材料科学基础第8章材料的变形与断裂

1、1第八章第八章 材料变形与回复再结晶材料变形与回复再结晶8.1 8.1 金属变形与断裂概述金属变形与断裂概述8.2 8.2 滑移与孪晶滑移与孪晶8.3 8.3 单晶体塑性变形单晶体塑性变形8.4 8.4 多晶体塑性变形多晶体塑性变形8.5 8.5 纯金属变形强化纯金属变形强化8.6 8.6 合金变形强化合金变形强化8.7 8.7 冷变形金属组织冷变形金属组织8.8 8.8 回复和再结晶回复和再结晶8.9 8.9 金属热变形金属热变形8.10 8.10 陶瓷和高分子材料变形陶瓷和高分子材料变形2第七章材料的变形与断裂第七章材料的变形与断裂第一节金属变形概述第一节金属变形概述第二节金属的弹性变形第

2、二节金属的弹性变形第三节滑移与孪晶变形第三节滑移与孪晶变形第四节单晶体的塑性变形第四节单晶体的塑性变形第五节多晶体的塑性变形第五节多晶体的塑性变形第六节纯金属的变形强化第六节纯金属的变形强化第七节合金的变形与强化第七节合金的变形与强化第八节冷变形金属的组织与性能第八节冷变形金属的组织与性能第九节金属的断裂第九节金属的断裂第十节冷变形金属的回复阶段第十节冷变形金属的回复阶段第十一节冷变形金属的再结晶第十一节冷变形金属的再结晶第十二节金属的热变形、蠕变与超塑性第十二节金属的热变形、蠕变与超塑性第十三节高分子材料第十三节高分子材料( (聚合物聚合物) )的变形的变形3p金属材料、陶瓷材料和玻璃化温度

3、以金属材料、陶瓷材料和玻璃化温度以下的高分子材料属于下的高分子材料属于能弹性能弹性；p弹性回复力弹性回复力是键长和键角的微小改变是键长和键角的微小改变所引起的所引起的焓变焓变所引起的，而所引起的，而熵变熵变所引所引起的弹性回复力可忽略。起的弹性回复力可忽略。p处于高弹态的处于高弹态的橡胶则属于熵弹性橡胶则属于熵弹性。 第一节金属变形概述第一节金属变形概述4p无应力作用时大分子链呈无规线团无应力作用时大分子链呈无规线团状，状，构象数构象数最大，因此最大，因此熵值最大熵值最大。p拉伸时，大分子链的伸展使拉伸时，大分子链的伸展使构象数构象数减少，熵值下降，自由焓增高，有减少，熵值下降，自由焓增高，有

4、自发回复到自由焓低的原始卷曲状自发回复到自由焓低的原始卷曲状的趋势的趋势，这是弹性回复力产生的主，这是弹性回复力产生的主要原因。要原因。5p能弹性能弹性也称普弹性，也称普弹性，能弹性材料能弹性材料弹性弹性模量大，弹性变形量小，其应力模量大，弹性变形量小，其应力- -应变应变关系符合关系符合虎克定律虎克定律。p与能弹性材料不同，具有与能弹性材料不同，具有熵弹性的材熵弹性的材料料的弹性模量小，弹性变形量大。的弹性模量小，弹性变形量大。p例如天然橡胶，其弹性模量仅为一般例如天然橡胶，其弹性模量仅为一般固体材料的万分之一左右，而延伸率固体材料的万分之一左右，而延伸率高达高达5005001000%100

5、0%。6图图8-18-1退火纯铜的拉伸曲线退火纯铜的拉伸曲线7p弹性变形时，应变落后于应力，加载弹性变形时，应变落后于应力，加载曲线与卸载曲线不重合，存在曲线与卸载曲线不重合，存在滞弹性滞弹性和和包申格效应包申格效应等，这些现象称为等，这些现象称为弹性的不弹性的不完整性完整性。 第二节金属的弹性变形第二节金属的弹性变形8( (一一) )滞弹性滞弹性 p在弹性范围内，在弹性范围内，快速快速加载或卸载加载或卸载后，随时间后，随时间的延长的延长产生附加的弹性产生附加的弹性应变应变的现象被称为的现象被称为滞弹滞弹性性，也称为，也称为弹性后效弹性后效。、。、p金属材料拉伸时产生金属材料拉伸时产生的滞弹性

6、。的滞弹性。 图图2-2 2-2 滞弹性示意图滞弹性示意图9突然施加突然施加一低于弹一低于弹性极限的性极限的应力应力 0，立即产生立即产生瞬时应变瞬时应变Oa， Oa为完全弹为完全弹性变形性变形p若应力保持若应力保持 0，随时间延长，还随时间延长，还会逐渐产生应变会逐渐产生应变aH，应变，应变aH显显然与时间有关，然与时间有关，被称为滞弹性变被称为滞弹性变形。形。同样道理，去除应同样道理，去除应力，立即回复的应力，立即回复的应变变eH=Oa为完全为完全弹性变形。弹性变形。应变应变Oe=aH随随时间延长，逐渐时间延长，逐渐消逝，所以消逝，所以Oe也也是滞弹性变形。是滞弹性变形。10图图2-3 2

7、-3 弹性滞后环的类型弹性滞后环的类型a a）单向加载）单向加载 b b）交变加载）交变加载11( (二二) )包申格效应包申格效应p经预先少量塑变，卸载后再经预先少量塑变，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力同向加载，规定残余伸长应力增高；增高；p反向加载反向加载规定残余伸长应力规定残余伸长应力降低的现象，称为降低的现象，称为包申格包申格（BaoschingerBaoschinger）效应）效应。p大多数钢材和有色合金等都大多数钢材和有色合金等都具有包申格效应。具有包申格效应。 图图2-4 352-4 35钢的包申格效应钢的包申格效应12p包申格效应对于在交变载荷作用下的包申格效应对于在交变载

