吉林大学材料科学基础考研第八章

1、本章重点内容本章重点内容1.1.多晶体材料的塑性变形特点多晶体材料的塑性变形特点. .2.2.几种重要的强化机制及其特点几种重要的强化机制及其特点. .（时效强化，二相晶粒强化和应变强化）3.3.滑移与位错的特点及联系滑移与位错的特点及联系4.4.晶体结晶与再结晶的区别晶体结晶与再结晶的区别. .滑移带，滑移线与滑移系滑移带，滑移线与滑移系: : 将抛光的单晶体棒试样经良好抛光后进行适当拉伸，使之产生一定的塑性变形，即可在金属棒表面见到一条条细线，通常称为滑移线，事实上它是一系列的台阶，用电镜观观察会发现它由许多更细的线组成，这些细线我们称为滑移线宏观所看到地滑移线事实上是滑移带塑性变形时位错

2、只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”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面心立方中12个，体心立方中48个，密排六方中个滑移系(09) 滑移总是沿着一定的晶面和该面上一定的晶向进行，这种晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向；一个滑移面与其面上的一个滑移方向组成一个滑移系。一个滑移系就是滑移时的一种空间取向或一种可能性。因此，滑移系越多，金属变形能力越大。单晶体的滑移4滑移的机理 实验证明，滑移是位错在切应力作用下运动的结果滑移线是位错运动到晶体表面所产生的台阶。晶体通过刃型位错移动造成滑移的示意图 滑移线是位错运动到晶体表面所产生的台阶。当一

3、条位错线移动到晶体表面时，便会留下一个原子间距的台阶。同一滑移面上若有大量的位错线不断地移出，则滑移台阶就不断增大，直到形成显微观察到的滑移线（带）。 合金的塑性变形与纯金属的变形基本一致，只是由于合金元素的加入而使金属晶体结构发生了变化,从而改变了基体金属的变形拉力，使材料机械性能发生了显著变化。这对工程上的塑性加工和强化金属有重大意义。 单相合金：有一种相组成的合金6多晶体材料的塑性变形多晶体材料的塑性变形滑移时晶体的转动 晶体借滑移发生塑性变形时，往往伴随着晶体取向的改变 自由滑移变形 受夹具限制时的变形 晶体在拉伸时的转动多晶体材料的塑性变形多晶体材料的塑性变形压缩时同样伴随着晶面的的

4、变化晶体在压缩时的晶面转动 位向改变的结果，使角增大，减小，故随着滑移的进行，不仅滑移面转动，且滑移方向也在旋转。原来处在软位向的滑移系，变形阻力增大，即产生几何硬化；而处在硬位向的滑移系可能转到软位向而参与滑移，即产生几何软化。9多晶体的塑性变形特点多晶体的塑性变形特点晶粒取向的影响（亦称取向差效应）变形有先有后变形有先有后 各晶粒相对于外力轴的取向不同，位向有利的晶粒先变形，且不同晶粒变形量也不同。一般变形度达到20%，几乎所有晶粒都可参加变形。各个晶粒的变形必须协调各个晶粒的变形必须协调 对一个晶粒来讲不能自由地、均匀地滑移，它要受到相邻晶粒的牵制，故晶粒之间要互相配合、协调。如果协调不

5、好，将会导致塑性下降（晶界处开裂）。变形不均匀导致内应力不均匀变形不均匀导致内应力不均匀 10晶界对滑移的阻滞效应 晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，且晶界两侧的晶粒取向不同，因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，即室温下晶界对滑移有阻滞效应，如下图所示 经拉伸后晶界处呈竹节状11晶粒大小对变形抗力的影响 一般来说，晶界可使金属强化，也可使金属软化，这主要依赖于温度和变形速率。当温度低于某个值，且变形速率较大时，晶粒细化会使金属强度升高；但当温度高于上述界限及变形速率很慢时，晶界增多反而使金属强度降低。故高温合金一般希望获得粗晶组织。细晶强化在提高材料强度的同时，也改善材料

