第五章材料的形变和再结晶2

1、5.2 5.2 晶体的塑性变形晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 合金的塑性变形合金的塑性变形 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 5.2.1 5.2.1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 常 温 或 低 温 下 ， 单 晶 体常 温 或 低 温 下 ， 单 晶 体 塑 性 变 形塑 性 变 形（plastic deformationplastic deformation）方式：方式： 1. 1. 滑移（滑移（slipslip） 2. 2. 孪生（孪生（twiningtwining） 3. 3. 扭折（扭折（linkli

2、nk）1.1.滑滑 移移 (1) (1) 滑移线和滑移带滑移线和滑移带 滑移线（滑移线（slip lineslip line）： 滑移线实际上是在晶体表面产生的小台滑移线实际上是在晶体表面产生的小台阶。阶。 滑移带（滑移带（slip bandslip band）是由一系列相互平是由一系列相互平行的更细的线组成的。行的更细的线组成的。 铜中的滑移带铜中的滑移带 500500滑移线和滑移带示意图滑移线和滑移带示意图（2 2）滑移系）滑移系 滑移是沿着特定的晶面滑移是沿着特定的晶面( (称为称为滑移面滑移面 slip plane)slip plane)和晶向和晶向( (称为称为滑移方向滑移方向 sl

3、ip direction)slip direction)上运动。一个滑移面和其上运动。一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个上的一个滑移方向组成一个滑移系（滑移系（slip systemslip system）。滑移。滑移系表示晶体在进行滑移时可能采取的空间取向。系表示晶体在进行滑移时可能采取的空间取向。 滑移系主要与晶体结构有关。晶体结构不同，滑移系不同；滑移系主要与晶体结构有关。晶体结构不同，滑移系不同；晶体中滑移系越多，滑移越容易进行，塑性越好。晶体中滑移系越多，滑移越容易进行，塑性越好。 结论结论: : 滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列的滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列

4、的最密排面和最密排晶向。最密排面和最密排晶向。 如如fccfcc： 111111 bcc bcc： 110110、112112和和123123 hcphcp： 00010001 每一种晶格类型的金属都有特定的滑移系，且滑每一种晶格类型的金属都有特定的滑移系，且滑移系数量不同。如：移系数量不同。如：fccfcc中有中有1212个个, bcc, bcc中有中有4848个，个， hcphcp中中有有3 3个。个。三种常见金属晶体结构的滑移系三种常见金属晶体结构的滑移系（3 3）滑移的临界分切应力（）滑移的临界分切应力（k k） 滑移的滑移的临界分切应力（临界分切应力（critical resolve

5、d shear critical resolved shear stressstress）: : 计算方法计算方法: : k k = =scoscosscoscos 式中式中coscoscoscos为取向因子（为取向因子（orientation orientation factorfactor），该值越大，），该值越大，kk越大，越有利于滑移。越大，越有利于滑移。当滑移面法线方向、当滑移面法线方向、滑移方向与外力轴三者共处一滑移方向与外力轴三者共处一个平面，则个平面，则=45=45时时，coscoscoscos=1/2=1/2，此取向最，此取向最有利于滑移，即以最小的拉应力就能达到滑移所需有利

6、于滑移，即以最小的拉应力就能达到滑移所需的分切应力，称此的分切应力，称此取向为软取向取向为软取向。当外力与滑移面当外力与滑移面平行或垂直时平行或垂直时（=90=90或或=0=0），则），则ss，晶，晶体无法滑移，体无法滑移，称此取向为硬取向称此取向为硬取向。 取向因子取向因子coscoscoscos对对ss的影响在只有一组滑移的影响在只有一组滑移面的密排六方结构中尤为明显。面的密排六方结构中尤为明显。 计算分切应力的分析图计算分切应力的分析图k =F/A =Fcos/A =Fcos/(A0/cos) =F/A0.(coscos)k = scoscos滑移面滑移面A=A0/cos一些金属的滑移系

7、和临界分切应力一些金属的滑移系和临界分切应力（4 4）滑移时晶体的转动）滑移时晶体的转动 随着滑移的进行，晶体的取向发生改变的现象随着滑移的进行，晶体的取向发生改变的现象称为晶体的转动称为晶体的转动。对于密排六方结构结构，这种。对于密排六方结构结构，这种现象尤为明显。现象尤为明显。拉伸时，滑移面和滑移方向逐渐拉伸时，滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴线方向。趋于平行于拉伸轴线方向。压缩时，滑移面逐渐压缩时，滑移面逐渐趋于与压力轴线方向垂直趋于与压力轴线方向垂直(P174(P174力偶力偶, ,使晶体旋转使晶体旋转) )。 滑移时不仅滑移面发生转动，而滑移方向也逐滑移时不仅滑移面发生转动，而滑

