第5章材料的形變和再結(jié)晶4

本節(jié)主要內(nèi)容多晶體的塑性變形合金的塑性變形塑性變形對材料組織與性能的影響細(xì)晶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化彌散強(qiáng)化加工硬化屈服現(xiàn)象應(yīng)變時效柯氏氣團(tuán)形變織構(gòu)重要理論和概念現(xiàn)在是1頁\一共有65頁\編輯于星期四Questions?為什么工程上很少用純金屬？合金加工或應(yīng)用中存在哪些問題？織構(gòu)是如何產(chǎn)生的？如何提高金屬的強(qiáng)度？現(xiàn)在是2頁\一共有65頁\編輯于星期四為什么鉆戒不用純金而是用白金作為托架？Men'sWeddingRingsMaterialsAgroom‘sweddingband（結(jié)婚戒指）willbemadeofplatinum,whitegold,yellowgold,titanium,stainlesssteelor,lead.Platinumandwhitegoldare,atpresent,themostpopularmaterials.Whitegold（白金）isanalloyofgold(i.e.,itisgoldandsilverorpalladium（鈀）.ThisiswheretheconceptofKarat(開，克拉)comesin.Karatisameasureofthepurityofthematerial.現(xiàn)在是3頁\一共有65頁\編輯于星期四An18Kgoldringhas75%puregold(theelement).Thehigherthekarat,thesoftertheringandthemoreeasilyitwillgetscratchedanddented.Accordingly,18Kisconsideredtheoptimalkarat(withpuregoldcominginat24karats).現(xiàn)在是4頁\一共有65頁\編輯于星期四單晶與多晶有何區(qū)別？晶界多晶體存在大量晶界。二、多晶體的塑性變形現(xiàn)在是5頁\一共有65頁\編輯于星期四單晶與多晶性能比較單晶金屬材料因其消除了普通多晶金屬材料中的晶界使材料性能有了質(zhì)的飛躍普通的金屬材料都是多晶狀態(tài)的，它由許多微小的晶粒組成，晶粒與晶粒之間通過晶界連結(jié)。因為晶界是成形過程中最后凝固形成的，是雜質(zhì)和缺陷的聚集帶?，F(xiàn)在是6頁\一共有65頁\編輯于星期四晶界對金屬材料性能的影響疲勞性能：晶界往往是疲勞裂紋源，晶界顯著降低材料的疲勞性能；力學(xué)性能：晶界阻礙材料塑性變形，顯著降低材料的塑性；腐蝕性能：金屬沿晶界產(chǎn)生晶間腐蝕；蠕變性能：金屬材料首先由晶界開始熔化，晶界限制了材料的最高工作溫度；電學(xué)性能：在直流電信號傳輸中，晶界是電阻，對電信號的傳輸起歪曲和衰減的作用?，F(xiàn)在是7頁\一共有65頁\編輯于星期四單晶材料的獲得成為突破現(xiàn)有材料極限的有效方法先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)葉片采用無晶界的單晶高溫合金可以提高工作溫度和壽命；采用無晶界的單晶耐蝕合金無縫管，可防止因晶間腐蝕而泄漏；單晶制品優(yōu)異的塑性加工性能，使之可以加工成超細(xì)的線和超薄的箔，作為生產(chǎn)集成電路、大型計算機(jī)以及電子儀器、音像設(shè)備所需的高級材料；單晶材料高的殘留電阻比大大提高了信號傳輸?shù)谋Ｕ娑?，在日本單晶連鑄銅線在音像設(shè)備中已獲得應(yīng)用?，F(xiàn)在是8頁\一共有65頁\編輯于星期四多晶體與單晶體塑性變形比較相同之處：同樣以滑移和孿生為塑性變形的基本方式不同之處：1、多晶體的塑性變形受到晶粒取向和晶界阻礙的影響；2、任何一個晶粒的塑性變形都不是處于獨(dú)立的自由變形狀態(tài)，需要其周圍的晶粒同時發(fā)生相適應(yīng)的變形來配合?，F(xiàn)在是9頁\一共有65頁\編輯于星期四1.晶粒取向的影響晶粒取向?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相互制約和協(xié)調(diào)性。多晶體塑性變形過程如同綁腿比賽鮑威爾與特奧運(yùn)動員趙曾曾二人三足跑,三人四足綁腿跑現(xiàn)在是10頁\一共有65頁\編輯于星期四綁腿人數(shù)越多，制約性越多，協(xié)調(diào)性更困難。同理，晶粒越細(xì)小，晶粒越多，制約性更強(qiáng)，塑性變形將變得更為不易?，F(xiàn)在是11頁\一共有65頁\編輯于星期四理論分析指出，多晶體塑性變形要求至少能在5個獨(dú)立的滑移系上進(jìn)行滑移。多晶體的塑性變形是通過各晶粒的多系滑移來保證相互間協(xié)調(diào)的，即：一個多晶粒是否能塑性變形，決定于它是否具備5個獨(dú)立的滑移系來滿足各晶粒變形時相互協(xié)調(diào)的要求。這與晶體的結(jié)構(gòu)類型有關(guān)：面心立方和體心立方晶體分別有12個和48個滑移系，故它們的多晶體具有很好的塑性；而密排六方晶體只有3個滑移系，其塑性變形能力較差?，F(xiàn)在是12頁\一共有65頁\編輯于星期四晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性（1）原因：各晶粒之間變形具有非同時性。（2）要求：各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)。（獨(dú)立變形會導(dǎo)致晶體分裂）（3）條件：獨(dú)立滑移系5個。（保證晶粒形狀的自由變化）現(xiàn)在是13頁\一共有65頁\編輯于星期四2、晶界的影響晶界附近產(chǎn)生的位錯塞積群會對晶內(nèi)的位錯源產(chǎn)生一反作用力。此反作用力隨位錯塞積的數(shù)目n而增大：式中，τ0為作用于滑移面上的外加分切應(yīng)力，L為位錯源至晶界之距離，κ為系數(shù)，螺型位錯κ=1，刃型位錯κ=1-ν。位錯在晶界塞積→應(yīng)力集中→相鄰晶粒位錯源開動→相鄰晶粒變形→塑性變形現(xiàn)在是14頁\一共有65頁\編輯于星期四3、晶界對變形的阻礙作用（1）晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則、分布有大量缺陷。（2）晶界對變形的影響:多晶體塑性變形后，每一晶粒中的滑移帶都終止在晶界附近?；啤\生多終止于晶界,極少穿過。R.Zengetal./JournalofAlloysandCompounds509(2011)4462–4469R.Zengetal./InternationalJournalofFatigue32(2010)411–419現(xiàn)在是15頁\一共有65頁\編輯于星期四4、多晶體塑性變形的特點(diǎn)①各晶粒變形的不同時性；②各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性；③多晶體塑性變形的不均勻性；現(xiàn)在是16頁\一共有65頁\編輯于星期四5、細(xì)晶強(qiáng)化

