多晶體的塑性變形(課件23)

1、6. 4多晶體的塑性變器一、晶界對(duì)塑性變形的影響晶界:多晶體是許多取向不同的小單晶體即晶粒 組成的，晶粒和晶粒之間的過渡區(qū)域。將多晶鐵分別在室溫和高溫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。在室溫拉伸時(shí)，靠近晶界處試樣直徑變化比較 小，遠(yuǎn)離晶界處則直徑顯著減小，在高溫下， 晶界處試樣顯著變細(xì).晶粒1 晶粒2變形前晶粒1晶粒2變形后晶界強(qiáng)度與溫度關(guān)系:低溫或室溫下，晶界強(qiáng) 而晶粒本身弱；高溫情況則 相反。晶界與晶粒相好強(qiáng)度 是隨溫度變化而變化的。等強(qiáng)溫度：晶粒本身和晶界的 強(qiáng)度相等的溫度。下圖定性地給出晶界和晶粒的強(qiáng)度隨 溫度的變化，并標(biāo)出等強(qiáng)溫度4。億和形變速率有關(guān)， 形變速率麵高，晶界越強(qiáng)，而晶粒的強(qiáng)度與形變速率關(guān)系

2、不大，因而莒升高。等溫強(qiáng)度示意圖晶粒中的滑移帶均終止于晶界附近，晶界附近位錯(cuò)塞積。 1 阻礙作用。拉伸試樣變形后在晶界處呈竹節(jié)狀，每個(gè)位錯(cuò)塞積，材料強(qiáng)度提高。 2協(xié)調(diào)作用。晶界正是起著相鄰晶粒的變形的作用。由 于協(xié)調(diào)變形的要求，在晶界處變形必須連續(xù)，也就是說 兩個(gè)相鄰晶粒在晶界處的變形必須相同。自身晶粒中的形變?cè)诙鄠€(gè)滑移系中進(jìn)行。任何變形可 用6個(gè)應(yīng)變量£ , 8 , £，8 . £ xz. £屏L描述。 塑性變形時(shí)，伶不菱，總+總+個(gè)獨(dú)立的應(yīng)交分量。這5個(gè)獨(dú)立韻應(yīng)變芬量的應(yīng)變要逓鄰相 協(xié)調(diào)的話，必須至少有5個(gè)獨(dú)立的滑移系。 Fee, bcc, hep協(xié)

3、調(diào)變形:多晶體的屈服點(diǎn)：b Q-1 - 1 - 1bee:G = ; fee= ;hcp:G =2363.促進(jìn)作用在高溫在變形時(shí)，由于晶界比晶粒弱，故除了晶粒 內(nèi)滑移，相鄰兩個(gè)晶粒還會(huì)沿著晶界發(fā)生相對(duì)滑移， 此稱為晶界滑動(dòng)。晶界滑動(dòng)了也造成晶體宏觀塑性變 形，但變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑移和攣生引起的塑性變形。4.起裂作用一方面，由于晶界阻礙滑移，此處由于位錯(cuò)塞積而 引起應(yīng)力集中，另一方面，材料中的雜質(zhì)和第二相往 往優(yōu)先分布于晶界，使晶界變脆。這樣一來，在變形 過程中裂紋往往起源于晶界。此外，由于晶界處缺陷 多，原子處于能量較高的不穩(wěn)定狀態(tài)，在腐蝕介質(zhì)作 用下，晶界往往優(yōu)先被腐蝕形成微裂紋。二.多晶體塑

4、性變康的特點(diǎn)多晶體中的每一個(gè) 晶粒滑移變形的規(guī)律與 單晶體相同，但由于多 爲(wèi)體申壽在著晶界，各 晶粒的取向也各不相同 ，因而其塑性變形不同 于單晶體，具有以下特 點(diǎn)、:(ij各晶粒不能同時(shí)變 形。(2) 多滑移。多晶體中晶粒取向各晶粒的變形不均 勻。三、晶粒度對(duì)性育皂的影響晶粒度就是指晶粒的大小。晶粒越細(xì)）阻礙 滑移的晶界越多，屈服強(qiáng)度也就越高。（稱 為細(xì)晶強(qiáng)化，grain size strenthing） 其 cr s與d關(guān)系如下（Hall - Petch equation）:a s = a 0 + kd'iz 2位錯(cuò)塞積來解釋:1 1:事品退火芯I W 10C 辛拉伸伸K %由上圖

