1、第五章第五章 材料的形变和再结晶材料的形变和再结晶5、材料的形变和再结晶、材料的形变和再结晶 5.1弹性和黏弹性 5.2晶体的塑性变形 5.3回复和再结晶 5.4热变形和动态回复、再结晶 5.5陶瓷材料的变形特点 5.6高聚物的变形特点5(1)材料的塑性变形 外力材料弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形材料不同，弹，塑性变形性质区别很大材料不同，弹，塑性变形性质区别很大塑性变形对锻，轧，拉，挤有重要作用，塑性变形对锻，轧，拉，挤有重要作用，而在热处理、铸造中应尽量避免而在热处理、铸造中应尽量避免塑性变形外形尺寸外形尺寸内部组织性能的变化内部组织性能的变化应力、应变应力、应变1.应力：应力是反映物体
2、一点处受力程度的力学量。=P/A=P/A0 0 P P为载荷为载荷 A A0 0原始试样的截面积原始试样的截面积 2.应变：又称“相对变形”。物体由于外因使它的几何形状和尺寸发生相对改变的物理量。=（L LLoLo）/Lo/Lo L L、LoLo变形后和变形前试样的长度变形后和变形前试样的长度 工程上应用的构件满足的要求工程上应用的构件满足的要求 1、强度要求：强度要求是指构件应有足够抵抗破坏的能力。2、刚度要求：刚度要求是指构件应有足够的抵抗变形的能力。3、稳定性要求：稳定性要求就是指构件应有足够保持原有平衡形态的能力。一、概述材料在静载下的力学行为一、概述材料在静载下的力学行为金属的应力金
3、属的应力应变曲线应变曲线 金属在外力作用下一般经金属在外力作用下一般经历三个阶段。历三个阶段。弹性变形弹性变形(elastic deformation)(elastic deformation)、弹塑性变形弹塑性变形(plasticdeformation(plasticdeformation)断裂断裂（fracturefracture）图中图中e e（弹性极限），（弹性极限），s s（屈服强度），（屈服强度），b b（抗拉强度）抗拉强度）是工程上具有重要意义的强度指标。是工程上具有重要意义的强度指标。5.1弹性和黏弹性弹性和黏弹性 5.1.1弹性变形的本质 5.1.2弹性变形的特征和弹性模量
4、5.1.3弹性的不完整性 5.1.4黏弹性5.1弹性和黏弹性弹性和黏弹性 从材料力学中得知，材料受力时总是先发生弹性变形，即弹性变形是塑性变形的先行阶段，而且在塑性变形中还伴随着一定的弹性变形。5.1.1弹性变形的本质弹性变形的本质本质：可以从原子之本质：可以从原子之间的结合力来解释间的结合力来解释r=r0原子处于平衡位原子处于平衡位置，位能置，位能U=Umin F=0最稳定最稳定rr0即偏离平衡位置即偏离平衡位置 F0吸引力吸引力F0排斥力排斥力力图使原子回到平衡力图使原子回到平衡位置变形消失位置变形消失5.1.2弹性变形的特征和弹性模量弹性变形的特征和弹性模量(1)理想的弹性变形是可逆变形
5、，加载时变理想的弹性变形是可逆变形，加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状。形，卸载时变形消失并恢复原状。(2)金属、陶瓷和部分高分子材料不论是加金属、陶瓷和部分高分子材料不论是加载或卸载时，只要在弹性变形范围内，服载或卸载时，只要在弹性变形范围内，服从虎克从虎克(Hooke)定律定律:(3)弹性变形量随材料的不同而异。弹性变形量随材料的不同而异。G切应力作用下：正应力作用下：E弹性模量弹性模量(E)(E)(1)(1)弹性模量弹性模量：E E代表着使原子离开平衡位代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。强弱的物理量。(2)E
6、(2)E是组织不敏感参数。是组织不敏感参数。(3)(3)对晶体而言，对晶体而言，E E是各向异性的。在单是各向异性的。在单晶体中，沿原子密排面晶体中，沿原子密排面E E最高，沿原子排列最高，沿原子排列最疏的晶向最疏的晶向E E最低。多晶体中，最低。多晶体中，E E各向同性。各向同性。(4)(4)工程上，工程上，E E是材料刚度的度量。是材料刚度的度量。在外力相同的情况下，材料的在外力相同的情况下，材料的E愈大，刚度愈大，材愈大，刚度愈大，材料发生的弹性变形量就愈小，如钢的料发生的弹性变形量就愈小，如钢的E为铝的为铝的3倍，因此钢倍，因此钢的弹性变形只是铝的的弹性变形只是铝的1/3。压缩模量压缩
