塑性變形與強(qiáng)化

塑性變形與強(qiáng)化第1頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（一）基本概念材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后能回復(fù)到原來(lái)形狀的能力為其彈性性質(zhì)，這種可逆變形就叫做彈性變形。

分類

普彈性：在較小負(fù)荷下產(chǎn)生的變形。

高彈性：高分子材料（如橡膠）在高彈態(tài)所表現(xiàn)出的特性：變形量大，有熱效應(yīng)－伸長(zhǎng)時(shí)放熱，回縮時(shí)吸熱。一、彈性變形2第2頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（二）廣義虎克定律1.在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變間的關(guān)系服從虎克定律

2.虎克定律的工程應(yīng)用形式：εx=[σx-(σy+σz)]/E

εy=[σy-(σx+σz)]/E

εz=[σz-(σy+σx)]/E

xy=τxy/G

yz=τyz/G

zx=τzx/GE：彈性模量；γ：切應(yīng)變；G：剪切模量

3第3頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

3.

彈性模量影響因素彈性模量主要取決于金屬本性，與晶格類型和原子間距密切相關(guān)。過(guò)渡族金屬Fe、Ni、Mo、W、Mn、Co等彈性模量都很大。合金中固溶合金元素隨可改變晶格常數(shù)，但對(duì)鋼鐵材料改變不大。熱處理改變組織對(duì)彈性模量影響不大。冷塑性變形E一般下降3~5%；溫度升高E值下降；加載速度影響不大。4第4頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（三）

金屬?gòu)椥圆煌暾?/p>

包申格（Bauschinger)效應(yīng)金屬經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生微量塑性變形，然后同向加載彈性極限升高；反向加載彈性極限降低。彈性后效

加載時(shí)除產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變?chǔ)?外，隨時(shí)間延長(zhǎng)還有一個(gè)緩慢增加的應(yīng)變，稱滯彈性應(yīng)變。

卸載時(shí)外力去除ε0瞬時(shí)回復(fù)，滯彈性應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)慢慢回復(fù)，稱彈性后效或滯彈性。彈性滯后表明加載時(shí)消耗于材料的變形功大于卸載時(shí)材料恢復(fù)所釋放的變形功,多余的部分被材料內(nèi)部所消耗，稱之為內(nèi)耗。5第5頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六塑性變形：當(dāng)外加應(yīng)力超過(guò)屈服極限時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變不再呈線性關(guān)系，卸載后變形也不能完全消失。塑性變形有兩個(gè)基本方式：滑移和孿生。二金屬的塑性變形（一）塑性變形機(jī)制6第6頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.滑移（1）晶體的滑移借助位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)逐步實(shí)現(xiàn)的7第7頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（3）多系滑移時(shí)不同滑移面上的位錯(cuò)產(chǎn)生相互作用，使位錯(cuò)進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)的阻力增加，因此多系滑移比單系滑移要困難。（2）位錯(cuò)中心偏離平衡位置引起晶體能量增加，構(gòu)成能壘－位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，Peierls－Nabarro力a為滑移面的面間距，b為滑移方向上的原子間距8第8頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六雙滑移或多系滑移，會(huì)出現(xiàn)交叉形的滑移帶

9第9頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六交叉形的滑移帶10第10頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移：不全位錯(cuò)須先束集為全螺位錯(cuò)，再進(jìn)行交滑移。Al易交滑移，產(chǎn)生波紋狀滑移帶Cu不易交滑移，無(wú)波紋狀滑移帶

螺位錯(cuò)交滑移11第11頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

2.孿生

（1）孿生是晶體難以進(jìn)行滑移時(shí)而產(chǎn)生的另外一種塑性變形方式，hcp金屬中多見(jiàn)。（2）晶體的孿生面和孿生方向與其晶體結(jié)構(gòu)類型有關(guān)

bcc{112}、<111>

fcc{111}、<112>

hcp

{1012}、<1011>12第12頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六FABCDEBEACD（3）孿晶的形成與堆垛層錯(cuò)相關(guān)ABCABCCCBAB面心立方孿晶與層錯(cuò)體心立方孿晶與層錯(cuò)13第13頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（4）孿生的機(jī)制

