材料塑性变形及再结晶.ppt

第五(1)章 材料的塑性变形 The plastic deformation of materials,材料不同，其弹、塑性性能差异很大 塑性变形，对锻、轧、拉、挤有重要作用， 对铸造、热处理则 要尽量避免,弹性变形（elastic deformation）,塑性变形（plastic deformation）,外力 材料, 1. 弹性和粘弹性(Elasticity and Viscoelasticity),弹性变形(Elastic Deformation) 低碳钢的拉伸试验 弹性变形: 可逆性 外力去处后可完全恢复,r=r0 原子处于平衡位置 位能 U 为 Umin 最稳定 F=0 r r0 即偏离其平衡位置 F引力 斥力 力图使原子恢复其 原来的平衡位置 变形消失,本质:可从原子间结合力的角度来了解之,应力-应变关系(Stress-Strain behavior) 虎克定律(Hookes law) s = Ee t = Gg 广义虎克定律 矩阵表达式 二 弹性模量 E (Elastic modulus) 表征晶体中原子间结合力强弱的物理量, 反映原子间的结合力,是组织结构不敏感参数。对晶体而言，系各向异性 沿原子最密排的晶向 Emax 沿原子最疏的晶向 Emin 工程上E系材料刚度的度量 弹性变形量随材料不同而异,E-modulus of elasticity (Youngs modulus) G-shear modulus u-poissons ratio,G = E/2(1+u),三 弹性的不完整性 1. 包申格效应 （Bauschinger effect） 经预先加载产生少量变形（4%） 而后同向加载则se 而后反向加载则se 2. 弹性后效 （Elastic aftereffect） 在弹性极限se范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象 3. 弹性滞后 （Elastic lag） 由于应变落后于应力，在s-e曲线上加载曲线与卸载线不重合，而形成一封闭回线,四 粘弹性 牛顿粘性流动定律,h-粘度系数,既与时间有关，又具有可回复的弹性变形性质 高分子材料的重要力学特性之一 Maxwell和Vigt粘弹性体变形模型, 2. 单晶体（Single Crystal）的塑性变形,一 滑移（Slip）,1.现象,2.滑移的晶体学特征 滑移面和滑移方向 晶体中原子密度最大的面和方向 Slip plane Slip direction 为什么? fcc：滑移面111 滑移方向 hcp: 0001 c/a1.633 0001 ,1010,1011 c/a1.633 bcc: 0.8Tm 123,（ Slip system ）,晶体结构不同，滑移系的数目不同 （Number of slip systems） fcc：111 有四组，而每个(111)面上共有三个110， 故共有4312个滑移系 hcp：1个(0001)面 3个,133个滑移系,bcc： 110面共有6组，每个110上有2个方向 12组 112 1个 24组 123 1个 故共有6212124148个滑移系 一般滑移系愈多，滑移过程中可能采取的空间取向也就愈多，这种材料的塑性就愈好。,3. 滑移所需临界分切应力 Critical（resolved）shear stress,滑移,圆柱形试样单向拉伸时作用在滑移面上沿滑移方向的,其中,为作用在试样横断面上的拉伸应力,为取向因子（Schmid）,晶体滑移 必须使t tc,（临界分切应力）,tc 取决晶体中原子间的结合力，即与晶体类型、纯度（杂 质）、温度以及变形速度有关，与外力无关。 一切影响位错滑移难易程度的因素均影响 tc,当90或90 时，s 晶体不能产生滑移 只有当 45 时，smin 首先发生滑移 2tc,快速确定具有最大取向因子coscos的滑移系方法,映象规则：利用投影图中心部分的八个取向三角形,4. 晶体在滑移时的转动 （rotation）,晶体滑移,在拉伸时使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴平行,在压缩时使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴垂直,转动的原因,两对力偶：,为上下两滑移面的法向分应力 在该力偶作用下，使滑移面转至轴向平行,垂直于滑移方向的分切应力 在该力偶作用下，使滑移方向转到最大分切应力方向,是/滑移方向的真正引起滑移的有效分切应力,晶体滑移晶体转动位向变化取向因子变化 分切应力值变化,5. 多系滑移 Multiple slip,外力下，滑移首先发生在分切应力最大，且t tc的滑移系原始滑移系（primary slip system）上。但由于伴随晶体转动空间位向变化另一组原取向不利（硬取向）滑移系逐渐转向比较有利的取向（软取向），从而开始滑移，形成两组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称为多系滑移。,综上所述，滑移变形的基本特点： ) 滑移变形系不均匀的切变，它只集中在某些晶面上； ) 滑移结果两部分晶体产生相对移动，移动的距离nb， 仍保持晶体学的一致性； ) 沿着一定的晶面和晶向进行，滑移系较多的材料为（fcc） 一般具有较好塑性； ) 在切应力作用下，且t tc； ）滑移同时，滑移面和滑移方向将发生转动； ）实质位错沿滑移面的运动过程,二 孪生 （Twin）,滑移系较少的hcp，或在低温下或者当滑移受阻时晶体会 以另一种变形方式孪生变形进行 Deformation by twinning,不同晶体结构往往有不同孪生面和孪生方向： fcc：111 hcp:1012 bcc: 112,2. 