原版51材料科學(xué)基礎(chǔ)第五章1

r=r0

原子處于平衡位置位能U為Umin

最穩(wěn)定F=0rr0

即偏離其平衡位置F＞引力＜斥力力圖使原子恢復(fù)其原來的平衡位置變形消失本質(zhì):可從原子間結(jié)合力的角度來了解之第一頁第二頁，共71頁。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(Stress-Strainbehavior)虎克定律(Hooke’slaw)

s=Ee

t=Gg

廣義虎克定律矩陣表達式二彈性模量E(Elasticmodulus)表征晶體中原子間結(jié)合力強弱的物理量,反映原子間的結(jié)合力,是組織結(jié)構(gòu)不敏感參數(shù)。對晶體而言，系各向異性沿原子最密排的晶向Emax沿原子最疏的晶向Emin工程上E系材料剛度的度量彈性變形量隨材料不同而異E-modulusofelasticity(Young’smodulus)G-shearmodulusu-poisson’sratioG=E/2(1+u)第二頁第三頁，共71頁。三彈性的不完整性1.包申格效應(yīng)（Bauschingereffect）經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量變形（<4%）而后同向加載則se↗而后反向加載則se↘2.彈性后效（Elasticafter－effect）在彈性極限se范圍內(nèi)，應(yīng)變滯后于外加應(yīng)力，并和時間有關(guān)的現(xiàn)象3.彈性滯后（Elasticlag）由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，在s-e曲線上加載曲線與卸載線不重合，而形成一封閉回線第三頁第四頁，共71頁。四粘彈性牛頓粘性流動定律

h-粘度系數(shù)既與時間有關(guān)，又具有可回復(fù)的彈性變形性質(zhì)高分子材料的重要力學(xué)特性之一Maxwell和Vigt粘彈性體變形模型第四頁第五頁，共71頁。※

2.單晶體（SingleCrystal）的塑性變形

塑性變形滑移Slip孿生Twinning晶界滑動GrainboundarySliding擴散性蠕變DiffusionalCreep第五頁第六頁，共71頁。一滑移（Slip）1.現(xiàn)象單晶體的拉伸試驗塑性變形的不均勻性滑移帶（Slipband)

滑移線（Slipline）沿一定的晶面、一定晶向進行滑移面Slipplane滑移方向Slipdirection第六頁第七頁，共71頁。2.滑移的晶體學(xué)特征

滑移面和滑移方向晶體中原子密度最大的面和方向

SlipplaneSlipdirection為什么?fcc：滑移面{111}滑移方向<110>hcp:{0001}<1120>c/a≥1.633

{0001},{1010},{1011}<1120>c/a∠1.633bcc:<Tm/4{112}Tm/4~Tm/2{110}<111>0.8Tm{123}滑移系晶體中一個滑移面和該面上一個滑移方向組成滑移的空間取向（Slipsystem

）第七頁第八頁，共71頁。晶體結(jié)構(gòu)不同，滑移系的數(shù)目不同（Numberofslipsystems）fcc：{111}有四組，而每個(111)面上共有三個[110]，故共有4×3＝12個滑移系

hcp：1個(0001)面3個<1120>方向1×3＝3個滑移系bcc：{110}面共有6組，每個{110}上有2個<111>方向12組{112}1個24組{123}1個

故共有6×2＋12×1＋24×1＝48個滑移系一般滑移系愈多，滑移過程中可能采取的空間取向也就愈多，這種材料的塑性就愈好。第八頁第九頁，共71頁。3.滑移所需臨界分切應(yīng)力

Critical（resolved）shearstress滑移圓柱形試樣單向拉伸時作用在滑移面上沿滑移方向的其中為作用在試樣橫斷面上的拉伸應(yīng)力為取向因子（Schmid）第九頁第十頁，共71頁。晶體滑移必須使t≥tc（臨界分切應(yīng)力）tc取決晶體中原子間的結(jié)合力，即與晶體類型、純度（雜質(zhì)）、溫度以及變形速度有關(guān)，與外力無關(guān)。一切影響位錯滑移難易程度的因素均影響tc屈服強度當＝90°或＝90°時，s

∞晶體不能產(chǎn)生滑移只有當＝＝45°時，smin首先發(fā)生滑移＝2tc第十頁第十一頁，共71頁?？焖俅_定具有最大取向因子cosφcosλ的滑移系方法映象規(guī)則：利用投影圖中心部分的八個取向三角形第十一頁第十二頁，共71頁。4.晶體在滑移時的轉(zhuǎn)動（rotation）滑移面上發(fā)生相對位移晶體轉(zhuǎn)動空間取向發(fā)生變化晶體滑移在拉伸時使滑移面和滑移方向逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸平行在壓縮時使滑移面和滑移方向逐漸轉(zhuǎn)到與應(yīng)力軸垂直第十二頁第十三頁，共71頁。轉(zhuǎn)動的原因兩對力偶：為上下兩滑移面的法向分應(yīng)力在該力偶作用下，使滑移面轉(zhuǎn)至軸向平行垂直于滑移方向的分切應(yīng)力在該力偶作用下，使滑移方向轉(zhuǎn)到最大分切應(yīng)力方向是//滑移方向的真正引起滑移的有效分切應(yīng)力第十三頁第十四頁，共71頁。晶體滑移