孿晶生成過(guò)程

極快速度形成薄片孿晶（形核），然后通過(guò)界面擴(kuò)展形成孿晶帶。由于形核所需應(yīng)力遠(yuǎn)大于擴(kuò)展所需應(yīng)力，固當(dāng)孿晶出現(xiàn)伴隨載荷突然下降現(xiàn)象。目前對(duì)于孿生形核過(guò)程尚不十分清楚。鎘孿生應(yīng)力應(yīng)變曲線14第14頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

孿生的機(jī)制孿生過(guò)程與不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。F.C.C晶體結(jié)構(gòu)中極軸位錯(cuò)：具有a/3<111>螺型位錯(cuò)分量。不全位錯(cuò)：肖克萊位錯(cuò)?？蓜?dòng)不全位錯(cuò)極軸位錯(cuò)孿晶孿生極軸機(jī)制示意圖15第15頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六Cottrell&Bilby極軸孿生機(jī)制b.c.c（112）有柏氏矢量a[111]/2全位錯(cuò)AOCOB段發(fā)生分解：OB為刃型固定位錯(cuò)，OEDB為可動(dòng)不全位錯(cuò)

純螺位錯(cuò)OE交滑移至（121）面形成極軸位錯(cuò)-BOCDEF(112)(121)-B.C.C孿生極軸機(jī)制示意圖A-[111]16第16頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

OB位錯(cuò)發(fā)生分解：

a[121]/6是（121）面間距，即OB段分解位錯(cuò)中有1個(gè)垂直于（121）面、大小為（121）面間距的位錯(cuò)。OE位錯(cuò)每掃過(guò)（121）面1次和極軸位錯(cuò)交截1次，產(chǎn)生一個(gè)a[121]/6的割階，掃動(dòng)位錯(cuò)就到了臨近的（121）面。這一過(guò)程不斷進(jìn)行形成孿晶。------17第17頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六ACB孿晶示意圖α黃銅退火孿晶組織（5）孿晶組織鋅中形變孿晶100×（6）孿生作用孿生引起塑性形變不大，即使大部分晶體發(fā)生孿生，晶體形變也不超過(guò)10%；

孿生過(guò)程觸發(fā)滑移系開(kāi)動(dòng)；孿生帶相交可以導(dǎo)致脆斷；再結(jié)晶過(guò)程中，孿生帶附近往往優(yōu)先形核。18第18頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（二）屈服現(xiàn)象低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯屈服點(diǎn)（上、下屈服點(diǎn)）。呂德斯（Lüders）帶1.現(xiàn)象低碳鋼表面的呂德斯帶19第19頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六應(yīng)力達(dá)到上屈服點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)，應(yīng)力降至下屈服點(diǎn)時(shí)加寬；試樣形成幾個(gè)呂德斯帶，則屈服延伸階段就有波動(dòng)；呂德斯帶穿過(guò)試樣截面多個(gè)晶粒，說(shuō)明應(yīng)力達(dá)到上屈服點(diǎn)時(shí)，滑移的晶粒已能觸發(fā)相鄰晶?；疲稍S多已經(jīng)屈服晶粒構(gòu)成一個(gè)塑性變形區(qū)；體心立方金屬屈服點(diǎn)顯著，面心、密排六方金屬不顯著；少量預(yù)變形屈服點(diǎn)可暫時(shí)不出現(xiàn)20第20頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.屈服現(xiàn)象的解釋（1）溶質(zhì)原子對(duì)于位錯(cuò)的釘作用扎溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用形成“柯垂?fàn)枴睔鈭F(tuán)、“史氏”氣團(tuán)釘扎位錯(cuò)在體心立方晶體中，間隙型溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用很強(qiáng)，通常具有明顯屈服現(xiàn)象。（2）與變形過(guò)程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)無(wú)位錯(cuò)Cu晶須，低位錯(cuò)密度的硅鍺合價(jià)晶體，離子晶體LiF也都存在屈服點(diǎn)21第21頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（3）變形抗力與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度

