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*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,多晶体与单晶体的区别,晶粒间存在晶界,晶粒的位向不同,1,多晶体与单晶体的区别晶粒间存在晶界1,多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于,45,的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由,一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。,铜多晶试样拉伸后形成的滑移带,多晶体金属的塑性变形过程,2,多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接,晶粒之间变形的传播,位错在晶界塞积 应力集中 相邻晶粒位错源开动 相邻晶粒变形 塑变,晶粒之间变形的协调性,（,a,）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。,（,b,）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）,（,c,）条件：独立滑移系,5,个。（保证晶粒形状的自由变化）,3,晶粒之间变形的传播3,晶界对变形的阻碍作用,（,a,）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。,（,b,）晶界对变形的影响,:,滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。,4,晶界对变形的阻碍作用4,晶粒大小与金属强度关系,（,c,）,晶粒大小与性能的关系,a,晶粒越细，强度越高,(,细晶强化,：霍尔佩奇公式,),s,=,0,+kd,-1/2,原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。,（有尺寸限制）,晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中,导致的开裂机会减少，可承受更大的变,形量，表现出高塑性。,b,晶粒越细，塑韧性提高,细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易,萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂,过程中可吸收较多能量,表现,高韧性,。,5,晶粒大小与金属强度关系（c）晶粒大小与性能的关系5,通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称,细晶强化,。,6,通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细,6.4,合金的塑性变形,合金可根据组织分为,单相固溶体合金,和,多相合金,两种。合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。,珠光体,奥氏体,7,6.4 合金的塑性变形 合金可根据组,单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称,固溶强化,。,（,1,）单相固溶体合金的塑性变形,8,单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也,溶质原子与位错相互作用，使晶格发生畸变，而且易被吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，位错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高。,固溶强化的原因,9,溶质原子与位错相互作用，使晶格发生畸变，而且易被吸附在位错附,固溶强化的影响因素,溶质原子的浓度：,浓度越高，一般其强化效果也越好，但并不是线性关系，低浓度时显著；,铝溶有镁后的,应力应变曲线,10,固溶强化的影响因素 溶质原子的浓度：浓度越高，一般其强化效果,原子尺寸因素：,溶质与溶剂原子尺寸相差越大，其强化作用越好，但通常原子尺寸相差较大时，溶质原子的溶解度也很低；,溶入合金元素对铜单晶,临界分切应力的影响,11,原子尺寸因素：溶质与溶剂原子尺寸相差越大，其强化作用越好，但,溶质原子类型：,间隙型溶质原子的强化效果好于置换型，特别是体心立方晶体中的间隙原子；,相对价因素（电子因素）：,溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化效果越显著。