8、移方向也逐渐改变，滑移面上的分切应力也随之改变。渐改变，滑移面上的分切应力也随之改变。=45=45时分切应力最大。经滑移转动后，若时分切应力最大。经滑移转动后，若角趋近于角趋近于4545，则分切应力逐渐增大，滑移越来越容易，称，则分切应力逐渐增大，滑移越来越容易，称为为几何软化（几何软化（geometrical softeninggeometrical softening）；若；若角角远离远离4545，则滑移越来越困难，称为，则滑移越来越困难，称为几何硬化几何硬化（geometrical hardeninggeometrical hardening）。（5 5）多系滑移）多系滑移 多系滑移（多

9、系滑移（multislip/polyslipmultislip/polyslip）最有利的滑移开始最有利的滑移开始系系晶面转动晶面转动另一滑移系临界分切应力另一滑移系临界分切应力.同时或交替同时或交替. 例如例如fccfcc中滑移系：中滑移系：111 111 ，4 4个个111111面构成一面构成一个八面体，当拉力轴为个八面体，当拉力轴为001001时，由图中可以看出：时，由图中可以看出： 对对所有的所有的111111面，角都是相同的，为面，角都是相同的，为54.754.7。 角对角对T01T01、101101、011011、0T10T1也是相同的，为也是相同的，为4545。 锥体底面上锥体底

10、面上的两个的两个方向与方向与001001垂直垂直, ,则则8 8面体上有面体上有4 42=82=8个取向个取向因子相同的滑移系，当因子相同的滑移系，当=kk时可同时开动。但这些滑移时可同时开动。但这些滑移系由不同的滑移面和滑移方向构成，滑移时发生交互作用，系由不同的滑移面和滑移方向构成，滑移时发生交互作用，产生交割和反应。产生交割和反应。 交滑移（交滑移（cross-slipcross-slip）： 交滑移的实质：两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方交滑移的实质：两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移向同时或交替滑移. . bccbcc结构中最易发生交滑移。结构中最易发生交滑移。

11、（6 6）滑移中的位错机制）滑移中的位错机制 滑移是借助于位错在滑移面上运动来逐步进滑移是借助于位错在滑移面上运动来逐步进行的；晶体的滑移必在一定外力作用下才能发行的；晶体的滑移必在一定外力作用下才能发生，说明位错运动要克服生，说明位错运动要克服阻力阻力，该阻力来自点，该阻力来自点阵阻力，称为派阵阻力，称为派- -纳力纳力(P(PN N力力) )，其大小为：，其大小为： P PN N = 2Gexp = 2Gexp（2W/b2W/b）/ /（1 1） P PN N与与W W呈指数关系，呈指数关系，d d增大，增大，w=d /w=d /（1 1） 增大，增大，b b减小，则减小，则P PN N下

12、降，滑移阻力下降，滑移阻力小小, , 滑移容易进行。滑移容易进行。 刃位错的滑移示意图刃位错的滑移示意图刃位错的滑移模型刃位错的滑移模型螺位错的滑移模型螺位错的滑移模型2. 2. 孪孪 生生 (1) (1) 孪生变形过程孪生变形过程 孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面沿一定晶面( (孪晶面孪晶面) )和一定方向和一定方向( (孪生方向孪生方向) )相对于另一部分作均匀的切变（相对于另一部分作均匀的切变（协同位移协同位移）所产生的变形。所产生的变形。但是不同的层原子移动的但是不同的层原子移动的距离也不同。距离也不同。 变形与未变形的两部分晶构成

13、镜面对称变形与未变形的两部分晶构成镜面对称, ,合合称为称为孪晶（孪晶（twintwin）。 均匀切变区与未切变区的分界面成为均匀切变区与未切变区的分界面成为孪晶界孪晶界。 孪晶面（孪晶面（twining planetwining plane）：）： 孪晶方向（孪晶方向（twining directiontwining direction）： FCCFCC晶体孪生变形晶体孪生变形 FCCFCC晶体的孪生面是晶体的孪生面是（111111），孪生方向是，孪生方向是11-2 11-2 。图图2 2是是FCCFCC晶体孪生示意图。晶体孪生示意图。fccfcc中孪生时每层晶面中孪生时每层晶面的位移是借助