應(yīng)變速率εp與晶體中可運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)密度ρm、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度v以及柏氏矢量b成正比，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度決定于所受有效力τ

如果開(kāi)始變形前晶體內(nèi)可動(dòng)位錯(cuò)數(shù)量低，其應(yīng)變速率低，保持恒定變形速度需要更多外力。τ0為位錯(cuò)作單位速度運(yùn)動(dòng)受力，m為應(yīng)力敏感指數(shù)，與材料有關(guān)。22第22頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（4）材料具有明顯屈服點(diǎn)條件變形前晶體中可動(dòng)位錯(cuò)少隨塑性變形位錯(cuò)能迅速增殖；相當(dāng)?shù)偷膽?yīng)力敏感指數(shù)m。23第23頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六金屬屈服后，欲使之繼續(xù)變形必須增加應(yīng)力的現(xiàn)象。表現(xiàn)為強(qiáng)度顯著提高、塑性明顯下降。發(fā)生加工硬化時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：n為加工硬化指數(shù)，0.1-0.5，反映加工硬化的強(qiáng)弱。（三）加工硬化現(xiàn)象1.定義24第24頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.單晶體加工硬化加工硬化三階段示意圖θⅠθⅡθⅢ（1）加工硬化應(yīng)力-應(yīng)變曲線25第25頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第Ⅱ階段線性硬化階段，應(yīng)力隨應(yīng)變急劇增加，值顯著增大。滑移線變短，分布不均勻。第Ⅰ階段

易滑移階段，較小，可發(fā)生較大塑性形。第Ⅲ階段拋物線硬化階段，值呈減小趨勢(shì)。26第26頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六面心立方（Cu）體心立方（Nb）密排六方（Mg）切應(yīng)變切應(yīng)力典型金屬晶體應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響因素晶體類型影響晶體位相雜質(zhì)及實(shí)驗(yàn)溫度27第27頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六繼續(xù)變形所需增加應(yīng)力Δτ與位錯(cuò)的平均自由程L呈反比關(guān)系：（2）加工硬化現(xiàn)象的解釋晶體加工硬化不同階段與其塑性變形的不同過(guò)程有關(guān)，亦即與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和相互作用有關(guān)。硬化曲線第Ⅰ階段位錯(cuò)間交互作用很少，滑移距離長(zhǎng)。曲線進(jìn)入第Ⅱ階段主次滑移系間交互作用強(qiáng)烈，生成割階固定位等障礙，位錯(cuò)密度迅速增高，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積群或形成位錯(cuò)纏結(jié)和胞狀亞結(jié)構(gòu)，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)被限制在一定范圍內(nèi)。28第28頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六L可用位錯(cuò)平均密度ρ表示：流變應(yīng)力τ與密度ρ可表示為：（Bailey-Hirsch公式）式中：τ0—無(wú)加工硬化時(shí)所需切應(yīng)力

α—常數(shù)，視材料不同約為0.3~0.5第Ⅲ階段滑移線變成滑移帶，且滑移帶發(fā)生碎化。螺位錯(cuò)發(fā)生交滑移，使塞積位錯(cuò)得以松弛，加工硬化程度減弱。29第29頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

位錯(cuò)相互作用可能機(jī)制平行位錯(cuò)間交互作用與林位錯(cuò)的相互作用繞過(guò)林位錯(cuò)與林位錯(cuò)彈性交互作用（發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)）形成割階割階的非保守運(yùn)動(dòng)（拖曳固定割階，形成點(diǎn)缺陷）胞壁的長(zhǎng)程應(yīng)力

目前還未能確立完整而統(tǒng)一的理論體系。最有影響兩個(gè)流派是：30第30頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（1）平行位錯(cuò)硬化理論（長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)硬化理論）主滑移面上平行位錯(cuò)所產(chǎn)生的長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)對(duì)硬化起主導(dǎo)作用。（G.I.Taylor,A.Seeger,Stuttgart)（2）交截位錯(cuò)硬化理論（短程應(yīng)力場(chǎng)硬化理論）

