材料力学性能10

1、思考题：2.陶瓷晶体塑性变形微观机制是什么？有何特点？7.物理屈服延伸变形特点？与Luders带应变有何关系？3.简单加载与复杂应力状态宏观屈服条件有何关系？4.最大切应力与形状改变比能强度理论有何联系与区别？5.物理屈服现象有何特征？1.塑性变形体积不变与多晶体协调变形有何关系？6.尖锐屈服点或应力陡降反映了塑性变形的何种微观特征？ 1.1.物理屈服现象物理屈服现象2.2.物理屈服的本质物理屈服的本质 和特定的下呈现的(。 (2)(2)材料特性材料特性( (内部因素内部因素) )溶质原子与位错交互作用钉扎机制：柯氏气团切应力作用下位错运动状态切应力作用下位错运动状态vbmv0位错运动机制vb

2、m0/mv材料具有明显屈服点的条件:(1)塑性变形开始前可动位错密度低；(2)塑性变形开始后位错密度迅速增加 (位错增殖或脱钉)；(3)位错运动速率对外加应力有强烈的依存关系 (位错运动速率应力敏感指数m小)。Ge、Si、LiF、bcc金属等m值较小，屈服现象明显；Fcc金属m值较大(100200)，屈服现象不明显。3.3.应变时效应变时效X80管线钢不同预应变的应变时效行为管线钢不同预应变的应变时效行为位错与溶质原子相互作用的结果。实验依据：(1)应变时效重新产生物理屈服的激活能与C原子在 铁中扩散激活能相同，约84kJ/mol；(2)应变时效所需时间与形成原子气团的时间也在 同一数量级内。

3、 (1)在薄钢板冷冲压成形时，往往因局部变形不均匀，板面吕德斯带导致表面折皱，影响表面质量。4.4.与物理屈服相关的几个工程问题与物理屈服相关的几个工程问题 为避免折皱出现，可对钢板预变形，变形量稍大于屈服应变，然后冲压时将不出现物理屈服，避免折皱。应变时效强化同时发生脆化，一般应予以避免；但若调整成分和工艺以避免塑性下降过多，应变时效亦能用于提高低碳钢的强度。例1：川崎制铁株式会社申请了一系列专利应变时效硬化特性优良的高强度冷轧钢板及其制造方法，CN1366559具有优良应变时效硬化特性的热轧钢板、冷轧钢板和热浸镀锌钢板以及它们的制造方法，01801490.9 冲压成形性和应变时效硬化特性出

4、色的高延展性钢板及其制造方法，02122437.4例2：国家自然科学基金项目(2012-2015)基于动态应变时效的激光温喷丸强化延寿基础研究 (2)应变时效可能导致工程构件脆性增加。继续变形抗力：初始变形抗力：最大强度：fydddymax1.1.点阵阻力点阵阻力bwbdpeGeG2)1(21212位错滑移时核心能量的变化： 2.2.位错间交互作用阻力位错间交互作用阻力Ti合金冷变形位错缠结合金冷变形位错缠结(1)平行位错间交互作用(2)位错林阻力b b1 1b b2 2位错滑移方向位错滑移方向位错交割结果：在位错线上可形成曲折位错交割结果：在位错线上可形成曲折( (割阶或扭折割阶或扭折) )

5、。割阶：位错线上垂直于其滑移面的曲折部分。割阶：位错线上垂直于其滑移面的曲折部分。 割阶阻碍位错的运动。割阶阻碍位错的运动。扭折：位错线上位于其滑移面上的曲折部分。扭折：位错线上位于其滑移面上的曲折部分。 扭折对位错运动影响不大。扭折对位错运动影响不大。b bb b割阶割阶扭折扭折典型的位错交割：典型的位错交割： 不同滑移面上两条相垂直不同滑移面上两条相垂直刃位错交割刃位错交割，使两条位错线上，使两条位错线上各形成大小、方向等于另一条各形成大小、方向等于另一条位错线位错线b b 矢量的螺型扭折。矢量的螺型扭折。不同滑移面上两条相垂不同滑移面上两条相垂直螺位错交割直螺位错交割，使两条位错，使两条

6、位错线上各自形成大小、方向等线上各自形成大小、方向等于另一条位错线于另一条位错线b b 矢量的刃矢量的刃型割阶。该割阶须经攀移才型割阶。该割阶须经攀移才能运动。能运动。b b1 1b b2 2b b1 1b b2 2b b1 1b b2 2b b1 1b b2 2不同滑移面上的两条相垂直刃位错与螺位错交割不同滑移面上的两条相垂直刃位错与螺位错交割，使刃，使刃位错上形成大小、方向等于螺位错位错上形成大小、方向等于螺位错b b矢量的刃型扭折，螺位矢量的刃型扭折，螺位错上形成大小、方向等于刃位错错上形成大小、方向等于刃位错b b矢量的刃型割阶。矢量的刃型割阶。b b1 1b b2 2b b2 2b

