形量很大時，晶界變得模糊不清。 在變形很強時，對層錯能高的或較高在變形很強時，對層錯能高的或較高的金屬如鐵鋁和銅，由于大量的位錯增殖的金屬如鐵鋁和銅，由于大量的位錯增殖和易于交滑移，可形成明顯的位錯胞狀結(jié)和易于交滑移，可形成明顯的位錯胞狀結(jié)構(gòu)。在位錯胞的內(nèi)部，位錯密度很低，大構(gòu)。在位錯胞的內(nèi)部，位錯密度很低，大量的位錯

33、都纏結(jié)在位錯胞壁。量的位錯都纏結(jié)在位錯胞壁。三、形變織構(gòu)三、形變織構(gòu) 原來的各個晶粒是任意取向的，現(xiàn)在原來的各個晶粒是任意取向的，現(xiàn)在由于晶粒的轉(zhuǎn)動使各個晶粒的取向趨于一由于晶粒的轉(zhuǎn)動使各個晶粒的取向趨于一致，這就形成了晶體的擇優(yōu)取向，把它稱致，這就形成了晶體的擇優(yōu)取向，把它稱為形變織構(gòu)。為形變織構(gòu)。 下頁下頁后退后退 形變織構(gòu)的形成會使材料具有強烈的形變織構(gòu)的形成會使材料具有強烈的各向異性。各向異性。四、殘余應(yīng)力（四、殘余應(yīng)力（殘余應(yīng)力的分類殘余應(yīng)力的分類） 金屬冷變形時，由于各部分變形的程金屬冷變形時，由于各部分變形的程度不同，變形后在金屬內(nèi)部殘存應(yīng)力。分度不同，變形后在金屬內(nèi)部殘存應(yīng)力。

34、分為宏觀應(yīng)力和顯微應(yīng)力。為宏觀應(yīng)力和顯微應(yīng)力。 當(dāng)殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時會降低材料強當(dāng)殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時會降低材料強度。如通過噴丸、表面滾壓使表面產(chǎn)生殘度。如通過噴丸、表面滾壓使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力?？傻窒ぷ鬏d荷下部分的拉應(yīng)余壓應(yīng)力?？傻窒ぷ鬏d荷下部分的拉應(yīng)力，這對提高表面疲勞強度是很有效的。力，這對提高表面疲勞強度是很有效的。下頁下頁后退后退返回返回 分分 類類 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 平衡范圍平衡范圍 X射線衍射特征射線衍射特征第一類殘余第一類殘余應(yīng)力應(yīng)力(宏觀應(yīng)宏觀應(yīng)力、體應(yīng)力力、體應(yīng)力)由不均勻的由不均勻的外部作用引外部作用引起起在物體的整在物體的整個體積或大個體積或大尺寸范圍內(nèi)尺寸范圍內(nèi)處于

35、平衡處于平衡X射線衍射線射線衍射線條發(fā)生位移條發(fā)生位移第二類殘余第二類殘余應(yīng)力應(yīng)力(微觀應(yīng)微觀應(yīng)力、組織應(yīng)力、組織應(yīng)力力)由顯微組織由顯微組織的不均勻性的不均勻性引起引起在一個或幾在一個或幾個晶粒范圍個晶粒范圍內(nèi)處于平衡內(nèi)處于平衡X射線衍射譜射線衍射譜線寬化線寬化第三類殘余第三類殘余應(yīng)力應(yīng)力(超微觀超微觀應(yīng)力應(yīng)力)由位錯的不由位錯的不均勻分布引均勻分布引起起在晶界或滑在晶界或滑移面附近不移面附近不多的范圍內(nèi)多的范圍內(nèi)處于平衡處于平衡衍射線強度減衍射線強度減低低返回第九節(jié)第九節(jié) 金屬的斷裂金屬的斷裂一、理論斷裂強度一、理論斷裂強度0+結(jié)合力結(jié)合力a/am圖圖8-32 原子間結(jié)合力隨距離變化示意圖

36、原子間結(jié)合力隨距離變化示意圖后退后退 下頁下頁E理論斷裂強度：理論斷裂強度： c=a1/2表面能表面能 a原子間距原子間距二、實際斷裂強度二、實際斷裂強度 為什麼金屬的實際斷裂強度要比理論為什麼金屬的實際斷裂強度要比理論斷裂強度低得多？斷裂強度低得多？后退后退 下頁下頁c 這是因為材料內(nèi)部存在有裂紋。金屬這是因為材料內(nèi)部存在有裂紋。金屬中的裂紋多半是由變形的不均勻和變形受中的裂紋多半是由變形的不均勻和變形受到阻礙，產(chǎn)生了很大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力到阻礙，產(chǎn)生了很大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中達到了理論斷裂強度才開始萌生裂紋。集中達到了理論斷裂強度才開始萌生裂紋。斷裂應(yīng)力和裂紋尺寸的關(guān)系斷裂應(yīng)力和裂紋尺寸

