材料科学基础9

1、123纳米铜的室温超塑性4第一节第一节 金属变形概述金属变形概述弹性变形塑性变形断裂弹性变形塑性变形断裂5第二节第二节 金属的弹性变形金属的弹性变形弹性变形弹性变形：变形可逆；变形可逆；应力应变呈应力应变呈线性关系。线性关系。弹性模量弹性模量：原子间结合原子间结合力的反映和力的反映和度量。度量。6第三节第三节 滑移与孪晶变形滑移与孪晶变形一、滑移观察一、滑移观察7滑移线和滑移带示意图滑移线和滑移带示意图8二、滑移机制二、滑移机制 实际晶体在很小的应力下就可以发生塑变，实际晶体在很小的应力下就可以发生塑变，是位错发生运动的结果。那么，需要加多是位错发生运动的结果。那么，需要加多大应力可使位错运动

2、，运动就受到多大的大应力可使位错运动，运动就受到多大的力。力。 位错受到的力是正统函数，称为位错受到的力是正统函数，称为P PN(N(派耳派耳斯纳巴罗斯纳巴罗) )力：力： b b为柏氏矢量，为柏氏矢量，a a为原子间距，指数项为点为原子间距，指数项为点阵阻力或是晶格阻力。阵阻力或是晶格阻力。2(1)21abP NGe9 从本质上讲，从本质上讲，P PN N的大小，主要取决于位错的大小，主要取决于位错宽度宽度W W，位错宽度越小，位错宽度越小，P PN N越大，材料越越大，材料越难变形，相应的屈服强度越高。难变形，相应的屈服强度越高。 派纳力表示了变形的难易程度，其大小和晶派纳力表示了变形的难

3、易程度，其大小和晶体结构及结合键有关。在金属中，体结构及结合键有关。在金属中，P-NP-N比较小，比较小，故金属易塑性变形，而故金属易塑性变形，而fccfcc和和hcphcp的的P-NP-N力最低力最低( (本质软金属本质软金属) )。体心的。体心的P-NP-N力稍高些，且对温力稍高些，且对温度敏感。低温时度敏感。低温时P-NP-N力急剧升高力急剧升高体心立方金体心立方金属产生低温脆性的原因。共价金属和离子晶属产生低温脆性的原因。共价金属和离子晶体体( (本质硬金属本质硬金属) )的的P-NP-N很高，故很脆。很高，故很脆。10实际晶体开始塑变的应力比理论屈服强度要低得实际晶体开始塑变的应力比

4、理论屈服强度要低得多多,P PN N1010-4-4G,G,而理论屈服强度高达而理论屈服强度高达G/30.G/30.位错常在原子排列到最紧密的平面和方向运动。位错常在原子排列到最紧密的平面和方向运动。因紧密则原子面间距因紧密则原子面间距a a大，方向上间距小也是柏氏大，方向上间距小也是柏氏矢量最小的方向。矢量最小的方向。( (密排方向密排方向) )11三、滑移面和滑移方向三、滑移面和滑移方向 3 3 滑移的晶体学滑移的晶体学 滑移面滑移面 （密排面）（密排面） （1 1）几何要素）几何要素 滑移方向（密排方向）滑移方向（密排方向） 12滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系：一个

5、滑移面和该面上一个滑移方向的组合。滑移系的个数滑移系的个数:(:(滑移面个数）滑移面个数）（每个面上所具有的滑移方（每个面上所具有的滑移方向的个数）向的个数）131415四、孪晶变形四、孪晶变形（1 1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分 沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称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。关系。1617 滑移滑移孪生孪生相同点相同点1 1 切变；切变；2 2 沿一定的晶面、晶向进行；沿一定的晶面、晶向进行；3 3 不改变结不改变结构。构。不不同同点点 晶体位向晶体位向