(Strengtheningbygrainsizereduction)晶界數(shù)量直接取決于晶粒的大小多晶體的強(qiáng)度隨其晶粒細(xì)化而提高。多晶體的屈服強(qiáng)度σs與晶粒平均晶粒直徑d的關(guān)系.由霍爾-配奇（Hall-Petch）公式,可知s=0+kd-1/2現(xiàn)在是17頁\一共有65頁\編輯于星期四細(xì)晶強(qiáng)化霍爾-佩奇公式最初是一經(jīng)驗公式，但也可根據(jù)位錯理論，利用位錯群在晶界附近引起的塞積模型導(dǎo)出?，F(xiàn)在是18頁\一共有65頁\編輯于星期四細(xì)晶強(qiáng)化現(xiàn)在是19頁\一共有65頁\編輯于星期四霍爾-佩奇公式的應(yīng)用-

解釋鎂合金AZ61疲勞裂紋形成機(jī)理??二次裂紋是如何產(chǎn)生的？R.C.Zengetal./InternationalJournalofFatigue31(2009)463–467現(xiàn)在是20頁\一共有65頁\編輯于星期四二次疲勞裂紋產(chǎn)生的原因已知：σs=187.0Mpa，

k=0.22MPam1/2，σ0=146.8MPa那么對于細(xì)晶粒，d1=10μm，

σs1=216.4MPa對于粗晶粒，d2=250μm，

σs2=160.7Mpa顯然，Δσs=

σs1-σs2=55.7Mpa粗晶粒和細(xì)晶粒屈服強(qiáng)度之間存在巨大的差異，粗晶粒優(yōu)先發(fā)生塑性變形。霍爾佩奇公式：R.C.Zengetal./InternationalJournalofFatigue31(2009)463–467現(xiàn)在是21頁\一共有65頁\編輯于星期四細(xì)晶強(qiáng)化：晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高—細(xì)晶強(qiáng)化理論晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯運(yùn)動的阻力越大。（有尺寸限制）晶粒越多，變形均勻性提高，由應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂機(jī)會減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出高塑性?，F(xiàn)在是22頁\一共有65頁\編輯于星期四2.