8、荷作用下的机件寿命有重要影响。机件寿命有重要影响。p经经轻微冷变形轻微冷变形的工件在服役时，当其的工件在服役时，当其承受与原加工过程加载方向承受与原加工过程加载方向相反载荷时，相反载荷时，应考虑其屈服强度的降低应考虑其屈服强度的降低。p消除包申格效应的方法：消除包申格效应的方法：是预先进行是预先进行较大的塑性变形较大的塑性变形，或在使用前进行，或在使用前进行回复回复或再结晶退火或再结晶退火。13第三节第三节 滑移与孪晶变形滑移与孪晶变形一、滑移一、滑移p大量位错移动而导致晶体的一大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定部分相对于另一部分，沿着一定晶面和晶向作相对的移动，即晶晶面和

9、晶向作相对的移动，即晶体塑性变形的体塑性变形的滑移机制滑移机制。p滑移过程，滑移过程，晶体位向不发生变晶体位向不发生变化化，滑移晶面上下两部分的原子，滑移晶面上下两部分的原子相对平移一个原子间距或若干个相对平移一个原子间距或若干个原子间距。原子间距。1415p滑移变形是不均匀的，常集滑移变形是不均匀的，常集中在一部分晶面上，而处于中在一部分晶面上，而处于各滑移带之间的晶体没有产各滑移带之间的晶体没有产生滑移。生滑移。p滑移带的发展过程，滑移带的发展过程，首先是首先是出现细滑移线，后来才发展出现细滑移线，后来才发展成带成带，而且，滑移线的数目，而且，滑移线的数目随应变程度的增大而增多，随应变程度

10、的增大而增多，它们之间的距离则在缩短。它们之间的距离则在缩短。二、滑移线和滑移带二、滑移线和滑移带1617三、滑移系：三、滑移系：p晶体的滑移发生在一定的晶面和晶向，发生滑移晶体的滑移发生在一定的晶面和晶向，发生滑移的晶面和晶向称为的晶面和晶向称为滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向。p一个确定的滑移面与位于该滑移面上的一个滑移一个确定的滑移面与位于该滑移面上的一个滑移方向构成一个方向构成一个滑移系滑移系。p滑移面和滑移方向通常是晶体中的滑移面和滑移方向通常是晶体中的密排面和密排密排面和密排方向。方向。p一个晶体的滑移系数目是晶体有效密排面数与每一个晶体的滑移系数目是晶体有效密排面数与每个面上的密

11、排方向数目的乘积。个面上的密排方向数目的乘积。p晶体的滑移系愈多，滑移过程可能选择的空间取晶体的滑移系愈多，滑移过程可能选择的空间取向就愈多，晶体的塑性就愈好。向就愈多，晶体的塑性就愈好。18FCCFCC：p滑移面：滑移面：111111，共有四个有效滑移面。，共有四个有效滑移面。p滑移方向：滑移方向： 110110 ，每个滑移面上有三个，每个滑移面上有三个滑移方向。滑移方向。p滑移系数目：滑移系数目：4 43=3=1212个。个。19BCCBCC：p滑移面：滑移面：110110、112112、123123等晶面上。等晶面上。p通常在低温下为通常在低温下为112112，中温时为中温时为11011

12、0，高温下为高温下为123123。p滑移方向总是滑移方向总是 111111 晶向。晶向。p总滑移系数目：总滑移系数目：6 62+122+121+241+241=1=4848个。个。20p一般滑移系多塑性会好，但是还与杂一般滑移系多塑性会好，但是还与杂质、加工硬化等有关。质、加工硬化等有关。pbccbcc的滑移方向少，的滑移方向少，4848个滑移系不能同个滑移系不能同时运动，且滑移面密排程度低时运动，且滑移面密排程度低，因此，因此fccfcc塑性更好塑性更好。21HCPHCP：p滑移面与轴比滑移面与轴比c/ac/a有关。有关。p当当c/ac/a大于或近似等于大于或近似等于1.6331.633时，

13、滑移面为时，滑移面为(0001)(0001)晶面，滑移系为晶面，滑移系为3 3个。个。p当当c/ac/a小于小于1.6331.633时，滑移面变为柱面（时，滑移面变为柱面（1-1-100100）或棱锥面（）或棱锥面（1-1011-101），滑移系分别为），滑移系分别为3 3个和个和6 6个。但滑移方向都是个。但滑移方向都是。22p因而金属的塑性，因而金属的塑性，面心立方晶格面心立方晶格 体心立方晶格体心立方晶格 密排六方晶格密排六方晶格。23四、孪生四、孪生p是以晶体中一定的晶面（孪晶面）沿是以晶体中一定的晶面（孪晶面）沿着一定的晶向（孪生方向）移动而发生着一定的晶向（孪生方向）移动而发生的，

14、已滑移部分和未滑移部分的，已滑移部分和未滑移部分镜面对称镜面对称。p在切变区域内，与孪晶面平行的各层在切变区域内，与孪晶面平行的各层晶面的相对位移是一定的。晶面的相对位移是一定的。p实质就是一个肖克莱不全位错的移动。实质就是一个肖克莱不全位错的移动。2425262728p孪晶对整个变形量的总体贡献不孪晶对整个变形量的总体贡献不大大，而且临界切应力很大。但是对，而且临界切应力很大。但是对hcphcp结构很重要。结构很重要。p形成的孪晶形成的孪晶改变了晶体的位向改变了晶体的位向，使新的滑移系开动使新的滑移系开动，间接对塑性变，间接对塑性变形有贡献。形有贡献。29p体心立方金属体心立方金属滑移系多，

15、但滑移系多，但在一在一定特殊条件下也可发生孪晶定特殊条件下也可发生孪晶。（纯。（纯铁铁-196-196或室温冲击或爆炸成型）或室温冲击或爆炸成型）p面心立方金属面心立方金属一般一般不会发生孪晶不会发生孪晶，但对于加工硬化或超低温的金属也但对于加工硬化或超低温的金属也有可能。有可能。30p密排六方晶体金属密排六方晶体金属很容易产生孪生很容易产生孪生变形；变形；p体心立方晶体金属体心立方晶体金属在低温下发生；在低温下发生；p面心立方晶体金属面心立方晶体金属中很难发生孪生。中很难发生孪生。31pbcc 112 1bcc 112-1 pfcc 1111fcc 111-2 phcp hcp 1 1，0