5、鋅的拉伸曲線可以看出：比較：同一材料多晶體的強(qiáng)度高，但塑性較低。單晶塑 性同。原因：多晶中各個(gè)晶粒的取向不同。在外力作用下，某 些晶粒的滑移面處于有利的位向，受到大于的切應(yīng)力， 位錯(cuò)開始滑移。當(dāng)相鄰晶粒處于不利位向，不能開動(dòng)滑移 系時(shí)，則變形晶粒中的位錯(cuò)不能越過晶粒晶界，而是塞積 在晶界附近。所以這個(gè)晶粒的變形便受到約束，整個(gè)多晶的變形困難得多。結(jié)果：只有加大外力，才能使那些滑移面位向不利的晶 粒逐漸加入滑移，結(jié)果多晶試樣強(qiáng)度上升，塑性下降。6. 5合金的塑性變5杉合金分類:單相固溶體合金多相合金合金的塑性變形：?jiǎn)蜗喙倘荏w合金塑性變形多相合金塑性變形溶質(zhì)原子的作用主要表現(xiàn)在作用，提高塑性變形抗

6、力。1. 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 固溶體合金的a - 8曲線：由于溶質(zhì)原子加入使QS和整個(gè)（7 - 6曲線的水平提高。影響固溶強(qiáng)化的因素： 溶質(zhì)原子類型及濃度。 溶質(zhì)原子與基體金屬的原子尺寸差。相差大時(shí)強(qiáng)化作用大（圖）。 間隙型溶質(zhì)原子比置換型溶原子固溶強(qiáng)化效果好。溶質(zhì)原子與基體金屬價(jià)電子數(shù)差。價(jià)電子數(shù)差越大，強(qiáng)化作用大。固溶強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用、化學(xué)交互作用和靜 電交互作用。o0.050.100,151習(xí)|(_Bdw)f V鐵的固溶強(qiáng)化與錯(cuò)配度的關(guān)系1 daq deCu-Ni固溶體的力學(xué)性能與成分的關(guān)系1020wb(% )386927卜 07 230合金元素對(duì)銅屈服強(qiáng)度的影響幾

7、種合金對(duì)銅屈服強(qiáng)度的影響 Cu與Zn,Ni, Al,Sn, Si,Be 原子半徑的比較： 鋅和襟的原子半徑差 別不大，故強(qiáng)化效果不大。 而錫和銅原子半徑差值的 百分比達(dá)18. 1%, Cu-Sn合 金稱為錫青銅，Cu-Zn合 金稱為黃銅，Cu-Ni合金稱 為白銅，故錫青銅的強(qiáng)度 比黃銅白銅高。原子尺寸 小的元素Be，Si的強(qiáng)化效 果比尺寸大的元素Sn? Al 更大。由圖中所給出的規(guī) 律說明固溶強(qiáng)化時(shí)，原子 尺寸影響是很重要的。2. 屈服現(xiàn)象與應(yīng)交時(shí)效低碳鋼的O - £曲線上屈服點(diǎn)：ayu下屈服點(diǎn)：ayl呂德斯帶：在預(yù)先拋光的拉伸試樣上，可以看到與外力成一定角度 的變形條紋。屈服現(xiàn)墓