晶粒越細(xì)，塑韌性提高細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過程中可吸收較多能量,表現(xiàn)出高韌性。現(xiàn)在是23頁\一共有65頁\編輯于星期四晶界在塑性變形中的作用協(xié)調(diào)作用：協(xié)調(diào)相鄰晶粒變形障礙作用：阻礙滑移的進(jìn)行促進(jìn)作用：高溫變形時兩相鄰晶粒沿晶界滑動起裂作用：晶界阻礙滑移晶界應(yīng)力集中現(xiàn)在是24頁\一共有65頁\編輯于星期四三、固溶強(qiáng)化

（SOLID-SOLUTIONSTRENGTHENING）1、單相固溶體合金的塑性變形

固溶強(qiáng)化明顯的屈服點(diǎn)和應(yīng)變時效現(xiàn)象塑性變形阻力↑現(xiàn)在是25頁\一共有65頁\編輯于星期四固溶強(qiáng)化1）概念：固溶體材料隨溶質(zhì)含量提高其強(qiáng)度、硬度提高而塑性下降的現(xiàn)象。溶質(zhì)原子的加入提高了應(yīng)力-應(yīng)變曲線的水平，提高了合金的加工硬化速率?，F(xiàn)在是26頁\一共有65頁\編輯于星期四2）影響固溶強(qiáng)化的因素溶質(zhì)原子含量:溶質(zhì)原子的原子數(shù)分?jǐn)?shù)越高，強(qiáng)化作用也越大；原子尺寸:溶質(zhì)原子與基體金屬的原子尺寸相差越大，強(qiáng)化作用也越大；固溶體類型：間隙型溶質(zhì)原子比置換原子具有較大的固溶強(qiáng)化效果；價電子數(shù)：溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)相差越大，固溶強(qiáng)化作用越顯著?，F(xiàn)在是27頁\一共有65頁\編輯于星期四溶質(zhì)原子尺寸的影響MetalAtomicradius(0.1nm)[(r-rcu)/rcu]×100%Cu1.2780Zn1.332+4.2Al1.432+12.1Sn1.509+18.1Ni1.243-2.7Si1.176-8.0Be1.143-10.6Zn現(xiàn)在是28頁\一共有65頁\編輯于星期四3）固溶強(qiáng)化機(jī)制①晶格畸變，阻礙位錯運(yùn)動；溶質(zhì)原子與位錯的彈性交互作用、化學(xué)交互作用和靜電交互作用②柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化。位錯運(yùn)動改變了溶質(zhì)原子在固溶體結(jié)構(gòu)中以短程有序或偏聚形式存在的分布狀態(tài)，→↑系統(tǒng)能量，↑滑移變形的阻力現(xiàn)在是29頁\一共有65頁\編輯于星期四固溶強(qiáng)化對性能的影響StrengthorelongationCu合金的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度都大于純金屬；合金的韌性都低于純金屬；合金的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純金屬；固溶強(qiáng)化提高了蠕變阻力?，F(xiàn)在是30頁\一共有65頁\編輯于星期四利用合金固溶強(qiáng)化理論，白金的硬度顯然比純金的高，以保證鉆石不會從戒指中脫落?；卮穑簽槭裁淬@戒不用純金而是用白金作為托架的問題？現(xiàn)在是31頁\一共有65頁\編輯于星期四4）屈服現(xiàn)象與應(yīng)變時效①屈服現(xiàn)象上屈服點(diǎn)：試樣開始屈服時對應(yīng)的應(yīng)力下屈服點(diǎn)：載荷首次降低的最低載荷屈服伸長：試樣在此恒定應(yīng)力下的伸長現(xiàn)在是32頁\一共有65頁\編輯于星期四呂德斯帶概念：在發(fā)生屈服延伸階段，試樣的應(yīng)變是不均勻的，在試樣表面可觀察到與縱軸約呈45o交角的應(yīng)變痕跡，稱為呂德斯（Lüders）帶。現(xiàn)象：呂德斯帶會造成拉伸和深沖過程中工件表面不平。呂德斯帶造成鋁合金板材表面不平整現(xiàn)在是33頁\一共有65頁\編輯于星期四呂德斯帶與滑移帶比較呂德斯帶是許多晶粒協(xié)調(diào)變形的結(jié)果，它穿過了試樣橫截面上的每個晶粒，而其中每個晶粒內(nèi)部則仍按各自滑移系進(jìn)行滑移變形?；茙菕伖庠嚇颖砻娼?jīng)過塑性變形產(chǎn)生的高低不同的臺階所造成的一條條細(xì)線。現(xiàn)在是34頁\一共有65頁\編輯于星期四屈服現(xiàn)象的物理本質(zhì)a、柯氏理論：柯氏氣團(tuán)的形成；b、位錯增值理論：位錯運(yùn)動與增殖的結(jié)果。柯氏氣團(tuán)：在固溶體合金中，溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子可以與位錯交互作用而形成的溶質(zhì)原子氣團(tuán)?，F(xiàn)在是35頁\一共有65頁\編輯于星期四柯垂?fàn)枺–OTTRELL）氣團(tuán)與位錯交互作用偏聚于刃位錯的下方，以抵消部分或全部的張應(yīng)力，↓彈性應(yīng)變能，位錯趨于穩(wěn)定，不易運(yùn)動，對位錯具有“釘扎作用”。比溶劑原子尺寸大的置換溶質(zhì)原子間隙原子C、N壓應(yīng)力拉應(yīng)力滑移面現(xiàn)在是36頁\一共有65頁\編輯于星期四位錯增值理論材料塑形變形的應(yīng)變速率（1）ρm-可動位錯密度v-位錯的平均運(yùn)動速度b-位錯的伯氏矢量。現(xiàn)在是37頁\一共有65頁\編輯于星期四位錯的平均運(yùn)動速度V又與應(yīng)力密切相關(guān)：