6、不改变（对抛光面观不改变（对抛光面观察无重现性）。察无重现性）。改变，形成镜面对称关系改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）（对抛光面观察有重现性）位移量位移量滑移方向上原子间距滑移方向上原子间距的整数倍，较大。的整数倍，较大。小于孪生方向上的原子间小于孪生方向上的原子间距，较小。距，较小。对 塑 变 的 贡对 塑 变 的 贡献献很大，总变形量大。很大，总变形量大。有限，总变形量小。有限，总变形量小。变形应力变形应力有一定的临界分切压有一定的临界分切压力力所需临界分切应力远高于所需临界分切应力远高于滑移滑移变形条件变形条件一般先发生滑移一般先发生滑移滑移困难时发生滑移困难时发生变形机制

7、变形机制全位错运动的结果全位错运动的结果分位错运动的结果分位错运动的结果孪生变形的特点孪生变形的特点18第四节第四节 单晶体塑性变形单晶体塑性变形一、施密特定律一、施密特定律能使晶体滑移的力是外能使晶体滑移的力是外力在滑移系上的分切应力在滑移系上的分切应力，通常把给定滑移系力，通常把给定滑移系上开始产生滑移所需分上开始产生滑移所需分切应力称为临界分切应切应力称为临界分切应力力19coscoscoscoscoscosAFAFsCcoscossC20（3 3）滑移的临界分切应力（）滑移的临界分切应力（ c c） 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 909

8、0 时，时， s s ； c c s scoscos 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。 21图图 8 812 Zn12 Zn单晶拉伸时，屈服应力与取向因子的关系单晶拉伸时，屈服应力与取向因子的关系22二、单滑移、多滑移和交滑移二、单滑移、多滑移和交滑移1 1 单滑移单滑移 晶体中只有一个滑移系统上的分切应力最大，并达晶体中只有一个滑移系统上的分切应力最大，并达到临界切应力。在晶粒内只有一组平行的滑移线，只有到临界切应力。

9、在晶粒内只有一组平行的滑移线，只有在变形量很小的情况下发生，位错在滑移过程中不与其在变形量很小的情况下发生，位错在滑移过程中不与其它位错发生位错交互作用，因此，加工硬化很弱。它位错发生位错交互作用，因此，加工硬化很弱。232 2 多滑移多滑移 当拉力轴在晶体特定取向上，可能会使几个滑移系上当拉力轴在晶体特定取向上，可能会使几个滑移系上的分切应力相等，并同时达到临界切应力时就会发生多滑移。的分切应力相等，并同时达到临界切应力时就会发生多滑移。多系滑移会产生强的加工硬化。如面心立方金属。两组平行多系滑移会产生强的加工硬化。如面心立方金属。两组平行线交叉。线交叉。243 3 交滑移交滑移：螺位错在两

10、个相交的滑移面上运动。螺位错在一个：螺位错在两个相交的滑移面上运动。螺位错在一个滑移面上运动遇有障碍，会转动到另一滑移面上继续滑移，滑移滑移面上运动遇有障碍，会转动到另一滑移面上继续滑移，滑移方向不变。滑移线不平直，有转折和台阶，方向不变。滑移线不平直，有转折和台阶，hcphcp几乎不发生交滑几乎不发生交滑移，移，fccfcc可以发生交滑移，最容易发生交滑移的是可以发生交滑移，最容易发生交滑移的是bccbcc晶体晶体( (因滑因滑移面多，可看到波纹状线条移面多，可看到波纹状线条) )25第五节第五节 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响一、晶界和晶体位向对塑性变形

11、的影响晶界阻滞效应：晶界阻滞效应：90%90%以上的晶界是大角度晶界，其结构以上的晶界是大角度晶界，其结构复杂，由约几个纳米厚的原子排列紊乱的区域与原子排复杂，由约几个纳米厚的原子排列紊乱的区域与原子排列较整齐的区域交替相间而成，这种晶界本身使滑移受列较整齐的区域交替相间而成，这种晶界本身使滑移受阻而不易直接传到相邻晶粒。阻而不易直接传到相邻晶粒。变形后晶体呈现竹节形变形后晶体呈现竹节形26多晶体变形的特点多晶体变形的特点27补充图之补充图之NiNi3 3Al +0.1B Al +0.1B 合金拉伸变形时滑移终止在晶界合金拉伸变形时滑移终止在晶界多晶体中，不同位向晶粒的滑移系取向不相同，多晶体