,电子浓度对,Cu,固溶体屈服应力的影响,12,溶质原子类型：间隙型溶质原子的强化效果好于置换型，特别是体心,屈服现象与应变时效,在屈服过程中，试样中各处的应变是不均匀的，当应力达到上屈服点时，首先在试样的应力集中处开始塑性变形，这时能在试样表面观察到与拉伸轴成,45,的应变痕迹，称为吕德斯（,Lders,）带，同时应力下降到下屈服点，然后吕德斯带开始扩展。拉伸曲线上的波动表示形成新吕德斯带的过程。,低碳钢的屈服现象,在拉伸应力应变曲线上出现了一个平台，这就是屈服点。当试样开始屈服时（上屈服点），应力发生突然下降（下屈服点），然后在较低水平上作小幅波动。,13,屈服现象与应变时效 在屈服过程中，试,屈服现象解释,柯垂尔（,Cottrell,）气团,：溶质或杂质原子在晶体中造成点阵畸变，溶质原子的应力场和位错应力场会发生交互作用，作用的结果是溶质原子将聚集在位错线附近，形成溶质原子气团。,14,屈服现象解释柯垂尔（Cottrell）气团：溶质或杂质原子在,当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变,形除与合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。按第二相的尺度大小将其分为两大类：若其与基体相尺度属同一数量级，则称为,聚合型,；若第二相尺寸非常细小，并且弥散分布于基体相中，则称为,弥散分布型,。,（,2,）多相合金的塑性变形,聚合型合金组织,Al,青铜 弥散型第二相合金组织铁黄铜,15,当合金的组织由多相混合物组成时，合金,聚合型合金的塑性形变,当两个相的塑性较好时，一般有两种近似处理方法：,(2),设两相应力相同，应变,1,和,2,必不同，平均应变为：,(1),设两相具有同样的应变，,1,和,2,必不同，平均应力为：,取决于基体的性能及第二相的性质、数量、形状和分布。,等应变假设,等应力假设,16,聚合型合金的塑性形变 当两个相的塑性较好时，一般有两种近似处,实际上，这两种假设都是不正确的。形变过程中各晶粒中的形变已是极不均匀的，第二相的存在更加大了这种不均匀，所以，第一种应变相同的假设与实际不符；,按第二种应力相同的假设，两相间应变必不连续分布，则在界面处会出现裂缝，这也是和实际不符。,实际情况是，形变总是从较弱的相开始，随着形变量的增加，在某些界面处的应力集中导致较硬的相形变。在形变过程要求跨过相界面的应力和应变都要保持连续性。,17,实际上，这两种假设都是不正确的。形变过程中各晶粒中的形变已是,另一相是脆性相，则除两相的相对量外，脆性相的形状和 分布对合金塑性起重大作用。,三种情况：,(1),脆性相连续地沿塑性相晶界分布；,(2),脆性相不连续地分布在塑性相的晶界上；,(3),脆性相不连续地分布在塑性相内。,实例：,Bi,在,Cu,、,Au,中的膜状分布；,Fe,3,C,在钢中的网状分布；,硬粒子周围的高形变区,18,另一相是脆性相，则除两相的相对量外，脆性相的形状和 分布对,当在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利；,当在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性；,珠光体,19,当在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利；珠光体19,当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称,弥散强化或沉淀强化,。,不可变形粒子的强化作用,：硬的颗粒不易被切变，因而阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。,弥散分布型合金的塑性形变,位错绕过第二相粒子的示意图,第二相颗粒周围的位错环,20,当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗,当运动位错与颗粒相遇时，由于颗粒的阻挡，使位错线绕着颗粒发生弯曲；随着外加应力的增加，弯曲加剧，最终围绕颗粒的位错相遇，并在相遇点抵消，在颗粒周围留下一个位错环，而位错线将继续前进，很明显，这个过程需要额外做功，同时位错环将对后续位错产生进一步的阻碍作用，这些都将导致材料强度的上升。,不可变形颗粒的强化与颗粒间距成反比，颗粒越多、越细，则强化效果越好。这就是奥罗万,（,Orowan,）,机制。,21,当运动位错与颗粒相遇时，由于颗粒的阻挡，使位错线绕着颗粒发生,例：假设,40,钢中的渗碳体全部呈半径为,10,微米的球形粒子均匀地分布在,-Fe,基体上，试计算这种钢的切变强度。已知铁的切变模量为,7.910,10,Pa,，,-Fe,的点阵常数为,0.28nm,（计算时可忽略,Fe,与,Fe,3,C,密度的差异）。