（2）τ0-位錯作單位速度運(yùn)動所需的應(yīng)力，τ-位錯受到的有效切應(yīng)力，m’-應(yīng)力敏感指數(shù)拉伸試驗時，接近于恒定。塑形變性前，ρm很低，v很大，τ

很大；這就是上屈服點(diǎn)高的原因。變性后，ρm很高，v變小，τ很小。這就是下屈服點(diǎn)較低的原因?，F(xiàn)在是38頁\一共有65頁\編輯于星期四②應(yīng)變時效概念：預(yù)塑性變形試樣去載后立即加載不出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；去載后放置一段時間或200℃加熱后再加載出現(xiàn)屈服。機(jī)理：柯氏氣團(tuán)理論現(xiàn)在是39頁\一共有65頁\編輯于星期四結(jié)構(gòu)：基體+第二相按第二相粒子的尺寸大小進(jìn)行分類一、聚合型合金的塑性變形①兩相均為塑性相合金的變形能力取決于兩相的體積分?jǐn)?shù)②塑性相（基體相）＋脆性相取決于第二相的相對數(shù)量、形狀、大小和分布聚合型兩相合金彌散分布型兩相合金2、多相合金的塑性變形現(xiàn)在是40頁\一共有65頁\編輯于星期四現(xiàn)在是41頁\一共有65頁\編輯于星期四2、多相合金的塑性變形硬而脆的第二相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在塑性相的晶界上脆性相↑→塑性、韌性↓過共析鋼中的二次滲碳體脆性第二相呈片狀或?qū)訝罘植荚谒苄韵嗟幕w上珠光體類組織：塑性變形主要發(fā)生在鐵素體中片間距越小，則強(qiáng)度越高且變形越均勻，變形能力增加脆性相在塑性相中呈顆粒狀分布現(xiàn)在是42頁\一共有65頁\編輯于星期四①不可變形微粒的強(qiáng)化作用借助于粉末冶金方法加入的第二相粒子為不可變形的粒子越多、間距越小→強(qiáng)化作用↑彌散強(qiáng)化：當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時而導(dǎo)致的顯著的強(qiáng)化作用。位錯繞過第二相粒子的示意圖（E.Orowan）-奧羅萬機(jī)制二、彌散分布型合金的塑性變形現(xiàn)在是43頁\一共有65頁\編輯于星期四根據(jù)位錯理論，迫使位錯線彎曲到曲率半徑為R所需的切應(yīng)力為此時由于R=λ/2，所以位錯線彎曲到該狀態(tài)所需的切應(yīng)力為物理意義：不可變形粒子的強(qiáng)化作用與粒子間距成反比，即粒子越多，間距越小，強(qiáng)化作用越明顯。R現(xiàn)在是44頁\一共有65頁\編輯于星期四多相合金的塑性變形②可變形微粒的強(qiáng)化作用沉淀相粒子（通過時效處理從過飽和固溶體中析出）多為可變形的。強(qiáng)化作用取決于粒子本身的性質(zhì)及與基體的聯(lián)系位錯切割A(yù)l-Li合金中的Al3Li相的電鏡照片位錯切割粒子的機(jī)制現(xiàn)在是45頁\一共有65頁\編輯于星期四強(qiáng)化作用：位錯切過粒子后產(chǎn)生新的界面，↑界面能；若共格的粒子是一種有序結(jié)構(gòu)，位錯切過之后，打亂了滑移面上下的有序排列，沿滑移面產(chǎn)生反相疇界，能量↑；由于粒子的點(diǎn)陣常數(shù)與基體不一樣，粒子周圍產(chǎn)生共格畸變，存在彈性應(yīng)變場，應(yīng)力場與位錯交互作用，阻礙位錯運(yùn)動；現(xiàn)在是46頁\一共有65頁\編輯于星期四由于粒子的層錯能與基體的不同，擴(kuò)展位錯切過粒子時，其寬度會產(chǎn)生變化，引起能量升高，從而強(qiáng)化；（）由于基體和粒子中滑移面的取向不一致，螺型位錯線切過粒子時必然產(chǎn)生一割階，而割階會妨礙整個位錯線的移動；粒子與基體的比體積差別且沉淀粒子與母相保持共格或半共格結(jié)合，在粒子周圍產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，此應(yīng)力場與位錯產(chǎn)生交互作用阻礙位錯運(yùn)動。（堆垛）層錯-密排面的正常堆垛順序發(fā)生錯排?，F(xiàn)在是47頁\一共有65頁\編輯于星期四現(xiàn)在是48頁\一共有65頁\編輯于星期四四、塑性變形對材料組織與性能的影響１、顯微組織的變化