12、中，不同位向晶粒的滑移系取向不相同，滑移不能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中。滑移不能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中。1 变形传递变形传递282 2 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）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）会导致晶体分裂） （3 3）条件：独立滑移系）条件：独立滑移系 5 5个。（保证晶粒形状的自个。（保证晶粒形状的自由变化）由变化）29二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响210dkyys细

13、晶强化：霍尔配奇公式细晶强化：霍尔配奇公式低碳钢的低碳钢的s s与晶粒直径与晶粒直径的关系的关系30位位 错错 塞塞 积积31位错塞积数目：位错塞积数目：ALn0粗晶粒，粗晶粒，L L大，位错大，位错塞积数目塞积数目n n多，应力多，应力集中大。集中大。由应力传递过程，使由应力传递过程，使周围晶粒位错容易开周围晶粒位错容易开动。动。故故粗晶粒材料屈服强粗晶粒材料屈服强度低度低。如果周围晶粒不容易如果周围晶粒不容易变形，或者周围晶粒变形，或者周围晶粒位错被丁扎，不能滑位错被丁扎，不能滑移，应力集中不能松移，应力集中不能松弛，则会产生裂纹。弛，则会产生裂纹。32第六节第六节 纯金属的变形强化纯金属

14、的变形强化变形强化或加工硬化的定义变形强化或加工硬化的定义 p338一、位错的交割一、位错的交割两个刃型位错相交割两个刃型位错相交割33b1ABAAQQb2DC两个螺旋位错相交割两个螺旋位错相交割34三、位错的增值三、位错的增值流变应力与位错密度的关系为：流变应力与位错密度的关系为：Gb01. F1. FR R源源( (弗兰克弗兰克- -瑞德源瑞德源) )2sin2dTbds 221GbT RGb2所以有：所以有：3536第七节第七节 合金的变形与强化合金的变形与强化一、单相合金的变形与强化一、单相合金的变形与强化固溶强化定义固溶强化定义 固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、固溶强化：固

15、溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。硬度提高而塑性、韧性下降的现象。强化机制：晶格畸变，阻碍位错运动；强化机制：晶格畸变，阻碍位错运动； 37合金元素对合金元素对CuCu屈服强度的影响屈服强度的影响38二、低碳钢的屈服和应变时效二、低碳钢的屈服和应变时效现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。现象：上下屈服点、屈服延伸（吕德斯带扩展）。预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载预变形和时效的影响：去载后立即加载不出现屈服现象；去载后放置一段时间或后放置一段时间或200200加热后再加载出现屈服。加热后再加载出现屈服。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成

16、。原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。39三、第二相对合金变形的影响三、第二相对合金变形的影响 1 1 结构：基体第二相。结构：基体第二相。 2 2 性能性能 （1 1）两相性能接近：按强度分数相加计算。）两相性能接近：按强度分数相加计算。 （2 2）软基体硬第二相）软基体硬第二相 两相呈层片状分布（珠光体）；两相呈层片状分布（珠光体）； a a结构结构 第二相呈颗粒状分布（球化退火珠光体）；第二相呈颗粒状分布（球化退火珠光体）； 第二相呈网状分布（三次渗碳体）。第二相呈网状分布（三次渗碳体）。40414243 位错绕过第二相粒子位错绕过第二相粒子( (粒子、位错环粒子、位错环 阻碍位错运动

17、阻碍位错运动) )b b 弥散强化弥散强化 位错切过第二相粒子（表面能、错位错切过第二相粒子（表面能、错 排能、粒子阻碍位错运动）排能、粒子阻碍位错运动）LGb44第八节第八节 冷变形金属的组织和性能冷变形金属的组织和性能一、冷变形金属的力学性能一、冷变形金属的力学性能加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升加工硬化（形变强化、冷作强化）：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。高而塑韧性下降的现象。4546二、冷变形金属的组织二、冷变形金属的组织474849三、形变织构三、形变织构（1 1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优）形变织构：