16、0，-1-1，2 -12132331 1、孪生：孪生：均匀均匀切变；切变； 滑移：滑移：塑性变形是塑性变形是不均匀不均匀的。的。2 2、孪生：孪生：各晶面移动量与其离孪晶面距各晶面移动量与其离孪晶面距离成正比，相邻晶团相对移动距离通常离成正比，相邻晶团相对移动距离通常只是只是原子间距的几分之一原子间距的几分之一； 滑移：滑移：变形时，滑移距离则是变形时，滑移距离则是原子间原子间距的整倍数距的整倍数。343 3、孪生：孪生：晶体变形部分的晶体变形部分的位向位向发生变化，并发生变化，并且孪晶面与未变形部分且孪晶面与未变形部分对称对称； 滑移：滑移：晶体位向并晶体位向并不发生变化不发生变化。4 4、

17、孪生孪生和和滑移滑移一样并一样并不改变晶体的点阵类型不改变晶体的点阵类型。5 5、孪生孪生临界分切应力值大临界分切应力值大，因此，只在很难，因此，只在很难滑移的条件下，晶体才发生孪生。滑移的条件下，晶体才发生孪生。p滑移滑移系少的密排六方金属常以孪生方式变形。系少的密排六方金属常以孪生方式变形。35p孪生变形产生的孪生变形产生的塑性变形量一般不超过塑性变形量一般不超过1010，但是孪生使晶体但是孪生使晶体位向变化位向变化，从而，从而引起滑移系取向变化，能引起滑移系取向变化，能促进滑移的发促进滑移的发生生。p往往孪生与滑移往往孪生与滑移交替发生交替发生，即可获得较，即可获得较大的塑性变形量。大的

18、塑性变形量。36滑移滑移孪生孪生相同点相同点1 1 均匀切变；均匀切变；2 2 沿一定的晶面、晶向进沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构。行；不改变结构。不不同同点点晶体位向晶体位向不改变不改变改变，形成镜面对改变，形成镜面对称关系称关系位移量位移量滑移方向上原子间滑移方向上原子间距的整数倍，较大距的整数倍，较大小于孪生方向上的小于孪生方向上的原子间距，较小原子间距，较小对塑变的对塑变的贡献贡献很大，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有一定的临界分切有一定的临界分切压力压力所需临界分切应力所需临界分切应力远高于滑移远高于滑移变形条件变形条件一般先发生滑移一

19、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分位错运动的结果分位错运动的结果37外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切应力作用下的变形切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片第四节第四节 单晶体塑性变形单晶体塑性变形381 1、金属塑性变形的方式、金属塑性变形的方式p滑移：滑移：主导作用，占主导作用，占90%90%。p孪生：孪生：辅助作用，最多占辅助作用，最多占10%10%。392 2、滑移的方向、滑移的方向p滑移面：滑移面：晶体的滑移通常是沿着一晶体的滑移通常是沿着一定的晶面发生的，此组晶面称为滑定的晶面发生的，此组晶面称为滑移面；移面；

20、p滑移方向：滑移方向：滑移是沿着滑移面上一滑移是沿着滑移面上一定的晶向进行的，此晶向称为滑移定的晶向进行的，此晶向称为滑移方向。方向。40baGP)1(2exp12 式中，式中，b b：柏氏矢量；：柏氏矢量；G G：切变模量：切变模量 ：泊松比；：泊松比；a a：滑移面的面间距。：滑移面的面间距。41423 3、滑移的条件、滑移的条件 必要条件：必要条件：p晶体的滑移是在晶体的滑移是在切切应力应力作用下进行。作用下进行。43充分条件：充分条件： 大于大于临界分切应力临界分切应力c c。 4445p应力应力与外力与外力F F方向相同，可分方向相同，可分解为两个分应力，一个为解为两个分应力，一个为

21、垂直垂直于滑移面的分正应力于滑移面的分正应力，另一个，另一个为为分切应力分切应力 。p分切应力分切应力作用在滑移方向使作用在滑移方向使晶体产生滑移。晶体产生滑移。46p分切应力分切应力大小为：大小为：coscoscosAF coscos 称为称为取向因子取向因子，其值越大，其值越大，则分切应力则分切应力越大。越大。47p当当 =45=45时（时（也为也为4545），取向），取向因子有最大值因子有最大值1/21/2，此时，得到，此时，得到最大最大分切应力分切应力maxmax 。coscosks p在拉伸时：在拉伸时：48p当当=90=90或或0 0时，时，=，晶体不能沿该滑移面产生晶体不能沿该滑

22、移面产生滑移，滑移，硬硬4950当取向因子的变化时：当取向因子的变化时：p几何硬化：几何硬化： ， 远离远离4545 ，滑移变，滑移变得困难；得困难；p几何软化：几何软化： ， 接近接近4545 ，滑移变，滑移变得容易。得容易。514 4、滑移时的旋转与转动、滑移时的旋转与转动p滑移面滑移面向外力轴方向转动向外力轴方向转动; ;p滑移方向滑移方向向最大切应力方向转动。向最大切应力方向转动。52p切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动535455565 5、滑移的机理、滑移的机理p滑移是借助滑移是借助位错运动位错运动实现的。实现的。多多 脚脚 虫虫

23、的的 爬爬 行行57p晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少少数原子发生移动数原子发生移动，它们，它们移动的距离远小于一个原子移动的距离远小于一个原子间距间距，因而所需，因而所需临界切应力小临界切应力小，这种现象称作位错，这种现象称作位错的的易动性易动性。5859刃位错的运动606 6、滑移的类型、滑移的类型1 1）单滑移）单滑移p只有只有一个特定的滑移系一个特定的滑移系处于最有利处于最有利的位置而优先开动时，形成单滑移。的位置而优先开动时，形成单滑移。612 2）多系滑移：）多系滑移：p由于变形时晶体转动的结果，有两由于变形时晶体转动的结果，有

