材料的屈服强度与强化放映

材料的屈服强度与强化放映第1页，共53页，2023年，2月20日，星期五本章主要内容及要求1.了解材料的理论屈服强度2.复习关于塑性变形的位错理论3.了解位错移动的点阵阻力4.复习晶体中位错滑移的特征5.了解位错与材料中各种缺陷的交互作用6.掌握点钉扎的强化效果7.掌握固溶强化、加工硬化、晶界强化、第二相强化的概念及强化效果重要规律性8.掌握时效过程强度变化规律性及其原因第2页，共53页，2023年，2月20日，星期五概述屈服强度是材料由弹性变形向塑性变形转折点的应力，更确切地讲，是材料开始发生塑性变形的应力。反映了材料抵抗塑性变形能力工程意义：材料使用方面——强度设计的依据提高屈服强度或比强度，可以节省材料金属塑性加工——加工时塑性变形抗力较低一些多采用热加工材料生产者——必须可以调控材料的屈服强度为此，必须了解强度的影响因素第3页，共53页，2023年，2月20日，星期五塑性变形机理及理论强度

机理：相邻两个面上的原子，沿着切变方向发生不可恢复的相对移动，从一个低能的平衡位置移动到下一个平衡位置上理论屈服强度：从原子面的整体相对切动、以及能量的正弦变化假设出发，利用Hooke定律近似，得单向拉伸屈服强度第4页，共53页，2023年，2月20日，星期五实际强度与理论强度的对比(1)不符者：传统工艺制备的普通金属材料金属材料中实际强度与理论强度对比分为两种情况：(2)两者相符：特殊的金属晶须、非晶材料理论屈服强度约为40GPa(G=85GPa的1/2)；多晶纯铁屈服强度不足200MPa，相差两个数量级；经过强化，以铁为基的金属材料的屈服强度最高为2000MPa，仍比理论屈服强度低一个数量级

传统金属材料的屈服强度明显低于其理论值

1.6微米的Fe晶须屈服强度达到13.4GPa，达到相同的量级！通常材料中两者不符的原因？个别相符何故？第5页，共53页，2023年，2月20日，星期五塑性变形的位错理论

普通金属中存在位错，塑性变形是通过这些位错的移动基本原理将原子的相对切动由理想晶体中的一致性移动转化成局部切动，使变形过程拉长，因此降低了所需应力屈服强度对应于位错移动所需外应力第6页，共53页，2023年，2月20日，星期五位错移动与塑性变形关系一条位错在其滑移面上扫过后，滑移面上下两部分晶体相对移动一个距离：混合位错位错线的Burgersvectorb刃位错螺位错第7页，共53页，2023年，2月20日，星期五材料塑性变形的机理总结

室温下：常态金属材料通过位错滑移发生塑性变形；另外还可以通过孪生变形较高温度(通常指高于0.3Tm)(1)位错滑移(2)位错交滑移及攀移

(3)原子扩散

(4)晶界相对滑动

位错滑移机制下的强度与强化措施位错攀移、原子扩散、晶界滑动机制下的强度与强化措施第8页，共53页，2023年，2月20日，星期五8.1位错滑移机制下屈服强度与强化位错的基本性质(复习总结)1．位错的应力场、应变场(原子间存在应力作用、原子位移)2．位错的能量：中心原子错排能(~10%)周围弹性应力-应变场的能量3．位错在外应力场中受力：单位长度位错线受力表达式4．位错的线张力：单位长度位错具有的能量位错滑移刃位错攀移位错受力的一般表达式第9页，共53页，2023年，2月20日，星期五8.1位错滑移机制下屈服强度与强化位错的基本性质(复习总结)5．位错运动速度与受力关系：6．位错密度：7．变形速度与位错移动速度之间的关系：其中l为位错之间的平均间距第10页，共53页，2023年，2月20日，星期五一、位错滑移的点阵阻力位错移动的基本阻力—Peierls-Nabarro阻力位错中心区：因原子相对错位，具有更高的原子结合能，为高能区第11页，共53页，2023年，2月20日，星期五一、位错滑移的点阵阻力位错移动的基本阻力—Peierls-Nabarro阻力位错中心区：因原子相对错位，具有更高的原子结合能，为高能区位错移动过程中，这些原子之间的相对位置会发生变化，并因此产生随中心位置变化的能量起伏第12页，共53页，2023年，2月20日，星期五位错滑移的点阵阻力x：位错中心位置坐标值能量随着位错中心位置的变化关系，形成Peierls势位错的中心宽度第13页，共53页，2023年，2月20日，星期五位错滑移的点阵阻力位错的P-N力——晶格最大阻力

