【材料科学基础】重点论述题总结（三）

【材料科学基础】重点论述题总结(三)五、塑性变形1.解释拉伸曲线(1)A点对应的纵坐标为弹性极限。(3)C点(应力-应变曲线最高点)对应的纵坐标为抗张强度。(4)D点对应的纵坐标为破坏强度。(5)E点或对应的横坐标为断裂延伸率。临界分切应力：晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力。计算分切应力：λ:拉伸轴线与滑移方向夹角，φ:拉伸轴线与滑移面法向夹角；取向因子：临界分切应力(Tc):使滑移系开动的最小分切应力：滑移的临界分切应力是一个真实反映单晶体受力起始屈服的物理量。其数值与晶体的类型、纯度，以及温度等因素有关，还与该晶体的加工和处理状态、变形速度，以及滑移系类型等因素有关：Tc的影响因素：(1)取决于金属类型，纯度，温度，与外力无关，取向无关。(2)组织敏感参数：金属不纯，变形速度愈大，变形温度愈低，Tc愈大。3.3.位错运动要克服阻力有哪些?(1)错运动的阻力首先来自点阵阻力。(2)位错运动的阻力除点阵阻力外，位错与位错的交互作用产生的阻力；(3)运动位错交截后形成的扭折和割阶，尤其是螺型位错的割阶将对位错起钉扎作用，致使位错运动的阻力增加；(4)位错与其他晶体缺陷如点缺陷，其他位错、晶界和第二相质点等交互作用产生的阻力，对位错运动均会产生阻力，导致晶体强化。4.晶体滑移面和滑移方向沿着最密排面和密排方向原因：位错运动的阻力派-纳力与(-d/b)成指数关系：当d越大，b越小，即位错滑移面间距越大，位错强度越小，派纳力越小，因而越容易滑移，由于金属中密排面面间距最大，密排方向上原子间距最小，则所需的派纳力最小，最容易滑移。通过单纯孪生达到的变形量是极为有限的，如Zn单晶，孪生只能获得7.2～7.4%伸长率，远小于滑移所作的贡献。但是孪生变形改变了晶体的位向，从而可使晶体处于更有利于发生滑移的位置，激发进一步的滑移，获得很大变形量，故间接贡献却很大，6.与单晶体相比，多晶体变形的特点?导致这种情况的原因有什么?(1)多晶体中每个晶粒变形的基本方式与单晶体相同。主要为滑移和孪生。但由于相邻晶粒取向不同，且存在晶界，因此变形复杂。多晶体的塑性变形是不均匀(2)晶粒取向的影响：主要表现为各晶粒变形过程中的相互制约和协调性，是否具有5个独立滑移系来满足相互协调要求是决定一个晶粒能否塑性变形的条件。(3)晶界的影响：室温下晶界对滑移有阻碍作用，由于境界上点阵畸变严重，易产生位错塞积，又因为晶界两侧晶粒取向不同。这使得滑移的位错不能直接进入下一个晶粒。要使位错继续滑移，则需增大外力。从而使得晶体强度提高形成细晶强化。7.7.固溶强化影响因素?(1)溶质原子的浓度个固溶强化因素1,但并不是线性关系，低浓度时显著;(2)r/R相差愈大——固溶强化个，但通常原子尺寸相差较大时，溶质原子的溶解度也很低；(3)间隙原子强化效果比置换原子的强，特别是体心立方晶体中的间隙原子；(4)相对价因素(电子因素):溶质原子与基体金属的价电子数相差愈大，固溶强化效果愈显著。8.8.第二相弥散强化机制?通常按第二相粒子的尺寸大小可以将它分为不可变形粒子和可变形粒子两类。(1)不可变形粒子的强化作用(绕过机制)当运动位错与其相遇时，将受到粒子的阻挡，使位错线绕着它发生弯曲，随着外加应力的增大，位错线受阻部分的弯曲加剧，以致围绕着粒子的位错线在左右两边相遇，形成包围着粒子的位错环，位错线的其余部分则越过粒子继续移动。每个留下的位错环要作用于位错源一反向应力，继续变形时必须增大应力以克服此反向应力，使流变应力迅速提高。迫使位错线弯曲到曲率半径为R时所需的切应力：该强化机制称为位错绕过机制，也叫奥罗万机制。(2)可变形微粒的强化作用[适用沉淀硬化](位错切过机制)滑移面上第二相颗粒侧视图顶视图当第二相粒子为可变形微粒时，位错将切过粒子使之随同基体一起变形。其强化机制如下：位错切过粒子时，出现了新的表面积，使总的界面能升高。若粒子是有序结构，则位错切过粒子时产生反相畴界引起能量的升高。第二相粒子与基体的晶体点阵不同或至少是点阵常数不同，位错切过粒子时必然在其滑移面上造成原子的错排，需要额外作功，给位错运动带来困难。