东北大材料成型金属学课件09复习

1.位错理论基础1.1晶体缺陷的类型点缺陷线缺陷面缺陷1.2~1.3位错的基本概念

刃型位错螺型位错柏氏矢量的确定、位错密度1.4位错的应力场及应变能刃型位错的应力场螺型位错周围只有一个切应变：

螺型位错应力场位错应变能位错的线张力定义：每增加单位长度的位错线所做的功或增加的位错能。派—纳力（Peirls-Nabarro），此阻力来源于周期排列的晶体点阵。式中，b为柏氏矢量的模，G：切变模量，v：泊松比W为位错宽度，W=a/1-

，a为滑移面间距1.5位错的运动及晶体的塑性变形1）通过位错滑动而使晶体滑移，τp

较小,设a≈b，v约为0.3，则τp为（10-3~10-4）G，仅为理想晶体的1/100~1/1000。2）τp随a值的增大和b值的减小而下降。在晶体中，原子最密排面其面间距a为最大，原子最密排方向其b值为最小，可解释晶体滑移为什么多是沿着晶体中原子密度最大的面和原子密排方向进行。3）τp随位错宽度减小而增大。强化金属途径：一是建立无位错状态，二是引入大量位错或其它障碍物，使其难以运动。位错的攀移及驱动力化学力：如晶体中有过剩的点缺陷，如空位，单位时间内跳到位错上的空位（原子）数就要超过离开位错的空位（原子）数，产生驱动力；弹性力：多余半原子面缩小、膨胀过程中，如果有垂直于多余半原子面的弹性应力分量，它就要作功。位错攀移的驱动力为两者之和。

刃型位错螺型位错多余半原子面有无滑移面唯一无数柏氏矢量与位错线垂直平行滑移、攀移均有只能滑移刃型位错和螺型位错滑移攀移位错类型刃型、螺型刃型保守运动（体积不变）是否驱动力切应力正应力空位扩散无有（2）滑移和攀移▲交滑移bbb主滑移面交滑移面刃型双交滑移如果进行双交滑移的那段螺型位错长度为100nm，位错的柏氏矢量为0.2nm，试求实现位错增殖所必需的切应力（G=4GPa）。向心恢复力：弯曲位错的向心恢复力f与位错的线张力成正比，与位错的曲率半径成反比，指向曲率中心。如果要使位错保持原来的曲率半径，必须在其上作用一个与f大小相等、方向相反的力。1.6位错在应力场中的受力外力使晶体变形做的功=位错在F力作用下移动ds距离所作的功。1.7位错间的相互作用（1）写出位错间作用力的表达式（2）分析位错的受力

同符号刃型位错:/2稳定平衡位置；/4不稳定平衡位置。1.8位错与溶质的交互作用溶剂原子、溶质原子体积不同，晶体中的溶质原子会使周围晶体发生弹性畸变，产生应力场。位错与溶质原子的弹性相互作用－应力场发生作用。

科氏气团溶质原子~刃型位错1.9位错的交割

割阶与扭折

割阶的形成增加了位错线长度，要消耗一定的能量。因此交割对位错运动是一种阻碍。增加变形困难，产生应变硬化。刃型位错的交割/割阶的类型

1.10位错的增殖与塞积

位错的增殖机制开动（F-R）位错源的临界切应力位错的塞积当位错在滑移过程中遇到沉淀相、晶界等障碍物时，可能被阻挡停止运动，并使由同一位错源增殖的后续位错发生塞积。塞积使障碍处产生了应力集中。应变硬化的机制之一位错塞积群中位错的分布与数量堆垛层错

（1）形成密排堆垛次序有误层错面缺陷形成

fcc晶体的层错类型：抽出型：插入型：（2）类型1.11实际晶体中的位错肖克莱（Shockley）不全位错弗兰克（Frank）不全位错1.12扩展位错位错反应位错反应：分解或合成条件：1）几何条件：反应前各位错柏氏矢量之和应等于反应后各位错柏氏矢量之和。

即：Σb前=Σb后2）能量条件：反应过程是能量降低的过程。

E∝b2Σb2前≥Σb2后

扩展位错：一个位错分解成两个半位错和它们中间夹的层错带构成的位错。面心立方晶体的滑移如：全位错分解为两个肖克莱不全位错面角位错影响加工硬化/断裂滑移(Slip)：最主要的变形方式孪生(Twinning)：低温、高速，对称性较低的密排六方金属不对称变形(AsymmetricalDeformation)：变形协调机制非晶机制(AmorphousMechanism)：高温晶界滑移(GrainBoundarySliding)：高温