24、两组或几组滑移面同时转到有利位向，组或几组滑移面同时转到有利位向，使滑移可能在两组或更多的滑移面使滑移可能在两组或更多的滑移面上上同时同时或或交替交替地进行，形成地进行，形成“双滑双滑移移”或或“多滑移多滑移”。623 3）交滑移）交滑移p是指两个或多个滑移面共同沿着一是指两个或多个滑移面共同沿着一个滑移方向的滑移。个滑移方向的滑移。p实质是实质是螺位错螺位错在不改变滑移方向的在不改变滑移方向的情况下，情况下，从一个滑移面滑转移到另从一个滑移面滑转移到另一个滑移面的过程一个滑移面的过程。63644 4）滑移的表面痕迹）滑移的表面痕迹 p单滑移：单滑移：单一单一方向的滑移带；方向的滑移带；p多滑

25、移：多滑移：相互相互交叉交叉的滑移带；的滑移带；p交滑移：交滑移：波纹状波纹状的滑移带。的滑移带。651 1、实质：、实质：与单晶体基本相同。与单晶体基本相同。2 2、特殊性：、特殊性：晶界阻滞效应晶界阻滞效应和和取向差取向差效应。效应。第五节第五节 多晶体塑性变形多晶体塑性变形661 1）晶界阻滞效应：）晶界阻滞效应：p90%90%以上晶界是以上晶界是大角度晶界大角度晶界；p其结构复杂，由约几个纳米厚的其结构复杂，由约几个纳米厚的原子排列原子排列紊乱紊乱的区域；的区域；p使使滑移受阻滑移受阻而不易直接传到相邻而不易直接传到相邻晶粒。晶粒。67682 2）取向差效应：）取向差效应：p多晶体中，

26、不同位向晶粒的滑移系多晶体中，不同位向晶粒的滑移系取向不相同取向不相同；p滑移不能从一个晶粒直接延续到另滑移不能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中一晶粒中。69703 3、多晶体塑性变形的特点、多晶体塑性变形的特点1 1）各晶粒变形的）各晶粒变形的不同时性，不同时性，塑性变形由塑性变形由不均匀性到均匀不均匀性到均匀；712 2）各晶粒变形的）各晶粒变形的相互协调性相互协调性，需要，需要五个以上的独立滑移系五个以上的独立滑移系同时动作。同时动作。pfccfcc和和bccbcc金属能金属能满足五个以上独满足五个以上独立滑移系的条件立滑移系的条件，塑性通常较好；，塑性通常较好；phcphcp金属独立滑移

27、系少，塑性通常金属独立滑移系少，塑性通常不好。不好。723 3）滑移的）滑移的传递传递，必须，必须激发激发相邻晶粒相邻晶粒的的位错源位错源。p位错在晶界位错在晶界塞积塞积 应力集中应力集中 相邻晶粒相邻晶粒位错源开动位错源开动 相邻晶粒相邻晶粒变形塑变。变形塑变。73744 4）晶界对变形的）晶界对变形的阻碍作用阻碍作用p多晶体的多晶体的变形抗力比单晶体大变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。变形更不均匀。75p晶界对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积764 4、晶界对机械性能的影响、晶界对机械性能的影响1 1）晶粒越细，其强度和硬度越高。）晶粒

28、越细，其强度和硬度越高。晶界总晶界总面积越大面积越大，位错，位错障碍越多；需要障碍越多；需要协调的具有协调的具有不同不同位向的晶粒越多位向的晶粒越多，使金属，使金属塑性变塑性变形的抗力越高形的抗力越高。晶粒大小与金属强晶粒大小与金属强度关系度关系77p室温机械性能：室温机械性能：晶粒越细，室温强度，包晶粒越细，室温强度，包括括s s，b b，-1-1较大，塑性较好，称为较大，塑性较好，称为细晶细晶强化强化。Hall-PetchHall-Petch公式：公式：21Kdisp高温强度：高温强度：高温下晶界在应力作用下会产高温下晶界在应力作用下会产生生粘滞性流动粘滞性流动，发生晶粒沿晶界的相对滑动；

29、，发生晶粒沿晶界的相对滑动；另外，还可能产生另外，还可能产生“扩散蠕变扩散蠕变”，所以，所以，细细晶粒组织的高温强度反而较低晶粒组织的高温强度反而较低。782 2）晶粒越细，其塑性和韧性也越高）晶粒越细，其塑性和韧性也越高p原因：原因： 晶粒越细，单位体积内晶粒数目越晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，多，参与变形的晶粒数目也越多，变变形越均匀形越均匀，使在断裂前发生较大的塑，使在断裂前发生较大的塑性变形。性变形。 强度和塑性同时增加强度和塑性同时增加, ,金属金属在断裂前在断裂前消耗的功也大消耗的功也大，因而其韧性也比较好。，因而其韧性也比较好。79p塑性：塑性： 同

30、样变形条件下，塑性变形可分散在更同样变形条件下，塑性变形可分散在更多晶粒内，变形均匀；多晶粒内，变形均匀；单个晶粒内位错塞积单个晶粒内位错塞积少，应力集中小，开裂机会小，在断裂前可承少，应力集中小，开裂机会小，在断裂前可承受较大变形，体现出高塑性。受较大变形，体现出高塑性。p韧性：韧性： 细化晶粒，裂纹不易萌生；细化晶粒，裂纹不易萌生；晶界曲折晶界曲折更多，裂纹不易传播，断裂过程中吸收更多能更多，裂纹不易传播，断裂过程中吸收更多能量，体现出高韧性。量，体现出高韧性。8081第六节第六节 纯金属变形强化纯金属变形强化p变形强化又称为变形强化又称为加工硬化加工硬化，指金，指金属经变形后，属经变形后