與主滑移面交截的林位錯(cuò)對(duì)硬化起主導(dǎo)作用。（W.Shockley)31第31頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.多晶體的加工硬化（1）加工硬化率明顯高于單晶體，無(wú)第一階段。（2）加工硬化率高。

要使處于硬取向的滑移系啟動(dòng)，必須增大外力；塑性變形過(guò)程中各晶粒內(nèi)部運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的強(qiáng)烈交互作用使位錯(cuò)塞積嚴(yán)重，晶界處應(yīng)力集中，硬化曲線很陡，加工硬化率高。伸長(zhǎng)，%應(yīng)力，MN/mm232第32頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4.加工硬化作用及工程應(yīng)用（1）通過(guò)冷變形強(qiáng)化金屬材料

是一些金屬材料強(qiáng)化的重要手段，如銅、鋁、奧氏體不銹鋼等。

通過(guò)拔絲、軋板、拉伸使金屬材料在成型的同時(shí)，整體強(qiáng)化。應(yīng)用：銅鋁導(dǎo)線、型材、冷軋板材、冷拔彈簧等。

通過(guò)塑性變形提高表層、局部強(qiáng)度（噴丸處理、局部擠壓）

通過(guò)過(guò)載實(shí)現(xiàn)局部變形強(qiáng)化（2）形變強(qiáng)化是金屬材料成型加工、安全使用的保障。33第33頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（四）位錯(cuò)與裂紋形成大量實(shí)驗(yàn)觀察表明，金屬材料中顯微裂紋總是在那些強(qiáng)烈塑性變形區(qū)產(chǎn)生。裂紋形成與金屬中的塑性變形，也就是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相關(guān)。對(duì)于此問(wèn)題的研究人們提出了幾種裂紋形成位錯(cuò)理論：位錯(cuò)塞積產(chǎn)生促使材料斷裂正應(yīng)力σcτnτθLrσc位錯(cuò)塞積形成裂紋1.位錯(cuò)塞積理論（Stroh理論）34第34頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六體心立方金屬中存在位錯(cuò)反應(yīng)：

當(dāng)σc達(dá)到材料的理論斷裂強(qiáng)度σm，在σc作用下形成微裂紋。理論計(jì)算形成一條微裂紋所需位錯(cuò)塞積條數(shù)n：Stroh理論存在問(wèn)題是裂紋成核只與外加應(yīng)力有關(guān)，而與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)。位錯(cuò)反應(yīng)形成裂紋2.位錯(cuò)反應(yīng)理論（Cottrell理論）τf形成裂紋臨界切應(yīng)力35第35頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

單向拉伸裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力σfσσ裂紋位錯(cuò)示意圖裂紋向前擴(kuò)展相當(dāng)位錯(cuò)向前攀移正應(yīng)力做功，當(dāng)滿足：即形成裂紋。裂紋形成時(shí)滑移面切應(yīng)力分量為τc，單向拉伸時(shí)τc=σ/2切應(yīng)變?yōu)榫ЯＧ袘?yīng)變位移：形成裂紋時(shí)36第36頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.雜物邊界形成裂紋理論（Smith理論）晶粒直徑dc0晶界炭化物（γc）裂紋σ鐵素體（γp）（1）模型

鐵素體邊界存在厚度C0的碳化物在外力σ作用下形成位錯(cuò)塞積群塞積群應(yīng)力集中造成炭化物斷裂（2）開(kāi)裂條件碳化物開(kāi)裂條件當(dāng)滑移面切應(yīng)力滿足：碳化物開(kāi)裂37第37頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六當(dāng)滿足：裂紋形成后立即擴(kuò)展至斷裂。（其中：γp鐵素體、碳化物比表面能之和）當(dāng)外加切應(yīng)力分量處于τc與τ/時(shí)，碳化物中形成裂紋尚需通過(guò)裂紋擴(kuò)展階段才能通過(guò)鐵素體，這是一種裂紋擴(kuò)展所控制的斷裂。采用柯垂?fàn)柲Ｐ皖愃仆茖?dǎo)過(guò)程，可以得到裂紋擴(kuò)展控制的斷裂判據(jù)：38第38頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