晶體轉(zhuǎn)動

位向變化

取向因子變化

分切應(yīng)力值變化幾何硬軟化現(xiàn)象5.多系滑移Multipleslip

外力下，滑移首先發(fā)生在分切應(yīng)力最大，且t≥tc的滑移系－原始滑移系（primaryslipsystem）上。但由于伴隨晶體轉(zhuǎn)動

空間位向變化

另一組原取向不利（硬取向）滑移系逐漸轉(zhuǎn)向比較有利的取向（軟取向），從而開始滑移，形成兩組（或多組）滑移系同時進行或交替進行，稱為多系滑移。第十四頁第十五頁，共71頁。綜上所述，滑移變形的基本特點：Ⅰ)滑移變形系不均勻的切變，它只集中在某些晶面上；Ⅱ)滑移結(jié)果兩部分晶體產(chǎn)生相對移動，移動的距離△＝nb，

仍保持晶體學(xué)的一致性；Ⅲ)沿著一定的晶面和晶向進行，滑移系較多的材料為（fcc）一般具有較好塑性；Ⅳ)在切應(yīng)力作用下，且t＞tc；Ⅴ）滑移同時，滑移面和滑移方向?qū)l(fā)生轉(zhuǎn)動；Ⅵ）實質(zhì)位錯沿滑移面的運動過程第十五頁第十六頁，共71頁。二孿生（Twin）滑移系較少的hcp，或在低溫下或者當滑移受阻時晶體會以另一種變形方式——孿生變形進行

Deformationbytwinning

1.孿生變形過程孿生是在切應(yīng)力作用下沿特定的晶面（twinplane）與晶向（twindirection）產(chǎn)生的均勻切變。發(fā)生孿生的區(qū)域稱為孿晶帶（twinband）。第十六頁第十七頁，共71頁。不同晶體結(jié)構(gòu)往往有不同孿生面和孿生方向：fcc：{111}<112>hcp:{1012}<1011>bcc:{112}<111>2.孿晶的形成變形（機械）孿晶：變形產(chǎn)生呈透鏡狀或片狀生長孿晶：晶體生長過程中形成退火孿晶：退火過程中形成形核長大兩個階段變形孿晶的生長大致可分為第十七頁第十八頁，共71頁。孿生臨界切應(yīng)力比滑移的大得多，只有在滑移很難進行的條件下才會發(fā)生。例如，Mg孿生所需tc=4.9~34.3MPa,而滑移時tc僅為0.49MPa。但孿晶的長大速度極快（與沖擊波的速度相當）有相當數(shù)量的能量被釋放出來，故常可聽見明顯可聞“咔、嚓”聲，也稱孿生吼叫。通過單純孿生達到的變形量是極為有限的，如Zn單晶，孿生只能獲得7.2～7.4％伸長率，遠小于滑移所作的貢獻。但是孿生變形改變了晶體的位向，從而可使晶體處于更有利于發(fā)生滑移的位置，激發(fā)進一步的滑移，獲得很大變形量，故間接貢獻卻很大。孿生的機制：孿生時每層晶面的位置是借助一個不全位錯（肖克萊）的移動而成的，是借助位錯增殖的極軸機制來實現(xiàn)的。3.孿生形變的意義第十八頁第十九頁，共71頁。孿生的主要特點：Ⅰ）孿生是均勻切變，Ⅱ）相對移動距離不是孿生方向的原子間距的整數(shù)倍，孿生面兩邊晶體位向不同成鏡面對稱；Ⅲ）切變區(qū)內(nèi)與孿生面平行的每一層原子面均相對其鄰面沿孿生方向位移了一定距離，且每一層原子相對于孿生面的切變量和它與孿生面的距離成正比；Ⅳ）孿生改變了晶體取向，因此出現(xiàn)孿晶的試樣經(jīng)重新拋光，腐蝕后仍能顯現(xiàn)出來。Ⅴ）在切應(yīng)力作用下，且t>tc但tc(孿生)>tc(滑移)Ⅵ）實質(zhì)借助一個不全位錯運動而成，存在形核與長大過程。第十九頁第二十頁，共71頁。三扭折Kink

hcp的Cd壓縮時，外力與(0001)面平行，故在(0001)面的t＝0，若此時孿生過程的阻力也很大，不能進行。為了使晶體的形狀與外力相適應(yīng)，當外力超過某一臨界值時，晶體將會產(chǎn)生局部彎曲，即出現(xiàn)扭折現(xiàn)象。扭折區(qū)晶體的取向發(fā)生了不對稱變化。

扭折是為適應(yīng)外力而發(fā)生的不均勻局部塑性變形方式，對變形起一定的協(xié)調(diào)作用，使應(yīng)力得到松弛，使晶體不致發(fā)生斷裂。另外由于扭折引起晶體的再取向，即有可能使扭折帶區(qū)域中的滑移系處于有利取向，促使晶體形變能力進一步發(fā)揮。