14、于一个不全位错（的位移是借助于一个不全位错（b=a/611-2b=a/611-2）的）的移动造成的，各层晶面的位移量与其距孪晶面的移动造成的，各层晶面的位移量与其距孪晶面的距离成正比。孪晶在显微镜下观察呈带状或透镜距离成正比。孪晶在显微镜下观察呈带状或透镜状。每层状。每层（111111）面的原子都相对于邻层面的原子都相对于邻层（111111）晶面在晶面在11-2 11-2 方向移动了此晶向原子间距的一个方向移动了此晶向原子间距的一个分数值。分数值。 下下图图2 2中带浅咖啡色的部分为原子移动后形成的孪中带浅咖啡色的部分为原子移动后形成的孪晶。可以看出，晶。可以看出，孪晶与未变形的基体间以孪晶面

15、孪晶与未变形的基体间以孪晶面为对称面成镜面对称关系为对称面成镜面对称关系。如把孪晶以孪晶面上。如把孪晶以孪晶面上的的11-2 11-2 为轴旋转为轴旋转180180度，孪晶将与基体重合。度，孪晶将与基体重合。其他晶体结构也存在孪生关系，但各有其孪晶面其他晶体结构也存在孪生关系，但各有其孪晶面和孪晶方向。和孪晶方向。fccfcc晶体孪生变形示意图晶体孪生变形示意图1 1fccfcc晶体孪生变形示意图晶体孪生变形示意图2 2变形孪晶变形孪晶 100100(2) (2) 孪生的特点孪生的特点 孪生变形是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑孪生变形是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑移受阻的应力集中

16、区。因此孪生的移受阻的应力集中区。因此孪生的kk比滑移大得多。比滑移大得多。hcphcp中常以孪生方式变形，中常以孪生方式变形，bccbcc中在冲击或低温也可能借助于孪中在冲击或低温也可能借助于孪生变形，生变形，fccfcc中一般不发生孪生变形。中一般不发生孪生变形。 孪生是一种均匀切变。而滑移是不均匀的。孪生是一种均匀切变。而滑移是不均匀的。 孪生的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。而滑移孪生的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。而滑移后晶体各部分的位向并未改变。后晶体各部分的位向并未改变。 孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。但孪生能改变孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。但孪生能改变晶体取向，

17、使滑移转到有利位置。晶体取向，使滑移转到有利位置。 由于孪生变形后，局部切变可达较大数量，所以在变由于孪生变形后，局部切变可达较大数量，所以在变形试样的抛光面上可以看到浮凸，经重新抛光后，表面浮形试样的抛光面上可以看到浮凸，经重新抛光后，表面浮凸可以去掉，但因已变形区和未变形区的晶体位向不同，凸可以去掉，但因已变形区和未变形区的晶体位向不同，所以在偏光下或侵蚀后仍能看到孪晶。而滑移变形后的试所以在偏光下或侵蚀后仍能看到孪晶。而滑移变形后的试样经抛光后滑移带消失。样经抛光后滑移带消失。 (3) (3) 孪晶的类型及形成孪晶的类型及形成 按孪晶（按孪晶（twintwin）形成原因可将孪晶分为：）形

18、成原因可将孪晶分为：变形孪晶变形孪晶（deformation twinningdeformation twinning）、生长孪晶、退火孪晶）、生长孪晶、退火孪晶 变形孪晶变形孪晶( (机械孪晶机械孪晶) )：机械变形产生的孪晶。：机械变形产生的孪晶。 特征：透镜状或片状。其形成通过形核和长大两个阶段特征：透镜状或片状。其形成通过形核和长大两个阶段生产。形核是在晶体变形时以极快速度爆发出薄片孪晶；生产。形核是在晶体变形时以极快速度爆发出薄片孪晶；生长是通过孪晶界的扩展使孪晶增宽。生长是通过孪晶界的扩展使孪晶增宽。 孪生变形在孪生变形在曲线上表现为锯齿状变化。孪生变形曲线上表现为锯齿状变化。孪生

19、变形与晶体结构类型有关。与晶体结构类型有关。hcphcp中易发生，中易发生，fccfcc一般不易发生，一般不易发生，但在极低温度下才会产生。但在极低温度下才会产生。 生长孪晶：晶体自气态，液态，或固体中长大时形成生长孪晶：晶体自气态，液态，或固体中长大时形成的孪晶。的孪晶。 退火孪晶：形变金属在其再结晶过程中形成的孪晶。退火孪晶：形变金属在其再结晶过程中形成的孪晶。(4) (4) 孪晶的位错机制孪晶的位错机制 孪生变形（孪生变形（deformation twinningdeformation twinning）是）是整个孪晶区发生均匀切变，其各层面的整个孪晶区发生均匀切变，其各层面的相对位移是