6、的塑性和韧性，这是其他强化方法所不具备的。 多晶体材料的塑性变形特点总结多晶体材料的塑性变形特点总结由于多晶体材料中各个晶粒的取向各不相同,因此多晶体材料的塑性变形需要各个晶粒的多系滑移来保证相互之间的协调性.多晶体中存在的晶界对晶体材料的变形具有阻碍效应.多晶体材料的强度随晶粒的变小而增加.晶粒越小变形越困难.13合金的塑性变形与强化单相合金的塑性变形单相合金的塑性变形合金元素在金属基体中的存在形式有两种，一是形成固熔体；二是形成第二相，与基体组成机械混合物。它们具有不同的变形特点。 固熔强化 由于异类原子（熔质原子）的存在，使合金塑性变形抗力大大提高，表现为强度、硬度增加，塑性、韧性下降，

7、这种现象称为固熔强化。固熔强化的实质是熔质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。即熔质原子与位错弹性交互作用的结果。14固溶强化效果的影响因素固溶强化效果的影响因素溶质原子的浓度：溶质原子的浓度：浓度越高，一般其强化效果越好。原子尺寸因素：原子尺寸因素：溶质与溶剂原子尺寸相差越大，其强化效果越好，但通常原子尺寸相差较大时，溶质原子的溶解度降低。溶质原子的类型：溶质原子的类型：间隙型溶质原子的强化效果好于置换型，特别是体心立方晶体中的间隙原子。相对价因素（电子因素）：相对价因素（电子因素）：溶质原子与基体金属的价电子数目差越大，固溶强化效果越显著。15多相合金的塑性变形多相合金的塑性变形 聚

8、合型两相合金的变形聚合型两相合金的变形 弥散型合金的变形弥散型合金的变形 当第二相颗粒非常细小，弥散地分布在基体相中时，合金的变形抗力很大，强度将显著提高。通常,当第二相粒子的尺寸达到某一临界值时，强化作用最大；而尺寸过大或过小，合金的强度均有所下降。 如果第二相微粒是通过过饱和固熔体的时效处理而沉淀析出，则所产生的强化称为沉淀强化或时效强化；如果这种微粒是靠冶金方法外加的，则称为弥散强化。16 第二相颗粒的强化机制有两种：位错绕过机制及第二相颗粒的强化机制有两种：位错绕过机制及位错切过机制，其主要示意图如下：位错切过机制，其主要示意图如下： 位错绕过第二相粒子示意图颗粒为颗粒为不可变不可变形

9、形17 位错切过粒子示意图位错切过粒子示意图位错切过粒子示意图位错切过粒子示意图颗粒为可变颗粒为可变形形18 小结：小结： 合金强化的途径和方法合金强化的途径和方法 加工硬化（塑性变形强化） 细晶强化 固熔强化 第二相强化（弥散强化） 热处理强化1920回复与再结晶回复与再结晶 组织变化组织变化 t0t1为第1阶段，称为回复 ：显微组织几乎不发生变化，晶粒仍保持变形后的形态 t1t2为第阶段，称为再结晶:变形晶粒通过形核和长大，变为新的等轴晶粒（但不是相变）； t2t3为第阶段，称为晶粒长大:晶粒通过晶界移动，发生长大，直至达到一种相对稳定的尺寸。 冷变形金属组织随加热温度及时间的变化示意图

10、t0t1t2t3回复回复再结晶再结晶晶粒长大晶粒长大回复回复, ,再结晶再结晶, ,晶粒长大晶粒长大回复回复: : 冷塑性变形金属释放其冷塑性变形金属释放其部分应变能部分应变能的过程叫回复。的过程叫回复。是指是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段. .再结晶再结晶: : 再结晶是指出现无畸变的再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒等轴新晶粒逐步取代变形晶粒逐步取代变形晶粒的过程的过程。再结晶后金属的性能也发生了明显的变化并恢复到。再结晶后金属的性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状况变形前的状况晶粒长大晶粒长大： 晶粒长大是指晶