位错移动的晶格阻力由于该阻力特征的分析，得出位错滑移的基本特征：使位错移动的阻力最小面心立方晶体滑移面：{111}滑移方向：<-110>体心立方晶体滑移面：{110}等滑移方向：<-111>滑移面为最密排面；滑移方向为最密排方向晶体中位错的滑移系：第14页，共53页，2023年，2月20日，星期五点阵阻力－晶体结构与结合键的关系位错的中心宽度

位错Burgers矢量b体心立方金属位错中心宽度小；面心金属位错中心宽度大第15页，共53页，2023年，2月20日，星期五位错滑移的点阵阻力因为P-N力是位错移动时必须克服的阻力，该阻力过大的材料中，位错可移动性很差，其塑性很差(3)离子键材料，位错的中心宽度很小；位错的Burgers矢量因异号离子的静电作用而较大，因此，P-N力很高(1)金属材料－FCC结构金属，位错的中心宽度较大，P-N力低－BCC结构金属，位错的中心宽度较小，P-N力较高(2)金属间化合物材料，位错中心宽度较小，Burgers矢量也较大，P-N力介于金属与陶瓷之间(4)共价键材料，位错的中心宽度很小；因为共价键方向性原子排列不致密，位错的Burgers矢量较大，因此，P-N力很高第16页，共53页，2023年，2月20日，星期五位错滑移的点阵阻力温度对晶格阻力的影响温度极低时，位错整体越过Peierls势垒温度升高，热激活使位错段上的局部率先跨越Peierls势垒，形成弯折，随后通过其侧向移动使整条位错越过势垒，其阻力比P-N力明显降低第17页，共53页，2023年，2月20日，星期五位错滑移的点阵阻力－温度的影响

弯折、双弯的产生为热激活过程，温度与时间会明显影响位错移动所需克服的阻力。这种影响在不同材料中有很大差别BCC金属的韧－脆转变,根本原因是其较高的P-N力受温度影响大；变脆温度对应于P－N力开始发挥主导作用的温度(弯折－侧向移动速度跟不上变形速度对位错移动的速度要求)FCC金属的位错中心宽度大，跨越多个Peierls势垒，P-N力很低，位错无需弯折即可越过，因此温度影响可忽略陶瓷材料(共价、离子键)位错双弯形成能过高，在通常温度下热激活作用不够强，因此P-N力始终保持高值，位错难于滑移第18页，共53页，2023年，2月20日，星期五二、位错滑移的其它阻力实际晶体材料中存在各种晶体缺陷，与位错产生交互作用，并且随着位错与这些缺陷之间相对位置的改变而变化►►因此对位错移动形成阻力克服这些阻力所需外应力，就对应于材料的“屈服强度”所对应的是各种晶体缺陷的强化效果对于通常材料中的晶体缺陷进行控制调节，达到控制调节材料的屈服强度的目的均匀的晶体材料中，如果不考虑P-N力，位错处于任何位置上能量都相同。此时，只要施加一点外力，位错就会感受到作用力开始移动，导致晶体发生塑性变形。因此，均匀晶体材料的屈服强度接近于P-N力。第19页，共53页，2023年，2月20日，星期五8.2位错滑移机制下的强化方法定性描述－按照晶体缺陷的几何特征分类及强化类型(1)零维缺陷—固溶原子(代位式、间隙式)固溶强化(2)一维缺陷—位错 加工硬化(3)二维缺陷—界面 晶界强化/细晶强化(4)三维缺陷—第二相质点 沉淀强化/弥散强化(6)复合强化—如纤维强化等纤维态材料强度非常高，利用它们承载可产生显著的强化(5)多重强化— 马氏体强化固溶强化(固溶C原子)