2.材料的塑性变形2.1滑移在一般情况下，滑移面和滑移方向是晶体的密排和较密排面及密排方向。体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向

滑移系三种典型金属晶格的滑移要素Schmid定律外力在滑移方向的分切应力cos

cosλ称取向因子或Schmid因子。SA0A滑移面上沿滑移方向的分切应力:τ=Scosλ=σcosφcosλ

φ---滑移面法线与横截面法线间夹角；λ--轴向拉力与滑移方向间夹角.滑移方向SSchmidt定律：只有当作用在滑移面上沿滑移方向的分切应力达到某一临界值时，晶体才开始滑移。

τc=σs

cosφcosλ对于某一滑移系，取向因子越大，分切应力也越大。

当λ=φ=45°时，即滑移面和滑移方向与作用力均为45°时，在该滑移面滑移方向上分切应力最大。

τmax=σ/2

当τmax达到τc时，晶体发生滑移。此时σs

值最小,且σs=2τc。等于、趋近此方位称为有利方位或软取向；远离此方向称为不利方向或硬取向；处于软取向的滑移系首先发生滑移。1)金属的种类：

原子间结合力↑，位错移动的点阵阻力↑，τc↑。2)化学成分：

溶质原子产生固溶强化，位错运动受阻。3)变形温度：

温度↑，τc↓4)变形速度：

速度↑，τc↑影响临界切应力的因素2.2孪生孪生(Twinning):

形成孪晶的过程：晶体在切应力的作用下,一部分沿一定的晶面和一定的晶向相对于另一部分发生的均匀切变。例：面心立方晶体的孪生变形（a）孪晶面和孪生方向（b）孪生变形时原子的移动孪生和滑移比较滑移孪生

相同点在切应力下进行；沿特定晶面、晶向进行；不改变晶体结构。不同点切变均匀性不均匀（仅滑移面上）均匀（整个变形区）面两边晶体位向不变，抛光浸蚀后不重现改变，成镜像对称，抛光浸蚀后仍可重现使晶体表面产生浮凸）切变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，较小位错机制全位错运动的结果半位错运动的结果密排面的堆垛顺序不变改变临界切应力小大变形速度慢快从位错机制角度比较滑移和孪生的区别，并评价二者在塑性变形中的作用。（1）图（A）为未变形区的堆垛层错顺序，图（B）为发生

孪生后的堆垛层错顺序。可以判断出哪层原子为孪晶界？

（a）A层（b）B层（c）C层2.3不对称转变扭折带（Kinkband）■扭折：是滑移受到约束或阻碍时,为适应外力作用而产生的一种不均匀变形方式。■扭折带：相对于母晶取向发生不对称变化的晶体区域。■扭折带晶体位向的突然改变是滑移受阻引起的位错堆积；从未变形区到扭折带的过渡是由一系列同号刃型位错排列的结果。

扭折带的作用

1)协调变形：适应变形条件的约束,能引起应力松弛，使晶体不致断裂。

2)促进变形：改变取向,有可能处于软取向,促进滑移,进一步激发变形。伴随孪晶的形成而产生的协调扭折带（a)孪生的作用使试样端部趋于产生相对位移；（b)协调扭折带的形成容许试样适应试验条件的约束形变带(DeformationBand)点阵相对原来点阵发生转动而形成。取向转动不同于扭折带,不是突变,而是渐变。形貌不同于滑移带,形状不规则；边界弯曲,并沿主变形方向延伸。由于晶界的阻碍易在一个晶内引起取向的不同,因此多晶材料形成形变带的倾向大。粘性液体和非晶体的流动。对于多晶体金属，在一定的变形温度和速度条件下，也可发生。原子在应力场和热激活的作用下，发生定向迁移，引发塑性变形。间隙原子、置换原子和空位的运动。非晶机制2.4高温变形机理高温条件下多晶体金属相邻晶粒在切应力的作用下沿着晶粒间界的相对移动（以晶界为界，两侧晶粒发生滑动）。晶粒尺寸越小，单位体积内的晶界面积越大，晶界滑动的作用越大，即对总变形量的贡献越大。材料为整体，需要有协调机制（扩散蠕变或位错滑移）。晶界滑动(GBS)在一定的驱动力下，晶界可以迁移。微观机制：涉及晶界邻域的原子过程。受晶界结构、外界条件（温度和作用于晶界的力）及点缺陷（溶质和空位）等因素的影响。小角晶界：位错的滑移和攀移；大角晶界：原子从一侧热激活跳动到另一侧。驱动力：晶界两侧的化学势差。晶界迁移温度很高（空位运动活跃）、应力很低（位错很少）时，蠕变速度与应力成正比，与位错关系不大，此时的形变主要是由应力作用下物质的定向流动造成的。

