1、 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-81第八章第八章 材料的变形与断裂（四）材料的变形与断裂（四） 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-82十二、金属的热变形、蠕变和超塑性十二、金属的热变形、蠕变和超塑性1.金属热变形过程以及对组织与性能的影响金属热变形过程以及对组织与性能的影响热变形：金属在再结晶温度以上的加工变形热变形：金属在再结晶温度以上的加工变形金属的热变形可看作是金属的热变形可看作是两个过程的组合两个过程的组合：像冷加工那样发生晶粒的伸长与加工硬化像冷加工那样发生晶粒的伸长与
2、加工硬化又发生了回复和再结晶过程，同时又新形成了等轴晶粒与又发生了回复和再结晶过程，同时又新形成了等轴晶粒与消除了加工硬化消除了加工硬化动态回复和再结晶动态回复和再结晶静态回复和再结晶静态回复和再结晶动、静态再结晶就其物理过动、静态再结晶就其物理过程及所产生的组织结构来说，程及所产生的组织结构来说，并无本质上的区别并无本质上的区别一般只以是否完成了再结一般只以是否完成了再结晶作为最后判别晶作为最后判别轧制 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-83高温时热变形后的再结晶实际上是很快的高温时热变形后的再结晶实际上是很快的右图是右图是51B60钢
3、（钢（WC 0.6%， WCr 0.8%，微量，微量B）在）在1200奥氏体化后在奥氏体化后在920轧制，变形量轧制，变形量60，于不同温度，于不同温度下停歇不同时间，随之淬火后观察其再下停歇不同时间，随之淬火后观察其再结晶进行情况：结晶进行情况：在在900下停歇只需下停歇只需1min就可完成再结晶，随温度降低，开始就可完成再结晶，随温度降低，开始发生和完成再结晶的时间稍长，即使终轧温度降到临界温度发生和完成再结晶的时间稍长，即使终轧温度降到临界温度Ar3以下如以下如 800，再结晶完成时间也只需，再结晶完成时间也只需10min。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料
4、的变形与断裂 2022-2-84 实际实际 工艺处理：工艺处理：一般终轧温度选在单相奥氏体区，温度要尽可一般终轧温度选在单相奥氏体区，温度要尽可能低，目的是防止热轧后再结晶晶粒的长大能低，目的是防止热轧后再结晶晶粒的长大。 图图849是低碳钢（是低碳钢（ WC 0.2%）热轧前后组织变化示意图，临）热轧前后组织变化示意图，临界点界点Ar3为为830，在，在850可获得细小的奥氏体等轴晶，这就保证可获得细小的奥氏体等轴晶，这就保证了随后冷却时其转变产物铁素体和珠光体也是细小的。了随后冷却时其转变产物铁素体和珠光体也是细小的。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与
5、断裂 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 p例例1 1、钨、钨的再结晶温度约为的再结晶温度约为12001200，因此，即使在，因此，即使在10001000进行变形加进行变形加工也属于冷加工。工也属于冷加工。p例例2 2、锡、锡在在室温室温进行变形加工也属进行变形加工也属于热加工。于热加工。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-872. 金属的蠕变金属的蠕变 金属在室温下或者温度低于金属在室温下或者温度低于0.3Tm时的变形，主要是通过滑移和孪晶两种时的变形，主要是通过滑移和孪晶两种方式进行。方式进行。
