材料的形变和再结晶ppt课件

第五章材料的形变和再结晶 4 Chapter5Deformationandre crystallizationofmaterials 1 本节主要内容 多晶体的塑性变形合金的塑性变形塑性变形对材料组织与性能的影响 细晶强化固溶强化弥散强化加工硬化 屈服现象应变时效柯氏气团形变织构 重要理论和概念 2 Questions 为什么工程上很少用纯金属 合金加工或应用中存在哪些问题 织构是如何产生的 如何提高金属的强度 3 为什么钻戒不用纯金而是用白金作为托架 Men sWeddingRingsMaterialsAgroom sweddingband 结婚戒指 willbemadeofplatinum whitegold yellowgold titanium stainlesssteelor lead Platinumandwhitegoldare atpresent themostpopularmaterials Whitegold 白金 isanalloyofgold i e itisgoldandsilverorpalladium 钯 ThisiswheretheconceptofKarat 开 克拉 comesin Karatisameasureofthepurityofthematerial 4 An18Kgoldringhas75 puregold theelement Thehigherthekarat thesoftertheringandthemoreeasilyitwillgetscratchedanddented Accordingly 18Kisconsideredtheoptimalkarat withpuregoldcominginat24karats 5 单晶与多晶有何区别 多晶体存在大量晶界 晶界 二 多晶体的塑性变形 6 单晶与多晶性能比较 单晶金属材料因其消除了普通多晶金属材料中的晶界使材料性能有了质的飞跃普通的金属材料都是多晶状态的 它由许多微小的晶粒组成 晶粒与晶粒之间通过晶界连结 因为晶界是成形过程中最后凝固形成的 是杂质和缺陷的聚集带 7 晶界对金属材料性能的影响 疲劳性能 晶界往往是疲劳裂纹源 晶界显著降低材料的疲劳性能 力学性能 晶界阻碍材料塑性变形 显著降低材料的塑性 腐蚀性能 金属沿晶界产生晶间腐蚀 蠕变性能 金属材料首先由晶界开始熔化 晶界限制了材料的最高工作温度 电学性能 在直流电信号传输中 晶界是电阻 对电信号的传输起歪曲和衰减的作用 8 单晶材料的获得成为突破现有材料极限的有效方法 先进航空发动机叶片采用无晶界的单晶高温合金可以提高工作温度和寿命 采用无晶界的单晶耐蚀合金无缝管 可防止因晶间腐蚀而泄漏 单晶制品优异的塑性加工性能 使之可以加工成超细的线和超薄的箔 作为生产集成电路 大型计算机以及电子仪器 音像设备所需的高级材料 单晶材料高的残留电阻比大大提高了信号传输的保真度 在日本单晶连铸铜线在音像设备中已获得应用 9 多晶体与单晶体塑性变形比较 相同之处 同样以滑移和孪生为塑性变形的基本方式不同之处 1 多晶体的塑性变形受到晶粒取向和晶界阻碍的影响 2 任何一个晶粒的塑性变形都不是处于独立的自由变形状态 需要其周围的晶粒同时发生相适应的变形来配合 10 1 晶粒取向的影响 晶粒取向对多晶体塑性变形的影响 主要表现在各晶粒变形过程中的相互制约和协调性 多晶体塑性变形过程如同绑腿比赛 鲍威尔与特奥运动员赵曾曾二人三足跑 三人四足绑腿跑 11 绑腿人数越多 制约性越多 协调性更困难 同理 晶粒越细小 晶粒越多 制约性更强 塑性变形将变得更为不易 12 理论分析指出 多晶体塑性变形要求至少能在5个独立的滑移系上进行滑移 多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互间协调的 即 一个多晶粒是否能塑性变形 决定于它是否具备5个独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协调的要求 这与晶体的结构类型有关 面心立方和体心立方晶体分别有12个和48个滑移系 