材料内部的空位浓度差是产生蠕变的主要原因。

带来的问题：设备或构件的失效扩散蠕变发生扩散蠕变的条件？晶粒越细，越促进高温蠕变？

6金属的断裂

断裂的基本类型脆性断裂ψ<5%韧性断裂

ψ>5%宏观断裂微观断裂正断与剪断的宏观与微观形式穿晶断裂沿晶断裂6.2脆性断裂理论断裂强度

完整晶体在正应力作用下沿某一晶面拉断的强度。两相邻原子面在拉力σ作用下，克服原子间键合力作用，使原子面分开的应力。Griffith裂纹理论

基点: 材料中已存在裂纹

在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理论断裂强度时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。能量平衡裂纹 →弹性能↓表面能↑

要求：推导

物理意义

6.3韧性断裂材料经明显的变形后发生的断裂称为韧性断裂。拉伸时以“颈缩”为先导,当应变硬化产生的强度增加不足以补偿截面积的减少时,产生集中变形,出现“细颈”。

韧性断裂特点:

(1)断裂前发生较大塑性变形→高能量吸收过程.(2)裂纹产生→扩展.→聚合生成新裂纹→多裂纹源

(3)裂纹扩展临界应力>裂纹形核应力→缓慢过程6.4影响断裂类型的因素

从韧性断裂到脆性断裂的转变温度称为韧脆转变温度

影响因素拉应力↑Tc↑ 应变速率 έ↑Tc↑组织

d↓Tc↓晶粒细化

Chapter7

金属在塑性加工中组织与性能

变化的基本规律

7.1金属在冷塑性加工中组织与性能

变化的规律

1.显微组织

（1）纤维组织（2）亚结构

（3）变形织构

2.力学性能的变化

（1）加工硬化

金属在变形过程中随着变形程度的增加,强度和硬度明显增加,塑性迅速下降的现象称为～。

用位错理论解释2.各向异性

加工方式不同→不同织构→不同方向上性能的差异深冲“制耳效应”储存能

(2)工艺条件加工硬化→Es↑

变形温度↓变形速度↑变形程度↑不均匀变形↑→储存能↑

影响因素

:

(1)材料的内在因素溶质原子↑/d↓Es↑

－畸变 第二相/基体性质差异大Es↑

7.2冷塑性加工金属加热时

组织性能变化冷变形金属加热时的软化过程:

回复再结晶 晶粒长大

t0t1t2t3回复再结晶晶粒长大i)回复ii)再结晶iii)晶粒长大Newequiaxedandstrain-freegrains组织性能变化ABC间位相差很小A和B合并ABC合并,形成大位相差界面亚晶聚合

伴随着亚晶长大再结晶形核机制高位错密度晶界迁移，亚晶长大，成为再结晶的晶核.变形程度较小时，大角度晶界上有一小段弓出，晶界扫过的区域储存能释放，可以作为再结晶晶核而长大。－晶界弓出再结晶形核的驱动力

再结晶晶粒与变形基体之间的应变能之差表面能↑ 应变能↓

晶粒长大的驱动力界面能的降低

异常晶粒长大

—二次再结晶

原因：第二相、杂质溶入基体金属中,晶界迁移长大；或者再结晶织构中，个别晶粒位向差大,易于迁移→异常长大。

7.3热变形中的软化过程⑴动态回复

Ⅰ微变形阶段

Ⅱ加工硬化逐渐降低

Ⅲ稳定变形阶段

发生动态再结晶的应力－应变曲线

应变速率↓温度↑稳定变形应力↓低应变速率时重复发生动态再结晶在回复和再结晶过程中，发生了哪些组织变化？对性能有哪些主要影响？如果对一楔形板材进行轧制，经退火后其组织是否均匀？温度和应变速率如何影响材料的热变形行为？

8.金属组织性能控制

8.1 金属的强化机制

1.细晶强化霍尔－配奇（Hall-Petch）公式

0－晶内变形阻力，相当于单晶体的屈服强度；

Ky－晶界性质影响的阻力系数；

d－晶粒直径。用晶格缺陷理论解释材料的强化机制-缺陷之间的交互作用位错-