孪晶的形成,孪生临界切应力比滑移的大得多，只有在滑移很难进行的条件下才会发生。例如，Mg孪生所需tc=4.934.3MPa,而滑移时tc仅为0.49MPa。但孪晶的长大速度极快（与冲击波的速度相当）有相当数量的能量被释放出来，故常可听见明显可闻“咔、嚓”声，也称孪生吼叫。,通过单纯孪生达到的变形量是极为有限的，如Zn单晶，孪生只能获得7.27.4伸长率，远小于滑移所作的贡献。但是孪生变形改变了晶体的位向，从而可使晶体处于更有利于发生滑移的位置，激发进一步的滑移，获得很大变形量，故间接贡献却很大。,孪生的机制：孪生时每层晶面的位置是借助一个不全位错 （肖克莱）的移动而成的，是借助位错增殖的 极轴机制来实现的。,3. 孪生形变的意义,孪生的主要特点： ）孪生是均匀切变， ）相对移动距离不是孪生方向的原子间距的整数 倍，孪生面两边晶体位向不同成镜面对称； ）切变区内与孪生面平行的每一层原子面均相对 其邻面沿孪生方向位移了一定距离，且每一层 原子相对于孪生面的切变量和它与孪生面的距 离成正比； ）孪生改变了晶体取向，因此出现孪晶的试样经 重新抛光，腐蚀后仍能显现出来。 ）在切应力作用下，且t tc但tc(孪生) tc(滑移) ）实质借助一个不全位错运动而成，存在形核与 长大过程。,三 扭折 Kink,hcp的Cd压缩时，外力与(0001)面平行，故在(0001)面的t0，若此时孪生过程的阻力也很大，不能进行。为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某一临界值时，晶体将会产生局部弯曲，即出现扭折现象。 扭折区晶体的取向发生了不对称变化。,扭折是为适应外力而发生的不均匀局部塑性变形方式，对变形起一定的协调作用，使应力得到松弛，使晶体不致发生断裂。另外由于扭折引起晶体的再取向，即有可能使扭折带区域中的滑移系处于有利取向，促使晶体形变能力进一步发挥。,造成扭折的原因是滑移面的位错在局部地区集中，从而引起的晶格弯曲。,四 塑变的位错机制,1. 滑移的位错机制 根据刚性滑移模型推导出的理论切变强度,(G一般为104105MPa），即使采用修正值,与实测值（约为110MPa）之间相差34个数量级。 位错概念引入解决这一矛盾。因为位错运动时只要求其中心附近少数原子移动很小的距离（小于一个原子间距），因此所需的应力要比晶体作整体刚性滑移时小得多。这样借助于位错的运动就可实现晶体逐步滑移。,位错运动首先遇到点阵阻力派纳力：,晶体的滑移过程不仅没有降低位错数量，反而大大增加，这意味着，在变形过程中位错以某种机制增殖了。 （1）FrankRead 位错源 （FrankRead Source） 由弗兰克瑞德源提出的一种位错增殖机制,F-R源动作过程,刃位错AB的两端A和B被位错用结点钉扎住 位错线各段均受到滑移力ftb且与位错线相垂直（法线方向）位错线各点移动的线速度一样，但角速度不同。位错线发生弯曲，甚至两端分别绕AB发生回转。位错线上各处位错性质也随之变。m,n两处同属纯螺型位错，但位错性质恰好相反，相吸！相迁时，彼此便会抵消，这使原来整根位错线断开成两部分，外面为封闭的位错环，里面为一段连接A和B的位错线，在线张力作用下变直恢复到原始状态。在外力的继续作用下，它将重复上述过程，每重复一次就产生一个位错环，从而造成位错的增殖，并使晶体产生可观的滑移量。 FR源发生作用所需的临界切应力为,只有t tc时才能使FR源开动，并源源不断地产生位错环。 在塑性变形过程中，位错不断地生成，位错间的交截越来越频繁。 可动位错线段也越短L tc (加工硬化)。FR位错增殖机制已为实验所证实。,（2）双交滑移位错增殖机制 螺位错的滑移面不是唯一的 若螺型位错经交滑移后再转回到与原滑移面相平行的晶面上继续扩展时，则称双交滑移。 螺位错经双交滑移后可形成一对刃型位错的割阶。由于这对割阶与原位错线不在同一滑移面上，这就使原位错在平行于原滑移面的滑移面上滑移时产生了一个FR源。于是，在双交滑移情况下，可使位错不断得到增殖和发展。 B. 扩展位错的束集与交滑移 扩展位错系由两个不全位错和中间夹的一片层错所构成。层错能的因素也必然影响扩展位错的密度： 若层错面上存在杂质原子或其它障碍时，可使该处的能量增高扩展位错宽度将会缩小，甚至重新收缩成原来的全位错，成为束集（可看成位错扩展的反过程）,扩展位错束集时，不仅两不全位错的间距减小，层错宽窄，而且位错线变长、弯曲、形成弧线。因此，形成束集需要能量，称为束集能，束集能越大，越难束集。 束集对面心立方晶体的交叉滑移过程有重要的作用。由于扩展位错只能在原滑移面上滑移，若要进行交滑移，扩展位错必须首先束集为全位错，然后再由该全位错交滑移到另一滑移面上并重新分解为扩展位错，继续进行滑移。 扩展位错的束集与交滑移的过程可因温度热激活而得到促进。 C. 位错的交割（Crossings of dislocations） 晶体中存在大量的具有不同柏氏矢量的位错。因此，当一个位错沿其滑移面滑动时，往往会迁到不在此滑移面上的其它位错（通常将穿过此滑移面的其它位错称为林位错）的阻碍（即切过林位错）而继续前进。通常把位错线彼此切割（即彼此交叉通过）的过程叫做位错的交割。 位错的交割对于晶体的硬化，以及空位和间隙原子的产生有着重要的意义。,（1）两个互相垂直的刃位错的交割：,位错xy向下移动与不动位错AB交割后，位错线AB上产生一个长度与b1相等刃型割阶PP，由于PP仍位于Pxy面上可滑动,位错AB和xy交截后，则相应在各自位错线上产生一段扭折PP和QQ，属螺型且均在原来的滑移面上，能沿原滑移面滑移。