上述幾種裂紋形成模型可以看出，裂紋一般均出現(xiàn)在有界面處（晶界、相界、孿晶界），其原因是上述位置容易產(chǎn)生位錯(cuò)塞積。上述模型基本出發(fā)點(diǎn)都是切應(yīng)力作用下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，由于不同原因產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，塞積位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的拉應(yīng)力造成開(kāi)裂。上述幾種形成機(jī)制形成裂紋尺寸一般遠(yuǎn)小于臨界裂紋擴(kuò)展尺寸ac，所以裂紋形成并不意味材料立即斷裂。4.小結(jié)39第39頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三金屬材料強(qiáng)化原理(一）材料強(qiáng)韌性的有關(guān)概念1.強(qiáng)度：材料抵抗變形和斷裂的能力。2.塑性：表示材料發(fā)生塑性變形的難易程度。3.韌性：表示材料在變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力，是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。

金屬材料、陶瓷材料、高分子材料力學(xué)性能不同的根本原因是結(jié)合鍵和原子排列方式的不同。不同材料的強(qiáng)化機(jī)理不同。

金屬材料基本結(jié)合鍵金屬鍵決定了金屬材料力學(xué)性能與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，只要能阻礙位錯(cuò)滑移，就能提高的強(qiáng)度，同時(shí)降低了金屬的塑性。40第40頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（二）細(xì)晶強(qiáng)化1.多晶體塑性變形多晶體變形特征：各晶粒不能同時(shí)變形;各晶粒的變形不均勻;變形晶粒相互協(xié)調(diào)。至少5個(gè)獨(dú)立滑移系開(kāi)動(dòng)。宏觀產(chǎn)生屈服以前，晶體內(nèi)位錯(cuò)已經(jīng)產(chǎn)生滑移運(yùn)動(dòng)。只有位錯(cuò)在晶界塞積能夠啟動(dòng)相鄰晶粒位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)，宏觀塑性變形才開(kāi)始。因此晶界對(duì)塑變影響很大。多晶體塑性變形的機(jī)制仍是滑移和孿生41第41頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

粗大晶粒晶界處塞積位錯(cuò)數(shù)目多，形成較大的應(yīng)力場(chǎng)能夠使相鄰晶粒內(nèi)的位錯(cuò)源啟動(dòng)，使變形繼續(xù)；相反，細(xì)小晶粒的晶界處塞積的位錯(cuò)數(shù)目少，要使變形繼續(xù)，須施加更大的外部作用力，從而體現(xiàn)了細(xì)晶對(duì)材料強(qiáng)化的作用。σ0為單晶體屈服強(qiáng)度，Ky為晶界對(duì)強(qiáng)度的影響系數(shù)。2/10-+=dKYsss2.細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制機(jī)制3.Hall-Petch公式

公式42第42頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

公式導(dǎo)出位錯(cuò)在晶界塞積應(yīng)力場(chǎng)造成臨近晶粒變形位錯(cuò)塞積條數(shù)n塞積位錯(cuò)集中切應(yīng)力τp設(shè)晶界相鄰晶粒位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)所需切應(yīng)力τg由集中應(yīng)力τp提供，此時(shí)若已引起晶粒全面滑移，外加切應(yīng)力達(dá)到臨近切應(yīng)力，則：43第43頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六令則用拉應(yīng)力表示則為：決定于晶界結(jié)構(gòu)

應(yīng)用位錯(cuò)塞積作用相鄰晶粒位錯(cuò)源應(yīng)力推到也可得到相同結(jié)果。作用在距位錯(cuò)塞積群r處相鄰晶粒位錯(cuò)源切應(yīng)力τ為：44第44頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