20、借助于一个相对位移是借助于一个ShockleyShockley不完全不完全位错移动而造成的。位错移动而造成的。 形变孪晶是通过位错增值的极轴机制形形变孪晶是通过位错增值的极轴机制形成的。成的。( (如：如：L L型扫动位错型扫动位错) )3. 3. 扭扭 折折 扭折（扭折（linklink）： 扭折与孪生不同的是它使扭折区晶体的扭折与孪生不同的是它使扭折区晶体的取向发生了不对称性的变化取向发生了不对称性的变化。扭折区上。扭折区上下界面是由符号相反的两列刃型位错所下界面是由符号相反的两列刃型位错所构成，而每一弯曲区是由同号位错堆积构成，而每一弯曲区是由同号位错堆积而成，取向是逐渐弯曲过渡的。扭折

21、还而成，取向是逐渐弯曲过渡的。扭折还伴随形变孪晶。伴随形变孪晶。4.4.位错塞积位错塞积 在切应力的作用下，在切应力的作用下，F FR R位错源所产生的大量位错源所产生的大量位错沿滑移面的运动过程中，如果遇到障碍物位错沿滑移面的运动过程中，如果遇到障碍物（固定位错、杂质粒子、晶界）的阻碍，领先（固定位错、杂质粒子、晶界）的阻碍，领先的位错在障碍前被阻止，后续的位错被堵塞起的位错在障碍前被阻止，后续的位错被堵塞起来。形成位错的平面塞积群，称为来。形成位错的平面塞积群，称为位错塞积位错塞积。 位错塞积群的位错数位错塞积群的位错数n n与障碍物至位错源的距与障碍物至位错源的距离离L L呈正比。塞积群

22、在障碍处产生高度应力集呈正比。塞积群在障碍处产生高度应力集中，其值中，其值为：为：= n= n0 0 式中式中0 0为滑移方向的分切应力值。为滑移方向的分切应力值。L L越大，越大，n n越多，越多，越大。越大。 5.2.2 5.2.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 1. 1. 晶粒取向的影响晶粒取向的影响 表现在各晶粒变形过程中具有相互制约和表现在各晶粒变形过程中具有相互制约和协调性。在多晶体中，外力作用下处于有利位协调性。在多晶体中，外力作用下处于有利位向的晶粒首先滑动向的晶粒首先滑动 位错开动，增殖位错开动，增殖 晶晶界上位错塞积界上位错塞积 应力集中（应力集中（kk），其它），其它

23、滑动，各晶粒间变形而得到相互协调与配合。滑动，各晶粒间变形而得到相互协调与配合。理论分析指出，理论分析指出，多晶体多晶体塑性变形塑性变形（pclycrystallinepclycrystalline crystal crystal）时要求每个晶时要求每个晶粒至少能在粒至少能在5 5个独立的滑移系进行滑移。能否个独立的滑移系进行滑移。能否满足该要求与晶体的结构类型有关。满足该要求与晶体的结构类型有关。 多晶体中晶粒取向多晶体中晶粒取向2. 2. 晶界的影响晶界的影响 晶界对晶粒变形具有阻碍作用。拉伸试样变形后晶界对晶粒变形具有阻碍作用。拉伸试样变形后在晶界处呈竹节状，每个晶粒中的滑移带均终止于晶

24、在晶界处呈竹节状，每个晶粒中的滑移带均终止于晶界附近，晶界附近位错塞积，塞积数目界附近，晶界附近位错塞积，塞积数目n n为：为： n = k0l / n = k0l / GbGb 位错塞积，密度增高，材料强度提高。因此，晶粒位错塞积，密度增高，材料强度提高。因此，晶粒越细，晶界越多，材料强度越高（称为越细，晶界越多，材料强度越高（称为细晶强化，细晶强化，grain size grain size strenthingstrenthing），其），其ss与与d d关系如下：关系如下： ss = = 0 0kdkd-1/2-1/2 Hall HallPetchPetch equation equa