37、的關(guān)系 =( )若一脆性材料在受載前就已存在裂紋，將若一脆性材料在受載前就已存在裂紋，將會大大降低斷裂強度。將此式與理論斷裂會大大降低斷裂強度。將此式與理論斷裂強度比較，若強度比較，若c=10 a，實際斷裂強度就只，實際斷裂強度就只有理論值的有理論值的1/100。2E1/24后退后退 下頁下頁返回返回第十節(jié)第十節(jié) 冷變形金屬的回復(fù)階段冷變形金屬的回復(fù)階段 冷變形金屬在加熱時先后經(jīng)歷了回復(fù)、冷變形金屬在加熱時先后經(jīng)歷了回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個階段。在再結(jié)晶階再結(jié)晶和晶粒長大三個階段。在再結(jié)晶階段，從組織上看是以產(chǎn)生無畸變的新晶核，段，從組織上看是以產(chǎn)生無畸變的新晶核，然后在變形金屬基體內(nèi)長大，

38、形成大角度然后在變形金屬基體內(nèi)長大，形成大角度晶界的新晶粒為標(biāo)志的；從性能上看是以晶界的新晶粒為標(biāo)志的；從性能上看是以力學(xué)性能和物理性能產(chǎn)生急劇變化為標(biāo)志力學(xué)性能和物理性能產(chǎn)生急劇變化為標(biāo)志的。在再結(jié)晶過程未進行之前，一個相當(dāng)?shù)?。在再結(jié)晶過程未進行之前，一個相當(dāng)寬的溫度范圍都屬于回復(fù)階段。寬的溫度范圍都屬于回復(fù)階段。后退后退 下頁下頁一、回復(fù)階段性能與組織的變化一、回復(fù)階段性能與組織的變化1）宏觀內(nèi)應(yīng)力經(jīng)過低溫加熱后大部分去）宏觀內(nèi)應(yīng)力經(jīng)過低溫加熱后大部分去除，而微觀應(yīng)力仍然殘存。除，而微觀應(yīng)力仍然殘存。2）電阻率）電阻率/降低。降低。3）硬度和流變應(yīng)力的變化隨金屬不同而）硬度和流變應(yīng)力的變化

39、隨金屬不同而異。異。4）顯微組織至少在光學(xué)顯微鏡下看不出）顯微組織至少在光學(xué)顯微鏡下看不出有任何變化，在高溫回復(fù)時，在電鏡下可有任何變化，在高溫回復(fù)時，在電鏡下可看到晶粒內(nèi)的胞狀位錯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚?。看到晶粒?nèi)的胞狀位錯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚?。后退后?下頁下頁二、回復(fù)動力學(xué)二、回復(fù)動力學(xué)三、回復(fù)機制三、回復(fù)機制1）低溫時?；貜?fù)主要與點缺陷的遷移有關(guān)。）低溫時?；貜?fù)主要與點缺陷的遷移有關(guān)。冷變形時產(chǎn)生大量的點缺陷冷變形時產(chǎn)生大量的點缺陷空位與間空位與間隙原子，它們的形成主要是集多滑移后位隙原子，它們的形成主要是集多滑移后位錯的交割，在螺位錯上帶有刃型割階運動錯的交割，在螺位錯上帶有刃型割階運動產(chǎn)生的。產(chǎn)

40、生的。2）溫度較高時。會發(fā)生位錯運動和重新分）溫度較高時。會發(fā)生位錯運動和重新分布?；泼嫔衔诲e相遇時，異號位錯會消布?；泼嫔衔诲e相遇時，異號位錯會消后退后退 下頁下頁失；如兩個為刃型位錯會形成空位或間隙失；如兩個為刃型位錯會形成空位或間隙原子，位錯密度也略有降低。原子，位錯密度也略有降低。3）在高溫回復(fù)時。刃型位錯可獲得足夠）在高溫回復(fù)時。刃型位錯可獲得足夠的能量產(chǎn)生攀移。高溫時攀移和擴散是互的能量產(chǎn)生攀移。高溫時攀移和擴散是互為因果的。（為因果的。（圖圖8-35）4）位錯反應(yīng)形成亞晶。）位錯反應(yīng)形成亞晶。1/2(111)1/2(111)1/2(111)1/2(111)(100)圖圖8-36 冷變形鐵高溫回復(fù)時通過位錯反應(yīng)形成亞晶冷變形鐵高溫回復(fù)時通過位錯反應(yīng)形成亞晶后退后退下頁下頁返回低溫回復(fù)低溫回復(fù)：空位及間隙原子對消，使：空位及間隙原子對消，使點缺陷濃度降低，從而使其電阻率發(fā)點缺陷濃度降低，從而使其電阻率發(fā)