8、具有明顯的屈服點(diǎn)（明確的彈性一塑性變形分界點(diǎn)）和 塑性流動(dòng)現(xiàn)象。屈服平臺(tái)：呂德斯帶的延伸和擴(kuò)展過程，屈服平臺(tái)之后產(chǎn)生明顯的 加工硬化。屈服平臺(tái)的長(zhǎng)短和鋼中的碳含量有關(guān)，隨著含碳量的增加， 平臺(tái)淅短至消失。典型的拉伸曲線（a） FCC, CPU及大部分金屬（b）BCC金屬原因：(1) 柯氏(Cottrell)氣團(tuán)及：柯氏氣團(tuán)釘扎位錯(cuò)。(2 )位錯(cuò)增殖理論：間隙原子并不是產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的必要條件。晶體開 始變形之后，即引起大量的位錯(cuò)增殖，比如通過雙交 滑移的增殖方式，當(dāng)大量位錯(cuò)增殖后，在維持一定的應(yīng)變速率時(shí)，流變應(yīng)力就要降低，這就造成屈服。應(yīng)變時(shí)效: 低碳鋼經(jīng)過少量的預(yù) 變形可以不出現(xiàn)明顯的 屈月艮

9、點(diǎn)，如圖中2線（卸載后立刻加載的情 況），但如果變形后在 室溫下放置一較長(zhǎng)時(shí)間 或低溫經(jīng)過短時(shí)加熱， 再進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，則屈 服點(diǎn)又復(fù)出現(xiàn)，且屈服 應(yīng)力提高（圖中3）。 這種現(xiàn)象就叫應(yīng)變時(shí)效。低碳鋼的拉伸試驗(yàn)1預(yù)塑性變形；2去載 后立即再行加載；3去載 后放置一段時(shí)間或在2 0 0 °C 加熱后再加載二.多相合金的塑性變形多相合金的基本相為固溶體。第二相是用來強(qiáng)化的 一種重要方式，它可以通相變熱處理(precipitation strengthening )、時(shí)效強(qiáng)化 (agehardening)或粉末冶金法彌散強(qiáng)化來獲得。根據(jù)第二相粒子的尺寸大小可將合金分為：(1) 聚合型兩相合金(

10、兩相尺寸、性能相近)(2) 彌散分布型兩相合金(兩相尺寸.性能相差很大)1. 聚合型合金的塑性變疽(1)若兩相都有塑性，合金的變形能力取決與兩相的體 積分?jǐn)?shù)?？砂凑盏葢?yīng)力(變)理論來計(jì)算合金在一定應(yīng) 變條件下的平均應(yīng)力和在一定條件下的平均應(yīng)變，則 由混合律計(jì)算得：。=X P zx p B£ =X 2 A+X f B(2 )如果聚合型合金兩相中一個(gè)為塑性相，一個(gè)為硬 脆相，則合金在塑性變形過程所表現(xiàn)的性能與第二相 的#目對(duì)含量有關(guān)，還與第二#目的形狀.大小.分布肴 關(guān)。討論:(1)若硬脆相呈連續(xù)分布在塑性相醴體)晶界上，則經(jīng) 少量變形后會(huì)發(fā)生沿晶脆斷。脆性相越多，網(wǎng)狀越連 續(xù)，塑性越差

11、。如過共析鋼中二次FesC呈網(wǎng)狀分布于 鐵素體晶界上。(2)若硬脆相呈層片狀分布在基體相中，由于變形主要 集中在基體相中，且位錯(cuò)移動(dòng)被限制在很短距離內(nèi)， 增加了繼續(xù)變形的阻力，使其強(qiáng)度提高。如鋼中的片 狀P由片狀a和片狀FesC相間組成。(3) 若硬脆相呈粒狀分布于基體中，因基體相連續(xù),第二相對(duì)基體變形的阻礙作用大大減弱，具有強(qiáng)度和鋼具有良塑性的配合。如：粒狀P中FesC呈顆粒分布, 好的綜合力學(xué)性能。2. 彌散分布型合金的塑性變形(1) 不可變形粒子可變形粒子(1)不可變形粒子的強(qiáng)化作用如圖,結(jié)果在粒子周圍留下位錯(cuò)環(huán)，而其余部分則越過 粒子繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)線彎曲繞過第二相粒子所需要的切應(yīng)力為：