31、，流变应力流变应力随变形程度随变形程度增加而增加，要继续变形只有不断增加而增加，要继续变形只有不断增加外力的现象。增加外力的现象。82一、位错交割一、位错交割8384p晶体多滑移后，两个相交滑移面上的运晶体多滑移后，两个相交滑移面上的运动位错会动位错会相互交截相互交截，原来直线型位错产生，原来直线型位错产生弯折弯折，如果弯折仍然在滑移面上，称为，如果弯折仍然在滑移面上，称为扭扭折折；不在滑移面上称为；不在滑移面上称为割阶割阶。p任意两个位错交割均形成任意两个位错交割均形成刃型割阶刃型割阶，大，大小和方向取决于穿过位错的柏氏矢量；小和方向取决于穿过位错的柏氏矢量；p螺位错割阶螺位错割阶只能攀移，

32、运动阻力大。只能攀移，运动阻力大。851 1）两根互相垂直刃型位错的交截）两根互相垂直刃型位错的交截p柏氏矢量互相平行柏氏矢量互相平行 ， ABAB，xyxy两根相互垂直的刃两根相互垂直的刃型位错线型位错线b b1 1/ b/ b2 2；p交截后各自产生一小段交截后各自产生一小段PPPP和和QQQQ的折线，它们的折线，它们均位于原来两个滑移面上，均位于原来两个滑移面上，同属同属螺型性质螺型性质，为，为“扭扭折折”。p在运动过程中，这种折在运动过程中，这种折线在线张力的作用下线在线张力的作用下可能可能被拉长而消失被拉长而消失。86p柏氏矢量互相垂直，柏氏矢量互相垂直，b b1 1 b b2 2，

33、当，当xyxy位错线位错线与不动的与不动的ABAB位错交截后，位错交截后，ABAB产生一个长度与产生一个长度与b b1 1相等的相等的刃型割阶刃型割阶PPPP。872 2）两个螺位错：）两个螺位错：l l1 1与与l l2 2交截交截p两根螺位错各自产生一小段两根螺位错各自产生一小段的的刃型割阶刃型割阶。pl l1 1上割阶上割阶PPPP，长度为，长度为b b2 2，此割阶只能在此割阶只能在PP PP 与与b b1 1组成组成的平面内沿的平面内沿b b1 1所指方向滑移，所指方向滑移，与与l l1 1滑移方向不一致，不能滑移方向不一致，不能与与l l1 1一道运动，只能通过攀一道运动，只能通过

34、攀移。移。p但攀移在室温下是困难的，但攀移在室温下是困难的，故它是故它是l l1 1运动的障碍和阻力。运动的障碍和阻力。88p“扭折扭折”可以是刃型、亦可是螺型，可可以是刃型、亦可是螺型，可随位错线随位错线一道运动一道运动，几乎，几乎不产生位错阻不产生位错阻力力，且它可因位错线张力而，且它可因位错线张力而消失消失。p“割阶割阶”都是刃型位错，有都是刃型位错，有滑移割阶滑移割阶和和攀移割阶攀移割阶，割阶，割阶不会不会因位错线张力而因位错线张力而消消失失。89二、位错反应二、位错反应位错反应，形成位错反应，形成L-CL-C锁锁p两个滑移面上两个滑移面上的位错，一定的位错，一定条件下反应，条件下反应

35、，形成一个形成一个不可不可动的位错动的位错。90Lomer-CottrellLomer-Cottrell位错位错pFccFcc中，中，C1C1、C2C2分别代表处于分别代表处于111111面平行于面平行于BCBC的位错线，的位错线， DC+CADADC+CADA11021aCAb 01122aDCb 110211020112aaa 91pb b3 3CC3 3，故，故C C3 3为纯刃型位错，但为纯刃型位错，但b b3 3与与C C3 3构成平面为构成平面为（001001），），故故C C3 3为一为一固定位错固定位错。92211611261102aaa 211611260112aaa pCo

36、ttrell指出，层错能不变时，两个全指出，层错能不变时，两个全位错各自分解为位错各自分解为扩展位错：扩展位错：93110611262116aaa p当每个位错中的一个当每个位错中的一个不全位错不全位错达到交截线达到交截线BCBC时，合并且位于时，合并且位于BCBC上。上。p新位错方向新位错方向 110，滑移面，滑移面（001）；p该位错线不可滑动，牵制了三个不全该位错线不可滑动，牵制了三个不全位错和两片层错，这样形成于两个位错和两片层错，这样形成于两个111面之间的面角上；面之间的面角上；p由三个不全位错和两片层错所构成的由三个不全位错和两片层错所构成的组态，为组态，为“Lomer-Cott

37、rell位错位错”（面（面角位错）角位错），其中，其中110位错又叫位错又叫“压杆压杆位错位错”p它对它对fcc金属加工硬化起重要作用。金属加工硬化起重要作用。94三、位错增殖三、位错增殖1 1、位错的萌生、位错的萌生p液体金属液体金属凝固时的内应力凝固时的内应力使枝晶发生偏转或弯曲，使枝晶发生偏转或弯曲，点阵错排形成位错。点阵错排形成位错。p过饱和空位过饱和空位转化成位错：转化成位错：p界面和微裂纹附近界面和微裂纹附近局部应力集中局部应力集中形成位错。形成位错。aGb095p位错增殖位错增殖F-RF-R源源（弗兰克（弗兰克- -瑞德源）机制瑞德源）机制96pABAB位错线段两端固定，在外加切

38、应力作用位错线段两端固定，在外加切应力作用下变弯并向外扩张；下变弯并向外扩张；p当两端弯出来的线段当两端弯出来的线段相互靠近相互靠近时，由于两时，由于两者分属者分属左、右螺型左、右螺型，抵消抵消并形成一并形成一闭合位错闭合位错环环和环内一和环内一小段弯曲位错线小段弯曲位错线，然后继续。，然后继续。RGb2 LGbLGb212max pmaxmax，位错才能不断向外扩张，源源，位错才能不断向外扩张，源源不断产生位错环，起到增殖作用。不断产生位错环，起到增殖作用。97第七节第七节 合金变形强化合金变形强化一、细晶强化一、细晶强化p利用细化晶粒提高金属材料强度的方法叫利用细化晶粒提高金属材料强度的方