造成扭折的原因是滑移面的位錯在局部地區(qū)集中，從而引起的晶格彎曲。第二十頁第二十一頁，共71頁。四塑變的位錯機制1.滑移的位錯機制根據(jù)剛性滑移模型推導(dǎo)出的理論切變強度(G一般為104～105MPa），即使采用修正值與實測值（約為1～10MPa）之間相差3～4個數(shù)量級。位錯概念引入解決這一矛盾。因為位錯運動時只要求其中心附近少數(shù)原子移動很小的距離（小于一個原子間距），因此所需的應(yīng)力要比晶體作整體剛性滑移時小得多。這樣借助于位錯的運動就可實現(xiàn)晶體逐步滑移。第二十一頁第二十二頁，共71頁。位錯運動首先遇到點陣阻力——派納力：從上式可知a↑b↓則t↓故晶體的滑移通常發(fā)生在原子最密集的晶面并沿著最密集的晶向進行。除點陣阻力外，位錯與點缺陷、其他位錯、晶界、第二相質(zhì)點等交互作用，對位錯的滑移運動均會產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致晶體強化

A.晶體在滑移過程中的位錯增殖（prliferationofdislocations）

滑移線臺階△＝nb＝200nm（上千個b相同的位錯滑移來實現(xiàn)）故晶體塑變時產(chǎn)生的大量滑移帶，必然是為數(shù)眾多的位錯進行滑移的結(jié)果。一般經(jīng)充分退火的金屬，位錯密度約為106cm-2

經(jīng)強烈塑性變形后，位錯密度增至1012cm-2

第二十二頁第二十三頁，共71頁。

晶體的滑移過程不僅沒有降低位錯數(shù)量，反而大大增加，這意味著，在變形過程中位錯以某種機制增殖了。（1）Frank－Read位錯源（Frank－ReadSource）由弗蘭克－瑞德源提出的一種位錯增殖機制F-R源動作過程第二十三頁第二十四頁，共71頁。刃位錯AB的兩端A和B被位錯用結(jié)點釘扎住位錯線各段均受到滑移力f＝tb且與位錯線相垂直（法線方向）位錯線各點移動的線速度一樣，但角速度不同。位錯線發(fā)生彎曲，甚至兩端分別繞AB發(fā)生回轉(zhuǎn)。位錯線上各處位錯性質(zhì)也隨之變。m,n兩處同屬純螺型位錯，但位錯性質(zhì)恰好相反，相吸！相遷時，彼此便會抵消，這使原來整根位錯線斷開成兩部分，外面為封閉的位錯環(huán)，里面為一段連接A和B的位錯線，在線張力作用下變直恢復(fù)到原始狀態(tài)。在外力的繼續(xù)作用下，它將重復(fù)上述過程，每重復(fù)一次就產(chǎn)生一個位錯環(huán)，從而造成位錯的增殖，并使晶體產(chǎn)生可觀的滑移量。F－R源發(fā)生作用所需的臨界切應(yīng)力為

只有t>tc時才能使F－R源開動，并源源不斷地產(chǎn)生位錯環(huán)。在塑性變形過程中，位錯不斷地生成，位錯間的交截越來越頻繁?？蓜游诲e線段也越短→L↓→tc↑(加工硬化)。F－R位錯增殖機制已為實驗所證實。第二十四頁第二十五頁，共71頁。（2）雙交滑移位錯增殖機制螺位錯的滑移面不是唯一的若螺型位錯經(jīng)交滑移后再轉(zhuǎn)回到與原滑移面相平行的晶面上繼續(xù)擴展時，則稱雙交滑移。螺位錯經(jīng)雙交滑移后可形成一對刃型位錯的割階。由于這對割階與原位錯線不在同一滑移面上，這就使原位錯在平行于原滑移面的滑移面上滑移時產(chǎn)生了一個F－R源。于是，在雙交滑移情況下，可使位錯不斷得到增殖和發(fā)展。B.擴展位錯的束集與交滑移