25、tion 上式具有广泛的适用性（上式具有广泛的适用性（ss亚晶亚晶d d、ssSoSo（片）（片）。细小而均匀的晶粒使材料具有较高的强）。细小而均匀的晶粒使材料具有较高的强度和硬度，同时具有良好的塑性和韧性，即具有良好度和硬度，同时具有良好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能。的综合力学性能。 经拉伸后晶界处呈竹节状经拉伸后晶界处呈竹节状晶界对硬度的影响晶界对硬度的影响低碳钢的低碳钢的ss与晶粒直径的关系与晶粒直径的关系14晶粒细化的应用晶粒细化的应用Hall-Petch公式 s=0+KD-1/2 D1 D2 D3 1 2 3这个简单原理指导材料的发展CuCu和和AlAl的的ss与亚晶尺寸的

26、关系与亚晶尺寸的关系锌的单晶和多晶的拉伸曲线锌的单晶和多晶的拉伸曲线由上图锌的拉伸曲线可以看出：由上图锌的拉伸曲线可以看出： 比较比较：同一材料：同一材料多晶体多晶体的的强度高强度高，但，但塑性较低塑性较低。单晶塑。单晶塑性高。性高。 原因原因：多晶中各个晶粒的取向不同。在外力作用下，某：多晶中各个晶粒的取向不同。在外力作用下，某些晶粒的滑移面处于有利的位向，受到大于些晶粒的滑移面处于有利的位向，受到大于c的切应力，的切应力，位错开始滑移。当相邻晶粒处于不利位向，不能开动滑移位错开始滑移。当相邻晶粒处于不利位向，不能开动滑移系时，则变形晶粒中的系时，则变形晶粒中的位错不能越过晶粒晶界位错不能越

27、过晶粒晶界，而是塞积，而是塞积在晶界附近。所以这个晶粒的变形便受到约束，整个多晶在晶界附近。所以这个晶粒的变形便受到约束，整个多晶的变形困难得多。的变形困难得多。 结果结果：只有：只有加大外力加大外力，才能使那些滑移面位向不利的晶，才能使那些滑移面位向不利的晶粒逐渐加入滑移，结果多晶试样强度上升，塑性下降。粒逐渐加入滑移，结果多晶试样强度上升，塑性下降。 下图是多晶铜拉伸后，各个晶粒滑移带的光学显微镜照下图是多晶铜拉伸后，各个晶粒滑移带的光学显微镜照片片( (采自采自C.Brady,美国国家标准局美国国家标准局) )。铜是。铜是FCC晶体，滑移晶体，滑移系是系是111/，有，有12种组合种组合

28、。由图看出，每个晶粒。由图看出，每个晶粒有两个以上的滑移面产生了滑移。由于晶粒取向不同，滑有两个以上的滑移面产生了滑移。由于晶粒取向不同，滑移带的方向不同。移带的方向不同。 铜多晶试样拉伸后形成的滑移带铜多晶试样拉伸后形成的滑移带, 173, 173多晶体的塑性变形特点多晶体的塑性变形特点1.多方式多方式 除了滑移、孪生，还有晶界的滑动和迁移，及点缺陷的定向扩散。除了滑移、孪生，还有晶界的滑动和迁移，及点缺陷的定向扩散。低温时以滑移、孪生为主，外加应力超过屈服极限；高温以晶界滑动和迁低温时以滑移、孪生为主，外加应力超过屈服极限；高温以晶界滑动和迁移为主，外加应力低于该温度下的屈服极限；另在高的

29、温度下，间隙原子移为主，外加应力低于该温度下的屈服极限；另在高的温度下，间隙原子和空位等点缺陷迁移率大，在外应力作用下发生定向扩散。和空位等点缺陷迁移率大，在外应力作用下发生定向扩散。2.多滑移多滑移 除了外加应力，还取决于协调变形，理论分析表明：为了维持多晶除了外加应力，还取决于协调变形，理论分析表明：为了维持多晶体的完整性，塑性变形时晶界处不出现裂纹，也不发生原子堆积，要求体的完整性，塑性变形时晶界处不出现裂纹，也不发生原子堆积，要求每个晶粒至少能有每个晶粒至少能有5个独立的滑移系同时开动。个独立的滑移系同时开动。3.不均匀不均匀 晶界的约束，晶粒中心的滑移量大于边缘；晶体转动时，中心的转

30、动晶界的约束，晶粒中心的滑移量大于边缘；晶体转动时，中心的转动角也大于边缘。如桔皮组织：金属冷加工变形后表面凹凸不平。角也大于边缘。如桔皮组织：金属冷加工变形后表面凹凸不平。 由于多滑移和不均匀性，多晶体形变还具有以下特点：主生内应由于多滑移和不均匀性，多晶体形变还具有以下特点：主生内应力；出现加工硬化；形成纤维组织（杂质的第二相的择优分布）和择力；出现加工硬化；形成纤维组织（杂质的第二相的择优分布）和择优取向（织构）。优取向（织构）。5.2.3 5.2.3 合金的塑性变形合金的塑性变形 合金分类：单相固溶体合金合金分类：单相固溶体合金 多相合金多相合金 合金的塑性变形：单相固溶体合金塑性变形