7、模量或体弹性模量或体弹性模量K)1(30EVPVKG切应力作用下：正应力作用下：E)1(2EG为材料泊松比，为材料泊松比，表示侧向收缩能表示侧向收缩能力。一般金属材力。一般金属材料的泊松比在料的泊松比在0.25 0.350.25 0.35之之间，高分子材料间，高分子材料则相对较大些。则相对较大些。5.1.3弹性的不完整性弹性的不完整性 上面讨论的弹性变形，通常把物体看作上面讨论的弹性变形，通常把物体看作理想弹性体来处理。但是，多数工程上应理想弹性体来处理。但是，多数工程上应用的材料为多晶体甚至为非晶态或者是两用的材料为多晶体甚至为非晶态或者是两者皆有的物质，其内部存在各种类型的缺者皆有的物质，
8、其内部存在各种类型的缺陷，弹性变形时，可能出现加载线与卸载陷，弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发展跟不上应力的变化线不重合、应变的发展跟不上应力的变化等有别于理想弹性变形特点的现象，称之等有别于理想弹性变形特点的现象，称之为为弹性的不完整性弹性的不完整性。弹性的不完整性 弹性的不完整性包括：弹性的不完整性包括：a.包申格效应包申格效应 b.弹性后效弹性后效 c.弹性滞后弹性滞后 d.循环韧性循环韧性1.包申格效应包申格效应 包申格效应：包申格效应：材料经预先加载产生少量塑材料经预先加载产生少量塑性变形性变形(小于小于4%)，而后同向加载则，而后同向加载则e升高，升高，反向加载则
9、反向加载则e下降。此现象称之为下降。此现象称之为包申格效包申格效应。应。2.弹性后效弹性后效 弹性后效或滞弹性：弹性后效或滞弹性：一些实际晶体，在加一些实际晶体，在加载或卸载时，应变不是瞬时达到其平衡值，载或卸载时，应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一种弛豫过程来完成其变化的。而是通过一种弛豫过程来完成其变化的。这种在弹性极限范围内，应变滞后于外加这种在弹性极限范围内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象称为弹性后效应力，并和时间有关的现象称为弹性后效或滞弹性。或滞弹性。Oa为弹性应变，为弹性应变，a b逐渐产生的弹逐渐产生的弹性应变，称为滞弹性应变，称为滞弹性应变性应变;bc=Oa，瞬间消
10、失，瞬间消失的弹性应变的弹性应变;cd=a b滞弹性应滞弹性应变。变。弹性后效示意图 弹性后效速率与材料成分、组织有关，也与试验条件有关。弹性后效速率与材料成分、组织有关，也与试验条件有关。组织愈不均匀、温度升高、切应力愈大，弹性后效愈明显。组织愈不均匀、温度升高、切应力愈大，弹性后效愈明显。3.弹性滞后 由于应变落后于应力，在式中由于应变落后于应力，在式中曲线上使加载曲线上使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称之弹性线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称之弹性滞后，如图滞后，如图5.4所示。所示。5.1.4 5.1.4 黏弹性黏弹性 粘性流动：是指非晶态固体和液体在很粘性流动：是指非晶态固
11、体和液体在很小外力作用下便会发生没有确定形状的小外力作用下便会发生没有确定形状的流变，并且在外力去除后，形变不能回流变，并且在外力去除后，形变不能回复。复。变形形式除了弹性变形、塑性变形外还变形形式除了弹性变形、塑性变形外还有一种粘性流动。有一种粘性流动。存黏性流动满足牛顿粘性流动定律：=d/dt 为应力，d/dt为应变速率;称为黏度系数，反映了流体的内摩擦力，即流体流动的难易程度，其单位为Pas黏黏弹性两种模型弹性两种模型1 1、MaxwellMaxwell模型模型对解释应力松弛非常有用对解释应力松弛非常有用2 2、VoigtVoigt模型模型可用来描述蠕变回复、弹性后效、可用来描述蠕变回复
12、、弹性后效、弹性记忆弹性记忆 1.黏弹性具有弹性和黏性变形两方面黏弹性具有弹性和黏性变形两方面的特征，它是高分子材料的重要力学的特征，它是高分子材料的重要力学性能之一。其特点是应变落后于应力。性能之一。其特点是应变落后于应力。当加上周期应力时，应力一应变曲线当加上周期应力时，应力一应变曲线就构成回线，所包含的面积即为应力就构成回线，所包含的面积即为应力循环一周所损耗的能量，即内耗。循环一周所损耗的能量，即内耗。5.2晶体的塑性变形晶体的塑性变形应力超过弹性极限，材料发生塑性应力超过弹性极限，材料发生塑性变形，即产生不可逆的永久变形变形，即产生不可逆的永久变形。5.2.1单晶体的塑性变形 常温、