擴展位錯系由兩個不全位錯和中間夾的一片層錯所構(gòu)成。層錯能的因素也必然影響擴展位錯的密度：

若層錯面上存在雜質(zhì)原子或其它障礙時，可使該處的能量增高→擴展位錯寬度將會縮小，甚至重新收縮成原來的全位錯，成為束集（可看成位錯擴展的反過程）第二十五頁第二十六頁，共71頁。擴展位錯束集時，不僅兩不全位錯的間距減小，層錯寬窄，而且位錯線變長、彎曲、形成弧線。因此，形成束集需要能量，稱為束集能，束集能越大，越難束集。束集對面心立方晶體的交叉滑移過程有重要的作用。由于擴展位錯只能在原滑移面上滑移，若要進行交滑移，擴展位錯必須首先束集為全位錯，然后再由該全位錯交滑移到另一滑移面上并重新分解為擴展位錯，繼續(xù)進行滑移。擴展位錯的束集與交滑移的過程可因溫度↑→熱激活而得到促進。C.位錯的交割（Crossingsofdislocations）晶體中存在大量的具有不同柏氏矢量的位錯。因此，當一個位錯沿其滑移面滑動時，往往會遷到不在此滑移面上的其它位錯（通常將穿過此滑移面的其它位錯稱為林位錯）的阻礙（即切過林位錯）而繼續(xù)前進。通常把位錯線彼此切割（即彼此交叉通過）的過程叫做位錯的交割。位錯的交割對于晶體的硬化，以及空位和間隙原子的產(chǎn)生有著重要的意義。第二十六頁第二十七頁，共71頁。（1）兩個互相垂直的刃位錯的交割：位錯xy向下移動與不動位錯AB交割后，位錯線AB上產(chǎn)生一個長度與b1相等刃型割階PP'，由于PP'仍位于Pxy面上可滑動位錯AB和xy交截后，則相應(yīng)在各自位錯線上產(chǎn)生一段扭折PP'和QQ'，屬螺型且均在原來的滑移面上，能沿原滑移面滑移。在線張力的作用下，此扭折將會消除。（2）刃型位錯和螺型位錯的交截當一個運動的刃型位錯AA‘和一個不動的螺型位錯

BB‘在時的交截：AA’上產(chǎn)生一長度與b2相等的MM‘刃型割階，它的存在給AA’繼續(xù)運動增添阻力；

BB'上產(chǎn)生一長度與b1相等的NN'扭折（刃型）第二十七頁第二十八頁，共71頁。（3）兩螺型位錯的交截

AA'運動BB'固定交截后各自產(chǎn)生了一個割階MM'和NN'（均屬刃型）由于MM'與b1所組成滑移面⊥原位錯線AA'的運動方向，從而成為螺型位錯繼續(xù)運動的阻礙。除非割階產(chǎn)生攀移隨之運動；同樣BB'位錯所產(chǎn)生的刃型割階NN'也具有與上述相似的性質(zhì)。螺型位錯割階的運動可分三種情況：

a）割階的高度只有1~2個原子間距，此時螺位錯運動可以把割階拖著走，所謂拖著走是指割階通過攀移運動而使其跟著螺位錯運動，而在其后留下一排點缺陷（空位或間隙原子）

b）割階高度在幾個原子間距到20nm之間，此時位錯不能拖著割階一起運動。在外力作用下，位錯的前進就第二十八頁第二十九頁，共71頁。

會在其后留下一對拉長了的刃位錯線段（常成為位錯偶）。這種位錯偶為降低應(yīng)變能經(jīng)常會斷開而留下一個長的位錯偶，使位錯仍回復(fù)原來帶割階的狀態(tài)，而長的位錯偶又常會再進一步裂成小的位錯環(huán)。

c）割階高度再20nm以上，此時割階兩端的刃位錯相隔太遠，它們之間的相互作用較小，它們可以各自獨立地在各自的滑移面上運動，并以割階為軸，在滑移面上旋轉(zhuǎn)。這實際上也是在晶體中產(chǎn)生位錯的一種方式。而刃型位錯的割階與柏氏矢量所組成的面，一般都與原位錯線的滑移方向一致，能與原位錯一起滑移，但此時割階的滑移面并不一定是晶體的最密排面。故運動時割階段所受到的晶格阻力較大，但總的來說，這類滑移割階給原位錯所帶來的滑移阻力要小于螺位錯的割階。由割階而引起的對位錯運動的障礙常稱為割階硬化。第二十九頁第三十頁，共71頁。D位錯的塞積pile-upofdislocation

由同一位錯源產(chǎn)生的，具有相同b的位錯在滑移面上運動，若遇到障礙（如晶界、孿晶界、固定位錯、雜質(zhì)原子等）受阻，而外力又不足以克服障礙的阻力時，位錯便被迫堆積在障礙物前形成塞積群。SessiledislocationFranksessiledislocationLomer-Coffrellbarrier塞積群中的位錯所受的作用力：(1)外加切應(yīng)力t0所產(chǎn)生的滑移力Fd＝t0

b

(2)位錯間的相互排斥力

(3)障礙物的阻力僅作用在領(lǐng)先位錯上第三十頁第三十一頁，共71頁。平衡時k為系數(shù)刃位錯k＝1-v刃位錯k＝1根據(jù)每個位錯的受力情況，可導(dǎo)出每個位錯的位置，以xi表示從障礙物開始計到第i個位錯距離：塞積群周圍所產(chǎn)生的應(yīng)力場與一個具有nb的大位錯所產(chǎn)生應(yīng)力場相當。顯然（1）此應(yīng)力場反作用于位錯源，并有可能使其停止開動——加工硬化由此可見在塞積群中位錯的分布是不均勻的，越靠近障礙物，位錯間距越小。位錯塞積群的一個重要效應(yīng)就是在它的前端會引起應(yīng)力集中，其數(shù)值等于外加切應(yīng)力n倍：t0:無外加硬化時所需切應(yīng)力a:與材料有關(guān)常數(shù)0.3~0.5第三十一頁第三十二頁，共71頁。(2)n↑t↑，塞積群中的螺位錯可通過交滑移越過障礙(3)t↑↑甚至可把障礙物摧毀(4)如塞積群位于晶界，應(yīng)力集中達到一定值后，也可促發(fā)相鄰晶粒位錯源開動2.孿生的機制