在线张力的作用下，此扭折将会消除。,（2）刃型位错和螺型位错的交截 当一个运动的刃型位错AA和一个不动的螺型位错 BB在 时的交截：AA上产生一长度与b2相等的 MM刃型割阶，它的存在给AA继续运动增添阻力； BB上产生一长度与b1相等的NN扭折（刃型）,（3）两螺型位错的交截 AA运动BB固定,交截后各自产生了一个割阶MM和NN（均属刃型） 由于MM与b1所组成滑移面原位错线AA的运动方向，从而成为螺型位错继续运动的阻碍。除非割阶产生攀移随之运动；同样BB位错所产生的刃型割阶NN也具有与上述相似的性质。,螺型位错割阶的运动可分三种情况： a）割阶的高度只有12个原子间距，此时螺位错运动可以把割阶拖着走，所谓拖着走是指割阶通过攀移运动而使其跟着螺位错运动，而在其后留下一排点缺陷（空位或间隙原子） b）割阶高度在几个原子间距到20nm之间，此时位错不能拖着割阶一起运动。在外力作用下，位错的前进就,会在其后留下一对拉长了的刃位错线段（常成为位错偶）。这种位错偶为降低应变能经常会断开而留下一个长的位错偶，使位错仍回复原来带割阶的状态，而长的位错偶又常会再进一步裂成小的位错环。 c）割阶高度再20nm以上，此时割阶两端的刃位错相隔太远，它们之间的相互作用较小，它们可以各自独立地在各自的滑移面上运动，并以割阶为轴，在滑移面上旋转。这实际上也是在晶体中产生位错的一种方式。 而刃型位错的割阶与柏氏矢量所组成的面，一般都与原位错线的滑移方向一致，能与原位错一起滑移，但此时割阶的滑移面并不一定是晶体的最密排面。故运动时割阶段所受到的晶格阻力较大，但总的来说，这类滑移割阶给原位错所带来的滑移阻力要小于螺位错的割阶。 由割阶而引起的对位错运动的障碍常称为割阶硬化。,D 位错的塞积 pile-up of dislocation 由同一位错源产生的，具有相同b的位错在滑移面上运动，若遇到障碍（如晶界、孪晶界、固定位错、杂质原子等） 受阻，而外力又不足以克服障碍的阻力时，位错便被迫堆积在障碍物前形成塞积群。,塞积群中的位错所受的作用力： (1) 外加切应力t0所产生的滑移力 Fd t0 b (2) 位错间的相互排斥力 (3) 障碍物的阻力 仅作用在领先位错上,平衡时,根据每个位错的受力情况，可导出每个位错的位置，以xi表示从障碍物开始计到第i个位错距离：,塞积群周围所产生的应力场与一个具有nb的大位错所产生应力场相当。显然（1）此应力场反作用于位错源，并有可能使其停止开动加工硬化,由此可见在塞积群中位错的分布是不均匀的，越靠近障碍物，位错间距越小。 位错塞积群的一个重要效应就是在它的前端会引起应力集中，其数值等于外加切应力n倍：,t0:无外加硬化时所需切应力 a:与材料有关常数0.30.5,(2) nt，塞积群中的螺位错可通过交滑移越过障碍 (3) t甚至可把障碍物摧毁 (4) 如塞积群位于晶界，应力集中达到一定值后，也可促发相邻晶粒位错源开动,2. 孪生的机制 孪晶区域各晶面的相对位移距离是孪生方向原子间距的分数值，这表明孪生时每层晶面的位移应借一个不全位错的移动而造成。 位错增殖的极轴机制：fcc 中 OA、OB和OC三条位错线相交于结点O，OA、OB不在滑移面上，属不动位错极轴位错，OC为可动的不全位错，且只能绕极轴转动，每当它在（111）面上扫过一圈，就产生一个单原子层的孪晶，同时又沿着螺旋面上升一层，这样不断转动，上述过程逐层地重复进行，就在晶体中形成一个孪晶区域。 至于扭折带晶体位向有突变，这个取向改变的过渡区系由一系列同号的刃型位错排列所构成。, 3. 多晶体的塑性变形 Plastic Deformation of polycrystalline Materials,多晶体变形要受到晶界和相邻不同位向晶粒的约束。周围晶粒同时发生相适应的变形来配合。一般多晶体为多系滑移，高的加工硬化率，变形抗力增大，强度显著提高，应力-应变曲线无只出现、阶段。,晶粒取向的影响,为保持连续性，周围晶粒变形必须相互制约，相互协调,多晶体塑性变形时要求至少有5个独立的滑移系进行滑移。 任意变形均可用 exx eyy ezz nxy nyz nxz fcc, bcc 滑移系多塑性好 hcp 滑移系少塑性差,二. 晶界的阻滞效应 多晶体塑性变形的另一个特点是晶界对变形过程的阻碍作用。对只有23个晶粒的试样拉伸后呈竹结状。,因晶界（尤其是大角晶界）处原子排列不规则，点阵畸变严重，再加上晶界两侧的晶粒取向不同，滑移面和滑移方向彼此不一致之缘故。,晶内发生较大变形，晶界处变形量较少，塑变抗力大，可观察到位错的塞积,位错在晶界上产生塞积,注意 晶界本身的强度对多晶体的加工硬化贡献不大，而多晶 体加工硬化的主要原因来自晶界两侧晶粒的位向差 晶界阻滞效应只在变形早期影响较大，因早期位错较小 晶界阻滞效应的大小还与晶体的结构类型有关 hcp结构的晶界阻滞效应要比 fcc，bcc 类型的晶体明显 滑移系较小 三 晶粒大小对机械性能的影响 1. 对室温机械性能的影响 晶粒愈细、晶界愈多强化效应细晶强化 ss sb HV Strengthening by Grain Size Re-duction 较好塑性,因细晶的晶内和晶界附近应变差较小，变形较均匀， 有可能断裂前承受大量的变形 细晶具有良好的综合机械性能。,Hall-Petch公式：,屈服强度,相当于单晶体的屈服强度,晶粒平均直径,常数，相邻晶粒位向差对位错运动的影响关系与晶界结构有关,系普遍的关系式，金属材料如此，亚晶的尺寸与ss的关系，塑性材料流变应力和晶粒尺寸，脆性材料的脆断应力与晶粒大小关系以及金属的疲劳强度与晶粒大小间的关系也可用霍尔-佩奇公式来表达 2. 