西北工业大学 材料科学基础课件 第五六七章

1、1第五章第五章扩扩 散散2 物质传输的方式： 1、对流对流-由内部压力或密度差引起的 2、扩散扩散-由原子性运动引起的 固体中物质传输的方式是扩散扩散 固体中原子在热运动下的位置转移固体中原子在热运动下的位置转移第一节 固体中原子的迁移 3第一节 固体中原子的迁移 E*-激活能激活能 固体中参与反应的固体中参与反应的原子超过原子平均能量原子超过原子平均能量的附加能量，的附加能量，J/molJ/molE - 原子平均能量原子平均能量E*- 在特定温度下的能在特定温度下的能量量Er - 反应物的能量反应物的能量Ep - 产物的能量产物的能量一、热激活固态反应的激活能一、热激活固态反应的激活能4二、

2、二、Arrhenius速率定律速率定律lnV = - C .E*/RTV - 固态反应速率固态反应速率C - 常数常数E* - 激活能激活能R - 摩尔气体常数（摩尔气体常数（8.314J/molk）T - 反应温度反应温度研究温度对反应速率的影响研究温度对反应速率的影响大多数的固态反应都服从大多数的固态反应都服从Arrhenius速率定律速率定律lnV和和1/T 为线性关系，可以从斜率为线性关系，可以从斜率-E*/R中计算出激活能中计算出激活能E*第一节第一节 固体中原子的迁移固体中原子的迁移 5一、扩散机制一、扩散机制1.空位机制空位机制 通过原子与空位交换位置实现原子的迁移通过原子与空位

3、交换位置实现原子的迁移。空位扩散机制的条件：空位扩散机制的条件： 扩散原子的近邻有空位，同时空位周围的原子必须有超扩散原子的近邻有空位，同时空位周围的原子必须有超过能垒的自由能。过能垒的自由能。金属的自扩散属于空位机制扩散；金属的自扩散属于空位机制扩散；置换固溶体中的扩散（置换固溶体中的扩散（Cu/Ni扩散偶）属于空位机制扩扩散偶）属于空位机制扩散；散；金属的熔点高其激活能也越高；金属的熔点高其激活能也越高；原子移动方向和空位移动方向相反原子移动方向和空位移动方向相反第二节第二节 固体中原子的扩散固体中原子的扩散 6空位机制扩散空位机制扩散7Cu/Ni扩散偶（1）8Cu/Ni扩散偶（2）910

4、一、扩散机制一、扩散机制2. 间隙机制间隙机制 间隙原子在间隙固溶体中从一个间隙位置跳到另一个间隙原子在间隙固溶体中从一个间隙位置跳到另一个间隙位置的原子的迁移过程间隙位置的原子的迁移过程。间隙扩散机制的条件：间隙扩散机制的条件： 溶原子必须具有挤开溶剂原子进入相邻的间隙位置周围溶原子必须具有挤开溶剂原子进入相邻的间隙位置周围的激活能。的激活能。钢的渗碳（钢的渗碳（ E*c=140kj/mol, E*c =270kj/mol ）钢的氮化钢的氮化间隙机构引起晶格变形大，只有间隙原子与晶格位置上间隙机构引起晶格变形大，只有间隙原子与晶格位置上的原子尺寸相比较是很小时，才会发生。的原子尺寸相比较是很

5、小时，才会发生。 第二节第二节 固体中原子的扩散固体中原子的扩散 11间隙机制扩散12一、扩散机制一、扩散机制3. 其它扩散机制其它扩散机制 晶界扩散晶界扩散 位错扩散位错扩散第二节第二节 固体中原子的扩散固体中原子的扩散 13第二节第二节 固体中原子的扩散固体中原子的扩散 二、扩散方程二、扩散方程1. 稳态扩散稳态扩散-Fick第一定律第一定律（1）模型：）模型：在垂直面相距（在垂直面相距（X X2 2-X-X1 1) )的两平行原子面的两平行原子面之间的扩散，经过时间之间的扩散，经过时间t t后，在后，在X X2 2和和X X1 1处的溶质处的溶质原子浓度分别为原子浓度分别为C1C1和和C

6、2,C2,并不随时间变化。并不随时间变化。14第二节第二节 固体中原子的扩散固体中原子的扩散 二、扩散方程二、扩散方程1. 1. 稳态扩散稳态扩散-Fick-Fick第一定律第一定律（2 2）FickFick第一定律第一定律 J = -D dC/dxJ = -D dC/dx浓度浓度梯度（梯度（gradientgradient）= dC/dx= dC/dx（斜率（斜率（slopeslope）, , 量量纲为纲为MLML-3-3D D：扩散系数扩散系数（coefficientcoefficient），量纲为，量纲为L L2 2T T-1-1表示通过某一界面的扩散流量与垂直这个界面方向浓度表示通过某