31、合金的塑性变形：单相固溶体合金塑性变形 多相合金塑性变形多相合金塑性变形一一. . 单相固溶体合金塑性变形单相固溶体合金塑性变形 溶质原子的作用主要表现在溶质原子的作用主要表现在固溶强化固溶强化(Solid(Solidsolution solution StrentheningStrenthening) )作用，提高塑性变形抗力。作用，提高塑性变形抗力。 1.1. 固溶强化固溶强化 固溶强化：固溶强化：固溶体合金的固溶体合金的曲线：由于溶质原子加曲线：由于溶质原子加入使入使ss 和整个和整个曲线的水平提高，同时提高了加工曲线的水平提高，同时提高了加工硬化率硬化率n n。 影响固溶强化的因素：影

32、响固溶强化的因素： 溶质原子类型及浓度。溶质原子类型及浓度。 溶质原子与基体金属的原子尺寸差。相差大时强化溶质原子与基体金属的原子尺寸差。相差大时强化作用大。作用大。 间隙型溶质原子比置换型溶原子固溶强化效果好。间隙型溶质原子比置换型溶原子固溶强化效果好。 溶质原子与基体金属价电子数差。价电子数差越大，溶质原子与基体金属价电子数差。价电子数差越大，强化作用大。强化作用大。 固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用、化固溶强化的实质是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。学交互作用和静电交互作用。Cu-NiCu-Ni固溶体的力学性能与成分的关系固溶体的力学性能与成分的关系

33、2.2.屈服现象与应变时效屈服现象与应变时效 图图5.315.31工程工程曲线曲线 上屈服点：上屈服点： 下屈服点：下屈服点： 吕德斯带：吕德斯带： 屈服过程：屈服过程： （1 1）柯氏（）柯氏（CottrellCottrell）气团及）气团及柯氏气团理论柯氏气团理论：柯氏：柯氏气团钉扎位错。材料塑性变形时应变速度与晶体中可动气团钉扎位错。材料塑性变形时应变速度与晶体中可动位错的密度、位错运动的平均速度及位错的柏氏矢量成位错的密度、位错运动的平均速度及位错的柏氏矢量成正比。关系式为正比。关系式为5.315.31、5.325.32式（式（P171P171） （2 2）位错增殖理论）位错增殖理论:

34、 : 应变时效应变时效: : 屈服现象给工程生产带来的问题，深冲低碳钢板使工屈服现象给工程生产带来的问题，深冲低碳钢板使工件表面粗糙不平，要消除此现象：件表面粗糙不平，要消除此现象：(1) (1) 应用应变时效原应用应变时效原理将薄板在冲压前进行一道微量冷轧工序。理将薄板在冲压前进行一道微量冷轧工序。(2) (2) 钢中加钢中加入碳化物形成元素以消除，随后冷压成型。入碳化物形成元素以消除，随后冷压成型。 二二. . 多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形 多相合金的基本相为固溶体。第二相是用多相合金的基本相为固溶体。第二相是用来强化的一种重要方式，它可以通相变热处理来强化的一种重要方式，它可以通

35、相变热处理 沉淀强化（沉淀强化（precipitation strengtheningprecipitation strengthening）、）、时效强化（时效强化（age hardeningage hardening） 或或粉末冶金法粉末冶金法 弥散强化弥散强化 来获得。来获得。 根据第二相粒子的尺寸大小可将合金分为：根据第二相粒子的尺寸大小可将合金分为： (1) (1) 聚合型两相合金聚合型两相合金( (两相尺寸、性能相两相尺寸、性能相近近) ) (2) (2)弥散分布型两相合金弥散分布型两相合金( (两相尺寸、性能两相尺寸、性能相差很大相差很大) )2021-12-1515例例 二二2

36、021-12-1519弥散强化：弥散强化：1.Al合金合金2.Al2O3第二相第二相3.烧结烧结Al4.机械合金化机械合金化MA（Mechanical Alloying)5.Ni合金合金Y2O3 耐耐高温达高温达110 0C1.1.聚合型合金的塑性变形聚合型合金的塑性变形 该类合金具有较好的塑性该类合金具有较好的塑性, ,合金的变形能力取合金的变形能力取决与两相的体积分数。可按照等应力决与两相的体积分数。可按照等应力( (变变) )理论理论来计算合金在一定应变条件下的平均流度应力来计算合金在一定应变条件下的平均流度应力和在一定条件下的平均应变，则由混合律计算和在一定条件下的平均应变，则由混合律