12、t= Gb/LL第二相粒子間距這是一臨界值，只有外加切應(yīng)力大于上述臨界值 時(shí)，位錯(cuò)線才能繞過去。因此，Toe 1/L,粒子越多, L越小，T大強(qiáng)化效果愈明顯。減小粒子尺寸或提高 粒子的體積分?jǐn)?shù)都可以合金強(qiáng)度提高。理論計(jì)算入小 到2050個(gè)原子間距時(shí)，強(qiáng)化效果最佳。Oro wan機(jī)制位錯(cuò)繞過第二相粒子的示意圖例題：圖表示Al-Cu(wcu4%)合金在淬火并經(jīng)150°C時(shí)效 時(shí)屈刀艮強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。求該合金在時(shí)效達(dá)到最高 強(qiáng)度時(shí)的第二相平均距離。解：根據(jù)線張力：GbT =Ltc =avcosAcos = -asc 5 2,V2 1.414x0.405八"b- 110 =a =

13、nm- 0.2S&im2 2 2r Gb 26.1xl03x 0.286L =nm - 3/.3nm200欠時(shí)效一強(qiáng)度峰值過時(shí)效圖Al-Cu合金強(qiáng)度隨時(shí)效時(shí)間的變化欠時(shí)效一強(qiáng)度峰值過時(shí)效過飽和a5 4卜00300002 1繞呼過應(yīng)力/溶強(qiáng)化 ttz Ti 、'、共格應(yīng)力心*_130MPa101001000時(shí)效時(shí)間/h(150°C)圖Al-Cu合金強(qiáng)度隨時(shí)效時(shí)間的變化Lo©單位長(zhǎng)度上的力rba)c)圖位錯(cuò)繞過第二相的阻力a）趨近時(shí)b）開始彎曲c）臨界狀態(tài)(2)可變形微粒的強(qiáng)化作用可變形粒子的合金中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與粒子相遇時(shí)切過機(jī)制，即第 二相粒子在位錯(cuò)切過粒子時(shí)隨同

14、基體一起變形。其強(qiáng)化作用取決 于粒子本身的性質(zhì)及粒子與基體的聯(lián)系。可變形粒子的主要作用 有以下幾方面：1位錯(cuò)切過粒子時(shí).粒子產(chǎn)生寬度為b的臺(tái)階，出現(xiàn)了新的表2第二相粒子與基體點(diǎn)陣不同，晶格常數(shù)也不同，位錯(cuò)切過粒子時(shí)，引起滑移面上原子錯(cuò)排，需要做功，給位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)帶來困難。界面能升高。3沉淀相顆粒的共格應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)之間產(chǎn)生彈性交 互作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。4位錯(cuò)切過后產(chǎn)生一割階，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。5當(dāng)顆粒的彈性切變模量高于基體時(shí)，位錯(cuò)進(jìn)入沉淀相便增 大位錯(cuò)自身的彈性畸變能，引起位錯(cuò)和線張力變大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇 到更大藥阻力。位錯(cuò)行為 Dislocation Behaviorclimbingcutting

15、材料強(qiáng)化的方法：(1) 加工硬化：由于位錯(cuò)塞積、纏結(jié)及其相互作用， 阻止位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)。(2) 細(xì)晶強(qiáng)化：晶界上的原子排列不規(guī)則，且雜質(zhì)缺 陷多，能量較髙，阻礙位錯(cuò)的通過，且晶粒細(xì)小時(shí)，變形均勻，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生 和傳播。(3) 固溶強(qiáng)化：位錯(cuò)與溶質(zhì)相互作用，即柯氏氣團(tuán)阻 礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。(4J彌散強(qiáng)化：由于位錯(cuò)繞過、切過第二相粒子，需 要增加額外的能量(如表面能或錯(cuò)排能)，同時(shí)，粒子 周圍的彈性應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。6.6塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響塑性變形對(duì)材料組織和性能的影響主要表現(xiàn)在以下顯微組織變化，包括晶粒形狀的變化.亞結(jié)構(gòu)的變化.形變織構(gòu) 性能的變化，包括

