《塑性变形机制》课件

《塑性变形机制》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(GrainBoundarySlip)：高温（a）孪晶面和孪生方向（b）孪生变形时原子的移动形变孪晶面心立方晶体的孪生变形面心立方晶体孪晶的高分辨率电镜照片----实验证实1.1研究高锰钢不锈钢无磁钢耐磨钢新领域岩石破碎机（颚式）

加入到颚式破碎机破碎腔（由固定颚板和可动颚板组成的空间）中的物料，由于动颚板作周期性往复摆动，当动颚板靠近固定颚板时，物料受到压碎、劈裂和弯曲折断的作用而被破碎。

颚板也叫齿板，是颚式破碎机中的关键耐磨件。一套颚板通常由两部分组成:动颚板和定颚板。早期的颚板材质有铸铁和普通的硬化钢材。这些材料不仅硬度低、耐磨性差、寿命短，而且韧性不好，时常断裂。直到十九世纪末，英国人Hadfield成功发明了高锰钢（Mn13）后，这种性能优良的耐磨材料一直做为颚板这个舞台上的头号主角，风光了一百多年，至今魅力不减当年。颚式破碎机颚板Hadfield钢耐磨材料“水韧处理”-奥氏体钢英国人Hadfield在1882年9月发明了耐磨高锰钢(又称Hadfield高锰钢)。主要成分:12.76Mn-1.35C-0.69Si(％).在Mn13的基础上，又发展了中锰钢（6～8）Mn％-（0.9～1.2）Mo(％)和Mn17系列高锰钢（16～19）Mn(％)。20世纪80年代后期，国外已开发成功多种牌号的中锰钢。同时，国外还开发了Mn3％～5％的合金化锰钢。安全

减重、环保

解决办法合理结构设计高性能发动机新型替代能源新型结构材料研究思路加入新的化学成分，新的成分配比挖掘新的应用领域，具有广泛的应用潜景新的应用领域新成分研究塑性变形中，新的强化机制，优越的力学性能新的强化机制ThreekeyadvantagesthatindicatestronginterestingSay!,Stay!,Strive!“高强塑性高锰钢”高Mn/高Al钢(Fe-Mn-Al-C)G.FrommeyerDepartmentofMaterialsTechnology,Max-Planck-Institute，Germany高MnTRIP/TWIP钢（Fe-Mn-Al-Si)

Compositionofthesteels(mass,%)No.MnAlSiCFe114.83.02.80.03balanced218.82.92.90.04balanced323.82.73.00.06balanced431.13.93.30.06balanced533.02.93.00.06balanced力学性能抗拉强度伸长率No.3No.1No.2No.4力学行为/显微组织No.2steel(18.8Mn)TRIP效应

(a)0%;(b)4%;(c)17%;(d)34%;(e)49％;(f)72.25%(fractured)（a）（b）（c）（d）（e）（f）twinstwinstwinstwinstwinstwins2(o)

No.4steel31.1%MnNo.1No.2No.5Ak/JImpacttesting冲击实验

No.2steelXRD(b))γ(111)α(211)α(110)γ(200)α(200)γ(220)α(220)γ(311)Diffractionangle2θ/°Intensit0.5μm(a))γ(200)γ(220)γ(311)γ(111)γ(222)Diffractionangle2θ/°IntensitNo.5steelXRD(b))γ(220)γ(311)γ(222)γ(200)γ(111)Diffractionangle2θ/°)Intensit

20μm(a)

20μm(b)0.5μm(a))γ(111)α(110)γ(200)γ(220)γ(212)γ(311)Diffractionangle2θ/°IntensitT/℃

低密度钢Fe-(26-28)Mn-(8-12)Al-(0.8-1.2)C特点：轻质（~减重15%）高强/优异的塑性/高的应变硬化率组织：两相/三相（Duplex/Triplex）：奥氏体+（铁素体）+纳米级碳化物粒子剪切带诱发塑性(shearbandinducedplasticity,SIP)

