《晶界强化机制》PPT课件.ppt

1,第四章 晶界强化机制 哈工大（威海）材料学院 吴 欣,2,第四章 晶界强化机制,本章主要内容 建立晶界强化的模型 物理模型揭示晶界的作用 数学模型流变应力与晶粒大小的关系 本章学习思路 晶界的结构晶界的特点晶界对变形的影响,3,4.1 晶界及其特点,一.晶界的分类及其结构 1. 小角度晶界 1 u-产生晶界的旋转轴的矢量 n-晶界的法向矢量 1)倾侧晶界,4,4.1 晶界及其特点,对称倾侧晶界,5,4.1 晶界及其特点,对称倾侧晶界,6,4.1 晶界及其特点,非对称倾侧晶界,7,4.1 晶界及其特点,一.晶界的分类及其结构 1. 小角度晶界 1 2）扭转晶界,8,4.1 晶界及其特点,扭转晶界的形成,9,4.1 晶界及其特点,一.晶界的分类及其结构 2. 大角度晶界 ：30-40 相符点阵模型：大角晶界由厚度为2层原子的过渡区构成，其中存在对排区与错排区。,10,4.1 晶界及其特点,相符点阵模型的特点 晶界力求和相符点阵的密排面重合。或力求大部分重合，并在相符点阵的密排面之间出现台阶或坎。台阶可作位错源 相符点阵匹配不完全时，在晶界上引入相符点阵位错，其柏氏矢量小于晶格位错，称次位错。 大角晶界是相符点阵的小角晶界。可将大角晶界看成相符点阵的密排面同时附加相符点阵的小角晶界。故大角晶界是位错堆积的场所。,11,4.1 晶界及其特点,12,4.1 晶界及其特点,其他的大角晶界模型： O点阵模型 葛庭燧无序原子模型 Mott的小岛模型 旋错模型,13,4.1 晶界及其特点,二.晶界的特点 晶界是位错运动的障碍. 无论大角晶界或小角晶界，都是位错运动的有效障碍 原因如下：. 晶界具有短程应力场 位错切过小角晶界形成台阶，可能成为晶界位错 运动位错与晶界位错发生反应形成不动位错 运动位错进入大角晶界时发生分解形成几个晶界位错,14,4.1 晶界及其特点,二.晶界的特点 晶界是位错源. 晶界向晶内发射位错的机制有两种： （1）如果晶界中的“坎”或台阶是晶界位错时，会在外力下分解，产生一个晶格位错进入晶内 如在FCC晶体中 全位错110/2将进入晶内 位错源的特点：较大的应力下开动 晶界位错形成一个晶格位错,15,4.1 晶界及其特点,（2）如果晶界中的“坎”或台阶不 是晶界位错时，也可以发射位错 当一个可沿晶界滑动的晶界位错 运动到“坎”处时会发生分解 FCC中 全位错110/2将进入晶内 。 位错源的条件：不能自动进行，必须有较大应力 温度较低，不能攀移,16,.2 晶界强化的物理模型,一.晶界的直接强化作用（对小角晶界） 是晶界本身对晶内滑移的阻碍 1.位错与晶界应力场的弹性交互作用 晶界具有短程应力场，阻碍晶格滑移位错进入或通过晶界 2.位错切过晶界 3.位错与晶界位错发生反应生成不可动位错,17,.2 晶界强化的物理模型,二.晶界的间接强化作用（双晶变形模型） 是晶界的存在引起的潜在强化效应，主要包括两方面 晶界的次滑移强化 基本概念：在塑性变形过程中，晶界的存在会导致在晶界附近产生附加滑移，使晶体附近的位错密度增高，产生加工硬化。 可用双晶体模型解释产生附加滑移的原因,18,.2 晶界强化的物理模型,微观上看，附加滑移是由两相邻晶体变形不协调而产生，包括弹性变形（切应变/正应变两方面）和塑性变形的不协调、不匹配 1）弹性切应变不匹配,19,.2 晶界强化的物理模型,2）弹性正应变不匹配 无论正应变或切应变的不匹配，都会在两个晶体中产生附加应力。应力的大小与各自的切变模量与杨氏模量有关。