6、而在而在 T 0.3 Tm 会发生会发生位错的攀移位错的攀移，从而产生，从而产生蠕变蠕变 现象现象金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形发生缓慢的塑性变形（指材料在高温下的变形不仅指材料在高温下的变形不仅与应力与应力有关，而且与应力作用时间有关）。有关，而且与应力作用时间有关）。注：恒定温度和应力注：恒定温度和应力整个过程可分为三个阶段：整个过程可分为三个阶段：由蠕变速率（由蠕变速率（d /dt）逐渐减慢的第一阶段；）逐渐减慢的第一阶段；稳态（恒速）蠕变的第二阶段；稳态（恒速）蠕变的第二阶段；在蠕变过程后期，蠕变速率加快直至断裂，即为第三
7、阶段。在蠕变过程后期，蠕变速率加快直至断裂，即为第三阶段。随温度与应力的提高，蠕变第二阶段渐短，即蠕变由第一阶段很快过渡到第随温度与应力的提高，蠕变第二阶段渐短，即蠕变由第一阶段很快过渡到第三阶段。三阶段。因此高温条件下服役的金属零部件寿命大大减少因此高温条件下服役的金属零部件寿命大大减少 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-88 由于蠕变第二阶段蠕变速率由于蠕变第二阶段蠕变速率最小且蠕变量容易推算，故高温最小且蠕变量容易推算，故高温下工作的零件使用寿命多规定在下工作的零件使用寿命多规定在这一阶段这一阶段;其蠕变速率与温度有指数关系，其蠕变
8、速率与温度有指数关系，作作ln 1/ T图可得一直线，其斜图可得一直线，其斜率为率为Q/ R，Q 为蠕变过程的激为蠕变过程的激活能活能 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-89 Hc / (kJmol1) QD/(kJmol1) Al 140 Cu 196 -Fe 305 -Fe 299 Mg 117 Zn 88 138 194 291 288 134 90表表 8-5 蠕变激活能蠕变激活能 Hc 和自扩散激活能和自扩散激活能 QD 许多金属蠕变第二阶段的激活能与自扩散的激活能十许多金属蠕变第二阶段的激活能与自扩散的激活能十分接近，这说明控
9、制蠕变速率的过程是由分接近，这说明控制蠕变速率的过程是由扩散过程扩散过程所控制。所控制。金属原子的扩散机制是空位扩散，自扩散的激活能金属原子的扩散机制是空位扩散，自扩散的激活能QD可看可看成是空位形成能成是空位形成能QF与空位运动能与空位运动能QM两者之和，两者之和， 即：即： QDQFQM体心立方金属中原子排列不体心立方金属中原子排列不够紧密，空位容易运动，够紧密，空位容易运动，QD较小，因此与面心立方金属较小，因此与面心立方金属相比，蠕变激活能低，蠕变相比，蠕变激活能低，蠕变速率大速率大. 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-810 蠕
10、变第二阶段，一般认为是由位错滑移产生的加工硬蠕变第二阶段，一般认为是由位错滑移产生的加工硬化和由位错攀移产生高温回复，此两过程的速率相等，于化和由位错攀移产生高温回复，此两过程的速率相等，于是便形成了恒定的蠕变速率过程是便形成了恒定的蠕变速率过程 位错攀移可消除加工硬化，例如当位错滑动遇到障碍位错攀移可消除加工硬化，例如当位错滑动遇到障碍而阻塞，位错可藉热激活产生攀移而避开障碍而阻塞，位错可藉热激活产生攀移而避开障碍 由位错攀移而引起蠕变的机制叫做位错蠕变由位错攀移而引起蠕变的机制叫做位错蠕变 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-8113.