13、低温下塑性变形的主要方式：滑移、常温、低温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折。孪生、扭折。高温形变主要方式：扩散性变形、晶界滑高温形变主要方式：扩散性变形、晶界滑动和移动等。动和移动等。1 1、滑移、滑移a.a.滑移线和滑移带滑移线和滑移带b.b.滑移系滑移系 塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为这些晶面和晶向分别称为“滑移面滑移面”和和“滑移方滑移方向向”。滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。密的晶面和晶向。包括滑移面、滑移方向包括滑移面、滑移方向原因：原
14、因：密排面间距最大，点阵阻力最小密排面间距最大，点阵阻力最小;密排方向上的原子间距最短，即位错密排方向上的原子间距最短，即位错b b最小。最小。滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方 向合起来叫做一个滑移系。向合起来叫做一个滑移系。在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，滑移过程可能采取的空间取向便愈多，滑移容易滑移过程可能采取的空间取向便愈多，滑移容易进行，它的塑性便愈好。进行，它的塑性便愈好。例：例：fccfcc滑移系滑移系 滑移方向滑移方向，滑移面一般为，滑移面一般为111111面心立方结面心立方结构共有四个不同的
15、构共有四个不同的111111晶面，每个滑移面上晶面，每个滑移面上有三个有三个晶向，故共有晶向，故共有4 43=123=12个滑移系。个滑移系。体心立方体心立方:6:6个面个面2 2个方向个方向+112121+123241112121+123241=48=48面心立方面心立方:4:4个面个面3 3个方向个方向1212密排六方密排六方:1:1个面个面3 3个方向个方向3 3滑移系越多材料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明显！滑移系越多材料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明显！C.C.滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力 晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但
16、其中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑称系方可以首先发生滑移，该分切应力称为该滑称系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的滑移的临界分切应力。临界分切应力。分切应力分切应力临界分切应力临界分切应力滑移开始的条件滑移开始的条件 c c s scoscos coscos 1.1.c c取决于金属的本性，取决于金属的本性，不受不受，的影响；的影响；2.2.，4545 时，时，s s最小，最易滑移；最小，最易滑移；3.3.或或 9090 时，时，s s ；4.4.取
17、向因子：取向因子：coscos coscos 硬取向：值小硬取向：值小 软取向：值大。软取向：值大。图图5.9镁晶体拉伸的屈服应力与镁晶体拉伸的屈服应力与晶体取向的关系晶体取向的关系 滑移的临界分切应力是一个真实反映单晶体滑移的临界分切应力是一个真实反映单晶体受力起始屈服的物理量。其数值与晶体的类型、受力起始屈服的物理量。其数值与晶体的类型、纯度，以及温度等因素有关，还与该晶体的加工纯度，以及温度等因素有关，还与该晶体的加工和处理状态、变形速度，以及滑移系类型等因素和处理状态、变形速度，以及滑移系类型等因素有关有关。d.滑移时晶面的转动滑移时晶面的转动 单晶体滑移时，除滑移面发生单晶体滑移时，
18、除滑移面发生相对位移相对位移外，外，往往伴随着往往伴随着晶面的转动晶面的转动，对于只有一组滑移面的，对于只有一组滑移面的hcphcp，这种现象尤为明显。，这种现象尤为明显。晶体受压变形时也要发生晶面转动，但转动晶体受压变形时也要发生晶面转动，但转动的结果是使滑移面逐渐趋于与压力轴线相垂直的结果是使滑移面逐渐趋于与压力轴线相垂直e.多系滑移 多系滑移对于具有多组滑移系的晶体，滑移首先在多系滑移对于具有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利的滑移系取向最有利的滑移系(其分切应力最大其分切应力最大)中进行，但中进行，但由于变形时晶面转动的结果，另一组滑移面上的分由于变形时晶面转动的结果，另一组滑移面