7、一界面的扩散流量与垂直这个界面方向浓度梯度成正比，其方向与浓度降落方向一致。梯度成正比，其方向与浓度降落方向一致。负号表示原子的扩散方向与浓度梯度方向相反（浓度由负号表示原子的扩散方向与浓度梯度方向相反（浓度由低到高为正，扩散方向由高到低为负）低到高为正，扩散方向由高到低为负）15第二节第二节 固体中原子的扩散固体中原子的扩散 xJtC/二、扩散方程二、扩散方程2. 2. 非稳态扩散非稳态扩散-Fick-Fick第二定律第二定律扩散浓度在扩散过程中随时间变化扩散浓度在扩散过程中随时间变化(dc/dt(dc/dt0)0)对于扩散系数与时间无关的非稳态扩散，可用对于扩散系数与时间无关的非稳态扩散，

8、可用FickFick第二定律：第二定律： 如如D D为常数为常数22/xCDtC16常例：单向无限（semi-infinite），气体偏压固定边界条件C = Cs at x=o，C = C0 at x= ，初始條件C = C0 at t=o误差函数（error function）：)2/(1)/(00DtxerfCCCCsxzdyyzerf02)exp(/2)(17一、温度对扩散的影响一、温度对扩散的影响D = D0exp(- E*/(RT)E*：激活激活能（能（activation energy） in J/mol, cal/mol or eV/atom，移移动动原子所需能量原子所需能量。F

9、e in-Fe：3.0 x 10-21 m2/s at 500 ， 1.8 x 10-15 m2/s at 900 。温度越高，原子的能量越大，越容易发生迁移，温度越高，原子的能量越大，越容易发生迁移，扩散系数越大。扩散系数越大。第三节第三节 影响扩散的因素影响扩散的因素 18二、固溶体类型对扩散的影响二、固溶体类型对扩散的影响间隙固溶体的扩散激活能一般都很小间隙固溶体的扩散激活能一般都很小在获得同样浓度时，渗碳、渗氮比渗金属在获得同样浓度时，渗碳、渗氮比渗金属的周期短的周期短第三节第三节 影响扩散的因素影响扩散的因素 19三、晶体结构对扩散的影响三、晶体结构对扩散的影响l 1. 扩散系数随同

10、素异构转变变化较大扩散系数随同素异构转变变化较大 -Fe的自扩散系数是的自扩散系数是-Fe的的240倍倍 在在527 ，氮在，氮在-Fe的自扩散系数比的自扩散系数比-Fe大大1500倍倍l 结构不同的固溶体对扩散元素的溶解结构不同的固溶体对扩散元素的溶解度是不同的，由此造成的浓度梯度不度是不同的，由此造成的浓度梯度不同，也会影响扩散速度同，也会影响扩散速度第三节第三节 影响扩散的因素影响扩散的因素 2.晶体结构异向性的影响晶体结构异向性的影响 原子通过跃迁进行扩散，晶体中各晶向原子排到及其间距不同，因而不同晶向上的扩散有一定差别。 立方晶系，三个晶轴方向原子挑到情况相同，扩散系数相同 六方晶系

11、，特别是菱方结构，异向性较大，扩散的各向异性明显20 3、晶体缺陷的影响、晶体缺陷的影响： 空位和位错促进置换型原子的扩散，但对间隙型原子的扩散的作用尚无定沦，近来的一些研究认为，它们可能作为陷阱吸引间隙扩散原子，使它们的扩散激活能增大，减慢扩散速度。21问题C C在在-Fe-Fe中的溶解度为中的溶解度为0.02%0.02%，而，而在在-Fe-Fe的最大溶解度为的最大溶解度为2.21%2.21%，相差相差100100倍；而且倍；而且C C在在-Fe-Fe中的扩中的扩散系数比散系数比-Fe-Fe大很多，为什么在大很多，为什么在工业上还要选择在工业上还要选择在-Fe-Fe的固溶体的固溶体中渗碳？中

12、渗碳？ 渗碳层深度渗碳层深度 渗碳的温度影响渗碳的温度影响2223四、浓度对扩散的影响四、浓度对扩散的影响组元的扩散系数随浓度的变化而变化，但组元的扩散系数随浓度的变化而变化，但当固溶体浓度较低，或扩散浓度变化不大当固溶体浓度较低，或扩散浓度变化不大时，在求解扩散方程过程中，可以认为影时，在求解扩散方程过程中，可以认为影响不大。响不大。第三节第三节 影响扩散的因素影响扩散的因素 某些金属发生同素异转变时扩散系数也随之改变。24252627五、合金元素对扩散的影响五、合金元素对扩散的影响l 碳化物形成元素W、Mo、Cr等与碳的结合力较大，降低Dc-l Mn等形成碳化物能力较弱，对Dc-几乎没有影