,20,.2 晶界强化的物理模型,附加应力的定量计算结果 晶界附近的附加应力数值随距界面距离的增加而迅速降低。 晶界附近的附加应力会超过外加应力。单纯的外应力虽不足是晶体发生塑变，但叠加上附加应力后足以发生。,21,.2 晶界强化的物理模型,2）塑性变形不匹配 由于晶粒取向不同，A晶粒变形后位错堆积在晶界处，产生严重的应力集中。其与外应力的叠加不仅开动了B中的主滑移系，也开动了其他的附加滑移系。 于是晶界附近产生多滑移。晶界由此硬化。,22,.2 晶界强化的物理模型,二.晶界的间接强化作用（双晶变形模型） 晶粒间取向差引起的强化 由于上述的晶粒间变形不同时性，运动位错会在晶界处受阻。 后会在应力集中与外应力的叠加作用下开动相邻晶粒的多个滑移系，表现出多滑移的硬化效果。,1-4纯铝多晶的拉伸曲线 5-7 单晶拉伸曲线,23,.3 位错塞积,一、位错塞积群的特性和种类 1.位错塞积群的种类 1)单一位错塞积群,24,.3 位错塞积,2)双重位错塞积群,25,.3 位错塞积,2.位错塞积群的特性 1）相当于一个超位错 其柏氏矢量为Nb，位于领先位错处 2）双重塞积群可看作两个超位错，柏氏矢量各为Nb，且刃型同号位错数目： 3）单一塞积群中超位错所含刃型位错的数目,26,.3 位错塞积,二、位错塞积群引起的应力集中 单一塞积群中作用在领先位错上的力为 双重塞积群则为： 即领先位错的受力是单个位错受力的N倍 常忽略双重塞积群中领先位错受力的微小差异，统一表示为： 相应地作用在障碍上的应力为,27,.3 位错塞积,三、位错塞积群前端的应力场 如图的位错塞积，位错位置用1，2，3，.n标记，原点取在领先位错处 由于位错塞积的应力集中，在障碍前方r处P点的切应力应为外加切应力与塞积群切应力的和,28,.3 位错塞积,1.若 ，则 2.若 ，可将塞积群看作超位错，P点的应力场为 3.若 ，则 如考虑晶格阻力,29,作业,已知条件： Fe-3%Si双晶体，压缩应变0.0001，经取向测定，俩晶体中的主滑移系取向一致。 试验现象：在压缩变形过程中观察到有两种滑移迹线生成： 先在晶界附近形成细条短小的滑移线（与压缩轴成大约80角），且只在晶界附近形成，m=0.182，这种滑移线不直； 后来出现比较发达的滑移迹线，与压缩轴成45角，m=0.45，这种滑移线穿过晶界。 问题：这两种滑移线各是由什么滑移造成的？ 为什么m=0.182的滑移系先开动？ 引起附加应力的原因是什么？ 为什么第一种滑移线不直且只在晶界附近？,30,4.4 晶界强化的数学表达,晶界强化的数学表达式为Hall-Petch公式 常见形式 更一般地有 不仅晶界强化如此，亚晶强化或相界强化都有这样的关系,31,4.4 晶界强化的数学表达,1.位错塞积模型 已知：直径为d的晶粒，位错塞积群长度 d/2，在距离塞积群顶端r处的另一个晶粒内有一个位错源，rd/2 求：晶界对塑性变形的最大阻力是多少？,32,4.4 晶界强化的数学表达,解：晶界前方的塞积位错应力场为： 位错源开动时，应有,33,4.4 晶界强化的数学表达,2.晶界区硬化模型 将晶粒看作边长为a的正方形，晶界边缘的硬化区宽度为b/2，则软化区为a=d-b 设硬化区的强度为硬，软化区为软 求晶粒的实际强度。,34,4.4 晶界强化的数学表达,35,4.4 晶界强化的数学表达,36,4.5 细晶强化的特点,一.细晶强化对材料塑韧性的影响 细晶强化增加了组织的均匀性，缩短了位错塞积群长度，降低应力集中，故明显提高局部延伸率。 通常细晶强化对均匀延伸率无明显提高，但提