當(dāng)τ達(dá)到能觸發(fā)相鄰晶?；疲ㄎ诲e(cuò)源開(kāi)動(dòng)）所需應(yīng)力τc時(shí)，變形可繼續(xù)，此時(shí)外加應(yīng)力應(yīng)為τs，故：用正應(yīng)力表示，就可得到Hall-Petch公式Hall-Petch公式適用范圍：晶粒直徑d在0.3~400μm之間。小于0.3μm不足以形成足夠數(shù)量的位錯(cuò)；大于400μm，過(guò)多塞積位錯(cuò)對(duì)于應(yīng)力集中應(yīng)力場(chǎng)影響不大。45第45頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4.納米晶的硬化

常規(guī)晶體（晶粒尺寸大于100nm）中，處于晶界核心區(qū)原子與總原子比小于10-2%。當(dāng)晶粒尺寸為數(shù)個(gè)納米時(shí)，這一比例可上升至50%。晶界核心區(qū)域密度下降，以及原子相鄰配置不同均對(duì)性能產(chǎn)生顯著影響。對(duì)于多數(shù)純金屬納米材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示Hall-Petch公式依然成立，似乎仍是位錯(cuò)機(jī)制。金屬間化合物納米材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，有些雖晶粒細(xì)化先增強(qiáng)后變軟，有些材料呈現(xiàn)反常關(guān)系。其可能是晶界滑動(dòng)和短程擴(kuò)散引起的塑性結(jié)果。46第46頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.晶粒細(xì)化與多晶體塑性、韌性多晶體塑性、韌性隨晶粒細(xì)化均有所提高晶粒細(xì)小，晶界處塞積的位錯(cuò)數(shù)目少，晶界前沿應(yīng)力集中小，這使得滑移面有利取向晶粒變形晶粒變形過(guò)程停止。反之有利取向晶粒大量變形、大量塞積位錯(cuò)而過(guò)早萌生裂紋，導(dǎo)致材料斷裂。6.細(xì)化強(qiáng)化工程應(yīng)用（1）結(jié)晶過(guò)程中的晶粒細(xì)化

提高結(jié)晶過(guò)冷度；機(jī)械振動(dòng)；加入形核劑（也稱孕育劑、變質(zhì)劑）47第47頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

降低澆注溫度、采用金屬鑄型；鑄鐵、鑄造鋁合金變質(zhì)處理孕育處理；連鑄連軋（2）變形加工過(guò)程中的晶粒細(xì)化冷加工變形量、再結(jié)晶退火溫度、加熱速度熱加工中的晶粒細(xì)化。采用低的變形終止溫度、大的最終變形量、快的冷卻速度獲得細(xì)小晶粒。（3）熱處理過(guò)程中的晶粒細(xì)化加熱溫度、加熱時(shí)間控制加熱方法選?。ǜ袘?yīng)加熱、三束加熱）采用循環(huán)加熱及奧氏體逆相變方法形變熱處理冷卻過(guò)程中的晶?？刂疲ㄤ摰恼鹛幚恚?8第48頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（4）材料制備過(guò)程冶煉過(guò)程

煉鋼過(guò)程采用硅、錳脫氧獲得本質(zhì)晶粒粗、鋁脫氧獲得與本質(zhì)晶粒細(xì)鋼

合金成分設(shè)計(jì)后續(xù)需經(jīng)過(guò)熱處理鋼通常加入W、Mo、V、Ti、Nb等碳化物形成元素。49第49頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（三）固溶強(qiáng)化1.溶質(zhì)原子對(duì)金屬塑性變形影響（1）影響

直接影響，溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用間接影響，改變位錯(cuò)屬性（層錯(cuò)能、位錯(cuò)密度）（2）源硬化與點(diǎn)陣硬化源硬化：溶質(zhì)原子在位錯(cuò)線聚集，使可動(dòng)位錯(cuò)減少或啟動(dòng)應(yīng)力加大，宏觀屈服應(yīng)力提高。點(diǎn)陣硬化：基體中分布溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用，加大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力。50第50頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（3）強(qiáng)強(qiáng)化與弱強(qiáng)化弱強(qiáng)化型：置換方式溶入或面心立方晶格中的間隙固溶體。溶質(zhì)原子造成點(diǎn)陣畸變應(yīng)力場(chǎng)球形對(duì)稱，其強(qiáng)化效果僅為G/10。強(qiáng)強(qiáng)化型：體心立方晶格中的間隙固溶體。溶質(zhì)原子造成非對(duì)稱點(diǎn)陣畸變應(yīng)力場(chǎng)，強(qiáng)化效果可達(dá)若干倍G。（4）強(qiáng)化和成分與溫度關(guān)系常溫下推動(dòng)受溶質(zhì)原子強(qiáng)烈釘扎的位錯(cuò)所需臨界切應(yīng)力為：