①大量滑移帶和孿晶帶；

②晶粒沿變形方向變扁平（elongatedgrains）。2、特點(diǎn)：①晶粒拉長；②雜質(zhì)呈細(xì)帶狀（塑性雜質(zhì)）或鏈狀分布（脆性雜質(zhì)）現(xiàn)在是49頁\一共有65頁\編輯于星期四Mg-1.0Li-0.5Ca-0.5Y擠壓變形組織Extrusiondirection現(xiàn)在是50頁\一共有65頁\編輯于星期四鎂合金AM60擠壓態(tài)（左）、軋制態(tài)（右）3D組織現(xiàn)在是51頁\一共有65頁\編輯于星期四擠壓鎂合金AZ80、AZ61顯微組織現(xiàn)在是52頁\一共有65頁\編輯于星期四２、亞結(jié)構(gòu)的變化變形量↑→位錯纏結(jié)→變形胞（大量位錯纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯密度低）變形量↑→變形胞↑、尺寸↓層錯能↑→易出現(xiàn)明顯胞狀結(jié)構(gòu)層錯能↓→易出現(xiàn)位錯塞積群，不易出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是53頁\一共有65頁\編輯于星期四３、性能的變化１）加工硬化（workhardening）①定義：金屬材料經(jīng)冷加工變形后，強(qiáng)度、硬度顯著提高，而塑性、韌性明顯下降的現(xiàn)象?，F(xiàn)在是54頁\一共有65頁\編輯于星期四現(xiàn)在是55頁\一共有65頁\編輯于星期四②單晶體的加工硬化曲線I.易滑移階段：發(fā)生單滑移，位錯移動和增殖所遇到的阻力很小，θI很低，約為10-4G數(shù)量級。II.線性硬化階段：發(fā)生多系滑移，位錯運(yùn)動困難，θII遠(yuǎn)大于θI

，約為G/100～G/300。III.拋物線硬化階段：與位錯的多滑移過程有關(guān)，θIII隨應(yīng)變增加而降低，應(yīng)力應(yīng)變曲線變?yōu)閽佄锞€?，F(xiàn)在是56頁\一共有65頁\編輯于星期四現(xiàn)在是57頁\一共有65頁\編輯于星期四③多晶體的加工硬化其應(yīng)力—應(yīng)變曲線不