13、响。l Co、Ni等非碳化物形成元素，由于溶入基本点阵而产生点阵畸变相当于减少（原子的扩散激活能，提高Dc-)。第三节第三节 影响扩散的因素影响扩散的因素 28第三节第三节 影响扩散的因素影响扩散的因素 六、表面和界面对扩散的影响六、表面和界面对扩散的影响-短路扩散短路扩散291）间隙固溶体：因溶质原子较小，易于扩散，因此，晶内扩散与晶界扩散的差别不大2）置换固溶体或纯金属：原子在晶界上的扩散比晶内扩散快得多，晶界扩散晶内扩散。原因：晶界处点阵畸变较大，原子处于较高的能量状态，易于跳动，故晶界扩散激活能Qgb比晶内扩散激活能Qv小得多。第四节第四节 扩散热力学分析扩散热力学分析 原子扩散的驱动

14、力是化学位梯度，不是浓度梯度。 在一般情况下，化学位梯度与浓度梯度方向相同，故扩散向浓度降低方向进行。 在某些情况下，化学位梯度与浓度梯度方向相反时，则原子扩散向化学位减少的方向进行，原子从浓度低的地方扩散到浓度高的地方，即上坡扩散。30 如Fe-C合金与Fe-C-Si合金扩散偶的扩散，将Fe-0.4%C合金棒与Fe-0.4%-3.8%Si合金棒焊在一起，在1000长时间保温，进行扩散退火后，碳的浓度分布如下图所示31 原因：Si提高了碳的化学位，因而C从含Si棒向无Si棒扩散，从而降低C在含Si棒的化学位，消除了化学位梯度。32第五节 反应扩散 一、反应扩散反应扩散： 通过扩散自金属表面向内

15、渗入某种元素时，若该扩散元素的含量超过基本金属的溶解时，则随着扩散的进行，在金属表面会形成另一新相层（多为中间相），这种伴随有新相出现的扩散过程称反应扩散，或相变扩散。3334 由反应扩散所形成的相可参考平衡相图进行分析。实验结果表明，在二元合金反应扩散的渗层组织中不存在两相混合区，只有孤立的单相区存在，而且在它们的相界面上的浓度是突变的，它对应于相图中每个相在一定温度下的极限溶解度，不存在两相混合区的原因可用相平衡的热力学来解释。3536一、钢的渗碳一、钢的渗碳 渗碳通常是指向低碳钢制造的工件表渗碳通常是指向低碳钢制造的工件表面渗入碳原子，使工件表面达到高碳钢的面渗入碳原子，使工件表面达到高

16、碳钢的含碳量。其目的是使工件在热处理后表面含碳量。其目的是使工件在热处理后表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持低碳钢良好的塑、韧性。低碳钢良好的塑、韧性。补充补充 扩散的应用扩散的应用 37钢的渗碳2 依所用渗碳剂的不同，钢的渗碳可分为气体渗依所用渗碳剂的不同，钢的渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。最常用的是气体渗碳，碳、固体渗碳和液体渗碳。最常用的是气体渗碳，其工艺方法是将工件放入密封的加热炉中，加热其工艺方法是将工件放入密封的加热炉中，加热到临界温度以上（通常为到临界温度以上（通常为900950）按一定流）按一定流量滴入液体渗碳剂（如煤油、甲醇

17、和丙酮），并量滴入液体渗碳剂（如煤油、甲醇和丙酮），并使之分解使之分解, 分解产物有分解产物有CnH2n和和CnH2n+2, 在钢在钢的表面发生如下的反应的表面发生如下的反应CnH2n nH2 + nCCnH2n+2 (n+1)H2 + nC 从而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向钢从而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向钢的内部扩散而进行渗碳。的内部扩散而进行渗碳。38钢的渗碳3391.已知初始条件，已知初始条件，求求渗碳时间渗碳时间t；2. 求一定渗碳层深度下的浓度；求一定渗碳层深度下的浓度；3. 求渗碳层深度求渗碳层深度)2/()/(0DtxerfCCCCsxs钢的渗碳钢的渗碳440414

18、243第四节第四节 扩散的应用扩散的应用 此 現 象此 現 象常發生在磷元素之常發生在磷元素之擴散，當晶片表面擴散，當晶片表面之摻雜濃度高至接之摻雜濃度高至接近溶解度時，元素近溶解度時，元素擴散分佈曲線會顯擴散分佈曲線會顯示異常的行為。一示異常的行為。一系列的模擬圖顯示，系列的模擬圖顯示，在在1000oC1000oC時進行擴時進行擴散一個小時後，不散一個小時後，不同表面濃度的磷元同表面濃度的磷元素擴散後的分佈曲素擴散後的分佈曲線圖。磷元素擴散，線圖。磷元素擴散，其擴散係數大約增其擴散係數大約增加了兩個數量級。加了兩個數量級。 二、半导体扩散参杂二、半导体扩散参杂44第六章 材料的塑性变形纳米铜

19、的室温超塑性45第一节 金属变形概述弹性变形塑性变形断裂弹性变形塑性变形断裂46第一节 金属变形概述弹性变形弹性变形：变形可逆；变形可逆；应力应变呈应力应变呈线性关系。线性关系。弹性模量弹性模量：原子间结合原子间结合力的反映和力的反映和度量。度量。47第二节 单晶体的塑性变形 常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折。常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭折。一一 滑移滑移 1 1 滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部