＋加工硬化(高密度位错)第20页，共53页，2023年，2月20日，星期五一、点钉扎强化的一般规律点钉扎示意图钉扎的特征量：钉扎点间距为l；最大钉扎力Fmax，对应于两边位错线夹角为φC在滑移面上移动的一条位错，遇到两个钉扎点Q与P而被钉扎住。受外力作用，位错段发生弯曲钉扎点自身受力平衡条件极端强钉扎点：Fmax>2T，使φC＝0(T为位错线张力)弱钉扎：Fmax/2T<0.6

，即φC>100º强钉扎：Fmax/2T>0.6，则φC<100º第21页，共53页，2023年，2月20日，星期五点钉扎强化的一般规律性钉扎点处位错段半径r，圆心角为α、夹角φ与点间距l关系弯曲位错段上外应力与其曲率半径的关系点钉扎强化效果第22页，共53页，2023年，2月20日，星期五点钉扎强化的一般规律性点钉扎效果修正：Friedel计算机模拟，考虑钉扎点不均匀分布第23页，共53页，2023年，2月20日，星期五点钉扎强化的一般规律性点钉扎效果修正弱钉扎点强化强钉扎点强化Orowan绕过第24页，共53页，2023年，2月20日，星期五二、点钉扎强化例－固溶强化固溶强化－向基体中加入异类原子形成固溶体而产生的强化固溶原子尺寸差造成的畸变及强化方式分为两种：(1)球对称畸变(sphericaldistortion)：如代位原子半径r与基体原子半径r0的尺寸差形成对位错移动的阻力、产生强化(2)非球对称畸变(tetragonaldistortion)：如间隙原子半径r与间隙半径r0的尺寸差形成对位错移动的阻力、产生强化溶质原子在大小尺寸(相对于其替代的基体原子或者其所处的间隙的大小而言)、弹性模量、电子浓度、化学性质等方面与基体的差异，都会通过其与位错之间的交互作用能量，对位错经过其附近的移动造成阻力，相应产生强化效果第25页，共53页，2023年，2月20日，星期五点钉扎强化例－畸变强化效果首先考虑固溶原子因为其半径r与基体原子半径r0之间尺寸差而对移动位错形成的阻力及强化效果因为与基体原子之间的尺寸差，固溶原子自身感受到基体的作用力(如大原子受到的挤压力)，也引起其周围的基体原子的局部移位－－固溶原子引发的畸变能固溶原子畸变产生的强化效果，不是来自这种畸变能自身，而是考虑这种畸变能与位错之间的交互作用，交互作用的能量随着位错与固溶原子之间的距离发生变化(及速率)决定其强化效果第26页，共53页，2023年，2月20日，星期五点钉扎强化例－球对称畸变固溶强化位错建立起应力场。该应力场的水静力与溶质原子产生交互作用。如果水静力为负(有一个三向压应力)，将产生挤压效应，使半径较大的固溶原子的畸变能升高，但使半径较小的固溶原子的畸变能降低代位固溶原子的球对称畸变与刃位错的交互作用固溶原子的球对称畸变只与刃位错有交互作用：位错的应力场在溶质原子所在部位的水静力使得尺寸差造成的畸变能改变，而此水静力随位错与溶质原子的相对位置而改变，使得位错与溶质原子的交互作用能随着相对位置改变第27页，共53页，2023年，2月20日，星期五固溶强化－原子失配影响(sphericaldistortion)交互作用能为大溶质原子(εr>0)处于滑移面下方可降低能量小溶质原子(εr<0)处于滑移面上方能量较低此能量变化：随着溶质原子与位错线中心距离减小而增大因此，固溶原子将根据自身原子半径的情况，分别优先偏聚于位错线周围、其滑移面的上方或者下面。这种溶质原子在刃位错中心附近的偏聚，形成所谓的Cottrell气团

刃位错应力场的水静力表达式第28页，共53页，2023年，2月20日，星期五固溶强化的规律性固溶强化效果假设固溶原子与位错滑移面之间的距离为d，而x为滑移方向上的距离分量，R为固溶原子与位错之间的距离