对高温强度的影响 低温时：晶界强度晶内强度 加上晶界两侧晶粒位向差影响 晶界对滑移有阻滞作用,等强温度Tk：ss晶界ss晶内,高温时则不同，有两种不同的变形机制： （1）晶粒沿晶界滑动（晶界滑动机制） 当T Tm/2时，以晶粒沿晶界的相对滑移方式进行 T扩散能力，且原子沿晶界扩散速率 沿晶内的。 故高温时晶界似流体一样，呈现粘滞性变形抗力 沿晶界滑移 （2）扩散性蠕变机制 蠕变：在一定t C（300 C ）下，当应力大于某一值时，即使外力不再增加，而塑性变形随时间延长而会缓慢地增加现象。,ABCD为多晶体中一晶粒，AB、CD晶界受拉，在其附近易于产生空位，空位浓度较高，AC、BD受压，空位浓度较低。,扩散,空位,蠕变与,有关,存在空位浓度梯度导致空位向AC、BD定向移动，原子向AB、CD定向移动，从而使晶粒沿拉伸方向伸长，即使在恒应力情况下，随时间延长也会不断发生应变扩散性蠕变,T ，d 扩散性蠕变速率 因此一般高温合金都希望具有较粗晶粒,四. 多晶体的应力-应变曲线,与单晶相比，一般不出现硬化第一阶段，易滑移阶段。只有、线性硬化和抛物性硬化阶段，呈现明显的晶界阻滞效应和很高的硬化系数。, 4. 合金的塑性变形 Plastic Deformation of Alloys,一 单相固溶体合金的塑性变形 Plastic Deformation of SinglePhase alloy 1.屈服现象 yield phenomenon 拉伸曲线,没有明显屈服点 Yield point s0.2,应力平台的应力点称为下屈服点，在几乎是恒定的应力下发生的延长称为屈服伸长。应力平台上每一个波动对应于一个新的形变带，即新Lders bond，当Lders bond扩展至试样整个长度后，屈服伸长阶段就告结束，应力又随应变单调增加，开始均匀塑性变形阶段。,拉伸曲线应力突然下降的点称上屈服点：试样开始屈服，发生明显的塑性变形。在试样表面观察到与纵轴（拉伸轴）约呈45的应变痕迹吕德斯带（Lders bond）它与试样的未变形部分有明显的界线。它与滑移带不同， Lders bond穿过了试样横截面上的各个晶粒。它是一种宏观可见皱纹，也称表面桔皮，在冲压产品中需避免。,屈服现象机理 溶质原子与位错之间的交互作用(Cottrell气团)来解释位错 的钉扎作用。位错运动必须挣脱这气团，因而所需应力较 高上屈服点；一旦挣脱气团的钉扎后便能在较低应力 下运动下屈服点。 可动位错密度很低之缘故 材料塑性变形的应变速率 与可动位错密度 之间关系：,由于塑性变形前rm较低，维持一定 势必要求v ，即需要较大的应力上屈服点，一旦变形开始后，位错迅速增殖rm,为维持一定 ，则必然v t 下屈服点,2. 应变时效 Strain ageing,对具有明显屈服现象的材料而言，sss屈服 塑变卸载拉伸无屈服现象 室温停留几天或150 C时效 拉伸 屈服现象 而且上屈服点比原来升高，这种现象称为应变时效,不难想象，此时屈服现象的重新产生是由于在室温停留或时效时溶质原子（C、N）通过扩散重新聚集到位错附近，重新形成柯垂气团之故。 在生产中为避免Lders bond的产生，（致使工件表面失去平整与光滑） 尽量降低材料中杂质元素的含量 加入少量能与溶质元素形成稳定化合物的Me， 如Al、V、Ti、Nb 在板材深冲变形前进行超过屈服伸长范围的预变形,3. 固溶强化 SolidSolution Strengthening 溶质原子点阵畸变 溶质含量固溶体合金的强度、硬度而塑性、韧性 定量关系式：, 溶质原子的浓度固溶强化因素 rx/rm相差愈大固溶强化 间隙原子强化效果比置换原子的强 溶质原子与基体金属的价电子数相差愈大，固溶强化 效果愈显著,固溶强化影响因素,二. 多相合金的塑性变形 Plastic Deformation of multiphase alloy,多相合金除基体相外，存在第二相 1. 聚合型合金的塑性变形 a）两相晶粒尺寸属同一数量级且均为塑性相，合金的变形决定于两相的体积分数 若两相应变相等时，合金的平均流变应力为,f1 、f2 为两相的体积分数,两相应力相等时，则合金的平均应变为:,这类合金在发生形变时，滑移往往首先发生在较软的相中，当较强相数量小时，则塑性变形基本上在较弱相中；只有当第二相较强时，且占有一定体积分数（如f20.3）才能起明显的强化作用。,（ ）,b）一相为塑性相，另一相为脆性相时，则合金的机械性能在很大程度 上取决于硬脆相的存在数量及其形状、大小和分布情况。 钢中Fe3C存在数量和形貌就是明显一例,2. 弥散分布型合金的变形 当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。 a）不可变形粒子的强化作用 当运动位错与其相遇时，将受到粒子阻挡，位错线绕着它发生弯曲，随着外加应力，位错线弯曲更剧，最后形成包围着粒子的位错环留下，而位错线的其余部分则越过粒子继续运动。 根据位错理论可知，为使位错弯曲所需的切应力为：,当第二相微粒愈弥散即粒子间距l 强化作用,沉淀硬化 Precipitation Hardening,b）可变形微粒的强化作用 位错可切过微粒，使之随同基体一起变形。 强化机制： 位错切过粒子产生新的表面积总界面能 当粒子为有序结构时，位错切过会打乱滑移面上下的有序排列，产生反相畴界总能量 第二相粒子与基体的晶体点阵不同，位错切过粒子后在其滑移面上引起原子的错排，需额外做功，给位错运动带来困难 粒子周围的弹性应力场与位错会产生交互作用，对位错运动产生阻碍 基体与质点滑移面取向并不一致，故切过后，必然产生一割阶阻力 基体与质点层错能不同，当扩展位错切过后，其宽度会发生变化，引起能量升高, 5. 