19、上的分切应力也可能逐渐增加到足以发生滑移的临界值以切应力也可能逐渐增加到足以发生滑移的临界值以上，于是晶体的滑移就可能在两组或更多的滑移面上，于是晶体的滑移就可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地进行，从而产生多系滑移。对上同时进行或交替地进行，从而产生多系滑移。对于具有较多滑移系的晶体而言，除多系滑移外，还于具有较多滑移系的晶体而言，除多系滑移外，还常可发现交滑移现象。常可发现交滑移现象。在多系滑移的情况下，会因不同滑移系的位错相互在多系滑移的情况下，会因不同滑移系的位错相互交截而给位错的继续运动带来困难，这也是一种重交截而给位错的继续运动带来困难，这也是一种重要的强化机制。要的强化机制
20、。实际测得晶体滑移的临界分切应力值较理论计算实际测得晶体滑移的临界分切应力值较理论计算值低值低3-43-4个数量级，表明晶体滑移并是借助位错个数量级，表明晶体滑移并是借助位错在滑移面上运动来逐步地进行的在滑移面上运动来逐步地进行的.通常，当移动到晶体外表面时，晶体沿其滑移面通常，当移动到晶体外表面时，晶体沿其滑移面产生了位移量为一个产生了位移量为一个b b的滑移，而大量的的滑移，而大量的(n(n个个)位位错沿着同一滑移面移到晶体表面就形成了显微观错沿着同一滑移面移到晶体表面就形成了显微观察到的滑移带察到的滑移带.f.滑移的位错机制滑移的位错机制f.f.滑移的位错机制滑移的位错机制位错运动的阻力
21、首先来自点阵阻力。位错运动的阻力首先来自点阵阻力。它相当于简单立方晶体中使一刃型位错运动所需的它相当于简单立方晶体中使一刃型位错运动所需的临界分切应力。临界分切应力。d d为面间距为面间距;b;b为原子间距为原子间距;为泊松为泊松比比;而而W=d/1-W=d/1-代表位错的宽度。代表位错的宽度。派派纳力纳力2.2.孪生孪生a.孪生变形过程孪生变形过程孪生：在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶面孪生：在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶面（孪晶面）和一定的晶相（孪生方向）相对于另一（孪晶面）和一定的晶相（孪生方向）相对于另一部分做均匀的切变并形成晶体取向的镜面对称关系部分做均匀的切变并形成晶
22、体取向的镜面对称关系.b.b.孪生的特点：孪生的特点：(1)(1)孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多。孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多。孪生变形通常出现于滑移受阻而引起的应力集中孪生变形通常出现于滑移受阻而引起的应力集中区。区。(2)(2)孪生是一种均匀切变。孪生是一种均匀切变。(3)(3)孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。孪生变形与滑移变形的特点对比孪生变形与滑移变形的特点对比 滑移滑移孪生孪生相同点相同点1 1 切变；切变；2 2 沿一定晶面、晶向进行；沿一定晶面、晶向进行；3 3 不改变结构不改变结构不不同同点点 晶体位向晶体位向不改变
23、不改变改变，形成镜面对称关系改变，形成镜面对称关系位移量位移量滑移方向上原子间距滑移方向上原子间距的整数倍，较大。的整数倍，较大。小于孪生方向上的原子间小于孪生方向上的原子间距，较小。距，较小。对塑变贡献对塑变贡献很大，总变形量大。很大，总变形量大。有限，总变形量小。有限，总变形量小。变形应力变形应力较小的临界分切应力较小的临界分切应力临界分切应力远高于滑移临界分切应力远高于滑移变形条件变形条件一般先发生滑移一般先发生滑移滑移困难时发生滑移困难时发生变形机制变形机制全位错运动的结果全位错运动的结果不全位错运动的结果不全位错运动的结果C.C.孪晶的形成：孪晶的形成：三种主要方式三种主要方式:变形
24、孪晶变形孪晶:通过机械变形而产生的孪晶，也称为通过机械变形而产生的孪晶，也称为“机械孪晶机械孪晶”，它的特征通常呈透镜状或片状，它的特征通常呈透镜状或片状;生长孪晶生长孪晶:它包括晶体自气态它包括晶体自气态(如气相沉积如气相沉积)、液态、液态(液相凝固液相凝固)或固体中长大时形成的孪晶或固体中长大时形成的孪晶;退火孪晶退火孪晶:是变形金属在其再结晶退火过程中形成是变形金属在其再结晶退火过程中形成的孪晶，它往往以相互平行的孪晶面为界横贯整个的孪晶，它往往以相互平行的孪晶面为界横贯整个晶粒。晶粒。MgMg晶体晶体孪生孪生 c c 4.9-34.3 MPa4.9-34.3 MPa滑移滑移 c c 0