39、法叫细晶强化。细晶强化。 pw wC C=0.15%=0.15%的的低碳钢的屈服低碳钢的屈服强度与晶粒大强度与晶粒大小的关系如图小的关系如图2-132-13。图图2-13 2-13 低碳钢的屈服强度与晶粒尺寸的关系低碳钢的屈服强度与晶粒尺寸的关系981-2syi = +k d i i为一常数，相当于位错在晶内运动的摩擦力；为一常数，相当于位错在晶内运动的摩擦力；k ky y 为常数，与滑移为常数，与滑移“越过越过” ” 晶界传播需要的临界晶界传播需要的临界应力有关；应力有关；d d为晶粒直径。为晶粒直径。 p利用位错塞积理论可导出霍尔利用位错塞积理论可导出霍尔- -派奇（派奇（Hall-Hal

40、l-PetchPetch）关系：）关系：p屈服强度屈服强度与与晶粒直径平方根晶粒直径平方根的倒数呈的倒数呈直线关直线关系系，这就是著名的霍尔，这就是著名的霍尔- -派奇关系。派奇关系。99二、固溶强化二、固溶强化低碳铁素体固溶强化效果示意图低碳铁素体固溶强化效果示意图 p合金元素溶入基体金合金元素溶入基体金属中可得到单相固溶体属中可得到单相固溶体合金，如能合金，如能有效提高其有效提高其屈服强度屈服强度，被称为，被称为固溶固溶强化强化。p固溶强化的实质是溶固溶强化的实质是溶质原子的质原子的长程应力场长程应力场与与位错产生交互作用位错产生交互作用，导，导致位错运动受阻。致位错运动受阻。 100p根

41、据强化效果可将溶质原子分为根据强化效果可将溶质原子分为两大类：两大类： 一类为一类为弱硬化弱硬化的溶质，主要是的溶质，主要是置换型置换型溶质溶质和和面心立方晶体中的间隙型面心立方晶体中的间隙型溶质。溶质。另一类是另一类是强硬化强硬化的溶质，如的溶质，如体心立方晶体体心立方晶体中的间隙原子中的间隙原子，这类原子在晶体中造成的点，这类原子在晶体中造成的点阵畸变是非球形（四方）对称的，强化效应阵畸变是非球形（四方）对称的，强化效应强，比弱硬化的溶质高出一个数量级。强，比弱硬化的溶质高出一个数量级。 101三、应变硬化三、应变硬化常见三种金属晶体的应力-应变曲线 p金属材料有一种金属材料有一种阻止继续

42、塑变的能力阻止继续塑变的能力，这，这就是就是应变硬化应变硬化（加工硬化）。（加工硬化）。 p多晶体在均匀变形阶多晶体在均匀变形阶段的段的真应力真应力与与真应变真应变关关系符合系符合HollomonHollomon公式：公式：ns= Ke S S为真应力，为真应力，e e为真应变，为真应变，K K为强度系数，为强度系数，n n形变强化指数。形变强化指数。 102p形变强化指数形变强化指数n n反映了金属材料抵抗继续塑变的反映了金属材料抵抗继续塑变的能力。能力。pn=1n=1，为完全弹性状态，真应力与真应变呈线性，为完全弹性状态，真应力与真应变呈线性关系；关系；pn=0n=0，S=KS=K，无形变

43、硬化能力，例如再结晶温度，无形变硬化能力，例如再结晶温度在室温以上的铅，室温变形时，无加工硬化现象。在室温以上的铅，室温变形时，无加工硬化现象。p大多金属材料大多金属材料n=0.1n=0.10.50.5。pn n越大，材料应变硬化越显著，对于形变强化指越大，材料应变硬化越显著，对于形变强化指数较高的数较高的18-818-8奥氏体不锈钢，冷轧可使板材的屈奥氏体不锈钢，冷轧可使板材的屈服强度提高服强度提高3 34 4倍。倍。p形变强化指数形变强化指数n n与层错能与层错能 有关。有关。103金属金属点阵类型点阵类型层错能层错能 （J/mJ/m2 2）形变强化指形变强化指数数n n18-818-8不

44、锈钢不锈钢fccfcc0.010.010.450.45铜铜fccfcc0.090.090.300.30铝铝fccfcc0.250.250.150.15 -Fe-Febccbcc0.250.250.20.2表表2-32-3几种金属材料的层错能与形变强化指数几种金属材料的层错能与形变强化指数 p几种金属材料的几种金属材料的层错能层错能与与形变强化指数形变强化指数，如，如表表2-32-3所示。所示。 104四、第二相对合金的塑性变形的影响四、第二相对合金的塑性变形的影响p按第二相尺寸分类：按第二相尺寸分类：聚合型：聚合型：第二相粒子尺寸与基体晶粒第二相粒子尺寸与基体晶粒尺寸属同一数量级。尺寸属同一数

45、量级。弥散分布型：弥散分布型：第二相粒子十分细小，第二相粒子十分细小，并且弥散地分布在基体晶粒内。并且弥散地分布在基体晶粒内。1051 1、聚合型两相合金的塑性变形、聚合型两相合金的塑性变形1 1）两个相都具有塑性相：）两个相都具有塑性相：p等应变理论：等应变理论： p等应力理论：等应力理论：2 2）两相中一个是塑性相，而另一个是硬脆相：）两相中一个是塑性相，而另一个是硬脆相：p合金的机械性能主要取决于合金的机械性能主要取决于硬脆相存在情况硬脆相存在情况。第二相粗大：第二相粗大：变形只在基体中，第二相易变形只在基体中，第二相易破碎破碎或周围产生或周围产生裂纹裂纹，合金强度塑性不好合金强度塑性不