11、 金属的超塑性金属的超塑性许多金属在一定条件下如：许多金属在一定条件下如： 晶粒尺寸很细（约晶粒尺寸很细（约10 m以下，最好在以下，最好在5 m以下）以下） 变形温度在变形温度在0.50.65Tm 变形速率在变形速率在102104 /s范围内，范围内，金属可实现超塑金属可实现超塑性变形伸长率可性变形伸长率可达达1000左右左右 因为流变应力因为流变应力 和应变速率和应变速率 有以下关系有以下关系 (一定温度下一定温度下): k m （式中的（式中的m为应变速率敏感指数，室温下，一般金属材料的为应变速率敏感指数，室温下，一般金属材料的m 很小，在很小，在 0.010.04 范围；如温度较高，晶
12、粒又很细时，范围；如温度较高，晶粒又很细时，m 值就可较高）值就可较高）要使金属有超塑性，要使金属有超塑性，m至少在至少在0.3以上，一般在以上，一般在0.5左右。左右。m值大时，表示应力对值大时，表示应力对应变速率敏感应变速率敏感显示超塑性的原因：显示超塑性的原因：材料在一定变形温度、材料在一定变形温度、应变和应变速率下的屈应变和应变速率下的屈服极限称为其流变应力服极限称为其流变应力 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 2022-2-812 当试样发生颈缩，当试样发生颈缩，颈缩颈缩处的应变速率较均匀变形的截面处要高约两个数量级，所以一处的应变速率较均匀
13、变形的截面处要高约两个数量级，所以一旦在某处发生颈缩，由于应变速率的升高，那里的流变应力就急剧升高，这也是加工硬旦在某处发生颈缩，由于应变速率的升高，那里的流变应力就急剧升高，这也是加工硬化的一种方式，即抑制了颈缩的发展，变形就传播到试样的其他部位，这样试样就一直化的一种方式，即抑制了颈缩的发展，变形就传播到试样的其他部位，这样试样就一直均匀变形下去直至断裂。均匀变形下去直至断裂。 超塑性变形的本质超塑性变形的本质由晶界的滑移与晶粒的转动所致。没有由晶界的滑移与晶粒的转动所致。没有晶粒的伸长变形晶粒的伸长变形，细晶粒和高温是实现这一变形的必要条件细晶粒和高温是实现这一变形的必要条件对超塑性变形
14、金属组织观察证明：对超塑性变形金属组织观察证明：虽然断裂时的延伸率很大，但晶粒并没有拉长，还是细小的等轴晶，但由于高温和应变虽然断裂时的延伸率很大，但晶粒并没有拉长，还是细小的等轴晶，但由于高温和应变速率很低的情况下，晶粒稍有长大；速率很低的情况下，晶粒稍有长大；晶粒内既无位错胞也无亚晶，位错密度也无明显变化；晶粒内既无位错胞也无亚晶，位错密度也无明显变化；在预先表面抛光的试样上作一划痕，超塑性变形后，看到晶界附近有位移并有晶粒转动在预先表面抛光的试样上作一划痕，超塑性变形后，看到晶界附近有位移并有晶粒转动的现象。的现象。 很多金属材料在一定条件下都可以显示超塑性，那些材料本身很难热变形，零件
15、的形很多金属材料在一定条件下都可以显示超塑性，那些材料本身很难热变形，零件的形状很复杂，且有重要用途，可通过超塑性成形获得。状很复杂，且有重要用途，可通过超塑性成形获得。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 超塑性变形的机制倾向认为是晶界滑动和晶粒回转为主，伴有原子的扩散倾向认为是晶界滑动和晶粒回转为主，伴有原子的扩散。微晶超塑变形机制微晶超塑变形机制p晶粒转换机制的二晶粒转换机制的二维表示维表示p伴随定向扩散的晶伴随定向扩散的晶界滑动机制（虚线箭界滑动机制（虚线箭头代表体扩散方向）头代表体扩散方向） 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形
16、与断裂材料的变形与断裂 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 十三、陶瓷材料的变形十三、陶瓷材料的变形p陶瓷材料具有强度高、重量轻、耐高温、耐磨损、耐腐蚀陶瓷材料具有强度高、重量轻、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等一系列优点，作为结构材料，特别是高温结构材料极具潜等一系列优点，作为结构材料，特别是高温结构材料极具潜力；但塑、韧性差限制了应用。力；但塑、韧性差限制了应用。p陶瓷晶体一般由陶瓷晶体一般由共价键共价键和和离子键离子键结合，晶体结构复杂，结合，晶体结构复杂，在室温静拉伸时，除少数几在室温静拉伸时，除少数几个具有简单晶体结构的晶体个具有简单晶体结构的晶体如如