孿晶區(qū)域各晶面的相對位移距離是孿生方向原子間距的分數(shù)值，這表明孿生時每層晶面的位移應(yīng)借一個不全位錯的移動而造成。位錯增殖的極軸機制：fcc中

OA、OB和OC三條位錯線相交于結(jié)點O，OA、OB不在滑移面上，屬不動位錯——極軸位錯，OC為可動的不全位錯，且只能繞極軸轉(zhuǎn)動，每當它在（111）面上掃過一圈，就產(chǎn)生一個單原子層的孿晶，同時又沿著螺旋面上升一層，這樣不斷轉(zhuǎn)動，上述過程逐層地重復(fù)進行，就在晶體中形成一個孿晶區(qū)域。至于扭折帶晶體位向有突變，這個取向改變的過渡區(qū)系由一系列同號的刃型位錯排列所構(gòu)成。第三十二頁第三十三頁，共71頁。※3.多晶體的塑性變形

PlasticDeformationofpolycrystallineMaterials多晶體變形要受到晶界和相鄰不同位向晶粒的約束。周圍晶粒同時發(fā)生相適應(yīng)的變形來配合。一般多晶體為多系滑移，高的加工硬化率，變形抗力增大，強度顯著提高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線無Ⅰ只出現(xiàn)Ⅱ、Ⅲ階段。晶粒取向的影響外力F作用下處于有利取向晶粒先開始滑移處于不利取向晶粒還末開始滑移變形不均勻為保持連續(xù)性，周圍晶粒變形必須相互制約，相互協(xié)調(diào)第三十三頁第三十四頁，共71頁。多晶體塑性變形時要求至少有5個獨立的滑移系進行滑移。∵任意變形均可用exxeyyezznxynyznxz

fcc,bcc滑移系多→塑性好

hcp滑移系少→塑性差二.晶界的阻滯效應(yīng)多晶體塑性變形的另一個特點是晶界對變形過程的阻礙作用。對只有2~3個晶粒的試樣拉伸后呈竹結(jié)狀。因晶界（尤其是大角晶界）處原子排列不規(guī)則，點陣畸變嚴重，再加上晶界兩側(cè)的晶粒取向不同，滑移面和滑移方向彼此不一致之緣故。晶內(nèi)發(fā)生較大變形，晶界處變形量較少，塑變抗力大，可觀察到位錯的塞積第三十四頁第三十五頁，共71頁。位錯在晶界上產(chǎn)生塞積第三十五頁第三十六頁，共71頁。注意

⑴晶界本身的強度對多晶體的加工硬化貢獻不大，而多晶體加工硬化的主要原因來自晶界兩側(cè)晶粒的位向差⑵晶界阻滯效應(yīng)只在變形早期影響較大，因早期ρ位錯較小⑶晶界阻滯效應(yīng)的大小還與晶體的結(jié)構(gòu)類型有關(guān)

hcp結(jié)構(gòu)的晶界阻滯效應(yīng)要比fcc，bcc類型的晶體明顯

滑移系較小三晶粒大小對機械性能的影響1.對室溫機械性能的影響晶粒愈細、晶界愈多→強化效應(yīng)↑－細晶強化

sssbHVStrengtheningbyGrainSizeRe-duction

較好塑性,因細晶的晶內(nèi)和晶界附近應(yīng)變差較小，變形較均勻，有可能斷裂前承受大量的變形

細晶具有良好的綜合機械性能。

第三十六頁第三十七頁，共71頁。Hall-Petch公式：屈服強度相當于單晶體的屈服強度晶粒平均直徑常數(shù)，相鄰晶粒位向差對位錯運動的影響關(guān)系與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)系普遍的關(guān)系式，金屬材料如此，亞晶的尺寸與ss的關(guān)系，塑性材料流變應(yīng)力和晶粒尺寸，脆性材料的脆斷應(yīng)力與晶粒大小關(guān)系以及金屬的疲勞強度與晶粒大小間的關(guān)系也可用霍爾-佩奇公式來表達2.對高溫強度的影響低溫時：晶界強度>晶內(nèi)強度加上晶界兩側(cè)晶粒位向差影響晶界對滑移有阻滯作用等強溫度Tk：ss晶界＝ss晶內(nèi)第三十七頁第三十八頁，共71頁。高溫時則不同，有兩種不同的變形機制：（1）晶粒沿晶界滑動（晶界滑動機制）當T>Tm/2時，以晶粒沿晶界的相對滑移方式進行∵T↑擴散能力↑，且原子沿晶界擴散速率>>沿晶內(nèi)的。故高溫時晶界似流體一樣，呈現(xiàn)粘滯性→變形抗力↓↓→沿晶界滑移（2）擴散性蠕變機制蠕變：在一定toC（>300oC）下，當應(yīng)力大于某一值時，即使外力不再增加，而塑性變形隨時間延長而會緩慢地增加現(xiàn)象。第三十八頁第三十九頁，共71頁。ABCD為多晶體中一晶粒，AB、CD晶界受拉，在其附近易于產(chǎn)生空位，空位濃度較高，AC、BD受壓，空位濃度較低。擴散空位蠕變與有關(guān)存在空位濃度梯度導(dǎo)致空位向AC、BD定向移動，原子向AB、CD定向移動，從而使晶粒沿拉伸方向伸長，即使在恒應(yīng)力情況下，隨時間延長也會不斷發(fā)生應(yīng)變→擴散性蠕變第三十九頁第四十頁，共71頁。T↑，d↓→擴散性蠕變速率↑因此一般高溫合金都希望具有較粗晶粒四.多晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與單晶相比，一般不出現(xiàn)硬化第一階段，易滑移階段。只有Ⅱ、Ⅲ線性硬化和拋物性硬化階段，呈現(xiàn)明顯的晶界阻滯效應(yīng)和很高的硬化系數(shù)。第四十頁第四十一頁，共71頁?！?.合金的塑性變形