20、原子排列规律性的塑产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。变方式。 光镜下：滑移带（无重现性）。光镜下：滑移带（无重现性）。 2 2 滑移的表象学滑移的表象学 电境下：滑移线。电境下：滑移线。48第二节 单晶体的塑性变形 一一 滑移滑移 光镜下：滑移带（无重现性）。光镜下：滑移带（无重现性）。 2 2 滑移的表象学滑移的表象学 电境下：滑移线。电境下：滑移线。49第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 滑移面滑移面 （密排面）（密排面） （1 1）几何要素）几何要素 滑移方向（密排方向）滑移方向（密排方向） 50第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学

21、滑移的晶体学 （2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。 滑移系的个数滑移系的个数:(:(滑移面个数）滑移面个数）（每个面上所具有（每个面上所具有的滑移方向的个数）的滑移方向的个数）51第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （2 2）滑移系）滑移系 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。 滑移系的个数滑移系的个数:(:(滑移面个数）滑移面个数）（每个面上所具有（每个面上所具有的滑移方向的个数）的滑移方向的个数）晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常

22、见金属面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106212Fe,W,Mo体心立方12112112Fe,W12324124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti密排六方52第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （2 2）滑移系）滑移系 一般滑移系越多，塑性越好；一般滑移系越多，塑性越好；滑移系数目与材料塑性的关系：滑移系数目与材料塑性的关系： 与滑移面密排程度和滑移方与滑移面密排程度和滑移方 向个数有关；向个数有关； 与同时开动滑移系数目有与同时开动滑移系数目有 关（关（ c c）。）。晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属

23、面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au1106212Fe,W,Mo体心立方12112112Fe,W12324124Fe0001133Mg,Zn,Ti10103Mg,Zr,Ti10116Mg,Ti密排六方53第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （3 3）滑移的临界分切应力（）滑移的临界分切应力（ c c） c c：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。 外力在滑移方向上的分解。外力在滑移方向上的分解。 c c s scoscos coscos 54第二节 单晶体的塑性变形 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 （3 3

24、）滑移的临界分切应力（）滑移的临界分切应力（ c c） c c取决于金属的本性，不受取决于金属的本性，不受 ， 的影响；的影响； 或或 9090 时，时， s s ； c c s scoscos coscos s s的取值的取值 ， 4545 时，时， s s最小，晶体易滑移；最小，晶体易滑移； 软取向：值大；软取向：值大； 取向因子：取向因子：coscos coscos 硬取向：值小。硬取向：值小。 55第二节 单晶体的塑性变形 4 4 滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动 （1 1）位向和晶面的变化）位向和晶面的变化 拉伸时拉伸时, ,滑移面和滑移方向趋于滑移面和滑移方向趋于 平行于力轴方向平

25、行于力轴方向 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。 几何硬化：几何硬化： ， 远离远离4545 ，滑移变得困难，滑移变得困难；（2 2）取向因子的变化）取向因子的变化 几何软化；几何软化； ， 接近接近4545 ，滑移变得容易，滑移变得容易。56第二节 单晶体的塑性变形 5 5 多滑移多滑移 （1）滑移的分类）滑移的分类 多滑移：在多个（多滑移：在多个（22）滑移系上同时或交替进行的滑移。）滑移系上同时或交替进行的滑移。 双滑移：双滑移： 单滑移：单滑移： （2 2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹

26、角分别相等的一组滑移系。夹角分别相等的一组滑移系。57第二节 单晶体的塑性变形 6 6 交滑移交滑移 （1 1）交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一）交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。滑移方向进行的滑移。 （2）机制）机制 螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程；交的另一滑移面的过程； 螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。滑移面的过程。58第二节 单晶体的塑性变形 7 滑移的表面痕迹滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带

27、；单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带； 交滑移：波纹状的滑移带。交滑移：波纹状的滑移带。59第二节 单晶体的塑性变形二二 孪生孪生 （1 1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。关系。 孪生面孪生面 A1111,A2112,A31012A1111,A2112,A31012（2 2）孪生的晶体学）孪生的晶体学 孪生方向孪生方向 A1,A2,A3A1,A2,A3 孪晶区孪晶区 60

28、第二节 单晶体的塑性变形二二 孪生孪生 （3）孪生变形的特点滑移孪生相同点1均匀切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构。不同点晶体位向不改变（对抛光面观察无重现性）。改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）位移量滑移方向上原子间距的整数倍，较大。小于孪生方向上的原子间距，较小。对塑变的贡献很大，总变形量大。有限，总变形量小。变形应力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于滑移变形条件一般先发生滑移滑移困难时发生变形机制全位错运动的结果分位错运动的结果2h61第三节 多晶体的塑性变形1 1 晶粒之间变形的传播晶粒之间变形的传播 位错在晶界塞积位错在晶界塞积 应力集中应力集中 相邻晶

29、粒位错源开动相邻晶粒位错源开动 相相邻晶粒变形邻晶粒变形 塑变塑变 2 2 晶粒之间变形的协调性晶粒之间变形的协调性 （1 1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。 （2 2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）致晶体分裂） （3 3）条件：独立滑移系）条件：独立滑移系 5 5个。（保证晶粒形状的自由变个。（保证晶粒形状的自由变化）化） 多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。 多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶

30、界，变形复杂。且存在许多晶界，变形复杂。62第三节 多晶体的塑性变形3 3 晶界对变形的阻碍作用晶界对变形的阻碍作用 （1 1）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。 （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。过。 （3 3）晶粒大小与性能的关系）晶粒大小与性能的关系 a a 晶粒越细，强度越高晶粒越细，强度越高( (细晶强化细晶强化：由下列霍尔配奇公式：由下列霍尔配奇公式可知可知) ) s s= = 0 0+kd+kd-1/2-1/2 原因：晶粒越细，晶界越多，位错运

31、动的阻力越大。（有原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有尺寸限制）尺寸限制）63第三节 多晶体的塑性变形 b b 晶粒越细，塑韧性提高晶粒越细，塑韧性提高晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中 导致导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高高塑性塑性。细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量能量, ,表现出表现出高韧性高韧性。64第四节 合金的塑性变形一一 固溶体的塑性变形固

32、溶体的塑性变形 1 1 固溶体的结构固溶体的结构 2 2 固溶强化固溶强化 （1 1）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。度提高而塑性、韧性下降的现象。 晶格畸变，阻碍位错运动；晶格畸变，阻碍位错运动； （2 2）强化机制）强化机制 柯氏气团强化。柯氏气团强化。65第四节 合金的塑性变形一一 固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 2 2 固溶强化固溶强化 （3 3）屈服和应变时效）屈服和应变时效 现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。 预变形和时效的影响：预变形和时

33、效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后立即加载不出现屈服现象；去载后放置一段时间或去载后放置一段时间或200200加热后再加载出现屈服。加热后再加载出现屈服。(why?) 原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。66第四节 合金的塑性变形一一 固溶体的塑性变形固溶体的塑性变形 2 2 固溶强化固溶强化 （4）固溶强化的影响因素）固溶强化的影响因素 溶质原子含量越多，强化效果越好；溶质原子含量越多，强化效果越好； 溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；价电子数差越大，强化效果越好；价电子数差越大，强化效果越好；

34、 间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。67第四节 合金的塑性变形二二 多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形 1 1 结构：基体第二相。结构：基体第二相。 2 2 性能性能 （1）两相性能接近：按强度分数相加计算。）两相性能接近：按强度分数相加计算。 （2）软基体硬第二相）软基体硬第二相 第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）；第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）； a a结构结构 两相呈层片状分布（珠光体）；两相呈层片状分布（珠光体）； 第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）。68第四节 合金的塑性变形二二 多相合金的塑

35、性变形多相合金的塑性变形 2 2 性能性能 （2）软基体硬第二相）软基体硬第二相 弥散强化：位错绕过第二相粒子弥散强化：位错绕过第二相粒子( (粒子、位粒子、位错环阻碍位错运动错环阻碍位错运动) )b b强化强化 沉淀强化：位错切过第二相粒子（表面能、沉淀强化：位错切过第二相粒子（表面能、错排能、粒子阻碍位错运动）错排能、粒子阻碍位错运动）第五节 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 6970一、塑性变形对材料组织和性能的影响一、塑性变形对材料组织和性能的影响 1.1.金属组织的变化金属组织的变化（1 1）晶粒发生变形）晶粒发生变形 晶粒沿形变方向被拉长或压扁；晶粒沿形

36、变方向被拉长或压扁；变形量很大时变形量很大时, , 晶粒变成细条状晶粒变成细条状( (拉伸时拉伸时), ), 金属中的夹杂物金属中的夹杂物也被拉长也被拉长, , 形成形成纤维组织纤维组织。变形前变形前变形后变形后71塑性变形中的组织变化75变形变形细条状纤维细条状纤维组织组织50变形变形拉长或压拉长或压扁的晶粒扁的晶粒25变形变形滑移线滑移线未变形未变形原始晶粒原始晶粒7273（2 2）亚结构形成）亚结构形成 金属经大的塑性变形时金属经大的塑性变形时, , 位错密度增大位错密度增大, , 大量位错堆积大量位错堆积在局部地区在局部地区, , 相互缠结相互缠结, , 形成形成位错胞（大量位错缠结在

37、位错胞（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。）胞壁，胞内位错密度低。）形成不均匀的分布形成不均匀的分布, , 使晶粒使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块分化成许多位向略有不同的小晶块, , 产生产生亚晶粒亚晶粒。 金属经变形后的亚结构金属经变形后的亚结构74 （3 3）变形织构）变形织构 金属原本是伪各向同性，但金属塑性变形到一定程金属原本是伪各向同性，但金属塑性变形到一定程度时度时, , 由于晶粒发生转动由于晶粒发生转动, , 使各晶粒的位向趋近于一使各晶粒的位向趋近于一致致, ,导致各向异性的产生，这种有序化的结构叫做导致各向异性的产生，这种有序化的结构叫做变形变形织构织构。 按照产品外形