37、计算得：得：P172P172式式? ?。而实际上这类合金滑移首先发。而实际上这类合金滑移首先发生在较软的相中。生在较软的相中。 如果聚合型合金两相中一个为塑性相，一个如果聚合型合金两相中一个为塑性相，一个为硬脆相，则合金在塑性变形过程所表现的性为硬脆相，则合金在塑性变形过程所表现的性能与第二相的相对含量有关，还与第二相的形能与第二相的相对含量有关，还与第二相的形状、大小、分布有关。状、大小、分布有关。 讨论：讨论： (1) (1) 若硬脆相呈连续分布在塑性相若硬脆相呈连续分布在塑性相( (基体基体) )晶界上，则经少量变形后会发生沿晶脆断。脆性晶界上，则经少量变形后会发生沿晶脆断。脆性相越多，

38、网状越连续，塑性越差。如过共析钢中相越多，网状越连续，塑性越差。如过共析钢中二次二次Fe3CFe3C呈网状分布于铁素体晶界上。呈网状分布于铁素体晶界上。 (2) (2) 若硬脆相呈层片状分布在基体相中，若硬脆相呈层片状分布在基体相中，由于变形主要集中在基体相中，且位错移动被限由于变形主要集中在基体相中，且位错移动被限制在很短距离内，增加了继续变形的阻力，使其制在很短距离内，增加了继续变形的阻力，使其强度提高。如钢中的片状强度提高。如钢中的片状P P由片状由片状和片状和片状FeFe3 3C C相相间组成。间组成。 (3) (3) 若硬脆相呈粒状分布于基体中，因基若硬脆相呈粒状分布于基体中，因基体

39、相连续，第二相对基体变形的阻碍作用大大减体相连续，第二相对基体变形的阻碍作用大大减弱，具有强度和塑性的配合。如：粒状弱，具有强度和塑性的配合。如：粒状P P中中FeFe3 3C C呈呈颗粒分布，钢具有良好的综合力学性能。颗粒分布，钢具有良好的综合力学性能。2.2.弥散分布型合金的塑性变形弥散分布型合金的塑性变形 该合金中第二相粒子是通过对位错运动该合金中第二相粒子是通过对位错运动的阻碍作用而表现出来的。第二相粒子的阻碍作用而表现出来的。第二相粒子通常分为两类：通常分为两类： （1 1）不可变形粒子）不可变形粒子 （2 2）可变形粒子）可变形粒子 （1 1）不可变形粒子的强化作用）不可变形粒子的

40、强化作用 含有不可变形粒子的合金中位错运动与粒子相遇时采用绕含有不可变形粒子的合金中位错运动与粒子相遇时采用绕过机制，过机制，如图如图5.345.34，结果在粒子周围留下位错环，而其余，结果在粒子周围留下位错环，而其余部分则越过粒子继续运动。部分则越过粒子继续运动。 位错线弯曲绕过第二相粒子所需要的切应力为：位错线弯曲绕过第二相粒子所需要的切应力为： = = Gb/Gb/ 第二相粒子间距第二相粒子间距 = 2R= 2R 这是一临界值，只有外加切应力大于上述临界值时，位错这是一临界值，只有外加切应力大于上述临界值时，位错线才能绕过去。因此，线才能绕过去。因此， 1/ 1/，粒子越多，粒子越多,

41、, 越小，越小，大大. .强化效果愈明显。减小粒子尺寸或提高粒子的体积分数强化效果愈明显。减小粒子尺寸或提高粒子的体积分数都可以合金强度提高。理论计算都可以合金强度提高。理论计算小到小到20205050个原子间距个原子间距时，强化效果最佳。时，强化效果最佳。 例如：烧结铝例如：烧结铝 利用粉末冶金方法再加上冷挤压加工利用粉末冶金方法再加上冷挤压加工得到在得到在AlAl基体上分布着基体上分布着Al2O3Al2O3粒子的合金。具有很高的强度粒子的合金。具有很高的强度和优良的耐热性。和优良的耐热性。 2021-12-1518Orowan机制 (2) (2) 可变形微粒的强化作用可变形微粒的强化作用