=（2U0/b3)C

即與溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的相互作用能U0和溶質(zhì)濃度C均成正比。51第51頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六高溫下臨界切應(yīng)力與溶質(zhì)濃度C的平方根成正比，即：

C1/2室溫以上硬化基本與溫度無(wú)關(guān)；室溫下隨溫度下降硬化效果上升。2.固溶強(qiáng)化理論（1）均勻固溶強(qiáng)化理論溶質(zhì)原子統(tǒng)計(jì)地分布在溶劑晶格中，構(gòu)成位錯(cuò)滑移障礙。52第52頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六彈性交互作用（主要作用機(jī)制，普遍存在）電交互作用：固溶體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與溶質(zhì)原子價(jià)有關(guān)（約為彈性交互作用的1/3~1/6）化學(xué)交互作用（約為彈性交互作用的1/10，但其不隨溫度變化而變化，在高溫中十分重要）（2）位錯(cuò)線上溶質(zhì)原子偏聚效應(yīng)（3）有序固溶強(qiáng)化位錯(cuò)在具有有序結(jié)構(gòu)的固溶體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因異類原子對(duì)構(gòu)成的局部有序受到破壞，增加了系統(tǒng)能量（相當(dāng)于反向疇界增加），位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)需要更高的能量，起到強(qiáng)化作用。53第53頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(duì)于面心立方結(jié)構(gòu)中的短程有序固溶體，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力可表示為：

其中:α短程有序度；x組元摩爾分?jǐn)?shù)；ω是原子對(duì)作用能差能夠產(chǎn)生明顯有序強(qiáng)化應(yīng)滿足有序疇尺寸及疇界能適中，且為A3B結(jié)構(gòu)的材料。54第54頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（4）影響固溶強(qiáng)化主要因素

溶質(zhì)原子濃度越高，強(qiáng)化效果越大，但不保持正比，低濃度強(qiáng)化效果更為明顯。原子相對(duì)尺寸因素。在同一金屬中加入溶質(zhì)原子與基體原子尺寸相差越大，強(qiáng)化越明顯。通常用εa表示尺寸效應(yīng)參數(shù)：式中a為合金原子間距，c為溶質(zhì)原子濃度。

溶入方式及晶體類型（弱強(qiáng)化型、強(qiáng)強(qiáng)化型）。相對(duì)價(jià)因素（電子因素）溶質(zhì)原子與基體金屬的價(jià)電子相差越大，固溶強(qiáng)化效果越強(qiáng)。55第55頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（5）固溶強(qiáng)化工程應(yīng)用

