材料科學(xué)基礎(chǔ)之熱變形

1、回回 復(fù)復(fù)n回復(fù)動(dòng)力學(xué)回復(fù)動(dòng)力學(xué)n回復(fù)機(jī)制回復(fù)機(jī)制n回復(fù)的應(yīng)用回復(fù)的應(yīng)用剩余應(yīng)變硬化分?jǐn)?shù)剩余應(yīng)變硬化分?jǐn)?shù)lnQtRT常數(shù)不同溫度具有不同的回復(fù)機(jī)制不同溫度具有不同的回復(fù)機(jī)制主要用作去應(yīng)力退火主要用作去應(yīng)力退火再結(jié)晶再結(jié)晶n再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度n再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)曲線再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)曲線n再結(jié)晶溫度晶粒尺寸再結(jié)晶溫度晶粒尺寸lnQtRT常數(shù)再結(jié)晶再結(jié)晶變形量變形量溫度溫度再再結(jié)結(jié)晶晶溫溫度度再結(jié)晶尺寸再結(jié)晶尺寸臨界變形量臨界變形量a 正常再結(jié)晶正常再結(jié)晶 b 正常晶粒長(zhǎng)大正常晶粒長(zhǎng)大 c 異常晶粒長(zhǎng)大異常晶粒長(zhǎng)大Mg-3Al-0.8Zn合金退火組織合金退火組織二次再結(jié)晶二次再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大“大吞并小

2、大吞并小”“凹面變平凹面變平”12tDK t具有極限尺寸2202ln()lntmQDDKtRT產(chǎn)生條件產(chǎn)生條件5.4 熱變形熱變形定義定義過(guò)程過(guò)程加工加工硬化硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)及再結(jié)晶引和動(dòng)態(tài)回復(fù)及再結(jié)晶引起的起的軟化軟化同時(shí)存在同時(shí)存在，組織和性能，組織和性能取決于它們之間相互抵消的程度。取決于它們之間相互抵消的程度。高應(yīng)變速率高應(yīng)變速率低應(yīng)變速率低應(yīng)變速率硬硬化化階階段段硬硬化化階階段段軟化軟化開(kāi)始開(kāi)始并逐并逐漸增漸增強(qiáng)強(qiáng)軟化軟化開(kāi)始開(kāi)始并逐并逐漸作漸作為主為主導(dǎo)導(dǎo)硬化軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡硬化軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡硬化軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡硬化軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡等軸晶粒的晶界呈鋸齒狀，等軸晶粒的晶界呈鋸齒狀，晶

3、內(nèi)存在纏結(jié)位錯(cuò)的亞結(jié)構(gòu)晶內(nèi)存在纏結(jié)位錯(cuò)的亞結(jié)構(gòu)流變應(yīng)力流變應(yīng)力 反比反比形變速率形變速率形變溫度形變溫度纖維狀拉長(zhǎng)晶粒的內(nèi)部保持等纖維狀拉長(zhǎng)晶粒的內(nèi)部保持等軸狀亞晶粒，亞晶內(nèi)位錯(cuò)密度軸狀亞晶粒，亞晶內(nèi)位錯(cuò)密度較低，胞壁處位錯(cuò)密度較高。較低，胞壁處位錯(cuò)密度較高。反復(fù)形核、有限長(zhǎng)大反復(fù)形核、有限長(zhǎng)大流變應(yīng)力流變應(yīng)力 反比反比形變速率形變速率形變溫度形變溫度硬化和軟化同時(shí)進(jìn)行，硬化和軟化同時(shí)進(jìn)行，最終保持動(dòng)態(tài)平衡最終保持動(dòng)態(tài)平衡相同流變應(yīng)力時(shí)，相同流變應(yīng)力時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶材料的晶粒尺寸要?jiǎng)討B(tài)再結(jié)晶材料的晶粒尺寸要小于靜態(tài)再結(jié)晶的晶粒尺寸；小于靜態(tài)再結(jié)晶的晶粒尺寸；相同晶粒大小時(shí)，相同晶粒大小時(shí)，動(dòng)態(tài)再