,解：第二相硬粒子引起的弥散强化效果决定于第二相的分散度，对于,40,钢，其含碳质量分数,w,c,=0.004,，若忽略基体相,-Fe,中碳含量，则,Fe,3,C,相所占的体积分数为,设单位体积内,Fe,3,C,颗粒数为,N,v,，则,22,例：假设40钢中的渗碳体全部呈半径为10微米的球形粒子均匀地,因为,-Fe,为体心立方点阵，,a=0.28nm,，则有,所以,23,因为-Fe为体心立方点阵，a=0.28nm，则有所以23,当第二相颗粒为可变形颗粒时，位错将切过颗粒。此时强化作用主要决定于粒子本身的性质以及其与基体的联系，其强化机制较复杂，主要由以下因素决定：,位错切过颗粒后，在其表面产生,b,大小的台阶，增加了颗粒与基体两者间界面，需要相应的能量；,可变形粒子的强化作用,24,当第二相颗粒为可变形颗粒时，位错将切,如果颗粒为有序结构，将在滑移面上产生反相畴界，从而导致有序强化；,由于两相的结构存在差异（至少两相点阵常数不同）差异，因此当位错切过颗粒后，在滑移面上导致原子错配，需要额外作功；,颗粒周围存在弹性应力场（由于颗粒与基体的比容差别，而且颗粒与基体之间往往保持共格或半共格结合）与位错交互作用，对位错运动有阻碍作用；,25,如果颗粒为有序结构，将在滑移面上产生反相畴界，从而导致有序强,电镜观察,26,电镜观察26,例：,对,Al-1.6%Cu,合金中，先在,773K,进行固溶处理，对照,Al-Cu,二元合金相图，此时组织为单相的（,Al,）过饱和固溶体，随后在,463K,进行时效处理，此时固溶在（,Al,）中的过饱和铜将发生析出。在析出的初始阶段，析出的是很细小的共格过渡相，位错切过时受到很大阻力，因此合金强度显著提高；继续进行时效，颗粒的尺寸增大、数量也增加，强度随之增加，并逐渐达到其最大值；进一步时效时，由于析出颗粒分数不再增加，而此时颗粒将发生粗化现象，同时与基体间的共格关系也逐渐失去，合金的强度开始下降。,Al-Cu,合金相图,Al-1.6%Cu,合金时效曲线,27,例：对Al-1.6%Cu合金中，先在773K进行固,在颗粒开始析出阶段，它们可以变形，位错采用切过机制起作用，因此强度随颗粒含量及尺寸增加而增加。当颗粒尺寸增加到一定程度后，位错就以绕过粒子的方式移动，同时此时由于过饱和固溶体中的溶质基本都已析出，强度随着颗粒尺寸的增加而下降了。这样就可以解释时效曲线的变化情况。显然，当时效达到颗粒尺寸相当于,P,点时，合金具有最佳的强度。,可变形颗粒与不可变形颗粒尺寸对强度影响,28,在颗粒开始析出阶段，它们可以变形，位,30%,压缩率（,3000,）,50%,压缩率（,3000,）,99%,压缩率（,3000,）,铜经不同程度冷轧后的光学显微组织,6.5,塑性变形对金属组织和性能的影响,经塑性变形后，材料的显微组织发生了明显的改变，各晶粒中除了出现大量的滑移带、孪晶带以外，其晶粒形状也会发生变化：随着变形量的逐步增加，原来的等轴晶粒逐渐沿变形方向被拉长，当变形量很大时，晶粒已变成纤维状，称为,纤维组织,。,（,1,）显微组织的变化,29,30%压缩率（3000） 50%压缩率（3000）,30%,压缩率（,3000,）,50%,压缩率（,3000,）,99%,压缩率（,3000,）,铜经不同程度冷轧后的透射电镜相,晶体的塑性变形是借助位错在应力作用下运动和不断增殖。随着变形度的增大，晶体中的位错密度迅速提高，经严重冷变形后，位错密度可从原先退火态的,10,6,10,7,cm,-2,增至,10,11,10,12,cm,-2,。,经一定量的塑性变形，晶体中的位错线通过运动与交互作用，呈呈现纷乱的不均匀分布，并形成位错缠结。进一步增加变形度时，大量位错发生聚集，并由缠结的位错组成胞状亚结构。,（,2,）亚结构的变化,30,30%压缩率（3000） 50%压缩率（3000）,（,3,）形变织构,多晶体变形时，各晶粒的滑移也将使滑移面发生转动，当塑性变形量不断增加时，多晶体中原本取向随机的各个晶粒会逐渐调整到其取向趋于一致，这样就使经过强烈变形后的多晶体材料形成了择优取向，即,形变织构,。,丝织构,主要是在拉拔过程中形成，其主要特征是各晶粒的某一晶向趋向于与拔丝方向平行，一般这种织构也就以相关方向表示。如铝拉丝为,织构，而冷拉铁丝为,织构。,31,（3）形变织构 多晶体变形时，各晶粒,板织构,主要是在轧板时形成，其主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向趋向于与轧面和轧向平行，一般这种织构也就以相关面和方向表示。如冷轧黄铜的,110,，,织构。