中科大材料科学课件07差排与强化机制

第七章差排与强化机制塑性变形：对所施应力众多原子最终运动之反应原子键断裂重组，晶体中差排运动差排特性以及与塑性变形的关系单相金属强化机制回复与再结晶

差排与塑性变形完美晶体的理论强度1930s：假说1950s：电子显微镜验证差排理论：物理与机械现象

基本观念边缘差排：多余半平面（extrahalf-plane）螺旋差排：剪切力偏离，螺旋形，原子平面旋梯混合差排塑性变形：众多差排运动

边缘差排移动：剪切力垂直于差排线多余半平面变动：分段而重复的步骤差排运动导致塑性变形：滑移（slip）差排线横越的平面：滑移平面边缘差排移动如毛虫运动：拉拽最后一对脚一单位脚距，形成隆起小丘峰，藉由重复移动，推进小丘峰

螺旋差排移动：运动方向与剪切力垂直边缘差排移动：运动方向与剪切力平行

产生差排固化、塑性变形、热应力差排密度：mm/mm3or/mm2固化：103/mm2塑性变形：109–1010/mm2热处理：105–106/mm2

差排特性应变场分布差排移动性（mobility）与繁生（multiplication）塑性变形：5%能量留存，95%能量以散热形式流失留存能量主要为差排应变能量

边缘差排应变场分布张、压缩、剪切应变螺旋差排螺旋差排纯剪切应变

差排交互作用同向（Burgersvector）互斥，异向相吸注销（annihilation）

塑性变形差排密度增加来源：差排繁生、晶粒界、内部缺陷、表面刮痕或裂口

滑移系统（slipsystem）差排移动优选（preferred）平面与特定（specific）方向特定晶体结构：优选平面为原子最紧密堆积平面，特定方向为此平面原子最紧密堆积方向

FCC：{111}<110>，12滑移系统BCC：{110}<111>（12），{112}<111>（12），{321}<111>（24）HCP：{0001}<11-20>（3），{10-10}<11-20>（3），{10-11}<11-20>（6）

单晶中的滑移分解剪切应力（resolvedshearstress）φ：应力与应力平面垂线夹角，λ：应力与滑移方向夹角σR=σcosφcosλσR

（max）=σ（cosφcosλ）max临界（critical）分解剪切应力（CRSS）：滑移所需最少应力σy=σCRSS/（cosφcosλ）maxφ=λ=450，σy=2σCRSS

滑移线（sliplines）滑移线与滑移阶梯宽度随塑性变形增加FCC或BCC：转至另一滑移系统HCP：如φ或

λ=900

，直接断裂

复晶中的塑性变形较复杂各晶粒有不同以及多滑移系统变形时试片维持完整与凝聚性各晶粒塑性变形受限（constrained）等轴（equiaxed）至拉长（elongated）复晶较单晶强：几何因素

双晶变形由产生双晶变形双晶：特定平面与方向BCC：{112}<111>（12）滑移与双晶变形均匀性，平面方向改变否，位移

双晶变形之发生BCC与HCP低温，滑移受限，高速负荷力双晶变形而导至滑移变形

单相金属强化机制限制或阻碍差排移动减少晶粒尺寸固溶合金应力硬化

减少晶粒尺寸强化晶粒界阻碍差排移动晶粒方向改变晶粒界原子失序（disorder）排列高角度晶粒界：产生新差排

Hall-Petch方程式σy=σ0+kyd-1/2不适用于过大或过小晶粒增进轫性小角度晶粒界，双晶界，相间边界

固溶合金强化杂质原子应变场与差排作用较小杂质原子：张力较大杂质原子：压缩力杂质原子扩散或偏析至差排：降低应变能阻碍差排移动：需较高能量

应力硬化加工硬化（workhardening）冷加工（coldworking，CW）%CW：（A0-Ad）/A0差排与差排应变场交互作用差排繁生，差排与差排交互作用平均为相斥作用

回复与再结晶热处理（annealing）：电导、热导、抗腐蚀性回复回复：由扩散增益（enhanceddiffusion）差排运动释放能量差排密度降低，差排组构改变

再结晶回复后：高应变能状态产生新无应变（strain-free）、等轴（equi-axed）晶粒经应变材料能量较高

再结晶温度：再结晶在一小时完成之温度（1/3-1/2T