11、粒长大是指再结晶结束再结晶结束之后晶粒的继续长大之后晶粒的继续长大22回复和再结晶的驱动力回复和再结晶的驱动力 储存能: 冷塑变形时，外力所做的功尚有一部分储存在变形金属的内部，这部分能量叫储存能 储存能是变形金属加热是发生回复和再结晶的驱动力23影响再结晶的因素影响再结晶的因素 退火温度：退火温度：加热温度越高，再结晶速度越快。预先变形程度预先变形程度：变形度越大，再结晶开始温度越低；当变形量增大到一定程度后，再结晶开始温度便趋于稳定。微量熔质原子微量熔质原子： 溶质或杂质原子与位错，晶界存在交互作用，偏聚在位错及晶界处，对位错的运动及晶界的迁移起阻碍作用，因此不利于再结晶的形核与长大，阻碍

12、再结晶，使再结晶温度升高。24原始晶粒尺寸：原始晶粒尺寸：其他条件相同情况下，晶粒越细，变形抗力越大，冷变形后储存能越多，再结晶温度越低。相同变形度，晶粒越细，晶界总面积越大，可供形核场所越多，生核率也增大，故再结晶速度加快。分散相粒子分散相粒子 ：既可能促进基体金属的再结晶，也可能阻碍再结晶25影响再结晶后晶粒大小的主要因素有：影响再结晶后晶粒大小的主要因素有： 预先变形程度预先变形程度 当变形度很小时(c)不发生再结晶，故晶粒大小不变；当=2%8%时，再结晶后的晶粒特别粗大，此时的变形度即所谓临界变形度；当变形度大于临界变形度时，随变形度的增加，晶粒逐渐细化 。26 原始晶粒尺寸原始晶粒尺

13、寸 变形度一定时，原始晶粒越细，再结晶后的晶粒也越细 退火温度退火温度 提高退火温度，不仅使再结晶后的晶粒粗大，而且还影响临界变形度的大小 微量熔质原子和杂质微量熔质原子和杂质 一般都能起细化晶粒的作用再结晶的特点:驱动力：再结晶的驱动力是变形金属经回复后未被释放的储存能形核：再结晶的形核主要有两种机制，晶界弓出形核机制和亚晶界形核机制a.对于变形程度较小的金属，其再结晶核心多以晶界弓出方式形核，即应变诱导晶界移动或称为凸出形核机制 b.亚晶形核机制又分为以下几种，亚晶合并机制和亚晶迁移机制，此机制一般是在大的变形度下发生的，依靠亚晶粒的粗化来发展为再结晶核心，亚晶粒本身是在剧烈应变的基体只通

14、过多边化形成的，几乎无位错的低能量地区，它通过消耗周围的能量长大成为再结晶的有效核心，随着形变度过增加会产生更多的亚晶而有利于再结晶形核晶粒长大再结晶晶核形成之后，它就借界面的移动而向周围畸变区域长大，界面迁移的推动力是无畸变的新晶粒本身与周围畸变的母体之间的应变能差，晶界总是背离其曲率中心，向着畸变区域推进，直到全部形成无畸变的等轴晶粒为止，再结晶宣告完成从回复的动力学曲线看回复的特点从回复的动力学曲线看回复的特点没有孕育区在一定温度时，初期的回复速率很大，随后即逐渐变慢，直到趋近于零每一温度的回复程度有一极限值，退火温度愈高，这个极限值也愈高，而达到此一极限值所需时间则愈短预变形量愈大，起

15、始的回复速率也愈快，晶粒尺寸减小也有利于回复过程的加快29u固溶强化作用的影响因素固溶强化作用的影响因素 溶质原子的原子数分数越高,强化作用也越大,特别是 当原子数分数很低时的强化效应更为显著. 溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大则强化作用 越大. 间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果. 溶质原子与基体金属的价电子数相差越大固溶强化作 用越显著,即固溶体的屈服强度随合金电子深度的增 加而提高.第二相粒子的强化作用第二相粒子的强化作用. . 第二相粒子的强化作用是通过其对位错的运动的阻碍作用而表现出来的.第二相粒子可以分为”不可变形”和”可变形两类”.它们与位错的作用机制不用,强化的