故它们的多晶体具有很好的塑性 而密排六方晶体只有3个滑移系 其塑性变形能力较差 13 晶粒之间变形的协调性 1 原因 各晶粒之间变形具有非同时性 2 要求 各晶粒之间变形相互协调 独立变形会导致晶体分裂 3 条件 独立滑移系 5个 保证晶粒形状的自由变化 14 2 晶界的影响 晶界附近产生的位错塞积群会对晶内的位错源产生一反作用力 此反作用力随位错塞积的数目n而增大 式中 0为作用于滑移面上的外加分切应力 L为位错源至晶界之距离 为系数 螺型位错 1 刃型位错 1 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 塑性变形 15 3 晶界对变形的阻碍作用 1 晶界的特点 原子排列不规则 分布有大量缺陷 2 晶界对变形的影响 多晶体塑性变形后 每一晶粒中的滑移带都终止在晶界附近 滑移 孪生多终止于晶界 极少穿过 R Zengetal JournalofAlloysandCompounds509 2011 4462 4469R Zengetal InternationalJournalofFatigue32 2010 411 419 16 4 多晶体塑性变形的特点 各晶粒变形的不同时性 各晶粒变形的相互协调性 多晶体塑性变形的不均匀性 17 5 细晶强化 Strengtheningbygrainsizereduction 晶界数量直接取决于晶粒的大小多晶体的强度随其晶粒细化而提高 多晶体的屈服强度 s与晶粒平均晶粒直径d的关系 由霍尔 配奇 Hall Petch 公式 可知 s 0 kd 1 2 18 细晶强化 霍尔 佩奇公式最初是一经验公式 但也可根据位错理论 利用位错群在晶界附近引起的塞积模型导出 19 细晶强化 20 霍尔 佩奇公式的应用 解释镁合金AZ61疲劳裂纹形成机理 二次裂纹是如何产生的 R C Zengetal InternationalJournalofFatigue31 2009 463 467 21 二次疲劳裂纹产生的原因 已知 s 187 0Mpa k 0 22MPam1 2 0 146 8MPa那么对于细晶粒 d1 10 m s1 216 4MPa对于粗晶粒 d2 250 m s2 160 7Mpa显然 s s1 s2 55 7Mpa粗晶粒和细晶粒屈服强度之间存在巨大的差异 粗晶粒优先发生塑性变形 霍尔佩奇公式 R C Zengetal InternationalJournalofFatigue31 2009 463 467 22 细晶强化 晶粒越细 强度越高 细晶强化理论晶粒越细 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 23 2 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 表现出高韧性 24 晶界在塑性变形中的作用 协调作用 协调相邻晶粒变形障碍作用 阻碍滑移的进行促进作用 高温变形时两相邻晶粒沿晶界滑动起裂作用 晶界阻碍滑移 晶界应力集中 25 三 固溶强化 Solid solutionstrengthening 1 单相固溶体合金的塑性变形 固溶强化 明显的屈服点和应变时效现象 塑性变形阻力 26 固溶强化 1 概念 固溶体材料随溶质含量提高其强度 硬度提高而塑性下降的现象 溶质原子的加入提高了应力 应变曲线的水平 提高了合金的加工硬化速率 27 2 影响固溶强化的因素 溶质原子含量 溶质原子的原子数分数越高 强化作用也越大 原子尺寸 溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大 强化作用也越大 固溶体类型 间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果 价电子数 溶质原子与基体金属的价电子数相差越大 固溶强化作用越显著 28 溶质原子尺寸的影响 Zn 29 3 固溶强化机制 晶格畸变 阻碍位错运动 溶质原子与位错的弹性交互作用 化学交互作用和静电交互作用 柯氏气团强化 