46、好。第二相连续分布在晶界上：合金很脆第二相连续分布在晶界上：合金很脆。bbaaffbbaaff106p高碳钢高碳钢中：共析钢（中：共析钢（0.8%C0.8%C） =780MN/m=780MN/m2 2 过共析钢（过共析钢（1.2%C1.2%C）=700MN/m=700MN/m2 2p铜铜中的少量中的少量BiBi，镍合金中的，镍合金中的S S，形成的第二，形成的第二相均为相均为薄膜状在晶界薄膜状在晶界；p可在铜中加入稀土，镍中加入微量可在铜中加入稀土，镍中加入微量MgMg改善。改善。1072 2、弥散分布型两相合金的塑性变形、弥散分布型两相合金的塑性变形p第二相以第二相以细小弥散的微粒均匀分布细

47、小弥散的微粒均匀分布在在基体相中时，将产生基体相中时，将产生显著的强化作用；显著的强化作用；p通常将微粒分成不可变形的和可变形通常将微粒分成不可变形的和可变形的两类的两类。1081 1）不可变形微粒的强化作用）不可变形微粒的强化作用p奥罗万机制（位错绕过机制）。奥罗万机制（位错绕过机制）。p适用于适用于第二相粒子较硬第二相粒子较硬并与基体界面为并与基体界面为非共非共格格的情形。的情形。p减小粒子尺寸减小粒子尺寸（在同样的体积分数时，粒（在同样的体积分数时，粒子越小则粒子间距也越小）或子越小则粒子间距也越小）或提高粒子的体提高粒子的体积分数积分数，都使合金的，都使合金的强度提高强度提高。Gb10

48、91102 2）可变形微粒的强化作用）可变形微粒的强化作用p切割机制切割机制。p适用于适用于第二相粒子较软第二相粒子较软并与基体并与基体共格共格的情形。的情形。p强化作用主要决定于强化作用主要决定于粒子本身的性质粒子本身的性质以及其与基体的联系。以及其与基体的联系。111p位错切过粒子后产生新的界面，位错切过粒子后产生新的界面，提高了界面能提高了界面能。p若共格的粒子是一种有序结构，位错切过时需要若共格的粒子是一种有序结构，位错切过时需要附加应力附加应力。p点阵常数与基体不同产生点阵常数与基体不同产生共格畸变共格畸变，应变场阻碍应变场阻碍位错运动位错运动。p层错能与基体的不同，扩展位错切过粒子

49、时层错能与基体的不同，扩展位错切过粒子时宽度宽度会产生变化会产生变化，引起，引起能量升高，从而强化能量升高，从而强化。p由于基体和粒子中滑移面的取向不一致，螺型位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错线切过粒子时必然产生一割阶产生一割阶，而割阶会，而割阶会妨碍整妨碍整个位错线的移动个位错线的移动。p增大粒子尺寸或增加体积分数有利于提高强度增大粒子尺寸或增加体积分数有利于提高强度。112113114第第8 8节节 冷变形金属组织和性能变化冷变形金属组织和性能变化一、冷变形对金属组织的影响一、冷变形对金属组织的影响1、纤维组织：、纤维组织：p退火态等轴晶经过冷变形后，退火态

50、等轴晶经过冷变形后，晶粒晶粒沿沿拉拔和轧制方向伸长；拉拔和轧制方向伸长；p可变形夹杂可变形夹杂和和第二相第二相随晶粒伸展（变随晶粒伸展（变形足够大时，晶界模糊）；形足够大时，晶界模糊）；p不可变形夹杂物不可变形夹杂物也呈带状分布。也呈带状分布。1155%冷变形纯铝中的位错网冷变形纯铝中的位错网(a)正火态正火态(c)变形变形80%(b)变形变形40%工业纯铁在塑性变形前后的组织变化工业纯铁在塑性变形前后的组织变化116AlMg合金变形组织合金变形组织H62黄铜挤压的带状组织黄铜挤压的带状组织H68黄铜挤压的带状组织和退火后的组织黄铜挤压的带状组织和退火后的组织117第二相或夹第二相或夹杂物沿变

51、形杂物沿变形方向拉长，方向拉长，形成流线或形成流线或带状组织。带状组织。1182 2、形成形变织构：、形成形变织构： 板织构板织构丝织丝织构构形变织构示意图形变织构示意图各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板“制制耳耳”有有无无119轧制铝板的轧制铝板的“制耳制耳”现象现象1203 3、晶粒碎化：、晶粒碎化：p晶粒尺寸晶粒尺寸1010-2 -2 下降到下降到1010-4-4 或或1010-6 -6 cmcm；4 4、位错密度增加：、位错密度增加：p1010(6(68)8) 增加增加1010(11(1112) 12) cmcm-2-2。p胞状组织：胞状组织：位错冷变形过程中产生大量增殖位错冷变形过

52、程中产生大量增殖和双交滑移，形成了和双交滑移，形成了高密度位错缠结的位错高密度位错缠结的位错胞壁胞壁，内部密度低。属于小角度晶界，但位，内部密度低。属于小角度晶界，但位错难以穿过。错难以穿过。121p变形量增大，位错胞尺寸减小，位错密度变形量增大，位错胞尺寸减小，位错密度增大，跨越胞壁的平均取向差也逐渐增加。增大，跨越胞壁的平均取向差也逐渐增加。p层错能高的金属（如层错能高的金属（如AlAl、FeFe），当变形程），当变形程度较高时，容易出现明显的胞状组织。度较高时，容易出现明显的胞状组织。122变形变形20%纯铁中的位错纯铁中的位错未变形纯铁未变形纯铁1232 2、冷变形金属组织和性能变化、

53、冷变形金属组织和性能变化1 1）呈现明显的各向异性：）呈现明显的各向异性：p由于形成了由于形成了纤维组织纤维组织和和变形织构变形织构导致导致金属性能具有方向性。金属性能具有方向性。p顺纤维方向强度增大，垂直方向减小，顺纤维方向强度增大，垂直方向减小，呈现各向异性。呈现各向异性。1242 2）产生）产生加工硬化加工硬化：p随着变形量的增加，位错密度升高，随着变形量的增加，位错密度升高，导致导致位错缠结位错缠结和和定轧定轧，对位错的，对位错的滑滑移移产生巨大的产生巨大的阻碍作用阻碍作用，可使金属，可使金属的的变形抗力显著升高，变形抗力显著升高，强度和硬度强度和硬度提高提高。p应用应用 125冷塑性