25、.49 MPa0.49 MPaZnZn单晶中单晶中形核形核1010-1-1 G G长大长大1010-4-4 G G变形孪晶变形孪晶形核形核长大长大需较大临界切应力需较大临界切应力需较小临界切应力需较小临界切应力密排六方金属密排六方金属(Cd,Zn,Mg(Cd,Zn,Mg等等)容易出现孪生变形容易出现孪生变形;体心立方金属，当形变温度较低、形变速度极快或体心立方金属，当形变温度较低、形变速度极快或由于其他原因的限制使滑移过程难以进行时，也会由于其他原因的限制使滑移过程难以进行时，也会通过孪生的方式进行塑性变形。孪生面为通过孪生的方式进行塑性变形。孪生面为l12l12，孪，孪生方向为生方向为;面心
26、立方金属易于滑移，所以孪生很难发生，常见面心立方金属易于滑移，所以孪生很难发生，常见的是退火孪晶，只有在极低温度的是退火孪晶，只有在极低温度(4-(4-78K)78K)下才会产生下才会产生孪生。孪生面为孪生。孪生面为111111，孪生方向为，孪生方向为。d.孪生的位错机制孪生的位错机制 孪生变形时，整个孪晶各层晶面的相对位移是借助孪生变形时，整个孪晶各层晶面的相对位移是借助一个肖克利不全位错运动而造成的。一个肖克利不全位错运动而造成的。孪晶可通过位错增值的极轴机制形成孪晶可通过位错增值的极轴机制形成OA,OBOA,OB属于固定位错属于固定位错,OCOC为扫动位错为扫动位错若若OCOC为一个不全
27、位错，为一个不全位错，那么，扫动面是螺旋面。那么，扫动面是螺旋面。扫动位错每旋转一周，扫动位错每旋转一周，晶体便产生一个单原子晶体便产生一个单原子层的孪晶，同时层的孪晶，同时OCOC也攀也攀移一个原子间距而上升移一个原子间距而上升到相邻的晶面上。到相邻的晶面上。扫动位错如此不断的扫动，就使位错线扫动位错如此不断的扫动，就使位错线OCOC和结点和结点O O不断地上不断地上升也就相当于每个面都有一个不全位错在扫动，于是会在晶升也就相当于每个面都有一个不全位错在扫动，于是会在晶体中一个相当宽的区域内造成均匀切变，即在晶体中形成变体中一个相当宽的区域内造成均匀切变，即在晶体中形成变形孪晶形孪晶3.扭折
28、 对于既不能进行滑移也不能进对于既不能进行滑移也不能进行孪生的地方，晶体将通过其行孪生的地方，晶体将通过其他方式如扭折进行塑性变形。他方式如扭折进行塑性变形。滑移面上的分切应力为零，晶滑移面上的分切应力为零，晶体不能作滑移变形体不能作滑移变形;若此时孪生若此时孪生过程阻力也很大，如继续增大过程阻力也很大，如继续增大压力，则为了使晶体的形状与压力，则为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某一外力相适应，当外力超过某一临界值时晶体将会产生局部弯临界值时晶体将会产生局部弯曲，这种变形方式称为扭折，曲，这种变形方式称为扭折，变形区域则称为扭折带。变形区域则称为扭折带。扭折带还会伴随着形成孪晶而出现。
29、在晶体作孪扭折带还会伴随着形成孪晶而出现。在晶体作孪生变形时，由于孪晶区域的切变位移，迫使与之接生变形时，由于孪晶区域的切变位移，迫使与之接壤的周围晶体产生甚大的应变，为了消除这种影响壤的周围晶体产生甚大的应变，为了消除这种影响来适应其约束条件，在接壤区往往形成扭折带以实来适应其约束条件，在接壤区往往形成扭折带以实现过渡。现过渡。5.2.25.2.2多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 多晶体的变形既需多晶体的变形既需克服晶界的阻碍克服晶界的阻碍，又要求各，又要求各晶粒的变形晶粒的变形相互协调与配合相互协调与配合，故多晶体的塑性，故多晶体的塑性变形较为复杂。变形较为复杂。a.晶粒取向的影响晶粒取向
30、的影响 晶粒取向对塑性变形的影响表现在各晶粒变形过程晶粒取向对塑性变形的影响表现在各晶粒变形过程中的中的相互制约和协调性。相互制约和协调性。由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。力提高。一个
31、多晶体要求具备有一个多晶体要求具备有5 5个独立的滑移系来满足各个独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协调才能滑移晶粒变形时相互协调才能滑移任意变形均可用六个任意变形均可用六个xxxxyyyyzzzzxyxy yzyzyzyz分量分量来表示，但塑性变形时只有来表示，但塑性变形时只有5 5个独立的应变分量。个独立的应变分量。每个独立的应变分量由一个独立的滑移系来产生。每个独立的应变分量由一个独立的滑移系来产生。fcc,bccfcc,bcc滑移系多滑移系多塑性好塑性好;hcp hcp滑移系少滑移系少塑性差塑性差2.2.晶界的作用晶界的作用（1 1）晶界的特点：）晶界的特点：原子排列不规则；点阵畸变严