位错运动改变了溶质原子在固溶体结构中以短程有序或偏聚形式存在的分布状态 系统能量 滑移变形的阻力 30 固溶强化对性能的影响 合金的拉伸强度 屈服强度 硬度都大于纯金属 合金的韧性都低于纯金属 合金的电导率远远低于纯金属 固溶强化提高了蠕变阻力 Strengthorelongation Cu 31 利用合金固溶强化理论 白金的硬度显然比纯金的高 以保证钻石不会从戒指中脱落 回答 为什么钻戒不用纯金而是用白金作为托架的问题 32 4 屈服现象与应变时效 屈服现象上屈服点 试样开始屈服时对应的应力下屈服点 载荷首次降低的最低载荷屈服伸长 试样在此恒定应力下的伸长 33 吕德斯带 概念 在发生屈服延伸阶段 试样的应变是不均匀的 在试样表面可观察到与纵轴约呈45 交角的应变痕迹 称为吕德斯 L ders 带 现象 吕德斯带会造成拉伸和深冲过程中工件表面不平 吕德斯带造成铝合金板材表面不平整 34 吕德斯带与滑移带比较 吕德斯带是许多晶粒协调变形的结果 它穿过了试样横截面上的每个晶粒 而其中每个晶粒内部则仍按各自滑移系进行滑移变形 滑移带是抛光试样表面经过塑性变形产生的高低不同的台阶所造成的一条条细线 35 屈服现象的物理本质 a 柯氏理论 柯氏气团的形成 b 位错增值理论 位错运动与增殖的结果 柯氏气团 在固溶体合金中 溶质原子或杂质原子可以与位错交互作用而形成的溶质原子气团 36 柯垂尔 Cottrell 气团 与位错交互作用偏聚于刃位错的下方 以抵消部分或全部的张应力 弹性应变能 位错趋于稳定 不易运动 对位错具有 钉扎作用 比溶剂原子尺寸大的置换溶质原子 间隙原子C N 压应力 拉应力 滑移面 37 位错增值理论 材料塑形变形的应变速率 1 m 可动位错密度v 位错的平均运动速度b 位错的伯氏矢量 38 位错的平均运动速度V又与应力密切相关 2 0 位错作单位速度运动所需的应力 位错受到的有效切应力 m 应力敏感指数拉伸试验时 接近于恒定 塑形变性前 m很低 v很大 很大 这就是上屈服点高的原因 变性后 m很高 v变小 很小 这就是下屈服点较低的原因 39 应变时效 概念 预塑性变形试样去载后立即加载不出现屈服现象 去载后放置一段时间或200 加热后再加载出现屈服 机理 柯氏气团理论 40 结构 基体 第二相按第二相粒子的尺寸大小进行分类一 聚合型合金的塑性变形 两相均为塑性相合金的变形能力取决于两相的体积分数 塑性相 基体相 脆性相取决于第二相的相对数量 形状 大小和分布 聚合型两相合金弥散分布型两相合金 2 多相合金的塑性变形 41 42 2 多相合金的塑性变形 硬而脆的第二相呈连续网状分布在塑性相的晶界上脆性相 塑性 韧性 过共析钢中的二次渗碳体脆性第二相呈片状或层状分布在塑性相的基体上珠光体类组织 塑性变形主要发生在铁素体中片间距越小 则强度越高且变形越均匀 变形能力增加脆性相在塑性相中呈颗粒状分布 43 不可变形微粒的强化作用借助于粉末冶金方法加入的第二相粒子为不可变形的粒子越多 间距越小 强化作用 弥散强化 当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时而导致的显著的强化作用 位错绕过第二相粒子的示意图 E Orowan 奥罗万机制 二 弥散分布型合金的塑性变形 44 根据位错理论 迫使位错线弯曲到曲率半径为R所需的切应力为此时由于R 2 所以位错线弯曲到该状态所需的切应力为物理意义 不可变形粒子的强化作用与粒子间距成反比 即粒子越多 间距越小 强化作用越明显 R 45 多相合金的塑性变形 可变形微粒的强化作用沉淀相粒子 通过时效处理从过饱和固溶体中析出 多为可变形的 强化作用取决于粒子本身的性质及与基体的联系 位错切割Al Li合金中的Al3Li相的电镜照片 位错切割粒子的机制 46 强化作用 位错切过粒子后产生新的界面 界面能 若共格的粒子是一种有序结构 位错切过之后 打乱了滑移面上下的有序排列 沿滑移面产生反相畴界 能量 由于粒子的点阵常数与基体不一样 粒子周围产生共格畸变 存在弹性应变场 应力场与位错交互作用 阻碍位错运动 47 由于粒子的层错能与基体的不同 扩展位错切过粒子时 