4、結(jié)晶材料的強(qiáng)度和硬度動(dòng)態(tài)再結(jié)晶材料的強(qiáng)度和硬度要高于靜態(tài)再結(jié)晶材料。要高于靜態(tài)再結(jié)晶材料。 通過(guò)動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒內(nèi)部形成了亞通過(guò)動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒內(nèi)部形成了亞晶粒，使材料的強(qiáng)度、韌性提高，晶粒，使材料的強(qiáng)度、韌性提高，通過(guò)對(duì)熱加工的通過(guò)對(duì)熱加工的控制，使亞晶細(xì)化而產(chǎn)生強(qiáng)化控制，使亞晶細(xì)化而產(chǎn)生強(qiáng)化 亞組織強(qiáng)化亞組織強(qiáng)化。 如建筑用鋁鎂合金采用熱擠壓法保留動(dòng)態(tài)回復(fù)組如建筑用鋁鎂合金采用熱擠壓法保留動(dòng)態(tài)回復(fù)組織用于提高使用強(qiáng)度?？椨糜谔岣呤褂脧?qiáng)度。改善鑄態(tài)組織；改善鑄態(tài)組織；形成流線和帶狀組織；形成流線和帶狀組織；晶粒尺寸及亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化。晶粒尺寸及亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化。消除方法：消除方法

5、：1）避免在兩相區(qū)變形；）避免在兩相區(qū)變形；2）減少夾雜和偏析；）減少夾雜和偏析；3）完全退火加正火）完全退火加正火0skd屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度亞晶尺寸亞晶尺寸d 控制好熱加工的控制好熱加工的變形速率變形速率、溫度溫度、每道次的每道次的應(yīng)變量應(yīng)變量和和間隔時(shí)間間隔時(shí)間，以及，以及冷卻速度冷卻速度。就可以調(diào)整。就可以調(diào)整熱加工材料的晶粒度和強(qiáng)度。熱加工材料的晶粒度和強(qiáng)度。 很多構(gòu)件長(zhǎng)期在高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉很多構(gòu)件長(zhǎng)期在高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的使用溫度高達(dá)片的使用溫度高達(dá)1000，用，用Cr-Mo-V鋼制造的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼制造的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子使用溫度約為使用溫度約為550等。等

6、。 長(zhǎng)時(shí)間的高溫受力件必須考慮它們的高溫力學(xué)性能長(zhǎng)時(shí)間的高溫受力件必須考慮它們的高溫力學(xué)性能 蠕變特性蠕變特性 ( 蠕變強(qiáng)度、蠕變速率蠕變強(qiáng)度、蠕變速率)5.4.3 蠕蠕 變變當(dāng)溫度當(dāng)溫度T0.3Tm時(shí)，金屬材料在恒載荷時(shí)，金屬材料在恒載荷 (通常通常s) 的持續(xù)作的持續(xù)作用下，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增大，發(fā)生與時(shí)間相關(guān)的塑性用下，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增大，發(fā)生與時(shí)間相關(guān)的塑性變形。變形。蠕變?cè)谳^低溫度下也會(huì)發(fā)生，但只有當(dāng)約比溫度大于蠕變?cè)谳^低溫度下也會(huì)發(fā)生，但只有當(dāng)約比溫度大于0.3時(shí)才比較顯著，并且應(yīng)變速率非常小時(shí)才比較顯著，并且應(yīng)變速率非常小(通常通常10E-3) 。1、蠕變曲線、蠕變曲線 發(fā)生蠕