32、重。晶界原子排列不规则；点阵畸变严重。晶界两侧晶粒取向不同，滑移面和滑移方向不一致。两侧晶粒取向不同，滑移面和滑移方向不一致。（2 2）晶界对变形的影响）晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界滑移、孪生多终止于晶界,极少穿极少穿过。因此，对多晶体而言，外加应力必须大至足以激发过。因此，对多晶体而言，外加应力必须大至足以激发大量晶粒中的位错源动作，产生滑移，才能觉察到宏观大量晶粒中的位错源动作，产生滑移，才能觉察到宏观的塑性变形。的塑性变形。在变形过程中位错难以通过晶界被堵塞在晶界附近，在变形过程中位错难以通过晶界被堵塞在晶界附近，这种在晶界附近产生的位错塞积群会对晶内的位错这种在晶界附近产生
33、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源产生一反作用力。此反作用力随位错塞积的数目n n而增大而增大：当当n n增加到某一值时，增加到某一值时，位错源停止开动，位错源停止开动，晶体显著强化。晶体显著强化。晶粒的大小晶粒的大小晶界数量晶界数量晶体的强度晶体的强度霍尔霍尔-佩奇公式佩奇公式 s s=0 0+kd+kd-1/2-1/2 一般在室温使用一般在室温使用的结构材料都希望获的结构材料都希望获得细小而均匀的晶粒。得细小而均匀的晶粒。因为细晶粒不仅使材因为细晶粒不仅使材料具有较高的强度、料具有较高的强度、硬度，而且也使它具硬度，而且也使它具有良好的塑性和韧性，有良
34、好的塑性和韧性，即具有良好的综合力即具有良好的综合力学性能。学性能。晶界晶界=晶内晶内高温时：高温时：晶界强度降低。晶界强度降低。对变形的阻力减弱对变形的阻力减弱晶界会发生相对滑动晶界会发生相对滑动导致扩散蠕变导致扩散蠕变5.2.3 5.2.3 合金的塑性变形合金的塑性变形1.1.单相固溶体合金的塑性变形单相固溶体合金的塑性变形 溶质原子对合金塑性变形的影响主要表现在溶质原子对合金塑性变形的影响主要表现在固固溶强化溶强化作用，提高了塑性变形的阻力，此外，有作用，提高了塑性变形的阻力，此外，有些固溶体会出现明显的些固溶体会出现明显的屈服点屈服点和和应变时效现象应变时效现象.a.a.固溶强化固溶强
35、化 随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称韧性下降，称固溶强化固溶强化。b.屈服现象与应变时效屈服现象与应变时效c.c.应变时效应变时效 当退火状态低碳钢拉伸到超当退火状态低碳钢拉伸到超过屈服点发生少量塑性变形过屈服点发生少量塑性变形后卸载，然后立即重新加载后卸载，然后立即重新加载拉伸，则可见其拉伸曲线不拉伸，则可见其拉伸曲线不再出现屈服点，此时试样不再出现屈服点，此时试样不发生屈服现象。发生屈服现象。如果不采取上述方案，而是如果不采取上述方案，而是将预变形试样在常温下放置将预变形试样在常温下放置几天或经几天或经200200短时
36、加热后短时加热后再行拉伸，则屈服现象又复再行拉伸，则屈服现象又复出现，且屈服应力进一步提出现，且屈服应力进一步提高，此现象通常称为高，此现象通常称为应变时应变时效。效。2.2.多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形 多相合金与单相固溶体合金的不同之处是除基体相外，尚多相合金与单相固溶体合金的不同之处是除基体相外，尚有其他相存在。由于第二相的数量、尺寸、形状和分布不有其他相存在。由于第二相的数量、尺寸、形状和分布不同，它与基体相的结合状况不一、以及第二相的形变特征同，它与基体相的结合状况不一、以及第二相的形变特征与基体相的差异，使得多相合金的塑性变形更加复杂。与基体相的差异，使得多相合金的塑性变形
37、更加复杂。根据第二相粒子的尺寸大小可将合金分成两大类这两类合根据第二相粒子的尺寸大小可将合金分成两大类这两类合金的塑性变形情况和强化规律有所不同金的塑性变形情况和强化规律有所不同:聚合型两相合金：聚合型两相合金：第二相粒子与基体晶粒尺寸属同一数量级第二相粒子与基体晶粒尺寸属同一数量级 弥散分布型合金：弥散分布型合金：第二相粒子细小而弥散分布在基体晶粒中。第二相粒子细小而弥散分布在基体晶粒中。a.a.聚合型合金的塑性变形聚合型合金的塑性变形 当两相晶粒尺寸属同一数量级，且都为塑性相时，则合金的当两相晶粒尺寸属同一数量级，且都为塑性相时，则合金的变形能力取决于两相的体积分数。假设合金变形时两相的应