PlasticDeformationofAlloys一單相固溶體合金的塑性變形PlasticDeformationofSingle－Phasealloy1.屈服現(xiàn)象yieldphenomenon拉伸曲線

沒有明顯屈服點Yieldpoints0.2第四十一頁第四十二頁，共71頁。應(yīng)力平臺的應(yīng)力點稱為下屈服點，在幾乎是恒定的應(yīng)力下發(fā)生的延長稱為屈服伸長。應(yīng)力平臺上每一個波動對應(yīng)于一個新的形變帶，即新Lüdersbond，當Lüdersbond擴展至試樣整個長度后，屈服伸長階段就告結(jié)束，應(yīng)力又隨應(yīng)變單調(diào)增加，開始均勻塑性變形階段。拉伸曲線應(yīng)力突然下降的點稱上屈服點：試樣開始屈服，發(fā)生明顯的塑性變形。在試樣表面觀察到與縱軸（拉伸軸）約呈45°的應(yīng)變痕跡—呂德斯帶（Lüdersbond）它與試樣的未變形部分有明顯的界線。它與滑移帶不同，Lüdersbond穿過了試樣橫截面上的各個晶粒。它是一種宏觀可見皺紋，也稱表面桔皮，在沖壓產(chǎn)品中需避免。第四十二頁第四十三頁，共71頁。

屈服現(xiàn)象機理⑴溶質(zhì)原子與位錯之間的交互作用(Cottrell氣團)來解釋位錯的釘扎作用。位錯運動必須掙脫這氣團，因而所需應(yīng)力較高——上屈服點；一旦掙脫氣團的釘扎后便能在較低應(yīng)力下運動——下屈服點。⑵可動位錯密度很低之緣故材料塑性變形的應(yīng)變速率與可動位錯密度之間關(guān)系：由于塑性變形前rm較低，維持一定勢必要求v↑，即需要較大的應(yīng)力——上屈服點，一旦變形開始后，位錯迅速增殖rm↑↑,為維持一定，則必然v↓→

t↓→下屈服點位錯的柏氏矢量位錯運動的平均速度由試驗機夾頭的運動速度決定，接近于恒值應(yīng)力敏感系數(shù)位錯作單位速度運動所需應(yīng)力位錯受到有效切應(yīng)力第四十三頁第四十四頁，共71頁。2.應(yīng)變時效Strainageing對具有明顯屈服現(xiàn)象的材料而言，s≥ss屈服塑變→卸載→拉伸→無屈服現(xiàn)象┖─室溫停留幾天或150oC時效→拉伸→→屈服現(xiàn)象而且上屈服點比原來升高，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變時效第四十四頁第四十五頁，共71頁。

不難想象，此時屈服現(xiàn)象的重新產(chǎn)生是由于在室溫停留或時效時溶質(zhì)原子（C、N）通過擴散重新聚集到位錯附近，重新形成柯垂氣團之故。在生產(chǎn)中為避免Lüdersbond的產(chǎn)生，（致使工件表面失去平整與光滑）⑴盡量降低材料中雜質(zhì)元素的含量⑵加入少量能與溶質(zhì)元素形成穩(wěn)定化合物的Me，如Al、V、Ti、Nb⑶在板材深沖變形前進行超過屈服伸長范圍的預(yù)變形第四十五頁第四十六頁，共71頁。3.固溶強化Solid－SolutionStrengthening

溶質(zhì)原子→點陣畸變?nèi)苜|(zhì)含量↑——固溶體合金的強度、硬度↑而塑性、韌性↓定量關(guān)系式：點陣畸變引起臨界分切應(yīng)力增量常數(shù)溶質(zhì)原子百分數(shù)柏氏矢量溶劑點陣常數(shù)⑴溶質(zhì)原子的濃度↑——固溶強化因素↑⑵rx/rm相差愈大——固溶強化↑⑶間隙原子強化效果比置換原子的強⑷溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)相差愈大，固溶強化效果愈顯著固溶強化影響因素第四十六頁第四十七頁，共71頁。二.多相合金的塑性變形