粒子与基体的比体积差别，在粒子周围产生弹性应力场，此应力场与位错会产生交互作用，对位错运动有阻碍。基体与粒子中的滑移面取向不同，则位错切过后会产生割阶，阻碍整个位错线的粒子的层错能与基体不同，当扩展位错通过后，其宽度会发生变化，引起能量升I阶段：易滑移阶段：当T达到晶体的Tc后，滑移首先从一个滑移系开始，位错运动受到的阻碍较小，硬化效应也较低。此段曲线接近于直线，其斜率θI,加工Ⅱ阶段：线性硬化阶段：滑移可以在几组相交的滑移面中发生，由于运动位错之间的交互作用及其所形成的不利于滑移的结构状态，(有可能在相交滑移面上形成割阶与缠结，使得位错运动变得十分困难)随着应变量增加，应力线性增长，Ⅲ阶段：抛物线型硬化阶段：应力进一步增高的条件下，已产生的滑移障碍逐渐被克服，通过交滑移方式继续进行变形。随应变增加，应力上升缓慢，呈抛多晶体的塑性变形由于晶界的阻碍作用和晶粒之间的协调配合要求，各晶粒不可能以单一滑移系动作而必然有多组滑移系同时作用，因此多晶体的应力-应变曲线不会出现单晶曲线的第I阶段，而且其硬化曲线通常更陡，细晶粒多晶体在变形(1)在回复阶段，由于不发生大角度晶界的迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持着纤维状或扁平状，从光学显微组织上几乎看不出变化。(2)在再结晶阶段，首先是在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等(3)最后，在晶界表面能的驱动下，新晶粒互相吞食而长大，从而得到一个在该条件下较为稳定的尺寸，称为晶粒长大阶段。(1)强度与硬度：回复阶段的硬度变化很小，而再结晶阶段则下降较多。强度具有与硬度相似的变化规律。上述情况主要与金属中的位错机制有关，即回复阶段时，变形金属仍保持很高的位错密度，而发生再结晶后，则由于位错密度显著降(2)电阻：变形金属的电阻在回复阶段已表现明显的下降趋势。因为电阻率与晶体点阵中的点缺陷(如空位、间隙原子等)密切相关。点缺陷所引起的点阵畸变会使传导电子产生散射，提高电阻率。在回复阶段电阻率的明显下降就标志着在(3)应力：在回复阶段，大部或全部的宏观内应力可以消除，而微观内应力则只(4)亚晶粒尺寸：在回复的前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在后期，尤其在接近再结晶时，亚晶粒尺寸就显著增大。(5)密度：变形金属的密度在再结晶阶段发生急剧增高，主要由于在再结晶阶段(6)储能的释放：当冷变形金属加热到足以引起应力松弛的温度时，储能就被释放出来。回复阶段时各材料释放的储存能量均较小，再结晶晶粒出现的温度对应(1)低温回复：点缺陷的迁移至晶界或位错消失；点缺陷合并，密度明显下降。(2)中温回复：加热温度稍高时，会发生位错运动和重新分布，异号位错互相抵(3)高温回复：刃型位错产生攀移；同号位错规整化垂直排列成墙：形成回复亚晶(多边化结构)(1)变形程度预先变形量越大，N越大。这是因为变形程度增大，位错密度增高，变形储能增加，因而单位体积畸变能的变化凶丘的绝对值也加大，由公式可知，作为再结晶核心的临界尺寸减小，因而核心数量增多。材料纯度低，杂质原子多，对形核率有两方面影响，一方面由于阻碍变形，使变形储能增大，增加形核率；另一方面因杂质原子在界面处偏聚，阻碍形核时的界面迁移以及杂质原子钉扎位错，阻碍位错攀移和亚晶的长大，使再结晶核心不容易形成，而降低形核率。(3)晶粒大小晶粒细小，增大变形阻力，相同变形量下，位错塞积、畸变区增多，变形储能增高；另外，细晶品界面积大，生核区域多，这两个因素均使形核率增大。再结晶温度升高，位错攀移容易，亚晶界容易迁移长大，亚晶也容易转动、聚合，发展成为再结晶核心，从而使形核率增大，有以下关系：如取φR=0.95并以此作为再结晶完成的标志，则加热时间越长，再结晶温度便越低。这样，再结晶温度便是个不确定的值。再结晶温度：经较大冷变形量(>70%)的金属，在1h完成再结晶体积分数95%所对应的温度。实验表明，对许多工业纯金属而言，再结晶温度TR与其熔点Tm间有如下关系：TR≈(0.35-0.4)Tm。