38、变形能力取决于两相的体积分数。假设合金变形时两相的应变相同和应力相同。合金在一定应变下的平均流变应力变相同和应力相同。合金在一定应变下的平均流变应力和和一定应力下的平均应变一定应力下的平均应变可由混合律表达可由混合律表达:事实上，不论是应力或应变都不可能在两相事实上，不论是应力或应变都不可能在两相之间是均匀的。上述假设及其混合律只能作为第之间是均匀的。上述假设及其混合律只能作为第二相体积分数影响的定性估算。实验证明，二相体积分数影响的定性估算。实验证明，这类这类合金在发生塑性变形时，滑移往往首先发生在较合金在发生塑性变形时，滑移往往首先发生在较软的相中，如果较强相数量较少时，则塑性变形软的相中
39、，如果较强相数量较少时，则塑性变形基本上是在较弱的相中基本上是在较弱的相中;只有当第二相为较强相，只有当第二相为较强相，且体积分数且体积分数大于大于30%30%时，才能起明显的强化作用。时，才能起明显的强化作用。如果聚合型合金为塑性相如果聚合型合金为塑性相+脆性相时，则合金在塑性变形过脆性相时，则合金在塑性变形过程中所表现的性能，不仅取决于第二相的相对数量，而且程中所表现的性能，不仅取决于第二相的相对数量，而且与其形状、大小和分布密切相关。与其形状、大小和分布密切相关。以碳钢中的渗碳体以碳钢中的渗碳体(Fe(Fe3 3C C，硬而脆，硬而脆)在铁素体在铁素体(以以a-Fea-Fe为基的为基的固
40、溶体固溶体)基体中存在的情况为例，表中给出了渗碳体的形态基体中存在的情况为例，表中给出了渗碳体的形态与大小对碳钢力学性能的影响。与大小对碳钢力学性能的影响。b.b.弥散分布型合金的塑性变形弥散分布型合金的塑性变形 当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，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。第二相粒子的强化作用是将会产生显著的强化作用。第二相粒子的强化作用是通过其对位错运动的阻碍作用而表现出来的。通过其对位错运动的阻碍作用而表现出来的。第二相粒子第二相粒子不可变形的不可变形的可变形的可变形的借助粉末冶金方法加入的借助粉末冶金方法加入的通过时效处理从过饱和固
41、溶体中析出通过时效处理从过饱和固溶体中析出(2)(2)可变形微粒的强化作用可变形微粒的强化作用 当第二相粒子为可变形微粒时，位错将切过粒子当第二相粒子为可变形微粒时，位错将切过粒子使之随同基体一起变形。在这种情况下，强化作用主使之随同基体一起变形。在这种情况下，强化作用主要决定于粒子本身的性质，以及与基体的联系，其强要决定于粒子本身的性质，以及与基体的联系，其强化机制甚为复杂，且因合金而异。化机制甚为复杂，且因合金而异。位错切过粒子位错切过粒子新表面积新表面积总界面能总界面能位错切过打乱粒子滑移面上下的有序排列，产生反位错切过打乱粒子滑移面上下的有序排列，产生反相畴界相畴界能量能量因点阵或点阵
42、常数不同，当位错切过粒子时在滑移因点阵或点阵常数不同，当位错切过粒子时在滑移面上引起原子错排，需额外作功，面上引起原子错排，需额外作功，使位错运动困难使位错运动困难由于粒子周围弹性应力场与位错会产生交互作用，由于粒子周围弹性应力场与位错会产生交互作用，对位错运动有阻碍对位错运动有阻碍由于基体与粒子中的滑移面取向不一致，位错切过由于基体与粒子中的滑移面取向不一致，位错切过后会产生割阶，割阶存在会后会产生割阶，割阶存在会阻碍位错线的运动阻碍位错线的运动。由于粒子的层错能与基体不同，当扩展位错通过后，由于粒子的层错能与基体不同，当扩展位错通过后，其宽度会发生变化，其宽度会发生变化，引起能量升高。引起
43、能量升高。上述两种机制不仅可解释多相合金中第二相的上述两种机制不仅可解释多相合金中第二相的强化效应，而且也可解释多相合金的塑性。然而不强化效应，而且也可解释多相合金的塑性。然而不管那种机制均受控于粒子的本性、尺寸和分布等因管那种机制均受控于粒子的本性、尺寸和分布等因素，故合理地控制这些参数，可使沉淀强化型合金素，故合理地控制这些参数，可使沉淀强化型合金和弥散强化型合金的强度和塑性在一定范围内进行和弥散强化型合金的强度和塑性在一定范围内进行调整。调整。5.2.45.2.4塑性变形对材料组织与性能的影响塑性变形对材料组织与性能的影响1.1.显微组织的变化显微组织的变化 当变形量很大时，晶粒变得模糊