PlasticDeformationofmultiphasealloy多相合金除基體相外，存在第二相1.聚合型合金的塑性變形a）兩相晶粒尺寸屬同一數(shù)量級且均為塑性相，合金的變形決定于兩相的體積分數(shù)若兩相應(yīng)變相等時，合金的平均流變應(yīng)力為

f1、f2為兩相的體積分數(shù)兩相應(yīng)力相等時，則合金的平均應(yīng)變?yōu)?這類合金在發(fā)生形變時，滑移往往首先發(fā)生在較軟的相中，當較強相數(shù)量小時，則塑性變形基本上在較弱相中；只有當?shù)诙噍^強時，且占有一定體積分數(shù)（如f2>0.3）才能起明顯的強化作用。（）b）一相為塑性相，另一相為脆性相時，則合金的機械性能在很大程度上取決于硬脆相的存在數(shù)量及其形狀、大小和分布情況。鋼中Fe3C存在數(shù)量和形貌就是明顯一例第四十七頁第四十八頁，共71頁。2.彌散分布型合金的變形當?shù)诙嘁约毿浬⒌奈⒘＞鶆蚍植加诨w相中時，將會產(chǎn)生顯著的強化作用。a）不可變形粒子的強化作用當運動位錯與其相遇時，將受到粒子阻擋，位錯線繞著它發(fā)生彎曲，隨著外加應(yīng)力↑，位錯線彎曲更劇，最后形成包圍著粒子的位錯環(huán)留下，而位錯線的其余部分則越過粒子繼續(xù)運動。根據(jù)位錯理論可知，為使位錯彎曲所需的切應(yīng)力為：位錯彎曲曲率半徑粒子間距當?shù)诙辔⒘Ｓ鷱浬⒓戳Ｗ娱g距l(xiāng)↓→強化作用↑沉淀硬化PrecipitationHardening第四十八頁第四十九頁，共71頁。b）可變形微粒的強化作用位錯可切過微粒，使之隨同基體一起變形。強化機制：⑴位錯切過粒子→產(chǎn)生新的表面積→總界面能↑⑵當粒子為有序結(jié)構(gòu)時，位錯切過會打亂滑移面上下的有序排列，產(chǎn)生反相疇界→總能量↑⑶第二相粒子與基體的晶體點陣不同，位錯切過粒子后在其滑移面上引起原子的錯排，需額外做功，給位錯運動帶來困難⑷粒子周圍的彈性應(yīng)力場與位錯會產(chǎn)生交互作用，對位錯運動產(chǎn)生阻礙⑸基體與質(zhì)點滑移面取向并不一致，故切過后，必然產(chǎn)生一割階→阻力↑⑹基體與質(zhì)點層錯能不同，當擴展位錯切過后，其寬度會發(fā)生變化，引起能量升高第四十九頁第五十頁，共71頁?！?.塑性變形后組織與性能的變化一.顯微組織變化1.晶粒形狀變化纖維狀組織——強烈冷變形的特征各向異性2.亞結(jié)構(gòu)變化胞狀亞結(jié)構(gòu)：變形晶粒是由許多“胞”所組成，各個胞之間有著微小的取向差，高密度纏結(jié)位錯主要集中在胞的周圍地帶構(gòu)成“胞壁”，而胞內(nèi)位錯密度很低。且隨變形量↑，胞數(shù)量↑，尺寸↓變形材料中胞狀亞結(jié)構(gòu)形成不僅與變形量有關(guān)，還決定于材料類型：對于層錯能較高晶體，易形成胞狀亞結(jié)構(gòu)對于層錯能較低晶體，位錯通常分解為較寬的擴展位錯→交滑移困難，位錯可移動性↓，一般此類材料冷變形后胞狀亞結(jié)構(gòu)不明顯第五十頁第五十一頁，共71頁。銅材經(jīng)過不同程度冷軋后的光學(xué)顯微組織及薄膜投射電鏡像第五十一頁第五十二頁，共71頁。二.性能變化1.加工硬化WorkHardening塑性變形后在性能上最為突出的是強度（硬度）顯著提高，塑性迅速下降，這就是加工硬化現(xiàn)象

加工硬化是材料強化的一個重要的途徑，特別是對于那些不能采取熱處理手段來強化的材料，同時由于材料具有加工硬化特性，形變才得以傳遞和擴展使整個零件在宏觀上能夠均勻變形。加工硬化現(xiàn)象與位錯間的交互作用有關(guān)┗━釘扎（割階、林位錯、面角位錯、位錯纏結(jié)）→繼續(xù)變形發(fā)生困難，必須加大應(yīng)力才能繼續(xù)變形→加工硬化定量關(guān)系式第五十二頁第五十三頁，共71頁。影響加工硬化的因素：