塑性变形后组织与性能的变化,一. 显微组织变化 1. 晶粒形状变化 纤维状组织强烈冷变形的特征 各向异性 2. 亚结构变化 胞状亚结构：变形晶粒是由许多“胞”所组成，各个胞之间有着微小的取向差，高密度缠结位错主要集中在胞的周围地带构成“胞壁”，而胞内位错密度很低。且随变形量，胞数量，尺寸 变形材料中胞状亚结构形成不仅与变形量有关，还决定于材料类型： 对于层错能较高晶体，易形成胞状亚结构 对于层错能较低晶体，位错通常分解为较宽的扩展位错交滑移困难，位错可移动性，一般此类材料冷变形后胞状亚结构不明显,铜材经过不同程度冷轧后的光学显微组织及薄膜投射电镜像,二. 性能变化 1.加工硬化 Work Hardening 塑性变形后在性能上最为突出的是强度（硬度）显著提高，塑性迅速下降，这就是加工硬化现象 加工硬化是材料强化的一个重要的途径，特别是对于那些不能采取热处理手段来强化的材料，同时由于材料具有加工硬化特性，形变才得以传递和扩展使整个零件在宏观上能够均匀变形。 加工硬化现象与位错间的交互作用有关 钉扎（割阶、林位错、面角位错、 位错缠结） 继续变形发生困难，必须加大应力才能继续变形加工硬化,定量关系式,影响加工硬化的因素： 晶体结构：fcc，bcc 滑移系较多，易于产生多系滑移，位错常易于发生交截，加工硬化率较大，而 hcp 滑移系较少，加工硬化率小；另外多晶体的加工硬化率比单晶体高 变形速率和变形温度的影响, 溶质原子的影响：一般溶质原子（常指置换原子）加入可增大加工硬化率，因为 a）某些溶质原子可降低层错能扩展位错变宽 不易交滑移； b）溶质原子周围的弹性应力场可使位错线成为 波浪形，而不再为纯螺型位错，难发生交滑移； c）溶质原子阻碍回复现象 晶粒大小的影响：一般细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还有不利一面，如对必须进行大变形量的零件，要使零件成型势必增大设备的功率，增加动力消耗，加工硬化会使材料塑性大为下降开裂现象；加工过程不得不中间增加退火来消除加工硬化，以利于进一步变形。,2. 其它性能 塑性变形使金属的电阻率升高，电阻 温度系数下降、导磁率下降、导热系 数下降、磁滞损耗、矫顽力升高 塑变使扩散过程加速，腐蚀速度加快 塑变通常使金属材料的密度下降，但 对含有铸造缺陷（如气孔、疏松等） 的金属经塑性变形后可能使密度上升 塑变使弹性模量升高,三. 内应力 Residual Stress,残余应力不均匀变形而致,储存能在变形金属中的具体表现即为内应力 内应力是一种弹性应力，其最高值 se 内应力在变形材料内部处于自相平衡状态，即作用于变形材料任一截面上的内应力之和应为零,根据内应力平衡范围分为： 1. 第一类内应力宏观内应力它为各部分形变量不同，去除外力后，应变恢复不均所致 轧材（表层形变变量内部的） 表层残留压应力，内部拉应力 拉拔材（外圆形变量心部的） 外园残余张应力，心部压应力 弯曲件：伸长侧残余压应力，缩短侧张应力一般不超过总储存能的1,轧制,2. 第二类内应力微观内应力 其作用范围与晶粒尺寸为同一数量级 多晶体的变形量是不均匀的，晶粒间、每个晶粒内部的不同部分应变量是不等的,当外力去除后，各个晶粒的应变恢复也是不等的 第二类内应力产生 第二类内应力有时可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹，并导致工件破坏 3. 第三类内应力点阵畸变 由于点阵缺陷而致，它使变形材料处于热力学不稳定状态，从而导致变形材料加热时的回复及再结晶过程,工件一般不希望存在宏观内应力，特别是表面的张应力，其危害性更大，若它与外力叠加，很容易使工件产生断裂或变形；但有时如对承受疲劳载荷的零件来说，表层的残留压应力（可通过喷丸、滚压强化），有利于提高其疲劳强度,四. 变形织构 Deformation texture,单向塑性变形时，多晶体中原为任意位向的各个晶粒经转动后会使各个晶粒的取向趋于一致，这个过程称为“择优取向”，择优取向后的晶体结构称为“织构”（Texture）变形织构以区别退火织构和再结晶织构。 1. 丝织构：拉丝时形成的织构，其特点：各个晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行，用表示，如冷拔铁丝织构为 织构 2. 板织构：轧制时形成，其特征：多个晶粒的某一晶向趋向于与轧向平行，用 hkl 表示，如冷轧黄铜 H70 具有 110 织构，织构造成材料各向异性是板材及线材生产中极其重要也是人们极其关心的问题。 织构有利有弊 制耳 取向硅钢片,课堂讨论题： 1. 塑性变形的两种主要形式：滑移和孪生的异同点 2. 塑性变形的位错机制 3.多晶体塑性变形特点 4.屈服现象、加工硬化、应变时效现象 5. 归纳总结若干种材料强化手段,习 题,1. 试指出Cu与a-Fe两晶体易滑移的晶面和晶向，并分别求出它们的滑移面间距、滑移方向上的原子间距以及点阵阻力（已知v=0.3,GCu=48300MPa，Ga-Fe=81600MPa） 2. 设合金中一段直位错线运动时受到间距为l的第二相粒子的阻碍，试求证使位错按绕过机制继续运动所需的切应力为：,式中T线张力，b柏氏矢量，G切变模量，r0第二相粒子半径，B常数,设有一截面积为3.14mm2，长度为800mm的圆柱状金属晶体承受拉伸作用。若在与轴线呈45角的晶面上有一刃型位错（b210-10m），试问在应力作用下该位错滑出晶体时所产生的伸长量：若该晶体中含有108cm-2位错密度在应力作用下全部滑出晶体，试计算由此而产生的总变形量（假定没有新位错产生）和相应的正应变。 