17、KClKCl，MgOMgO外，外，一般陶瓷在一般陶瓷在室温下没有塑性室温下没有塑性。即弹性变。即弹性变形阶段结束后，立即发生脆形阶段结束后，立即发生脆性断裂。性断裂。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 p陶瓷晶体的塑性变形特点陶瓷晶体的塑性变形特点弹性模量比金属高出几倍。弹性模量比金属高出几倍。原子键合特点决定。原子键合特点决定。共价键共价键晶体的键具有方向性，使晶体具有较高晶体的键具有方向性，使晶体具有较高的抗晶格畸变和阻碍位错运动的能力，使共价键的抗晶格畸变和阻碍位错运动的能力，使共价键陶瓷具有比金属高得多的硬度和弹性模量。陶瓷具有比金属高得多的硬
18、度和弹性模量。离子键离子键晶体的键方向性不明显，但滑移不仅要晶体的键方向性不明显，但滑移不仅要受到密排面和密排方向的限制，而且要受到静电受到密排面和密排方向的限制，而且要受到静电作用力的限制，因此实际可移动滑移系较少，弹作用力的限制，因此实际可移动滑移系较少，弹性模量也较高。性模量也较高。与其相的种类、分布及气孔率与其相的种类、分布及气孔率有关，而金属材有关，而金属材料的弹性模量是一个组织不敏感参数。料的弹性模量是一个组织不敏感参数。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 实际强度实际强度和和理论断裂强度理论断裂强度相差相差1-31-3个个数量级数量级。原
19、因是原因是工艺缺陷工艺缺陷导致的导致的微裂纹尖端的应微裂纹尖端的应力集中力集中，裂纹尖端之最大应力可达到理，裂纹尖端之最大应力可达到理论断裂强度或理论屈服强度。论断裂强度或理论屈服强度。因陶瓷晶体中因陶瓷晶体中可动位错少可动位错少，位错运动又，位错运动又困难，所以一旦困难，所以一旦达到屈服强度就断裂达到屈服强度就断裂。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 陶瓷的压缩强度高于抗拉强度约一个数量级陶瓷的压缩强度高于抗拉强度约一个数量级，而金属，而金属的抗拉强度和压缩强度一般相等。的抗拉强度和压缩强度一般相等。这是由于陶瓷中总是存在这是由于陶瓷中总是存在微裂纹
20、微裂纹，拉伸时当裂纹一达，拉伸时当裂纹一达到临界尺寸就失稳扩展立即断裂，而压缩时裂纹或者到临界尺寸就失稳扩展立即断裂，而压缩时裂纹或者闭合或者呈稳态缓慢扩展，使压缩强度提高。闭合或者呈稳态缓慢扩展，使压缩强度提高。AlAl2 2O O3 3断裂强度（断裂强度（a a）拉伸断裂应力）拉伸断裂应力280MPa280MPa，（，（b b）压缩断裂应力）压缩断裂应力2100MPa2100MPa 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断裂 高温下具有一定塑性金属材料相比，高温下具有良好的抗蠕变性能。 材料科学基础材料科学基础 第第8 8章章 材料的变形与断裂材料的变形与断
21、裂 本章总结本章总结2、滑移机制（位错宽度的图示表达、派、滑移机制（位错宽度的图示表达、派-纳力、单晶体的变形方式）纳力、单晶体的变形方式）3、滑移系的问题（金属常见三种晶型的滑移系多少）、滑移系的问题（金属常见三种晶型的滑移系多少）4、施密特定律（包含计算，看例题）、单滑移、交滑移、多滑移、施密特定律（包含计算，看例题）、单滑移、交滑移、多滑移5、合金的变形与强化、合金的变形与强化7、金属的热变形、蠕变与超塑性概念、金属的热变形、蠕变与超塑性概念1、应力、应力-应变曲线各线段含义；低碳钢的屈服曲线应变曲线各线段含义；低碳钢的屈服曲线6、冷变形金属的回复、再结晶及二次再结晶的概念及条件、冷变形金属的回复、再结晶及二次再结晶的概念及条件8、陶瓷材料变形基本特点、陶瓷材料变形基本特点