⑴晶體結(jié)構(gòu)：fcc，bcc滑移系較多，易于產(chǎn)生多系滑移，位錯常易于發(fā)生交截，加工硬化率較大，而hcp滑移系較少，加工硬化率小；另外多晶體的加工硬化率比單晶體高⑵變形速率和變形溫度的影響塑變過程中發(fā)生強化過程軟化過程：位錯依靠原子的熱運動越過短程障礙，在較高溫度甚至發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶低溫時：有強化過程無軟化過程高溫時：主要為軟化過程中溫時：變形速率的影響較明顯，加大變形速率可使加工硬化顯著提高變形速率對加工硬化影響不大第五十三頁第五十四頁，共71頁。⑶溶質(zhì)原子的影響：一般溶質(zhì)原子（常指置換原子）加入可增大加工硬化率，因為a）某些溶質(zhì)原子可降低層錯能→擴展位錯變寬→不易交滑移；b）溶質(zhì)原子周圍的彈性應(yīng)力場可使位錯線成為波浪形，而不再為純螺型位錯，難發(fā)生交滑移；c）溶質(zhì)原子阻礙回復(fù)現(xiàn)象⑷晶粒大小的影響：一般細晶粒材料加工硬化率要大于粗晶粒材料加工硬化除了有利一面外還有不利一面，如對必須進行大變形量的零件，要使零件成型勢必增大設(shè)備的功率，增加動力消耗，加工硬化會使材料塑性大為下降→開裂現(xiàn)象；加工過程不得不中間增加退火來消除加工硬化，以利于進一步變形。第五十四頁第五十五頁，共71頁。2.其它性能⑴塑性變形使金屬的電阻率升高，電阻溫度系數(shù)下降、導(dǎo)磁率下降、導(dǎo)熱系數(shù)下降、磁滯損耗、矯頑力升高⑵塑變使擴散過程加速，腐蝕速度加快⑶塑變通常使金屬材料的密度下降，但對含有鑄造缺陷（如氣孔、疏松等）的金屬經(jīng)塑性變形后可能使密度上升⑷塑變使彈性模量升高第五十五頁第五十六頁，共71頁。三.內(nèi)應(yīng)力ResidualStress殘余應(yīng)力－不均勻變形而致外力作用施加的總能量逸散能≥90％儲存能≤10％（彈性能）畸變能90~95%（點陣缺陷）位錯～90％空位、其它～10％應(yīng)變能5~10%宏觀內(nèi)應(yīng)力<10%微觀內(nèi)應(yīng)力>90％儲存能在變形金屬中的具體表現(xiàn)即為內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力是一種彈性應(yīng)力，其最高值≯se內(nèi)應(yīng)力在變形材料內(nèi)部處于自相平衡狀態(tài)，即作用于變形材料任一截面上的內(nèi)應(yīng)力之和應(yīng)為零第五十六頁第五十七頁，共71頁。根據(jù)內(nèi)應(yīng)力平衡范圍分為：1.第一類內(nèi)應(yīng)力——宏觀內(nèi)應(yīng)力它為各部分形變量不同，去除外力后，應(yīng)變恢復(fù)不均所致軋材（表層形變變量>內(nèi)部的）表層殘留壓應(yīng)力，內(nèi)部拉應(yīng)力拉拔材（外圓形變量<心部的）外園殘余張應(yīng)力，心部壓應(yīng)力

彎曲件：伸長側(cè)殘余壓應(yīng)力，縮短側(cè)張應(yīng)力一般不超過總儲存能的1％軋制第五十七頁第五十八頁，共71頁。2.第二類內(nèi)應(yīng)力——微觀內(nèi)應(yīng)力其作用范圍與晶粒尺寸為同一數(shù)量級多晶體的變形量是不均勻的，晶粒間、每個晶粒內(nèi)部的不同部分應(yīng)變量是不等的，當外力去除后，各個晶粒的應(yīng)變恢復(fù)也是不等的，→第二類內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生第二類內(nèi)應(yīng)力有時可達到很大的數(shù)值，甚至可能造成顯微裂紋，并導(dǎo)致工件破壞3.第三類內(nèi)應(yīng)力——點陣畸變由于點陣缺陷而致，它使變形材料處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，從而導(dǎo)致變形材料加熱時的回復(fù)及再結(jié)晶過程工件一般不希望存在宏觀內(nèi)應(yīng)力，特別是表面的張應(yīng)力，其危害性更大，若它與外力疊加，很容易使工件產(chǎn)生斷裂或變形；但有時如對承受疲勞載荷的零件來說，表層的殘留壓應(yīng)力（可通過噴丸、滾壓強化），有利于提高其疲勞強度第五十八頁第五十九頁，共71頁。四.變形織構(gòu)Deformationtexture

單向塑性變形時，多晶體中原為任意位向的各個晶粒經(jīng)轉(zhuǎn)動后會使各個晶粒的取向趨于一致，這個過程稱為“擇優(yōu)取向”，擇優(yōu)取向后的晶體結(jié)構(gòu)稱為“織構(gòu)”（Texture）——變形織構(gòu)以區(qū)別退火織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)。1.絲織構(gòu)：拉絲時形成的織構(gòu)，其特點：各個晶粒的某一晶向與拉拔方向平行或接近平行，用<uvw>表示，如冷拔鐵絲織構(gòu)為<110>織構(gòu)2.板織構(gòu)：軋制時形成，其特征：多個晶粒的某一晶向趨向于與軋向平行，用{hkl}<uvw>表示，如冷軋黃銅H70具有{110}<112>