7、b1 1Gbd3.3.屈服强度本质及构成屈服强度本质及构成GbpdpsGbs0 1.1.基本途径基本途径非晶金属非晶金属 2.2.细晶强化细晶强化 低碳钢的s与晶粒直径的关系210kds Hall-Petch关系关系 纯铜s与晶粒直径的关系Hall-Petch关系的推导: 2GbLkng2)(igGbLK(扣除位错滑移阻力i )cgcos当s2)(2cosiScGbdk2/1cos2dKGbciSMcoscos(单晶体 )M(多晶体 )2/12cos2dKMGbMMciS2/1kdis讨论：(1)i、k的物理意义？(2)细晶强韧化机制？(3)适用范围？关于细晶强韧化： 性能单位金属多晶单晶纳米

8、晶热膨胀系数10-6K-1Cu161831比热容(295K)J/(gK)Pd0.24-0.37密度g/cm3Fe7.97.56弹性模量GPaPd123-88剪切模量GPaPd43-32断裂强度MPaFe-1.8%C700-8000屈服强度MPaCu83-185饱和磁化强度(4K)4p10-7Tm3/kgFe222215130磁化率4p10-9Tm3/kgSb-1-0.0320超导临界温度KAl1.2-3.2扩散激活能eVAg于Cu中2.0-0.39Cu自扩散2.04-0.64德拜温度KFe467-3 反Hall-Petch关系dc , nm 尤其是均匀延伸率低p纯度与加工缺陷的影响；p加工硬化

9、能力较差，易塑性失稳。p卢柯等利用电解沉积技术制备高纯致密块状纳米晶体Cu，晶粒尺寸为30nm，纯度高于99.995wt%，密度可达普通纯Cu理论密度的99.4%。p在室温(仅为熔点的22%)轧制纳米晶Cu样品，其延伸率高达5100%，无明显的加工硬化效应，晶粒尺寸保持不变。说明晶界运动起重要作用。思考题：如何兼顾金属材料的强韧性与导电性？dc, nm习题四：试对比分析单晶体与多晶体的塑性变形临界条件，基于位错理论推导Hall-Petch公式并举例说明其工程意义与适用范围。1.应变时效条件是什么？有何工程意义？思考题：2.何种条件下应变时效可以用作强化手段？3.屈服强度的微观本质是什么？4.从

10、屈服强度的本质和应变时效效应推测材料强化时应注意什么？8.细化晶粒对高塑性或高强度材料s何者影响大？7.如何理解细晶强化同时改善塑韧性？5.多晶体屈服强度微观本质？与单晶体有何联系与区别？6.多晶体宏观屈服强度与单晶体有何联系与区别？ 3.3.固溶强化固溶强化Cu-Ni合金固溶强化铁素体的固溶强化Al-Mg合金应力-应变曲线溶质原子的加入提高溶质原子的加入提高材料的屈服强度材料的屈服强度s和和应力水平应力水平, ,同时加工硬化率同时加工硬化率d d /d/d 不同程度增大不同程度增大。一般稀固溶体屈服应力：mskC0固溶强化与溶质极限溶解度(固溶度)显著相关；n溶质原子不同，强化效果不同；溶质

11、原子溶质原子不同，强化效果不同；溶质原子浓度越高，强化作用越大，低浓度时效果浓度越高，强化作用越大，低浓度时效果更明显。更明显。n溶质原子与基体原子的尺寸相差越大，效溶质原子与基体原子的尺寸相差越大，效果越明显。果越明显。n间隙式溶质元素比置换式溶质元素固溶强间隙式溶质元素比置换式溶质元素固溶强化作用更大。化作用更大。n溶质原子与基体原子电负性差别越大，固溶质原子与基体原子电负性差别越大，固溶强化作用越大。溶强化作用越大。固溶强化的实质是溶质原子与位错的固溶强化的实质是溶质原子与位错的和和阻阻碍了位错的运动碍了位错的运动。弹性交互作用溶质原子均匀分布长程弹性交互作用形成溶质原子气团钉扎位错螺型

12、位错与周围的溶质原子作用，原子在沿x、y、z的三种面心位置上发生择优分布（应力感生有序），使系统能量降低。 电交互作用化学交互作用面心立方晶体中的扩展位错几何交互作用改变基体键合强度导致点阵阻力变化n弹性交互作用强，但对温度敏感，常温下作用大；弹性交互作用强，但对温度敏感，常温下作用大；n电学和化学交互作用较弱，但对温度不敏感，高电学和化学交互作用较弱，但对温度不敏感，高温下作用大。温下作用大。n强化效果大的溶质元素固溶度低；强化效果大的溶质元素固溶度低；n多元微合金化，非单个元素强化的加和。多元微合金化，非单个元素强化的加和。 4.4.第二相强化第二相强化n单相合金可借固溶强化提高强度，但提