最大阻力将此最大钉扎力与位错的线张力进行比较，Fmax/2T<0.6，判断单个溶质原子的钉扎属于弱钉扎固溶原子的摩尔分数为固溶强化规律固溶强化规律：屈服强度的提高，正比于固溶原子的摩尔分数的平方根，而与原子错配度的二分之三次方成正比第29页，共53页，2023年，2月20日，星期五固溶强化－不对称畸变(tetragonaldistortion)固溶强化还可以是间隙溶质原子与位错交互作用，原因是原子的大小与晶体间隙尺寸之间的失配C原子占据八面体间隙失配情况螺位错的应力场为纯剪切应力：在某个方向上为拉应力、而在垂直方向上为压应力。因此，碳原子处于适当方位上时畸变能受应力场作用而降低，因此与螺位错产生交互作用。受该交互作用能的影响，间隙原子在螺位错周围富集，形成Snoek气团

第30页，共53页，2023年，2月20日，星期五固溶强化－不对称畸变(tetragonaldistortion)螺位错的应力场特点：距离位错中心越近，应力场强度越高，作用能越大间隙原子在螺位错周围富集；间隙原子的有序化排列在某个方向上为拉应力、而在垂直方向上为压应力。因此，碳原子处于适当方位上时畸变能受应力场作用而降低，故此与螺位错产生交互作用；形成Snoek气团特点：间隙原子短程扩散形成－有序化气团；间隙原子长程扩散形成在位错线中心附近的富集第31页，共53页，2023年，2月20日，星期五固溶强化的规律性间隙原子的强化效果为单位摩尔分数固溶原子的强化效果，间隙原子远高于代位原子代位原子