,32,板织构主要是在轧板时形成，其主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向,各向异性导致的铜板 “制耳”,轧制铝板的“制耳”现象,各向异性导致的铜板 “制耳”,33,各向异性导致的铜板 “制耳”轧制铝板的“制耳”现象各向异性导,（,4,）性能的变化,冷塑性变形量，,%,屈服强度，,MPa,1040,钢,(0.4%C),黄铜,铜,冷塑性变形量，,%,伸长率，,%,1040,钢,(0.4%C),黄铜,铜,34,（4）性能的变化冷塑性变形量，%屈服强度，MPa1040钢(,冷轧对铜及钢性能的影响,随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称,加工硬化,。,35,冷轧对铜及钢性能的影响 随冷塑性变形量增加，金属的强度,随变形量增加,位错密度增加，由于位错之间的交互作用,(,堆积、缠结,),，使变形抗力增加；,随变形量增加，亚结构细化；,随变形量增加,空位密度增加；,几何硬化：由晶粒转动引起。,Si,中的位错源,晶体中的位错源,位错密度与强度关系,产生加工硬化的原因,36,随变形量增加, 位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、,变形,20%,纯铁中的位错,未变形纯铁,强化金属的重要途径；,利 提高材料使用安全性；,利弊 材料加工成型的保证。,弊 变形阻力提高，动力消耗增大；,脆断危险性提高。,加工硬化的作用,37,变形20%纯铁中的位错未变形纯铁加工硬化的作用37,经塑性变形后的金属，由于点阵畸变、位错与空位等晶体缺陷的增加，其物理性能和化学性能也会发生一定的变化。,电阻率增加，电阻温度系数降低；,磁滞与矫顽力略有增加；,磁导率、热导率下降；,结构缺陷增多，扩散加快；,化学活性提高，腐蚀加快。,对物理、化学性能的影响,38,经塑性变形后的金属，由于点阵畸变、位错与空位等晶体缺,（,5,）残余应力,内应力,是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时,外力所做的功只有,10%,转化为内应力残留于金属中。,晶界位错塞积所引起的应力集中,39,（5）残余应力 内应力是指平衡于金属内部的应力。,第一类残余应力（,）：宏观内应力，由整个物,体变形不均匀引起。,分类,第二类残余应力（,）：微观内应力，由晶粒变,形不均匀引起。,第三类残余应力（,）：点阵畸变，由位错、空,位等引起。,80-90%,。,残余应力的分类,40,残余应力的分类40,利：预应力处理，如汽车板簧的生产。,利弊,弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。,消除：去应力退火。,残余应力的作用,41,残余应力的作用41,6.6,金属的断裂,断裂,：金属材料在外力作用下丧失连续性的过程。包括裂纹的萌生和裂纹的扩展两个过程。,根据断裂前金属是否有明显的塑性变形可分为,脆性断裂,5%,42,6.6 金属的断裂断裂：金属材料在外力作用下丧失连续性的过,哥伦比亚号,43,哥伦比亚号43,断裂金属材料在变形超过其塑性极限,完全分开，原子间结合力遭受破坏。,正断与剪断的宏观与微观形式,44,断裂金属材料在变形超过其塑性极限完全分开，原子间结合力遭,塑性断裂：又称延性断裂，断裂前发生大量的宏观塑性变形。,在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。,（,1,）塑性断裂,45,塑性断裂：又称延性断裂，断裂前发生大量的宏观塑性变形。（1）,46,46,断裂前未经过明显塑性变形，故其断口常具有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂”。,（,2,）脆性断裂,穿晶断裂,沿晶断裂,47,断裂前未经过明显塑性变形，故其断口常具有闪烁的光泽，这种断裂,沿晶断裂,48,沿晶断裂48,49,35,44,解理断裂是正应力作用下金属的原子键遭到破坏而产生的一种穿晶断裂。其断裂的特点是，解理初裂纹起源于晶界、亚晶界或相界面并严格沿着金属的结晶学平面扩展，其断裂单元为一个晶粒尺寸。,金,属,晶系,解理面,-Fe,体心立方,100,W,面心立方,100,Mg,密排六方,0001,Zn,密排六方,0001,Ti,密排六方,0001,Te,六方,1010,Bi,菱形,111,Sb,菱形,111,解理断裂,49,49 3544 解理断裂是正应,50,50,珠光体解理,51,珠光体解理51,(101),(101),(001),位错反应形成裂纹,两个滑移带上位错的聚合,形成裂口,52,(101)(101)(001)位错反应形成裂纹两个滑,（,3,）影响材料断裂类型的因素,裂纹和应力状态,温度,T,对断裂应力,f,/,屈服强度,s,影响不同,T,对,f,影响不大,对,s,影响显著,TT,c,f,s,塑性断裂,TT,c,f,s,脆性断裂,从韧性断裂到脆性断裂的转变温度称为脆性转变温度,T,c,53,（3）影响材料断裂类型的因素,根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式有,3,种。