如下图表示两被钉扎的刃型位错AB，CD，其长度均为x，且柏氏矢量b也相同，他们可作为FR位错源，试分析在其增殖过程中两者发生的交互作用。若能形成一个大的位错源，使其开动的tc为多少：若两位错b相反，情况又如何： 5. 试结合金属单晶体、多晶体、单相合金与复相合金，总结其塑性变形的特点。, 6 陶瓷材料的力学行为 Mechanical Behaviour of Ceramics,与金属材料相比，陶瓷材料在外力作用下表现出来最大特点是硬而脆，当外力较低（se）时，应力与应变之间服从虎克定律，基本上是弹性体，一旦达到ss即发生脆断，爆发性，无先兆。,脆断 机理,结合键：共价键、离子键,晶体结构复杂、滑移系少、b大、PN高， 难于运动，难于满足多系滑移条件,显微裂纹应力集中,Griffith 提出,临界断裂应力,A与坯体尺寸、裂纹几何形状和部位加载方式有关的因子 g-表面能 E-弹性模量 C裂纹的半长,脆性材料的抗拉强度： （裂纹尖端处最大应力）,s0名义上所施加抗应力 l 表面裂纹的长度或内部裂纹之半长 r 裂纹前端曲率半径,三点弯曲时断裂强度 矩形断面样品,圆形断面,Ff断裂时负荷 L 支点间距离,b截面宽度 h截面高度 R截面半径,与金属材料相比，高分子材料的力学性能具有, 7 高聚物的力学行为 Mechanical Behaviour of Polymers,高弹性和低弹性模量：ee(橡胶)1000%, E:0.1100MPa为金属的1/103,低强度：sb=20100MPa,粘弹性：弹性变形和粘性流动同时并存， 时间因素应考虑,在外力作用下，et=ee+ep,塑性变形ep是粘性流动（分子链相对滑动），而不是靠滑移产生,塑性变形的难易与粘度有关,ht,均匀形变的不稳定性 拉伸试验中细颈现象 ：应变随应力线性增加，均匀伸长； ：截面突然变得不均匀，出现一个或几个细颈，细颈 部位不断扩展，直至整个试样完全变细为止； : 应变随应力增加而增大，直至断裂,结晶高分子受拉发生变形时，晶体之间的非晶部分首先发生形变,C,第五(2)章 回复和再结晶 Recovery and Recrystallization,塑性变形系统的能量 回复再结晶 回复 Recovery 再结晶 Recrystallization 晶粒长大 Grain growth after recrystallization,自发趋势, 1.变形材料加热时的变化,一 、显微组织的变化 热（90） 储存能（10） 变形材料发生回复再结晶的驱动力 冷变形材料在加热时先后经历 回复 在较低温度下变形材料的显微组织基 本上未发生变化，多边化 再结晶 新的无畸变等轴小晶粒代替变形组织 晶粒长大 细小新晶粒通过互相吞并长大而形成 稳定的尺寸,塑性变形外力所做的功,二 、性能变化 sb HV , 2. 回复 Recovery,一 、回复阶段性能与组织的变化: 在回复阶段，观察以下几种现象: 1.宏观内应力大部分去除，而微观应力仍存在 2.电阻率 ar Cu、 Al、 Ag 线材预先在90K下变形，发现在293K 下导电性能就可以逐渐恢复，相对原始变形态 30,3. HV、 ss变化随材料不同而异： Zn、Cd 在室温下就可以绝大部分去除冷变形所产 生的加工硬化； Cu、黄铜则加热至350，其HV仍无明显变化 Fe 在358以上就可看到部分加工硬化的去除 4. 在光镜下显微组织基本上未发生变化。但在高温回复时，在热激活能条件下，通过位错与攀移，会发生多边化亚结构。,二、 回复动力学 Recovery Kinetics,变形材料加热时，其力学和物理性能回复程度随温度T和时间t变化 R为回复部分 s为回复退火后的流变应力 s0为加工硬化完全消除的流变应力 sm为退火前即冷态的流变应力,驰豫过程 无孕育期 回复的初始阶段去除硬化的程度较快，随着时间的延长，回复的程度就减弱了，而且，随变形量越大，起始回复速率也越快。进一步分析，在某一恒定温度下，回复时间可表达为 ： Q为回复过程的激活能，R为气体常数 T为绝对温度 A 、B 为常数 作lnt- 1/T关系曲线 直线，由直线斜率可求得Q,三 、回复机制,在回复过程中，发生如下变化 1.低温回复 迁移至表面或晶界 点缺陷变化 与间隙原子复合 与位错交互作用 聚集成空位片 崩塌 表现 2. 中温回复 位错滑移位错重新组合以及异号位错互相抵消,(过饱和空位的消失),3. 高温回复 多边化 Polygonization,多边化产生的条件 1）塑性变形使晶体点阵发生弯曲 2）在滑移面上有过剩的同号刃型位错 3）热激活下刃位错产生攀移运动,刃型位错可获得足够能量产生攀移,位错排列成墙,多边化结构,产生单滑移的单晶体中多边化过程最为典型 多晶体中，由于多系滑移位错缠结形成胞状组织，多边化不明显, 3. 再结晶 Recrystallization,t，在变形组织的基体上就会产生新的无畸变再结晶晶核，并逐渐长大形成等轴晶粒，从而取代变形组织，该过程就成为再结晶过程。 再结晶无晶体结构和化学成分的变化，不属于相变。,一、再结晶的形核,再结晶的转变驱动力： 晶体的弹性畸变能 可预料晶核必然产生于高畸变能区域： 大角度晶界、相界面、孪晶或滑移带界面上,1.晶界弓出形核,变形量较小（20）多晶体，其再结晶核心往往以晶界弓出方式形成或称应变导致的晶界迁移，凸出形核方式形成。,再结晶的形核机制,变形度较小时，多晶粒间变形不均匀性而导致多晶粒内位错密度不同。为了降低系统的自由能，再结晶时，通过晶界迁移原来平直的晶界会向位错密度大的晶粒内凸出，在其,前沿扫过的区域内通过吞食畸变亚晶的方式形成无畸变的再结晶晶核。