44、不清，晶粒已当变形量很大时，晶粒变得模糊不清，晶粒已难以分辨而呈现出一片如纤维状的条纹，称为难以分辨而呈现出一片如纤维状的条纹，称为纤维纤维组织。组织。纤维的分布方向即是材料流变伸展的方向。纤维的分布方向即是材料流变伸展的方向。金属材料金属材料塑性变形塑性变形晶粒内部出现大量滑移带孪晶带晶粒内部出现大量滑移带孪晶带原来的等轴晶沿变形方向伸长原来的等轴晶沿变形方向伸长纤维组织纤维组织0.2um双相钢的纵截面双相钢的纵截面双相钢的横截面双相钢的横截面2.2.亚结构的变化亚结构的变化 晶体的塑性变形是借助位错在应力作用下运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
45、位动和不断增殖。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从原先退火态的10106 6一一l0l07 7cmcm-2-2增至增至10101111一一l0l01212cmcm-2-2。胞状亚结构：胞状亚结构：变形晶粒是由许多变形晶粒是由许多“胞胞”所组成，所组成，各个胞之间有着微小的位向差，高密度缠结位错各个胞之间有着微小的位向差，高密度缠结位错主要集中在胞的周围地带构成主要集中在胞的周围地带构成“胞壁胞壁”，而胞内，而胞内位错密度很低。其随变形量位错密度很低。其随变形量，胞数量，胞数量，尺寸，尺寸。变形材料胞状
46、亚结构的形成不仅与变形材料胞状亚结构的形成不仅与变形程度变形程度有关。有关。而且还取决于而且还取决于材料类型材料类型。层错能较高的金属和合金层错能较高的金属和合金(如铝、铁等如铝、铁等)，扩展位错，扩展位错区较窄，可通过束集而发生交滑移，在变形过程中区较窄，可通过束集而发生交滑移，在变形过程中经位错的增殖和交互作用，容易出现经位错的增殖和交互作用，容易出现胞状结构胞状结构.层错能较低的金属材料层错能较低的金属材料(如不锈钢、如不锈钢、黄铜黄铜)，其扩，其扩展位错区较宽，使交滑移很困难，因此在这类材料展位错区较宽，使交滑移很困难，因此在这类材料中易观察到中易观察到位错塞积群位错塞积群，形变后大量
47、的位错杂乱地，形变后大量的位错杂乱地排列于晶体中，构成较为均匀分布的排列于晶体中，构成较为均匀分布的复杂网络复杂网络，故，故这类材料即使在大量变形时，出现胞状亚结构的倾这类材料即使在大量变形时，出现胞状亚结构的倾向性较小。向性较小。3.3.性能的变化性能的变化 材料在塑性变形过程中，随着内部组织与结材料在塑性变形过程中，随着内部组织与结构的变化，其力学、物理和化学性能均发生明显构的变化，其力学、物理和化学性能均发生明显的改变。的改变。a a 加工硬化加工硬化 （1 1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现
48、象。的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。图图5.405.40是金属单晶体的典型应是金属单晶体的典型应力一应变曲线力一应变曲线(也称加工硬化曲也称加工硬化曲线线)，其塑性变形部分是由三个，其塑性变形部分是由三个阶段所组成阶段所组成:易滑移阶段易滑移阶段：c c后，应力后，应力增加不多，产生相当大变形。增加不多，产生相当大变形。线性硬化阶段线性硬化阶段:随应变增加，应随应变增加，应力线性增加，斜率较大，加工力线性增加，斜率较大，加工硬化显著。硬化显著。抛物线型硬化阶段抛物线型硬化阶段:随应变增加，随应变增加，应力上升缓慢，呈抛物线型应力上升缓慢，呈抛物线型,斜斜率逐渐下降。率逐渐下降。
49、图图5.415.41为三种典型晶为三种典型晶体结构金属单晶体的体结构金属单晶体的硬化曲线，其中硬化曲线，其中fccfcc和和bccbcc晶体显示出典型的晶体显示出典型的三阶段加工硬化情三阶段加工硬化情况况.hcp.hcp金属单晶体的金属单晶体的第第I I阶段通常很长，远阶段通常很长，远远超过其他结构的晶远超过其他结构的晶体，以致于第二阶段体，以致于第二阶段还未充分发展时试样还未充分发展时试样就已经断裂了。就已经断裂了。多晶体的塑性变形由于晶界的阻碍作用和晶粒之多晶体的塑性变形由于晶界的阻碍作用和晶粒之间的协调配合要求，各晶粒不可能以单一滑移系动间的协调配合要求，各晶粒不可能以单一滑移系动作而必
50、然有多组滑移系同时作用，因此作而必然有多组滑移系同时作用，因此多晶体的应多晶体的应力一应变曲线不会出现单晶曲线的第力一应变曲线不会出现单晶曲线的第I I阶段阶段，而且其，而且其硬化曲线通常更陡硬化曲线通常更陡.有关加工硬化表达形式有关加工硬化表达形式-流变应力是位错密流变应力是位错密度的平方根的线性函数，度的平方根的线性函数，=0 0+GbGb -加工硬化时的切应力，加工硬化时的切应力，0-0-无加工硬化时的切无加工硬化时的切应力，应力，-与材料有关，与材料有关，0.3-0.50.3-0.5，-位错密度。位错密度。塑性变形过程中位错密度的增加及其所产生塑性变形过程中位错密度的增加及其所产生的钉