,（,a,）张开型,(,I,型,),（,b,）滑开型,(,II,型,),（,c,）撕开型（,II,I,型）,（,4,）断裂韧度及其应用,54,根据外加应力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本,张开型,(,型,),裂纹扩展,拉应力垂直作用于裂纹面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展。,滑开型,(,型,),裂纹扩展,切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹前沿线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展。,撕开型,(,型,),裂纹扩展,切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展。,55,张开型(型)裂纹扩展55,裂纹尖端的应力场及应力场强度因子,K,I,裂纹扩展总是从其尖端开始向前进行的，所以应分析裂纹尖端的应力应变状态。,应力分量为：,56,裂纹尖端的应力场及应力场强度因子KI 裂纹扩展,K,1,是描述裂纹尖端应力场强度的一个力学参量。,当应力,或裂纹尺寸,a,增大到临界值时，也就是在裂纹尖端足够大的范围内，应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致材料的断裂，这时,K,也达到了一个临界值，这个临界或失稳状态的,K,记为,K,c,或,K,C,，称之为,断裂韧度,。,57,K1 是描述裂纹尖端应力场强度的一个力学参量。57,材料的,K,IC,或,K,c,越高，则裂纹体断裂时的应力或裂纹尺寸就越大，表明越难断裂。所以，,K,IC,和,K,c,表示材料抵抗断裂的能力。,K,IC,为平面应变断裂韧度，表示材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力；而,Kc,为平面应力断裂韧度，表示材料在平面应力状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力。显然，同一材料的,Kc,K,Ic,。,58,材料的KIC或Kc越高，则裂纹体断裂时的应力或裂纹尺寸就越大,K,和,K,c,是两个不同的概念，,K,是一个力学参量，表示裂纹体中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关。,但,K,c,是材料的力学性能指标，它决定于材料的成分、组织结构等内在因素，而与外加应力及试样尺寸等外在因素无关。,59,K和Kc是两个不同的概念，K是一个力学参量，表示裂纹体,根据应力场强度因子,K,和断裂韧度,K,c,的相对大小，可以建立,裂纹失稳扩展脆断的断裂,K,判据,，即,K,I,K,1c,裂纹体在受力时，只要满足上述条件，就会发生脆性断裂。反之，即使存在裂纹，也不会发生断裂，这种情况称为破损安全。,60,根据应力场强度因子K和断裂韧度Kc的相对大小，可,锻造或轧制的作用是什么？为什么锻造或轧制的温度选择在高温的奥氏体区？,锻造或轧制的作用是：把材料加工成形，通过锻造或轧制使铸锭中的组织缺陷得到明显的改善，如气泡焊合，缩松压实，使金属材料的致密度增加；粗大的柱状晶变细；合金钢中大块状碳化物初晶打碎并较均匀分布；使成分均匀，使材料的性能得到明显的改善。,奥氏体稳定存在是在高温区，温度升高材料的强度、硬度下降，塑性韧性升高，有利于变形；奥氏体为面心结构，塑性比其它结构好，塑性好，有利于变形；奥氏体为单相组织，单相组织的强度低，塑性韧性好，有利于变形；变形为材料的硬化过程，变形金属高温下发生回复与再结晶，消除加工硬化，即为动态回复再结晶，适合大变形量的变形。,61,锻造或轧制的作用是什么？为什么锻造或轧制的温度选择在高温的奥,本节要点,固溶强化、应变时效、弥散强化（沉淀强化）、加工硬化、形变织构、残余应力,合金变形的特点,屈服现象的解释,变形后的组织结构与性能,62,本节要点固溶强化、应变时效、弥散强化（沉淀强化）、加工硬化、,在金属未变形或少量变形时，位错密度的分布一般是均匀的。但在大量变形之后，由于位错的运动和交互作用，位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。亚晶粒边界上聚集大量位错，而内部的位错密度相对低得多。随着变形量的增大，产生的亚结构也越细。整个晶粒内部的位错密度的提高将降低了材料的耐腐蚀性。,63,在金属未变形或少量变形时，位错密度的分布一般是,
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