,晶核的临界尺寸可作如下估算,形核时单位体积引起总的自由能变化,单位体积储存的应变能,界面表面能 dA 弓出的表面积 dV 弓出的晶界由位置时扫过的体积,若界面为一球面其半径为r，则dA/dV2/r ，则上式可改写为 由于弓出形核的能量条件为G0 即 若弓出部分两端距离为2L 则r=L/sina 当/2时，L=rmin Lc=2g/Es,2.亚晶形核 当变形度较大（20%）时，形成位错缠结组成的胞状结构多边形化亚晶，借助亚晶作为再结晶的核心，其形核机制为： 1)亚晶的迁移机制 通过亚晶界的移动，吞并相邻的形变基体和亚晶而生长 2)亚晶合并机制 通过两亚晶之间亚晶界的消失，使两相邻亚晶合并而生长 位错网络解离、拆散以及位错的攀移与滑移,加热,亚晶无论以那种方式生长，包围着它的一部分亚晶界的位向差必然会越来越大，最后构成了大角度晶界。大角度晶界一旦形成，由于它较亚晶界具有大的多的迁移率，故可以迅速移动，而在其后留下无畸变的晶体再结晶核心。,二、 再结晶动力学 Recystallization Kinetics,再结晶过程是通过无畸变新晶粒的形核和长大而进行的，故再结晶的动力学决定于N和G。,实验：不同T，以纵坐标表示再结晶的体积分数jR 以横坐标表示再结晶的时间t,恒温动力学曲线,1）不同T，不同变形度，曲线不同，但有“S”特征 2）发生再结晶，需要一段孕育期 incubation period （T ，t孕 ） 3）开始再结晶时，转变量速率V转 很低， 随着转变量 ，V转 ， 至50时，V转 V转max 转变量进一步 V转,Johnson&Mehl ： 均匀形核 晶核为球形 N和G不随t 而改变 推导出恒温下经过t时间后，再结晶体积分数为： 即所谓JM 方程,假定,但实际 N 是随t而呈指数关系 ，并非Const，故JM方程应修正，通常采用Avrami方程来描述再结晶过程比较合适，即： B、K均为常数，再结晶为三维时，K3-4 二维 K2-3 一维 K1-2,取双对数,截距,斜率,此分析结果与试验结果完全吻合，且发现在一定温度范围内，K不随T而变 不同T下，各直线基本平行, B则随T不同而变,作 关系图（线性关系图）,170139125 T1 T2 T3 T4 T5,再结晶是一热激活过程，N和G均符合Arrhenius方 程，因此等温温度T对再结晶速率V的影响可用 表示之 而再结晶速率V和产生某一体积分数jR所需要的时间t成反比，（V 1/t） ,（2.3lgx=lnx）,作 1/T - lgt 图 即可求得Q （再结晶的激活能） 在两个不同的恒定温度T1、T2 产生同样程度的 再结晶时可得,三 、再结晶温度 Recrystallization temperature,冷变形材料开始进行再结晶的最低温度称为再 结晶温度，它可以用不同的方法来测定。 1）金相法：从显微镜中观察到第一个新晶粒或者晶界因凸起形核而出现锯齿状边缘的退火温度为TR。 2）硬度法：以硬度退火温度曲线上硬度开始显 著降低的温度定为TR，有时也将该曲线上软化50的退火温度定为TR。,应指出， TR并不是一个物理常数，它随变形程度，纯度，及退火时间而变 工业生产中，通常以经过大变形量(70%)的冷变形金属，经一小时退火能完全再结晶或再结晶体积分数95的最低退火温度定为TR 。 TR ，VR ，达到一定再结晶体积分数所需时间必愈短,根据Johnson和Mehl 方程式，令R0.95，则 可求出完成95再结晶所需时间为 由于 N 、G 随 t 而 即为温度的函数，故可根据各t下的 N 、 G值建立t与t0.95关系，于是，一小时内能完成再结晶的温度TR即可确定。 对工业纯金属经大变形后，若完成再结晶的为0.5-1小时 则 TR（0.35-0.4）Tm,四、影响再结晶的主要因素,凡是影响 和 的因素均将反映再结晶动力学曲线变化 1.在给定温度下发生再结晶需要一个最 小变形量，这就是临界变形度 （Critical deformation degree）。低于此 变形度，不能再结晶。 2. ，开始TR ，当t一定， ，TR 3.再结晶后的晶粒大小主要取决于变形 度 ，再结晶的晶粒 。,4.微量杂质元素可明显地升高TR或推迟 再结晶过程的进行。 5.第二相的影响：当第二相尺寸较大 （1mm）且间距较宽时，再结晶核心能 在其表面产生；当第二相尺寸很小又 较密集时，则会阻碍再结晶的进行。 6.原始晶粒愈细或者退火时间增加都会TR 。,五 、再结晶晶粒长大,经再结晶后形成的晶粒，通常呈等轴状，其大小受多种因素的影响，主要有： 变形度：临界变形度， 晶粒 退火温度：t 晶粒临界变形度 化学成分和杂质：凡延缓再结晶及阻碍晶粒长 大的合金元素、杂质，有利于得到细晶 原始晶粒度：原始晶粒度 晶界总面积 N 再结晶晶粒 加热速度：V加 可获得细小再结晶晶粒,再结晶后晶粒的平均直径d 与 、 存在以下关系： 故 愈小，则再结晶后晶粒愈细小。,k为常数, 4、再结晶后晶粒的长大 Grain growth after Recrystallization,冷变形材料在完成再结晶后继续加热时会发生晶粒长大 再结晶晶粒长大 正常长大 异常长大二次再结晶 Secondary recrystallizaton,一、晶粒的正常长大 Normal Grain Growth,1.晶界移动的驱动力 再结晶完成后，晶粒长大是一自发过程，因为它总是力图使界面自由能变小，所以晶粒长大的驱动力是来自晶界移动后体系总的自由能的降低。就个别晶粒长大的微观过程而言，晶粒界面的不同曲率是造成晶界迁移的直接原因，实际上，晶粒长大时，晶界总是向着曲率中心的方向移动。,模型：晶面曲率为什么成为晶界面移动 的动力？ 