晶体缺陷与金属强度(1)

1、金属物理Metal PhysicsMetal Physics古 一 Tel: 88830267E-mail: School of Material Science and EngineeringCentral South University. Changsha 410083第一章 金属及合金的形变 金属变形的三个过程： 弹性变形弹性变形：结构不敏感性质，只与金属本性有关：取决于金属的键合强度 范（塑）性变形范（塑）性变形：结构敏感性质 内部因素：点阵类型、组织结构、元素性质等 外部因素：温度、应力大小与状态、介质、形变速度等 断裂断裂 第一节 金属与合金的弹性形变弹性形变的特点：正应力、切应

2、力的作用都可以产生弹性变形；弹性形变具有可逆性；弹性形变时，应力与应变成线性关系，服从虎克定律；弹性形变量很小，一般不超过范性形变量的百分之一；弹性形变不能引起金属和合金的组织转变。弹性模量：反映金属原子间结合力的大小，是金属键合 强度的标志之一 原子间的相互作用力根据晶体点阵理论，金属原子间相互作用力与原子间距离 的关系为： 式中A、B是常数， 第1项代表吸力，主要是由原子所带电荷产生； 第2项代表斥力，由离子与离子、电子与电子之间的静电斥力及原子动能引起。v 弹性形变的物理本质是受外力引起原子间距发生可逆变化的结果v 原子间结合力越大金属抵抗弹性形变的能力越大弹性模量越大r24ABfrr

3、正弹性模量（杨氏模量）,表示材料抵抗正应变的能力； 切弹性模量，表示材料抵抗切应变的能力； 波松比，表示横向变形与纵向变形之比，0.250.35之间 体积弹性量，表示材料抵抗流体静压缩的能力。 ExyvKPv 表征材料弹性性质的几个重要物理量表征材料弹性性质的几个重要物理量2(1)E3(1 2 )EK 第二节 金属与合金的塑性形变一、一、单晶体塑性形变单晶体塑性形变 单晶体塑性形变的方式：滑移、孪生、扭折，扩散机构和晶块滑动机构。1、滑移、滑移：晶体在外力的作用下，其中一部分沿着一定晶面（滑移面）和这个晶面上的一定晶向（滑移方向），对其另一部分产生的相对移动,且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑

4、变方式。光镜下：滑移带滑移的表象学 电镜下：滑移线滑移系：一个滑移面及其上的一个滑移方向就构成一个滑移系(P4)滑移系的特点：滑移系统具有明显的晶体学特征，无论是什么点阵类型，滑移面都是原子排列的最密面和较密面，而滑移方向是原子排列最密方向。滑移面受成分和温度的影响，可以改变，但滑移方向是不灵敏的，不会改变。滑移系的个数：（滑移面的个数）滑移系的个数：（滑移面的个数）（每个面上所具有滑移方向的个数）（每个面上所具有滑移方向的个数）金属材料塑性与滑移系的数目有关，一般滑移系越多，塑性好 ；同时与与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；还与同时开动滑移系数目有关晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目常见金属

5、面心立方1114312Cu,Al,Ni,Au 1106 212Fe,W,Mo体心立方12112 112Fe,W 12324 124Fe 密排六方0001133Mg,Zn,Ti21102、滑移的临界分切应力 ：在滑移面上沿滑移方向开始滑移的在滑移面上沿滑移方向开始滑移的最小分切应力。外力在滑移方向上的分最小分切应力。外力在滑移方向上的分解。解。 Schmid定律：对于一定的晶体，当温度一定，形变速度一定，滑移系统一定时，临界分切应力不随取向因子改变。ccoscoscs 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 sc

6、oscos 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。 滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动（1）位向和晶面的变化：拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向；压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。 无约束时 有约束时，导致转动 压缩时，滑移面趋于垂直于压缩轴 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。

7、，滑移变得容易。 影响临界分切应力的因素： 成份：一般随合金元素增加而增大，但元素量超过一定量后反而会下降； 温度：温度升高，临界分切应力下降； 形变速度：形变速度增加，临界分切应力增大； 表面的氧化膜增大临界分切应力； 周围活性介质，临界分切应力降低双滑移：双滑移：在不同滑移面和不同滑移方向的两个系统上进行的滑移称作双滑移，依此类推有三滑移，四滑移等，统称为多滑移交叉滑移：交叉滑移：沿两个不同滑移面和共同滑移方向上进行的滑移称为交叉滑移（铅笔式滑移或波滑移）。3、多滑移单晶体滑移的基本特点总结：单晶体滑移的基本特点总结：滑移通常是沿着滑移面和滑移方向进行，一般滑移面都是晶体中原子的最密面或次