3.2再结晶温度影响因素(1)变形程度。随着冷变形程度的增加，储能也增多，再结晶的驱动力就越大，因此再结晶温度越低，同时等温退火时的再结晶速度也越快。但当变形量增大到一定程度后，再结晶温度就基本上稳定不变了。对工业纯金属，经强烈冷变形后的最低再结晶温度Tg≈(0.35-0.4)Tm。注意，在给定温度下发生再结晶需要一个最小变形量(临界变形度)。低于此变形度，不发生再结晶。(2)微量溶质原子微量溶质原子存在显著提高再结晶温度的原因可能是溶质原子与位错及晶界间存在着交互作用，使溶质原子倾向于在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移与攀移和晶界的迁移起着阻碍作用，从而不利于再结晶的形核和核的长大，阻碍再结晶过50%再结晶的50%再结晶的光谱纯铜光谱纯铜中加入wo为001%(3)原始晶粒尺寸在其他条件相同的情况下，金属的原始晶粒越细小，则变形的抗力越大，冷变形后储存的能量较高，再结晶温度则较低。(4)第二相粒子当第二相粒子尺寸较大，有利于再结晶进行；当第二相粒子尺寸很小且又较密集时，则会阻碍再结晶的进行。(5)再结晶退火工艺参数加热速度、加热温度与保温时间等退火工艺参数，对变形金属的再结晶有着不同程度的影响。16.16.再结晶后的晶粒大小影响因素?当变形程度很小时，晶粒尺寸即为原始晶粒的尺寸，这是因为变形量过小，造成的储存能不足以驱动再结晶，所以晶粒大小没有变化。当变形程度增大到一定数值后，此时的畸变能已足以引起再结晶，但由于变形程度不大，G/N'比值很小，形成少量的核心并长大，最后形成新的粗大的再结晶晶粒。当变形量大于临界变形量之后，驱动形核与长大的储存能不断增大，而且形核率N'增大较快，使G/N变大，d减小，且变形度愈大，晶粒愈细化。临界变形度：通常，把对应于再结晶后得到特别粗大晶粒的变形程度称为“临界变形度”,一般金属的临界变形度约为2%～10%。在生产实践中，要求细晶粒的金属材料应当避开这个变形量。再结晶后晶粒大小由G:/N·决定，而G·和N都满足阿累尼乌斯方程：,,Qn和Qg接近相同，因而预计G/N·在不同温度下将接近常数，故退火温度对晶粒大小只有较弱的影响。(3)原始晶粒大小一定变形量下，细晶粒比粗晶粒有较大的变形储能，使N、G和N/G值均增大，(4)杂质含量：微量溶质原子的存在会提高变形抗力、使变形储能增大，使N和N/G增大，并阻碍界面迁移使G降低，其综合结果是导致N/G增大，因而再结晶后得到较细晶粒。(5)形变温度：T低，不发生回复等过程，储存能大，晶粒细化。T高，发生回复再结晶，储能降低。17.晶粒长大影响因素17.晶粒长大影响因素(1)温度：温度越高，晶粒的长大速度也越快。(2)分散相粒子：由于分散颗粒对晶界的阻碍作用，从而使晶粒长大速度降低，极限晶粒尺寸和分散相体积分数的关系：φ为分散相体积分数，r为分散相半径(3)晶粒间的位向差：当晶界两侧的晶粒位向较为接近或具有孪晶位向时，晶界迁移速度很小。但若晶粒间具有大角晶界的位向差时，则由于晶界能和扩散系数相应增大，因而其晶界的迁移速度也随之加快。(4)杂质与微量合金元：由于微量杂质原子与晶界的交互作用及其在晶界区域的吸附，形成了一种阻碍晶界迁移的“气团”(位错运动的钉扎),从而随着杂质含量的增加，显著降低了晶界的迁移速度。(5)热蚀沟：金属在高温下长时间加热，晶界与金属表面相交处会产生热蚀沟(为达到表面张力互相平衡，通过表面扩散产生)它存在也影响晶粒长大。18.18.描述动态回复曲线，动态再结晶曲线?如图：此曲线分为3个阶段：(1)微应变阶段：主要是加工硬化。(2)均匀应变阶段：位错密度增加，加工硬化连续增加，开始出现动态回复，加工硬化系数有所减小。(3)稳态流变阶段：加工硬化作用与动态回复软化接近平衡。高应变速率(1)微应变加工硬化阶段：ε<εc,加工硬化为主，未达到再结晶的变形量。(2)动态再结晶开始阶段：ε>Ec,加工硬化仍为主，但α>amax,动态再结晶(3)稳态流变阶段：ε>Es,加工硬化与再结晶软化动态平衡。稳态流变曲线出现波动，说明加工硬化与动态再结晶软化交替作用出现周期性变