38、，变形织构可分为：按照产品外形，变形织构可分为：丝织构和板织构丝织构和板织构75学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2形变织构示意图形变织构示意图 丝织构丝织构 各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳钢各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳钢经大变形量冷拔后经大变形量冷拔后, , 其（其（100100）平行于拔丝方向）平行于拔丝方向; ; 板织构板织构 各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向。各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向。低碳钢的板织构为低碳钢的板织构为001001（110110）。）。（2 2）织构）织构绝大部分晶粒的某一位向与外力方向

39、趋于一致，性能出现各向异性。晶粒拉长，但未出现织构。晶粒拉长，且出现织构。77学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.278第五节 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 二二 对性能的影响对性能的影响 1 1 对力学性能的影响（加工硬化）对力学性能的影响（加工硬化） （1 1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增）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象。加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。 79第五节 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

40、影响 二二 对性能的影响对性能的影响 1 1 对力学性能的影响（加工硬化）对力学性能的影响（加工硬化） 强化金属的重要途径；强化金属的重要途径； 利利 提高材料使用安全性（）；提高材料使用安全性（）； （2 2）利弊）利弊 材料加工成型的保证。材料加工成型的保证。 弊弊 变形阻力提高，动力消耗增大；变形阻力提高，动力消耗增大； 脆断危险性提高。脆断危险性提高。 80第五节 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 二二 对性能的影响对性能的影响 2 2 对物理、化学性能的影响对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；

41、 结构缺陷增多，扩散加快；结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。化学活性提高，腐蚀加快。81第五节 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 三三 残余应力（约占变形功的残余应力（约占变形功的1010） 第一类残余应力（第一类残余应力（ ）：宏观内应力，由整个物）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起。体变形不均匀引起。 1 1 分类分类 第二类残余应力（第二类残余应力（ ）：微观内应力，由晶粒变）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。形不均匀引起。 第三类残余应力（第三类残余应力（ ）：点阵畸变，由位错、空）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。位等引起。80-

42、90%80-90%。 利：预应力处理，如汽车板簧的生产。利：预应力处理，如汽车板簧的生产。 2 2 利弊利弊 弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。 3 3 消除：去应力退火。消除：去应力退火。 82第七章 金属的回复与再结晶1. 形变金属材料退火过程中的组织和性能变化2. 回复 3. 再结晶 4. 晶粒长大 5. 金属的热加工 83第一节第一节 冷变形金属在加热时的冷变形金属在加热时的组织与性能变化组织与性能变化 一 回复与再结晶 回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。 再结晶：冷变形

43、金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。 回复 再结晶 晶粒长大84第一节第一节 冷变形金属在加热时的冷变形金属在加热时的组织与性能变化组织与性能变化 二 显微组织变化（示意图） 回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化； 再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。 晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。 回复 再结晶 晶粒长大显微组织变化86第一节第一节 冷变形金属在加热时的冷变形金属在加热时的组织与性能变化组织与性能变化 三三 性能变化性能变化 1 1 力学性能（示意图）力学性

44、能（示意图）回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高， 粗化严重时下降。粗化严重时下降。2 2 物理性能物理性能密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；密度：在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高；电阻：电阻在回复阶段可明显下降。电阻：电阻在回复阶段可明显下降。88第一节第一节 冷变形金属在加热时的冷变形金属在加热时的组织与性能变化组织与性能变化 四 储

45、存能变化（示意图） 1 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（10）变形功。 弹性应变能（312） 2 存在形式 位错（8090） 驱动力 点缺陷 3 储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置，储存能得以释放。89第一节第一节 冷变形金属在加热时的冷变形金属在加热时的组织与性能变化组织与性能变化 五 内应力变化 回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力； 再结晶阶段：内应力可完全消除。第二节 回 复（Recovery） 所谓回复，即在加热温度较低时，仅因金属中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内的变化。回复阶段一般加热温度在0.4Tm以下。2.1 回复时组织

46、性能变化 1) 宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；2) 物理性能，如电阻率，有明显降低，有的可基本回到未变形前的水平；3) 力学性能，如硬度和流变应力，觉察不到有明显的变化；4) 光学金相组织看不出任何变化，温度较高发生回复，在电子显微镜下可见到晶粒内部组织的变化。(位错的胞状组织转变为亚晶)2.2 回复机制 低温阶段低温阶段 点缺陷的迁移和减少点缺陷的迁移和减少, , 表现为表现为: :- 空空位与间隙原子的相遇而互相中和位与间隙原子的相遇而互相中和- 空位或间隙原子运动到刃位错处消失，引起位错的攀移空位或间隙原子运动到刃位错处消失，引起位错的攀移- 点缺陷运动到界面处消失。点缺陷运动到界