18、多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。取向的组织。 丝织构丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）（2 2）类型）类型 板织构板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平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）行于主变形方向。（轧制时形成） 50 力学性能：利力学性能：利: :深冲板材变形控制深冲板材变形控制; ;弊：制耳弊：制耳。（3 3）对性能的影响）对性能的影响 ( (各向异性各向异性) ) 物理性能物理性能: :硅钢片硅钢片100100100100织构可减少铁损。织构可减少铁损。 深冲杯状物品

19、时形成深冲杯状物品时形成“制耳制耳”现象现象51四、残余应力四、残余应力 （约占变形功的（约占变形功的1010） 第一类残余应力（第一类残余应力（ ）：宏观内应力，由整个物）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起。体变形不均匀引起。 1 1 分类分类 第二类残余应力（第二类残余应力（ ）：微观内应力，由晶粒变）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。形不均匀引起。 第三类残余应力（第三类残余应力（ ）：点阵畸变，由位错、空）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。位等引起。80-90%80-90%。 52第二类内应力属微第二类内应力属微观内应力观内应力 作用尺度与晶作用尺度与晶粒尺寸为同一数量粒尺寸

20、为同一数量级，往往在晶粒内级，往往在晶粒内或晶粒之间保持平或晶粒之间保持平衡，是由于晶粒或衡，是由于晶粒或亚晶粒之间变形不亚晶粒之间变形不均匀而引起的。均匀而引起的。 第二类内应力第二类内应力使金属更容易腐蚀，使金属更容易腐蚀，以黄铜最为典型，以黄铜最为典型，加工以后由于内应加工以后由于内应力存在，于春季或力存在，于春季或潮湿环境下发生应潮湿环境下发生应力腐蚀开裂。力腐蚀开裂。53其他：对物理、化学性能的影响其他：对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；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；结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。化学活

21、性提高，腐蚀加快。54第十节第十节 冷变形金属的回复阶段冷变形金属的回复阶段55显微组织变化（示意图）显微组织变化（示意图） 回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化； 再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。晶粒。 晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和尺寸。56Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGR

22、AW.HILL.3/E5758一、回复阶段性能与组织的变化一、回复阶段性能与组织的变化回复阶段：强度、回复阶段：强度、硬度略有下降，硬度略有下降，塑性略有提高。塑性略有提高。密度密度: : 在回复阶在回复阶段变化不大，在段变化不大，在再结晶阶段急剧再结晶阶段急剧升高；升高；电阻：电阻在回电阻：电阻在回复阶段可明显下复阶段可明显下降。降。59性能与组织变化性能与组织变化60二、回复动力学二、回复动力学剩余加工硬化分数剩余加工硬化分数001mR6162tabRln1在一恒温下，回复与回复时间的关系：在一恒温下，回复与回复时间的关系：1 1R R按照一般的反应速率公式可写成：按照一般的反应速率公式可

23、写成：RTQARexp1若回复程度相同，则有回若回复程度相同，则有回复温度与时间关系为：复温度与时间关系为：tabRTQAlnexp TRQt1ln常常数数可求激活能可求激活能63三、回复机制三、回复机制1 1 低温回复（低温回复（0.10.10.3Tm0.3Tm） 移至晶界、位错处移至晶界、位错处点缺陷运动点缺陷运动 空位间隙原子空位间隙原子 消失消失 缺陷密度降低缺陷密度降低 空位聚集（空位群、对）空位聚集（空位群、对）642 2 中温回复中温回复 （0.30.30.5Tm0.5Tm） 异号位错相遇而抵销异号位错相遇而抵销位错滑移位错滑移 位错密度降低位错密度降低 位错缠结重新排列位错缠结重新排列65666768第十一节第十一节 冷变形金属的再结晶冷变形金属的再结晶69一、再结晶形核一、再结晶形核7071二、再结晶动力学二、再结晶动力学72阿费拉米再结晶动力学公式为阿费拉米再结晶动力学公式为KBtxexp