间隙原子

1%C使铁(G=85GPa)的屈服强度提高至少1.5GPa第32页，共53页，2023年，2月20日，星期五固溶强化的规律性间隙原子远高于代位原子离子晶体中，代位引发的非对称畸变也具有与间隙原子的强化类似的效果非对称畸变具有更高的强化效果第33页，共53页，2023年，2月20日，星期五固溶原子的弹性模量与弹性畸变能的交互作用硬的溶质原子两种交互作用互相减弱—强化效果弱软的溶质原子两种交互作用互相增强—强化效果大第34页，共53页，2023年，2月20日，星期五有些代位固溶原子可以降低层错能密度，故此优先分布于不全位错之间的层错区，这种偏聚形成所谓的铃木(Suzuki)气团。较高温度下气团很容易散开(可以提高合金体系熵)，故此相应的强化效果都只限于常温下。其中只有铃木气团例外，原因是铃木气团源自化学作用，作用能高、可以保持到较高温度下——高温合金中应用铃木气团—降低层错能，使扩展位错的两个不全位错分开间距增加—增加位错交滑移的难度(高温强化措施之一)全位错分解为不全位错：两条位错线互相排斥——导致分开；所产生的层错区又使体系能量升高——产生平衡间距；交滑移时，束集过程需要额外能量三、固溶原子气团及其作用第35页，共53页，2023年，2月20日，星期五固溶原子与位错的交互作用形成三大类气团要注意合金中间隙原子的扩散激活能较低，因此在略高温度下其扩散速度比较高可以跟随位错移动，从而对位错移动形成动态阻力(强度高、但塑性与韧性差)例子：普通低碳钢的蓝脆性，P－L效应关联：冲击功显示的蓝脆性第36页，共53页，2023年，2月20日，星期五气团与屈服强度由于受到气团的钉扎，位错移动很困难，需要较高的应力(对应于上屈服点)才能使位错摆脱钉扎，而一旦摆脱了钉扎，位错继续移动的阻力降低，因此表现为开始塑性变形后，应力反而有所降低(下屈服点)试验过程变形速度恒定(夹头的移动速度不变)。塑性变形过程中变形速度—位错移动速度—位错受力(所需作用应力)之间存在如下关系上屈服点处，大量位错被气团钉扎住，可动位错密度低，故所需应力高。但显然与试验的变形速度有关，不完全反映材料自身特性，一般不被作为抗塑性变形能力的性能指标第37页，共53页，2023年，2月20日，星期五气团与屈服现象下屈服点处，已经开始塑性变形，至少部分位错摆脱了钉扎，还有部分位错源开动放出新位错，因此移动位错密度升高，完成变形所需应力因此较开始时的上屈服点有所下降。屈服阶段，由于塑性变形存在不均匀性，形成局部吕德斯带。如果变形停止在屈服阶段中间，吕德斯带在材料中分布不均匀，造成表面质量降低。大量实验证实，下屈服点应力稳定，受试验因素影响小，因此被取做性能指标，来表达材料抵抗塑性变形的能力第38页，共53页，2023年，2月20日，星期五气团与屈服现象避免屈服阶段的具体措施主要有两种注意：预变形后的钢材不能长时间放置－应变时效现象(1)在进行最终加工之前，先进行预变形，使塑性变形至少到达均匀变形的起始区(通常达到2%)，可保证后续变形均匀性原因：室温下间隙原子具有一定的扩散能力，长时间放置后它们会重新偏聚于位错线周围而形成气团，材料重现屈服现象第39页，共53页，2023年，2月20日，星期五气团与屈服现象避免屈服阶段的具体措施主要有两种实际中往低碳钢中加入少量上述合金元素，通过控轧-控冷来控制其碳化物颗粒的尺寸和分布，提高钢的强度，获得低合金高强度钢；没有固溶态间隙原子的钢为IF(interstitialfree)钢，大量用于汽车生产(1)在进行最终加工之前，先进行预变形，使塑性变形至少到达均匀变形的起始区(通常达到2%)，可保证后续变形均匀性(2)钢中加入Ti、V、Nb等强碳化物形成元素，降低固溶的间隙原子的数量，消除气团，从根本上杜绝屈服现象。第40页，共53页，2023年，2月20日，星期五四、第二相粒子强化第二相粒子强化机理(1)共格粒子共格失配产生应力场位错切割第二相粒子位错绕过第二相粒子产生的强化(2)非共格粒子弥散强化粒子析出相粒子(长大)一般都属于强钉扎，位错线绕过沉淀强化－共格应力场、切割或绕过粒子弥散强化－位错绕过粒子第41页，共53页，2023年，2月20日，星期五第二相粒子强化－位错切割机制(1)位错切割第二相粒子的强化：－形成新的相界面提高界面能造成的强化；－有序粒子被切割产生反相畴界提高能量造成的强化(2)位错绕过第二相粒子产生的强化第42页，共53页，2023年，2月20日，星期五第二相粒子强化－位错切割位错切割第二相粒子时，形成新的相界面提高界面能造成强化第43页，共53页，2023年，2月20日，星期五有序粒子强化位错切割粒子时产生反相畴界提高能量，形成位错移动的阻力而形成强化。如高温合金中常用金属间化合物的析出粒子强化位错成双成对地切割有序粒子，消除所产生的反相畴界切割有序粒子的位错对所遇到的阻力，比单根位错所受阻力的一半还要低一些第44页，共53页，2023年，2月20日，星期五第二相粒子强化－Orowan绕过机制第二相粒子的强化效果沉淀强化－析出第二相粒子无法被位错切割时(半共格与非共格粒子)弥散强化粒子强钉扎，位错线只能绕过－Orowan绕过机制特征：粒子上留下位错圈；对后续位错移动阻力很大，加工硬化率非常高第45页，共53页，2023年，2月20日，星期五合金的时效曲线合金沉淀强化提供时效来控制其屈服强度，每个时效温度下都有一个最佳时效时间时效过程析出相粒子析出与熟化过程中特征变化，与移动位错通过不同机理相互作用而产生强化时效进入熟化阶段：粒子与基体非共格，位错绕过。粒子的体积分数f不变，半径r增大；因此平均间距l增大，强度下降时效初期，随时间的增长，析出粒子保持与基体共格；其体积分数f增大，半径r增加－位错切割粒子，强度升高第46页，共53页，2023年，2月20日，星期五合金的时效曲线位错与沉淀析出相的交互作用机理的变化，通过加工硬化率的变化得到佐证时效进入熟化阶段：与基体非共格的粒子迫使位错绕过。加工硬化率大幅度提高时效初期，与基体共格的析出相粒子被位错切割，加工硬化率低原因：位错绕过粒子留下位错圈对后续位错的移动加大了阻力第47页，共53页，2023年，2月20日，星期五五、加工硬化(应变强化)屈服强度会因前面所发生的塑性变形而提高的现象与连续塑性变形过程中的加工硬化(流变应力提高)本质相同只是塑性变形过