47、面处消失。中温阶段中温阶段: p 缠结位错重新组合缠结位错重新组合; p 异号位错抵消异号位错抵消, 位错密度略有降低。位错密度略有降低。p 亚晶粒长大。亚晶粒长大。2.2 回复机制高温回复高温回复1) 位错攀移和位错环缩小；2) 亚晶粒合并；3) 多边化。多边化 是指冷变形金属加热时，原来处于滑移面上的位错，通过滑移和攀移形成与滑移面垂直的亚晶界的过程。多边化的驱动力是弹性应变能的降低。2.3 回复动力学 冷变形材料性能的回冷变形材料性能的回复程度与回复处理的复程度与回复处理的时间和温度有关。时间和温度有关。回回复过程是热激活过程，复过程是热激活过程，转变的速度决定于原转变的速度决定于原子的

48、活动能力。子的活动能力。上图中硬化分数 R 表示为：R=(m-r)/(m-0)；m、r、0分别为变形后、回复后以及完全退火后的屈服应力。其它材料性能参量的回复过程也具有类似的热激活特征。设变形前（或完全退火态）材料的某一可测物性参量(如电阻率等)为P0，冷变形后为Pd，回复过程中其性能P和回复温度、时间满足如下动力学关系： 其中A为与材料类型结构有关的常数，Q为回复激活能，R为气体常数，T发生回复温度，t为回复进行的时间。 )exp(ln00RTQAtppppd同理，不同的温度下，回复到相同的程度所需时间可以表示为：即ln t 1/T成线性关系。一方面可以由此测量计算它的激活能；另一方面说明热

49、激活过程中时间和温度的等效关系。实际上任何材料变形后都在慢慢的发生回复，室温下无明显变化主要是因为变化的速度很慢所致。 TRQCt1ln 去应力退火 降低应力（保持加工硬化效果） 防止工件变形、开裂，提高耐蚀性。2.4 回复应用回复应用 第三节 再结晶(Recrystallization)3.1 再结晶的基本过程冷变形后的金属加热到一定温度(一般大于0.4Tm)或保温足够时间后，在原来的变形组织中产生了无畸变的新晶粒，新生成的晶粒逐渐全部取代塑性变形过的晶粒，位错密度显著降低，性能发生显著变化并恢复到冷变形前的水平，这个过程称为再结晶。再结晶的驱动力也是变形储能的降低。p 变化前后的晶粒成分相

50、同，晶体结构并未发生变化，因此它们是属于同一个相。p 再结晶不像相变那样，有转变的临界温度点，即没有确定的转变温度。p 再结晶过程是不可逆的，相变过程在外界条件变化后可以发生可逆变化。p 发生再结晶的热力学驱动力是冷塑性变形晶体的畸变能，也称为储存能。冷塑性变形后的发生再结晶，晶粒以形核和晶核长大来进行，但再结晶过程不是相变。原因有：3.2 再结晶形核再结晶的形核是个复杂的过程。最初人们尝试用经典的形核理论来处理再结晶过程，但计算得到的临界晶核半径过大，与试验结果不符。大量实验表明，再结晶晶核总是在塑性变形引起的最大畸变处形成，并且回复阶段发生的多边化是再结晶形核的必要准备。3.2.1 亚晶粒

51、长大形核机制亚晶粒长大形核一般在受大变形度的材料中发生。回复阶段，塑性变形所形成的胞状组织经多边化发展成亚晶，其中亚晶长大形核的方式有亚晶合并和亚晶界移动两种机制。a.亚晶合并机制相邻亚晶界的位错，通过滑移和攀移转移到周围晶界或亚晶界上，导致原来亚晶界的消失，最后通过原子扩散和位置的调整，使两个或多个亚晶粒的取向变为一致，合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核。b.亚晶界移动机制如上图，晶粒中某些局部位错密度很高的亚晶界向周边移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为再结晶晶核。3.2.2晶界凸出形核机制金属变形是不均匀的，若晶界两边一个晶粒的位错密度高，另一个位错密度低，加热时晶界会向密度高的

52、一侧突然移动，高密度一侧的原子转移到位错低的一侧，新的排列应为无畸变区，这个区域就是再结晶核心。 和结晶形核方式类似，晶界弯曲后，一方面晶界的弯曲面因面积增加会增加界面能，另一方面形核区中原变形区内有应变能的释放 。形核的临界条件是 ：其中ES为单位体积内的应变畸变能，为界面能，a为生成前晶界的半径。 晶界凸出形核现象在铜、镍、银、铝及铝-铜合金中曾直接观察到。 变形晶粒晶界附近的原子移动到新的变形晶粒晶界附近的原子移动到新的未变形晶粒上，从而可以减少变形应未变形晶粒上，从而可以减少变形应变能，新晶粒不断长大到相遇，最后变能，新晶粒不断长大到相遇，最后全部为新晶粒，再结晶完成全部为新晶粒，再结