13、高单相合金可借固溶强化提高强度，但提高程度有限。通常使用的材料大多是两相或程度有限。通常使用的材料大多是两相或多相合金。多相合金。n第二相来源：可通过相变热处理第二相来源：可通过相变热处理()或粉末冶金方法或粉末冶金方法()获得。获得。H62黄铜黄铜铸态组织铸态组织变形和退火后变形和退火后n如果两相都具有较好塑性，则合金变形阻力取决于如果两相都具有较好塑性，则合金变形阻力取决于两相的体积分数两相的体积分数。可按。可按或或计算计算的平均流变应力或平均应变。的平均流变应力或平均应变。假定塑性变形过程中两相应变相等假定塑性变形过程中两相应变相等，合，合金产生一定应变的流变应力为：金产生一定应变的流变

14、应力为： =f11+f22 式中式中f1和和f2为两相的体积分数。为两相的体积分数。n当第二相流变应力高于基相当第二相流变应力高于基相(2 =1+)时时, =f11+f2(1+) =1+f2, 材料得以强化。材料得以强化。假定两相所受的流变应力相等假定两相所受的流变应力相等，平均平均应变为：应变为： =1f1+2f2 n当第二相应变小于基相应变当第二相应变小于基相应变(2=1f2- )时，时， =1f1+(1f2- )=1- , 材料得以强化材料得以强化。 如果第二相为硬脆相，则合金性能除与两相相如果第二相为硬脆相，则合金性能除与两相相对含量有关外，很大程度上取决于硬脆相的对含量有关外，很大程

15、度上取决于硬脆相的形状形状与分布与分布。n如果如果硬脆相呈连续网状分布于基相晶界上，硬脆相呈连续网状分布于基相晶界上，则基相受限不能变形，应力过大即沿晶界则基相受限不能变形，应力过大即沿晶界断裂断裂。塑性变差，甚至强度也随之下降。塑性变差，甚至强度也随之下降。n如果硬脆相成片状分布于基相，因变形主如果硬脆相成片状分布于基相，因变形主要集中在基相，而位错受片层厚度限制，要集中在基相，而位错受片层厚度限制，移动距离很短，继续变形阻力加大，强度移动距离很短，继续变形阻力加大，强度得以提高。片层越薄，强度越高；变形越得以提高。片层越薄，强度越高；变形越均匀，塑性也越好，类似于细晶强化。均匀，塑性也越好

16、，类似于细晶强化。n如果硬脆相呈不连续等轴状颗粒分布于基如果硬脆相呈不连续等轴状颗粒分布于基体相晶粒之间，则因基体连续，硬脆相颗体相晶粒之间，则因基体连续，硬脆相颗粒对基体变形的影响大大减弱，强度下降，粒对基体变形的影响大大减弱，强度下降，塑性、韧性得以提高。塑性、韧性得以提高。 4.4.第二相强化第二相强化n组织特征：n力学性能特点：n分类：沉淀强化或时效强化弥散强化n分散相形态及分布：f, r, n分散相类型：可变形粒子不可变形粒子 1）不变形粒子的强化作用：）不变形粒子的强化作用：当移动的位错当移动的位错与微粒相遇时，将因与微粒相遇时，将因而产生位错增殖而产生位错增殖。n位错绕过时，既要

17、克服第二相粒子的阻碍位错绕过时，既要克服第二相粒子的阻碍作用，又要克服位错环对位错源的反向应作用，又要克服位错环对位错源的反向应力，而且每一个位错绕过后都要增加一个力，而且每一个位错绕过后都要增加一个位错环位错环。因此继续变形必须增大外应力，。因此继续变形必须增大外应力，从而使流变应从而使流变应 力迅速提高。力迅速提高。 此图为此图为黄铜黄铜 中绕中绕Al2O3粒粒 子的位错环的子的位错环的 透射电镜像。透射电镜像。 位错绕过间距为位错绕过间距为的第二相微粒所需要的切的第二相微粒所需要的切应力为：应力为： =Gb/ 式中式中G为切变弹性模量；为切变弹性模量；b为柏氏矢量。为柏氏矢量。 位错绕过强化与第二相粒子的间距成反比。位错绕过强化与第二相粒子的间距成反比。越小，强化效果越好。越小，强化效果越好。 因此，因此，减小粒子尺寸减小粒子尺寸(增大粒子数增大粒子数)或提高或提高粒子体积分数粒子体积分数(减小粒子间距减小粒子间距)，都能使合，都能使合金的强度提高金的强度提高。 2）可变形粒子的强化作用：第二相为可变）可变形粒子的强化作用：第二相为可变形微粒时，位错将切过粒子