42、可变形粒子的合金中位错运动与粒子相遇时切过机可变形粒子的合金中位错运动与粒子相遇时切过机制，即第二相粒子在位错切过粒子时随同基体一起变形。制，即第二相粒子在位错切过粒子时随同基体一起变形。其强化作用取决于粒子本身的性质及粒子与基体的联系。其强化作用取决于粒子本身的性质及粒子与基体的联系。可变形粒子的主要作用有以下几方面：可变形粒子的主要作用有以下几方面： 1 1 位错切过粒子位错切过粒子时时, ,粒子产生宽度为粒子产生宽度为b b的台阶，出现的台阶，出现了新的表面积，界面能升高。了新的表面积，界面能升高。 2 2 当粒子为有序结构时，位错切过粒子会产生反相当粒子为有序结构时，位错切过粒子会产生

43、反相畴界，使能量升高。畴界，使能量升高。 3 3 位错切过粒子时，引起滑移面上原子错排，需要位错切过粒子时，引起滑移面上原子错排，需要做功，给位错运动带来困难。做功，给位错运动带来困难。 4 4 粒子周围产生弹性应力场与位错发生交互作用，粒子周围产生弹性应力场与位错发生交互作用，阻碍位错运动。阻碍位错运动。 5 5 位错切过后产生一割阶，阻碍位错运动。位错切过后产生一割阶，阻碍位错运动。 6 6 若扩展位错通过后，其宽度发生变化，引起能量若扩展位错通过后，其宽度发生变化，引起能量升高。升高。 以上这些作用使合金的强度提高。以上这些作用使合金的强度提高。 2021-12-1517位错行为位错行为

44、 Dislocation BehaviorDislocation Behavior5.2.4 5.2.4 塑性变形对材料组织和塑性变形对材料组织和性能的影响性能的影响 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响 主主要表现在以下方面：要表现在以下方面： 显微组织变化显微组织变化，包括晶粒形状的变化，包括晶粒形状的变化 、亚结构的变化、形变织构亚结构的变化、形变织构 性能的变化性能的变化 ，包括加工硬化、力学性能、，包括加工硬化、力学性能、物理性能、化学性能物理性能、化学性能 （一）显微组织变化（一）显微组织变化 经 塑 性 变 形 后 材 料 的经 塑 性 变 形 后 材 料

45、 的 显 微 组 织显 微 组 织（microstructuremicrostructure）变化（图变化（图5.365.36）如下：）如下： 1. 1. 晶粒形状的变化晶粒形状的变化 （1 1）出现了大量的滑移带和孪晶带。）出现了大量的滑移带和孪晶带。 （2 2）晶粒形状发生了变化。随变形度增大，）晶粒形状发生了变化。随变形度增大，等轴状晶粒等轴状晶粒扁平晶粒扁平晶粒纤维组织（纤维组织（fiber fiber microstructuremicrostructure）。纤维组织分布方向是材料。纤维组织分布方向是材料流变伸展方向。流变伸展方向。 （3 3）当金属中组织不均匀，如有枝晶偏析或）当

46、金属中组织不均匀，如有枝晶偏析或夹杂物时，塑性变形使这些区域伸长，这在后夹杂物时，塑性变形使这些区域伸长，这在后序的热加工或热处理过程中会出现序的热加工或热处理过程中会出现带状组织带状组织（band microstructureband microstructure）。 低碳钢塑性变形后纤维组织低碳钢塑性变形后纤维组织a)30%a)30%压缩压缩 b) 50%b) 50%压缩压缩 2. 2. 亚结构（亚结构（subsubgraingrain）的变化）的变化 （1 1）随变形度增大，位错密度迅速增）随变形度增大，位错密度迅速增大。大。 （2 2） 位错组态和分布等亚结构发生变位错组态和分布等亚结构发生变化：变形度增大，位错密度增大化：变形度增大，位错密度增大 位位错呈纷乱不均匀分布错呈纷乱不均匀分布 位错缠结位错缠结 位错胞位错胞( (称为胞状亚结构称为胞状亚结构) ) 细长状变细长状变行胞。胞状亚结构的形成不仅与变形度行胞。胞状亚结构的形成不仅与变形度有关，而且还取决于材料类型。层错能有关，而且还取决于材料类型。层错能高易出现胞状结构；层错能低，易形成高易出现胞状结构；层错能低，易形成较为均匀而复杂的位错网。较为均匀而复杂的位错网。 低碳钢形变低碳钢形变( (胞状胞状) )亚结构亚结构 3. 3. 形变织构形变织构 (1)(1)形变织构（形变织构（defor