53、晶完成。 3.3 核心的长大核心的长大3.4 形核率和长大线速率的影响因素p 变形程度提高、原始晶粒尺寸减小，材料中变形储能提高，高能区域增多，再结晶形核率N和长大速率G增大。p 形核率和长大速率与温度的关系满足：N=N0exp(-QN/RT)；G=G0exp(-QG/RT)N0、G0为常数，QN、QG分别为形核和长大激活能，当变形程度为12%左右时，两者大体相等。p 固溶于合金中的微量元素或杂质，往往聚集在点阵缺陷（空位、位错、亚晶界）周围，使它们难以运动，不易形成再结晶核心，降低形核率。p粗大第二相杂质粒子存在于基体中时，塑性变形后在分界面会产生局部的点阵畸变很严重的区域，使邻近的第二相的

54、基体中容易形核，促使形核率增大。p极为细小的二相粒子(70%)后，可能产生明显织构，在退火温度高时发生晶粒的异常长大。退火温度和时间：退火温度和时间：退火温度高，完成再结晶用的时间少，长大的时间就长，所以随退火温度的提高而晶粒尺寸增大。再结晶退火一般均采用保温 2小时，保证再结晶充分完成而晶粒不过分长大，延长保温时间显然会造成晶粒尺寸的长大。 5.2 影响再结晶后的晶粒尺寸因素5.2 影响再结晶后的晶粒尺寸因素3) 杂质：无论是固溶于晶体内的异类原子，还是在材料组织中存在的第二相质点，特别是弥散分布时，都将促进再结晶后的晶粒细化。4) 原始晶粒大小：在其他条件相同时，材料变形前的晶粒尺寸愈细小

55、，晶界面多，有利形核，再结晶后的晶粒也细小。5) 变形温度：材料变形温度较高，或再结晶退火前进行较有效的回复处理，因降低了畸变能，可使再结晶后的晶粒变粗。p 应避免在临界变形量；p 同时一次不宜进行过大的变形，防止产生组织织构或出现晶粒的异常长大；p 严格控制再结晶退火的温度和保温时间，以保证再结晶能充分完成而晶粒不过分长大。控制方法再结晶晶粒尺寸和凝固结晶一样，决定于形核率和长大速率的比值。为了防止再结晶后晶粒粗大，材料需要进行再结晶退火时：5.2 影响再结晶后的晶粒尺寸因素5.3 其他组织变化 再结晶织构材料的冷变形程度较大，如果产生了变形织构，在再结晶后晶粒取向的遗传，组织依然存在择优取

56、向，这时的织构称为再结晶织构。 再结晶织构对进一步的加工不利。如冲压再结晶铜板形成制耳。经常在Cu中加入少量P、Be、Cd、Sn等杂质，退火孪晶有些结构的金属及合金，再结晶退火后经常出现孪晶组织，这种孪晶称为退火孪晶或再结晶孪晶。 第六节 金属的热加工 1.热加工 2.热加工的流变应力3.热加工时的软化机制 4.热加工对材料组织性能的影响 6.1 何谓热加工？何谓热加工？p 热加工：再结晶温度以上的加工称为“热加工”。p 温加工：低于再结晶温度高于室温的加工。p 冷加工：室温加工。p Sn的再结晶温度低于室温，因此室温下对锡的加工即为热加工。6.2 热加工的流变应力热加工所需的应力称为流变应力

57、。塑性变形一方面产生加工硬化，进一步变形需要加大应力，另一方面在再结晶温度以上，材料会发生再结晶软化，可使变形应力减小，并且加工硬化程度越高，再结晶速度越快，二者达到动态平衡后，继续变形就不需要再加大应力，也就是在这个应力作用下能一直变形，这个应力就是流变应力。流变应力的大小和材料的本质有关，由材料成分所决定的强度高，对应的流变应力必然也高。此外，还和变形温度和变形速度有直接的关系，流变应力随变形速率(单位时间内的变形量)加大而增加，随变形温度升高而下降。 6.3 热加工时的软化机制热加工时的软化机制 在高温下，塑性变形的同时，发生组织结构的软化，尽管软化本身的方式也是属于回复和再结晶，由于变

58、形硬化和软化同时发生，软化具有自己的特点，热加工时软化有以下类型：1）动态回复：）动态回复：在热加工的温度下，材料可以进行较快回复过程。它不同于静态回复，材料在变形的同时，一方面变形在增加缺陷，另一方面以回复方式减少部分缺陷，某些性能因二者的同时作用可达到动态平衡，维持在某一固定的水平。 2）动态再结晶）动态再结晶：多晶材料发生塑性变形，部分区域的变形量超过临界变形量后，以再结晶方式形核，变形量增加，形核的部位也在增加，形成的核心不断的长大。由于变形在继续进行，长大的晶粒也在变形中，一边长大的同时，内部又因变形而增加缺陷硬化，长大前后不同，内部的缺陷密度也不同。这些在再结晶中生成长大的晶粒当变形超过一定程度会再次形核长大，如此周而复始。材料中的平均统计缺陷的密度决定于变形速率，变形速率高，平均硬化程度维持在较高的水平，材料在变形中表现出较高的流变应力。 6.3 热加工时的软化机制热加工时的软化机制 3）亚动态再结晶：）亚动态再结晶：变形过程中形成的再结晶核心或长大未完成的小晶体，在变形过程停止后的继续