8、密排面，而滑移方向则总是原子最密排方向；晶体开始滑移，必须有一定大小的临界分切应力 ，对于一定的晶体，当温度、形变速度、滑移系统一定时， 与取向因子无关。滑移时，滑移面上原子相对位移量可以是原子间距的许多倍（数量级可达几十至几百个nm）滑移过程中，各部分晶体之间虽然没有发生位向改变，但整个晶体要相对于外力轴发生旋转，产生几何硬化和几何软化效应；滑移集中在某些晶面上，造成了晶体变形的不均匀性。cc4、孪生10121121011 孪生：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关系。和

9、晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。 孪生的晶体学：孪生的晶体学： 孪生面：孪生面：A1 111, A2 112, A3 孪生方向孪生方向 A1 ,A2 , A3 牛曼带：平行的孪晶面间所夹形变孪晶区域。牛曼带：平行的孪晶面间所夹形变孪晶区域。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

10、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5、扭折及其他扭折：扭折： 当晶体的范性形变受到某些约束时就会出现点阵畸变，点阵畸变基本上可以归结为弯折和扭转两类，前者的弯曲轴平行于点阵平面，后者的和点阵平面正交。扩散机构：扩散机构：晶体形变时，原子非同步的连续的由一个稳定平衡位置沿所加应立场梯度方向向另外稳定平衡位置移动。晶块转动机构：晶块转动机构：假定晶体中存在某种亚晶块，它们之间相互转动的结果引起了晶体的不可逆变形。二、多晶体塑性形变二、多晶体塑性形变1、多晶体形变的过程如果EA EB EC则因此，A晶粒形变小，B晶粒形变大，A晶粒阻止B晶粒伸长，给B晶

11、粒以压缩力，B晶粒帮助A晶粒伸长，给A晶粒以拉伸力，所以A晶粒所受应力比B晶粒大。同样，C晶粒给B晶粒以拉力，则B晶粒左半部受压力，右半部受拉力，整个晶体的各个晶粒受不均匀应力，从而导致不均匀形变。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 相邻晶粒相邻晶粒位错源开动位错源开动 相邻晶粒变形相邻晶粒变形 塑变塑变ABC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。（独立变形会导致晶体分裂）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶

12、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化）个。（保证晶粒形状的自由变化） 滑移的灵便性：是否容易发生交滑移、滑移是否容易交叉滑移的灵便性：是否容易发生交滑移、滑移是否容易交叉穿插穿插晶体类型潜在滑移系数目独立滑移系数目面心立方125体心立方485密排六方（以Zr为例）322 2、多晶体的形变机构、多晶体的形变机构（1 1）晶粒的转动和移动）晶粒的转动和移动（2 2）溶解沉淀机构：一相晶体的原子迅速而飞跃式的转）溶解沉淀机构：一相晶体的原子迅速而飞跃式的转移到另一相的晶体中去，其重要特点是范性形变在两相移到另一相的晶体中去，其重要特点是范性形变在两

13、相间的界面上进行。又由于金属的沉淀很容易在显微空洞间的界面上进行。又由于金属的沉淀很容易在显微空洞和显微裂缝中进行，则原子的相间转移可使这些显微空和显微裂缝中进行，则原子的相间转移可使这些显微空洞和裂缝消除，从而使金属的塑性显著增大洞和裂缝消除，从而使金属的塑性显著增大超塑性现超塑性现象。象。（3 3）粘滞性晶间流动：此种形变机构发生在形变速度很低）粘滞性晶间流动：此种形变机构发生在形变速度很低的情况下，在蠕变的开始阶段晶界上的粘滞性流动起着的情况下，在蠕变的开始阶段晶界上的粘滞性流动起着很大的作用。很大的作用。 3 3、多晶体形变后组织性能的变化、多晶体形变后组织性能的变化（1 1）组织变化

14、）组织变化 晶粒拉长晶粒拉长; ; A A 形成纤维组织形成纤维组织 杂质呈细带状或链状分布。杂质呈细带状或链状分布。B、形成亚结构形成亚结构 金属在冷变形后，其各个晶粒被分割成许多单个小晶块，相邻晶块的位向不同，但一般也只有几分，最多一度之差。形变量愈大，晶块的尺寸越小。C、形成形变织构形成形变织构 形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。 常见类型：丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成） 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行于主变 形方向。（轧制时形成） 力学性能：利：深冲板材变形控制；弊：制耳。（2 2）性能变化）性能变化A、机械性能的变化：加工硬化：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。（形变强化、冷作强化） 强化金属的重要途径； 利 提高材料使用安全性； 利弊 材料加工成型的保证。 弊 变形阻力提高，动力消耗增大； 脆断危险性提高。 B B、物理性能的变化、物理性能的变化 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。C C、各向异性、各向异性 金属和合金经冷变形后产生纤维组织及织构 纤维组织：横向的机械性能低于其纵向 织构：机械性能降低，但是某些物理性能得到提高：如硅钢片织构可减少铁损。