鐵碳合金：加入碳原子，使α-Fe強(qiáng)度顯著增加。加入合金元素Cr、Ni、Si、Mn等進(jìn)一步強(qiáng)化鐵素體。

銅合金：黃銅（Cu-Zn

)；青銅（Cu-Sn、Cu-Al、Cu-Be、Cu-Pb、Cu-P等）；白銅（Cu-Ni）

鋁合金：鋁的合金化一般都形成有限固溶體，最長(zhǎng)用元素是：鋅、鎂、銅、錳、硅等。

鈦合金：加入合金元素Zr（α、β）、Sn、Al、V（β）、Mo等產(chǎn)生單元、多元固溶強(qiáng)化。

鎂合金：加入合金元素Mn、Al、Zn等。其中Al在Mg中有較大固溶度，能起到顯著固溶強(qiáng)化作用。56第56頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（四）第二相強(qiáng)化1.彌散分布兩項(xiàng)合金的強(qiáng)化當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布在基體相中時(shí)，將顯著產(chǎn)生強(qiáng)化效果。（第二相強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化）第二相來(lái)源a.過(guò)飽和固溶體脫溶過(guò)程產(chǎn)生b.粉末冶金方法獲得57第57頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六沉淀相顆粒和晶體晶格錯(cuò)配應(yīng)力場(chǎng)能夠達(dá)到位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)滑移面上，將導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力加大。估算公式為：其中：Δσ強(qiáng)化增量；μ沉淀相切變模量；r顆粒半徑；f沉淀相體積分?jǐn)?shù)；ε為錯(cuò)配度的函數(shù)；b位錯(cuò)柏氏矢量模（1）Mott,N.F.–Nabarro,F.R.N.理論58第58頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六滑移面上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力足夠大，將導(dǎo)致可變形沉淀相顆粒產(chǎn)生變形，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)切過(guò)第二相粒子繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)切過(guò)第二相粒子（2）Kelly,A.–Nicholson,.R.B.理論(切割機(jī)制）59第59頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

估算公式為：其中：Δσ強(qiáng)化增量；γαβ沉淀相與基體界面能；r顆粒半徑；f沉淀相體積分?jǐn)?shù)；b位錯(cuò)柏氏矢量模。60第60頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子滑移面上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力足夠大，位錯(cuò)將繞過(guò)不可變形沉淀相顆粒產(chǎn)生變形繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，并包繞第二相粒子遺留位錯(cuò)環(huán)。（3）Orowan,E.理論(繞過(guò)機(jī)制）61第61頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

估算公式為：其中：Δσ強(qiáng)化增量；μ沉淀相切變模量；r顆粒半徑；λ沉淀相間距；b位錯(cuò)柏氏矢量模。粒子形狀影響：當(dāng)體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，棒狀和板狀大約是球狀的2倍。62第62頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（4）第二項(xiàng)強(qiáng)化理論工程應(yīng)用

鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化（

Al-Cu合金、

Al-Cu-Mg合金）

銅合金時(shí)效強(qiáng)化含Be1.7~2.5%（QBe1.7、QBe1.9、QBe2.5）

鋼淬火回火轉(zhuǎn)變馬氏體中過(guò)飽和溶入碳原子析出過(guò)程（C原子偏聚、亞穩(wěn)態(tài)ε-Cem、χ-Cem碳化物析出、穩(wěn)定θ-Cem（Fe3C）析出及聚集長(zhǎng)大）。

馬氏體時(shí)效鋼含C≤0.03%；含Ni18~25%；含產(chǎn)生沉淀硬化元素Ti-Al-Co-Mo、Ti-Al-Nb沉淀硬化超高強(qiáng)度不銹鋼以18-8型為基礎(chǔ)發(fā)展成奧氏體-馬氏體沉淀硬化不銹鋼；以Cr13型為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)低碳馬氏體沉淀硬化不銹超高強(qiáng)度鋼。復(fù)合材料（顆粒增強(qiáng)、纖維增強(qiáng)等）

63第63頁(yè)，共70頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.聚合型兩項(xiàng)合金的強(qiáng)化兩相組織為不同晶粒尺寸時(shí)，先形成相會(huì)制約后形成相的晶粒尺寸，可能引起另一相的細(xì)化。此外，硬、軟相搭配，會(huì)發(fā)生其中一相加工硬化的強(qiáng)化效果。組成合金的兩相晶粒尺寸屬同一量級(jí)。如果較強(qiáng)相很少（＜30%）塑性變形基本在弱相中進(jìn)行。如果較強(qiáng)相占到30%，弱相不能連續(xù)，這時(shí)兩相以接近相對(duì)應(yīng)變發(fā)生變形。如果較強(qiáng)相很多（＞70%）塑性變形由強(qiáng)相中控制。并非所有兩相合金都能帶來(lái)強(qiáng)化效果。64第64頁(yè)，共70頁(yè)，2023年