FrommeyerG,BruxU.steelresearchint.,MicrostructuresandMechanicalPropertiesofHigh-StrengthFe-Mn-Al-CLight-WeightTRIPLEXSteels

2006,77(9-10):627-631.显微带诱发塑性(microbandinducedplasticity,MBIP)JeDooYoo,Kyung-TaePark，Microband-inducedplasticityinahighMn-Al-Clightsteel,

Mater.Sci.Eng.A,2008,496:417-424Thecompositionofthesteels(mass,%)steel/SFE(mJ/m2)CMnAlFe6Al/611.0026.035.84balanced12Al/960.9725.6511.76balancedFe-26Mn-(0,3,6,8,10,12)Al-1COpticalmicrostructures(a)6Al;(b)12Al(a)(b)MicrostructuresunderTEM(a)6Al;(b)12Al(a)(b)固溶+淬火真理和谬误只差一步Engineeringstress-straincurvesofthesteelswithdifferentAlconcentrationsFe-26Mn-xAl-1CAl：晶粒细化（位错/晶界）Mn、Al、C

固溶强化（溶质原子/位错）第二相（铁素体）强化纳米级碳化物强化（位错/第二相粒子）变形过程中组织演变(6Al)Microstructuresofsolutiontreated6Alsteeldeformedto10%

平面滑移(planarslip):在面心立方金属的变形过程中，位错滑移变形并不是每一个原子层上均匀地发生，而是周期性的每隔一定距离才产生一个位错滑移面。Microstructuresofsolutiontreated6Alsteeldeformedto30%06Al实验钢拉伸变形后的X射线衍射图06Al实验钢1100℃固溶处理拉断后微观组织(a)microbands;(b)mechanicaltwinning层错能较高：抑制了TRIP效应；部分抑制TWIP效应。变形过程中组织演变(12Al)Microstructuresofsolutiontreated12Alsteeldeformedto10%单方向(a)和两个方向的滑移带(b)Microstructuresofsolutiontreated12Alsteeldeformedto30%密集的滑移带(a)；在退火孪晶内也发生变形(b)高Mn钢层错能关键→变形机制/滑移模式/断裂TRIP/TWIP/Slip层错能-合金设计SFETemperatureStackingfaultenegry96mJ/m212Al6Al:slip+twinningRef.K.T.Park,etal.Met.Mater.Int.,16(1)2010:1.高温变形机理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）。测量：划痕法晶界滑动(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σσ起始状态中间状态终了阶段ІІІ

该理论认为，在晶界滑移的同时伴随有扩散蠕变，对晶界滑移起调节作用的不是晶内位错的运动，而是原子的扩散迁移。与经典的扩散过程相比，这个模型的扩散渠道多，路程短，物质的迁移量少，因而在相同的应力下，可以获得更大的应变速率；而且所有晶粒保持等轴原样，只是发生转动换位。

1973年,由Ashby和Verrall提出的晶界滑动和扩散蠕变联合机理，简称A-V机理。1）A-V变形机理2）伴随位错蠕变的晶界滑移机理

在滑动晶界的顶端存在着起障碍作用的晶粒，故在该处引起应力集中，并在此障碍晶粒内部产生位错源。位错源发射的位错在障碍晶粒内运动并塞积在对侧的晶界上。当位错塞积足以阻止新位错继续产生时，晶界滑动就会停止。如果塞积群中的领先位错沿晶界攀移到晶界相消点（如三晶粒相交处），塞积群的反应力就会松弛，晶粒位错源又会再发射新位错，使晶界再移动一小段距离。Ball-Huchinson晶粒组滑移位错调节的晶界滑移晶粒单个滑移而不是晶粒组滑移。位错在晶界坎和突出处产生、穿越晶粒，在晶界塞积处被阻挡。滑移速率受领先位错的攀移速率所控制，进入到位于晶界处的销毁地点。Mukherjee位错调节模型晶粒在变形时可分为两部分：心部和