16、途径也不相同. 不可变形粒子的强化作用.当运动位错与第二相粒子相遇时,当力足够大时,位错会绕过第二相粒子继续运动,继而在第二相粒子的周围留下位错环,由此会产生一反相应力,使得流变应力迅速提高,此机制称为奥罗万机制. 可变粒子的强化作用.当第二相为可变形的粒子时,位错会切过粒子使之随本体一同变形,此种情况下强化作用取决于粒子本身的性质.详见教材174页.材料的加工硬化材料的加工硬化( (应变强化应变强化).). 金属材料冷加工变形后,强度显著提高,而塑性明显下降,即产生加工硬化现象. 根据单晶体应力-应变曲线,其塑性变形部分由三个阶段组成.177页图示. 第一阶段:易滑移阶段. 第二阶段:线性硬

17、化阶段. 第三阶段:抛物线型硬化阶段.细晶强化细晶强化: : 在多晶体材料中,晶界的面积的增加有利于增加材料的力学性能,而晶界的面积的增加可以直接通减小晶粒的尺寸来体现,多晶体的屈服强度与晶粒的直径关系可用著名的霍尔佩奇公式来表示. 由于晶粒的细化不仅使材料具有较高的强度,硬度,而且也使它具有良好的塑性和韧性,即具有良好的综合力学性能.因此,通过晶粒细化的方法可以很好的提高材料的各项力学性能.纯晶体的凝固纯晶体的凝固理论结晶温度理论结晶温度: : 上交大教材227页图6.2.原子在固态中自由能与液态中自由能随温度变化的两条曲线的交点称为理论结晶温度点.也是熔点Tm.过冷度过冷度: : 理论结晶

18、温度与实际结晶温度的差值称为过冷度. T= Tm-T晶体凝固的热力学条件晶体凝固的热力学条件: 实际结晶温度低于理论结晶温度即存在过冷度. 晶体的凝固晶体的凝固: 晶体的凝固包括形核与长大两个过程.晶体的形核方式晶体的形核方式: : 均匀形核与非均匀形核.临界晶核临界晶核: : 当液相温度降到熔点以下时当液相温度降到熔点以下时, ,在液相中出现的时聚时散的在液相中出现的时聚时散的短程有序的原子集团称为短程有序的原子集团称为晶胚晶胚. .在晶胚的长大过程中在晶胚的长大过程中, ,液态中液态中原子转为晶态排列原子转为晶态排列降低了体系的自由能降低了体系的自由能. .但是表面的增加又但是表面的增加又

19、会引起表面自由能的增加会引起表面自由能的增加. .因此在晶胚长大过程中驱动力与因此在晶胚长大过程中驱动力与阻力并存阻力并存. .但是当临界晶胚小于一定尺寸时但是当临界晶胚小于一定尺寸时, ,会自由熔掉会自由熔掉, ,而而大于一定的尺寸的时候则会继续长大形成晶粒大于一定的尺寸的时候则会继续长大形成晶粒. .具有一定尺具有一定尺寸的晶胚称为临界晶核寸的晶胚称为临界晶核. .过冷度对形核率的影响过冷度对形核率的影响: : 一方面过冷度的减小会减小形核功,有利于形核,增加形核率.另一方面,过冷度如果继续增大,但由于温度较低影响到原子的扩散,形核率又会随之而减小.均匀形核均匀形核: : 晶体在结晶过程中,在液相内部由于热过冷的存在,完合依靠液体内部的晶胚的形核过程称为均匀形核.非均匀形核非均匀形核: : 依靠外来杂质或铸型内壁形核的过程称为非均匀形核.非均匀形核与均匀形核的区别非均匀形核与均匀形核的区别 (1)非均匀形核的形核功要小于均匀形核的形核功. (2)非均匀形核所需要的过冷度较均匀形核小. (3)非均匀形核的临界晶核尺寸较均匀形核小.晶体的长大方式晶体的长大方式: : 按固液相前沿的界面结构来确定:粗糙界面(小平面界面)和光滑界面