其宽度会产生变化 引起能量升高 从而强化 由于基体和粒子中滑移面的取向不一致 螺型位错线切过粒子时必然产生一割阶 而割阶会妨碍整个位错线的移动 粒子与基体的比体积差别且沉淀粒子与母相保持共格或半共格结合 在粒子周围产生弹性应力场 此应力场与位错产生交互作用阻碍位错运动 堆垛 层错 密排面的正常堆垛顺序发生错排 48 49 四 塑性变形对材料组织与性能的影响 显微组织的变化 大量滑移带和孪晶带 晶粒沿变形方向变扁平 elongatedgrains 2 特点 晶粒拉长 杂质呈细带状 塑性杂质 或链状分布 脆性杂质 50 Mg 1 0Li 0 5Ca 0 5Y挤压变形组织 Extrusiondirection 51 镁合金AM60挤压态 左 轧制态 右 3D组织 52 挤压镁合金AZ80 AZ61显微组织 53 亚结构的变化 变形量 位错缠结 变形胞 大量位错缠结在胞壁 胞内位错密度低 变形量 变形胞 尺寸 层错能 易出现明显胞状结构层错能 易出现位错塞积群 不易出现胞状结构 54 性能的变化 加工硬化 workhardening 定义 金属材料经冷加工变形后 强度 硬度显著提高 而塑性 韧性明显下降的现象 55 56 单晶体的加工硬化曲线 I 易滑移阶段 发生单滑移 位错移动和增殖所遇到的阻力很小 I很低 约为10 4G数量级 II 线性硬化阶段 发生多系滑移 位错运动困难 II远大于 I 约为G 100 G 300 III 抛物线硬化阶段 与位错的多滑移过程有关 III随应变增加而降低 应力应变曲线变为抛物线 57 58 多晶体的加工硬化 其应力 应变曲线不出现第一阶段 且加工硬化率明显高于单晶体 细晶粒的加工硬化率一般大于粗晶粒金属 合金比纯金属的加工硬化率要高 溶质原子的加入 在大多数情况下增大加工硬化率 59 加工硬化的工程意义 加工硬化是强化材料的重要手段 尤其是对于那些不能用热处理方法强化的金属材料 加工硬化有利于金属进行均匀变形 因为金属已变形部分产生硬化 将使继续的变形主要在未变形或变形较少的部分发展 加工硬化给金属的继续变形造成了困难 加速了模具的损耗 进行 中间退火 以消除这种不利影响 因而增加了能耗和成本 60 其他性能的变化 电阻率 电阻温度系数 磁导率 热导率 磁滞损耗 矫顽力 腐蚀速度 61 形变织构 概念 在塑性变形中 随着形变程度的增加 各个晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形变方向转动 逐渐使多晶体中原来取向互不相同的各个晶粒在空间取向上呈现一定程度的规律性 这一现象称为择优取向 这种组织状态则称为形变织构 62 63 类型 丝织构 拔丝时形成特征 各晶粒的某一晶向大致与拔丝方向平行板织构 轧板时形成特征 各晶粒的某一晶面和晶向分别趋于同轧面与轧向平行高斯织构 110 001 冷拔钢丝 64 性能影响 金属材料表现出明显的各向异性制耳 深冲压成型的板材 织构会构成其沿各方向变形的不均匀性 使工件的边缘出现高低不平 制造变压器的硅钢片 因 Fe方向最易磁化 生产中通过适当控制轧制工艺 可获得具有 100 001 织构和磁化性能优异的硅钢片 65 残余应力 定义 指去除外力之后 残留于材料内部且自身平衡于材料内部的应力 66 第一类内应力 宏观残余应力 由物体各部分的不均匀变形所引起 第二类内应力 微观残余应力 由晶粒或亚晶粒的变形不均匀性引起 第三类内应力 点阵畸变 由于在塑性变形过程中形成的大量点阵缺陷引起的 分类 67 小结 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 68 小结 经过塑性变形 外力对材料试样或构件作的功绝大部分 90 以上 在变形过程中转化成热而散失 只有少数 10 以下 能量转化为内应力残留在材料中 使其内能增加 第三类内应力占绝大部分 这是使变形金属强化的主要原因 但会使材料 如金属的耐腐蚀性下降 第一 二类内应力占的比例不大 但当进一步加工会打破原有平衡 引起材料的变形 或者和零件使用应力发生叠加 引起材料的破坏 一般都要用退火的办法尽量将其消除 69