圆柱界面 平衡时 ：界面张力 P：界面两侧压力差，凹侧所存在的压应力凸侧压力,da/2,s l,da/2,s l,r,da,r 界面曲率半径,厚度,P,l,da,当d很小时， 对非圆柱面可改写为 (任一段曲率界面，可通过其法线的两个相互垂直平面上的两个主曲率半径r1和r2来表示) 若界面为球面时，则r1r2r 则 当一定时，r 则P 晶粒长大过程就是 “大吃小”和凹面变平的过程,实践表明，当晶界移动的驱动力单纯来自晶界能时，晶界的移动速度V与晶界移动驱动力P成正比。 m为比例常数 称晶界的迁移率,2.晶粒的稳定形状,为了降低界面能 晶粒长大 晶粒不断平直化 向其曲率中心方向迁移 晶粒趋向稳定形状 第三章 晶界一节曾指出 三晶粒交合处各晶界的表面张力与晶界角存在下述平衡关系:,由于再结晶后的晶界属于大角度晶界，其界面张力与两侧晶粒位向无关， 因此 二维晶粒稳定形状的平衡条件： 晶界为平直线 晶界夹角为120 的六边形，该形状晶粒若继续加热时，不再发生晶界迁移而处于稳定状态，因三晶界交会点的任何移动都会增加晶界的总长度 总晶界能,若二维晶粒不是六边形，为了使晶粒的各顶角形成120的夹角： 1.边数小于6的晶粒， 其晶界向外弯曲的 2.边数大于6的晶粒， 其晶界向内弯曲的 这样，由于高温下弯曲的晶界在晶界能的驱动下会移动其曲率中心趋于平直 1.边数6，即尺寸较大晶粒，必然存在长大倾向 为了在三维情况下实现平衡，多晶体晶粒在平衡状态下最稳定形状是十四面体。,3.晶粒长大速度,正常晶粒长大时，晶界的平均移动速度 为,：晶界平均迁移率,：晶界平均驱动力,：晶界平均曲率半径,：晶粒平均直径的增大速度,对于大致均匀晶粒而言， ，m 和s在一定温度下均可看作常数，因此 积分 为常数 若 则有 或 这表明恒温下发生正常晶粒长大时，平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大 更常见的情况下， ，n1/2 因存在晶界移动和阻碍晶粒长大诸因素,归纳晶界迁移的规律性有如下几点： 1.为降低表面能，弯曲的晶界总是趋向于平直化，即晶界向曲率中心移动以减小表面积； 2.当三个晶粒的晶界夹角不等于120时，晶界总是向角度较锐的晶粒方向移动，力图使其夹角趋向于120； 3.在二维坐标中， 晶界边数6的晶粒（晶界向内凹进）必然逐步长大 晶界边数=6 晶界平直，且夹角120， 处于平衡状态不再移动 4.晶界迁移速度将随晶界曲率半径增大而减小，且随时间而改变,4. 影响晶粒长大的因素 Several important factors on grain growth,积分得,1) 温度 由于晶界迁移与原子的热激活有关，其中晶界 的平均迁移速率 与 成正比,（Qm为晶界迁移的激活能）,2）可溶解的杂质或合金元素 溶解原子都能阻碍晶界移动，特别是晶界偏聚现象显著的元素，其作用更大。一般认为被吸附在晶界上的溶质原子会降低晶界的界面能，能拖住晶界使之不易移动,3）不溶解的第二相,弥散的第二相质点对于阻碍晶界移动起着重要的作用。当运动的晶界迁移到第二相质点（设为球形）时，第二相质点对晶界的移动产生一阻力，拖住晶界使之不向前移动，如果此时处于平衡状态，则阻力F的大小必须等于总张力在 方向的分力,此处加图5-60,假定弥散相在晶体中呈均匀分布,单位体积晶体中存在着N个粒子,当单位面积的晶界移动2r距离时，切过体积为2r1,必然会切过2rN个第二相质点 单位面积晶界上各粒子对晶界移动所施加的总约束力,接触周界,晶界能,当q45时，此约束力为极大值：,实际上晶界迁移能力及其所决定的晶粒长大速度，不仅与分散相粒子的尺寸有关，而且与第二相颗粒的弥散度密切相关。,因单位体积晶体中分散相粒子所占体积分数为： 而晶界移动的驱动力 当 时，正常晶粒长大就停止，此时晶粒平均直径成为极限的晶粒平均直径（Dlim） ,4）晶粒间的位向差 晶界的界面能决定于相邻晶粒间的位相差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界的，而驱使界面移动的力又与界面能成正比。因此，前者的迁移速度要小于后者。 5）热蚀沟 金属在高温下长时间加热，晶界与金属表面相交处会产生热蚀沟（为了达到表面张力互相平衡，通过表面扩散而产生）它存在也影响晶粒长大。,二 、晶粒的异常长大二次再结晶 Secondary Recrastallization,晶粒的异常长大又称不连续晶粒长大或二次再结晶，是一种特殊的晶粒长大现象，通常发生于一次再结晶后经正常晶粒长大的基体中。其特点为少数晶粒迅速长大，使晶粒之间的尺寸差别显著增大，直到这些迅速长大的晶粒完全接触为止。,二次再结晶过程有以下特征：,1. 二次再结晶的驱动力是来自界面能或表面能的降低，而不是来自应变能，所以它比一次再结晶的驱动力要小的多。 2. 二次再结晶并不需要重新形核，它是以一次再结晶后的某些特殊晶粒作为基础而长大的，因此，严格说它是特殊条件下的晶粒长大过程，而非再结晶。 3. 只有正常晶粒长大受阻的情况才产生二次再结晶，阻碍正常晶粒长大的主要因素有 a)含有适量夹杂物 b)具有强烈的一次再结晶织构。,4. 二次再结晶的动力学类似于一次再结晶的动力学，也有一孕育期 5. 二次再结晶完成时也产生明显的织构，但它与一次的不同 6. 必须超过一最低温度进行退火时才会发生二次再结晶。通常最大的晶粒是在加热温度刚刚超过这一温度时得到的，当加热温度更高时，得到的二次再结晶晶粒的尺寸反而较小。,二次再结晶机制,二次再结晶形成的大晶粒在长大到某一临界尺寸后便迅速长大，这一点不难解释，因为在初次再结晶的各晶粒中，达到临界晶体尺寸的晶粒必超过它周围的晶粒，由于大晶粒的晶界总是凹向外测的，因而晶界总是向外迁移而扩大，结果它就愈长愈大。形成二次再结晶。