16、加工硬化. 力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能一、顯微組織變化經(jīng)塑性變形后材料的:徳匚纟變化如下： 1.晶粒形狀的變化(1) 出現(xiàn)了大量的滑移帶和李晶帶(2) 晶粒形狀發(fā)生了變化。隨變形度增大，等軸狀晶 粒一 f扁平晶粒一 f纖維組織(fiber microstructure)。纖維組織分布方向是材料流變伸 展方向。材料順著纖維方向強(qiáng)度較高，而垂直纖維方 向的強(qiáng)度較低，產(chǎn)生了性能上的各向異性。(3) 當(dāng)金屬中組織不均勻，如有枝晶偏析或夾雜物時(shí)， 塑性變形使這些區(qū)域伸長(zhǎng)，這在后序的熱加工或熱處 理過程中會(huì)出現(xiàn)帶狀組織(band microstructure) o低碳鋼性憑形后纖維組織a) 30%壓縮b

17、) 50%壓縮2形變織構(gòu)(1) 形變織構(gòu)(deformation texture):由于晶體 的轉(zhuǎn)動(dòng)使各個(gè)晶粒的取向趨于一致，即晶粒在空間上 的毎優(yōu)取向(preferied orientation)(2 )類型及特征a 絲織構(gòu)(f iber/wire texture)及特征：用 <uvw>表 示b 板織構(gòu)(rolling texture)及特征：用hkl <uvw>表示形變織構(gòu) - _ - iiiiii山川ill川|川|山1川R二. 塑性變形后金屬性能的憑化1.加工硬化現(xiàn)象在金屬塑性形變進(jìn)行的時(shí)候，隨著應(yīng)變的增加，金屬的形變抗 力不斷增加，這就是加工硬化。0 = d r

18、/d e0稱為硬化率。根據(jù)硬化率的行為可將曲線分為三個(gè)階段：（1）第一階段是易滑移階段，硬化系數(shù)非常小，只有一個(gè)滑移系 開動(dòng)，為單滑移過程。此段接近于直線，其斜率0（或）即加 工硬化率低，一般0 為 10-4鐵量級(jí)（0為材料的切變模量）。第二階段第二個(gè)滑移系開動(dòng)一多滑移，也稱線性硬化階段： 外大，也是常數(shù)，隨著應(yīng)變量增加，應(yīng)力線性增長(zhǎng)，此段也呈 直線，且斜率較大，加工硬化十分顯著，第三階段如不斷下降，大量的滑移帶形成切應(yīng)變單晶體的切應(yīng)力一應(yīng)變曲線，顯示塑性變形的三個(gè)階段上述三個(gè)階段加工硬化與其塑性變形不同過程 中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)及交互作用有關(guān).I. 只有一組取向最有利的滑移系開動(dòng)，位錯(cuò)無干擾, 可移動(dòng)的距離長(zhǎng)并可到表面，位錯(cuò)源產(chǎn)生新位錯(cuò)，應(yīng) 變褒大，硬化率低。U 多滑移.位錯(cuò)相互作用，形成位錯(cuò)纏結(jié)或塞積, 阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，a t ,加工硬化速率提高。in螺位錯(cuò)交滑移，異號(hào)位錯(cuò)可相互抵消，P加 工硬化速率下際。金屬流變應(yīng)力rib與p （位錯(cuò)密度）之間的關(guān)系為：ab=aGbp t= lO+aGbp%實(shí)際各晶體的加工硬化曲線因其晶代表結(jié)構(gòu)類型. 取向 雜質(zhì)含量及溫度等因素的不同而有所變化 其 情況如下：(1)fee和bcc顯示出典型的三個(gè)階段硬化;(2) hep初始階段與fee相近，但hep第一階段遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超過了 fee和bee;(3) 當(dāng)bee含有雜質(zhì)原子，