54、变形量，%屈服强度，MPa1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量，%伸长率，%1040钢(0.4%C)黄铜铜126冷塑性变形与性能关系冷塑性变形与性能关系127 强化强化金属的重要途径；金属的重要途径； 利利 提高材料使用提高材料使用安全性安全性；利弊利弊 材料材料加工成型加工成型的保证。的保证。 变形阻力提高变形阻力提高，动力，动力 弊弊 消耗增大；消耗增大； 脆断危险脆断危险性提高。性提高。128 3 3）金属的）金属的导电性导电性、电阻温度系数和、电阻温度系数和导热导热性性下降。下降。 4 4）耐）耐腐蚀性腐蚀性下降。下降。 5 5）产生大量）产生大量残余应力残余应力： 晶界位错塞积

55、所晶界位错塞积所引起的应力集中引起的应力集中129（1 1）第一类残余应力）第一类残余应力（ ）p宏观内应力：由整个物体变形不宏观内应力：由整个物体变形不均匀引起均匀引起零件变形。零件变形。p消除办法：消除办法：去应力退火。去应力退火。（2 2）第二类残余应力）第二类残余应力（ ）p微观内应力，由晶粒变形不均匀微观内应力，由晶粒变形不均匀引起引起 晶间腐蚀。晶间腐蚀。130（3 3）第三类残余应力）第三类残余应力（ ）p点阵畸变，由位错、空位等引起点阵畸变，由位错、空位等引起 加工硬化；加工硬化；p消除办法：消除办法：再结晶退火。再结晶退火。131第九节第九节 晶体的断裂晶体的断裂p根据材料在

56、断裂前的塑性变形程度，可将断根据材料在断裂前的塑性变形程度，可将断裂分为裂分为脆性断裂脆性断裂、韧性断裂韧性断裂和和半脆性断裂半脆性断裂。一、脆性断裂一、脆性断裂1 1、断裂强度、断裂强度p实际断裂强度：实际断裂强度： 为晶体单位表面能；为晶体单位表面能；a a为平衡位置原为平衡位置原子原子的平均距离。子原子的平均距离。132p理论断裂强度：理论断裂强度：1332 2、断口形貌、断口形貌p脆性断口为脆性断口为结晶断口结晶断口；p根据不同的断裂机理，可分为两类：根据不同的断裂机理，可分为两类：（1 1）脆性穿晶断口）脆性穿晶断口p在断口面上有许多条纹，称为在断口面上有许多条纹，称为“河流河流”。

57、p解理：解理：断口裂纹沿晶粒的一定结晶学平面断口裂纹沿晶粒的一定结晶学平面穿晶而发展的现象；穿晶而发展的现象；p解理面：解理面：断裂面的结晶学平面。断裂面的结晶学平面。 134（2 2）脆性沿晶断裂）脆性沿晶断裂p出现脆性沿晶断裂的因素：出现脆性沿晶断裂的因素： 晶界存在连续分布的脆性第二相；晶界存在连续分布的脆性第二相； 晶界上有微量元素或杂质的偏析；晶界上有微量元素或杂质的偏析； 环境损害了晶界，形成丁氢脆、应环境损害了晶界，形成丁氢脆、应力腐蚀。力腐蚀。135136二、韧性断裂二、韧性断裂p在断裂前有在断裂前有较大的较大的塑性变形塑性变形的断裂。的断裂。p断口：断口：多为多为纤维状纤维状

58、或或剪切状剪切状，在电子，在电子显微镜下可观察到显微镜下可观察到许许多微坑多微坑，为，为韧窝韧窝。 137三、韧性三、韧性- -脆性转变脆性转变p介于脆性断裂和塑性断裂的材料称为介于脆性断裂和塑性断裂的材料称为半脆性半脆性料料此类材料在一些情况下表现为脆性，而此类材料在一些情况下表现为脆性，而在另外一些情况下又表现出韧性。在另外一些情况下又表现出韧性。p影响韧性影响韧性- -脆性转变的因素：脆性转变的因素：应力状态的影响：应力状态的影响：p切应力分量引起晶体的塑性变形，对材料的切应力分量引起晶体的塑性变形，对材料的韧性有利，而韧性有利，而拉应力则会促进断裂的形成拉应力则会促进断裂的形成，不利于

59、韧性；不利于韧性；138温度的影响：温度的影响：p升高温度可激活位错源，使位错运动的阻力减小，升高温度可激活位错源，使位错运动的阻力减小，利于晶体的塑性变形，断裂是韧性的利于晶体的塑性变形，断裂是韧性的；材料成分的影响：材料成分的影响：p组分的作用视具体材料而定，一般降低材料塑性组分的作用视具体材料而定，一般降低材料塑性的元素均使的元素均使TcTc升高升高晶粒大小的影响：晶粒大小的影响：p细化晶粒有利于材料塑性的提高细化晶粒有利于材料塑性的提高，且由于晶界对，且由于晶界对裂纹扩展的阻碍作用，使其解理断裂强度较高，裂纹扩展的阻碍作用，使其解理断裂强度较高，易于发生微孔聚合型的塑性断裂，因此晶粒尺

60、寸易于发生微孔聚合型的塑性断裂，因此晶粒尺寸越小，韧脆转化温度越低。越小，韧脆转化温度越低。139畸变增加；畸变增加； 冷塑性变形冷塑性变形加加热热晶晶粒粒长长大大稳定稳定温度升高温度升高回回复复再再结结晶晶金属金属 内能升高；内能升高； 热力学上不稳定热力学上不稳定 p冷变形金属在加热时组织与性能的变化冷变形金属在加热时组织与性能的变化140p冷变形金属冷变形金属受热后，其的组织和受热后，其的组织和性能将发生一系列的变化，可分性能将发生一系列的变化，可分为为回复回复、再结晶和再结晶和晶粒长大晶粒长大三个三个阶段。阶段。 1411421 1、定义、定义p是指冷变形后的金属在是指冷变形后的金属在