7、變時(shí)的應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線稱為蠕變曲線。發(fā)生蠕變時(shí)的應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線稱為蠕變曲線。 根據(jù)蠕變速率的變化情況根據(jù)蠕變速率的變化情況可以將蠕變過(guò)程分為三個(gè)可以將蠕變過(guò)程分為三個(gè)階段：階段： 典型蠕變曲線典型蠕變曲線 第一階段（第一階段（ab段）蠕變速率隨時(shí)間而逐漸減小，稱為段）蠕變速率隨時(shí)間而逐漸減小，稱為減速蠕變階段減速蠕變階段；第二階段（第二階段（bc段）蠕變速率保持恒定，又稱段）蠕變速率保持恒定，又稱恒速蠕變或穩(wěn)態(tài)蠕變階段恒速蠕變或穩(wěn)態(tài)蠕變階段，第三階段（第三階段（cd段）蠕變速率隨時(shí)間延長(zhǎng)急劇增大直至斷裂，稱為段）蠕變速率隨時(shí)間延長(zhǎng)急劇增大直至斷裂，稱為加速蠕變階段加速蠕變階段減速蠕減速蠕

8、變階段變階段瞬時(shí)瞬時(shí)應(yīng)變應(yīng)變恒速蠕變階段恒速蠕變階段加速蠕加速蠕變階段變階段加工加工硬化硬化加工硬化與回復(fù)加工硬化與回復(fù)軟化相平衡軟化相平衡最小蠕最小蠕變速率變速率空洞或裂空洞或裂紋形成紋形成 蠕變曲線各階段持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短隨材料和試驗(yàn)條蠕變曲線各階段持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短隨材料和試驗(yàn)條件（件（T 和和）而變化）而變化等溫曲線（等溫曲線（4321）等壓力曲線（等壓力曲線（T4T3T2T1） 同一種材料的蠕變曲線隨著溫度和應(yīng)力的增高，蠕變第二階同一種材料的蠕變曲線隨著溫度和應(yīng)力的增高，蠕變第二階段變短，直至完全消失，在高溫下的服役壽命大大縮短。段變短，直至完全消失，在高溫下的服役壽命大大縮短。蠕變過(guò)程最重

9、要的參數(shù)是穩(wěn)態(tài)的蠕變速率，蠕變過(guò)程最重要的參數(shù)是穩(wěn)態(tài)的蠕變速率，蠕蠕變壽命變壽命和和總的伸長(zhǎng)率總的伸長(zhǎng)率都取決于它。都取決于它。exp()nsQCRT可通過(guò)測(cè)定恒應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度的關(guān)系求得可通過(guò)測(cè)定恒應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度的關(guān)系求得Q蠕變表征參量蠕變表征參量 穩(wěn)態(tài)蠕變速率穩(wěn)態(tài)蠕變速率實(shí)驗(yàn)測(cè)得的許多金屬與陶瓷的穩(wěn)態(tài)蠕變階段激活能都與自實(shí)驗(yàn)測(cè)得的許多金屬與陶瓷的穩(wěn)態(tài)蠕變階段激活能都與自擴(kuò)散激活能非常接近，說(shuō)明穩(wěn)態(tài)蠕變過(guò)程是由擴(kuò)散機(jī)制控?cái)U(kuò)散激活能非常接近，說(shuō)明穩(wěn)態(tài)蠕變過(guò)程是由擴(kuò)散機(jī)制控制的，可看做應(yīng)力作用下原子流的擴(kuò)散。制的，可看做應(yīng)力作用下原子流的擴(kuò)散。Q：蠕變激活能：蠕變激活能n：

10、應(yīng)力指數(shù)（對(duì)金屬約為：應(yīng)力指數(shù)（對(duì)金屬約為37）由于面心立方由于面心立方Fe的擴(kuò)散系數(shù)只有的擴(kuò)散系數(shù)只有aFe的的1/350，其蠕變，其蠕變速率也只有速率也只有aFe的的1/200，因此高溫合金多是以，因此高溫合金多是以 Fe或面或面心立方金屬為基的合金。心立方金屬為基的合金。 2、蠕變機(jī)制、蠕變機(jī)制 1）位錯(cuò)蠕變位錯(cuò)蠕變：滑移為變形方式之一，當(dāng)滑移受阻，在高：滑移為變形方式之一，當(dāng)滑移受阻，在高溫（溫（0.3Tm）下刃型位錯(cuò)可借助熱激活攀移到鄰近的）下刃型位錯(cuò)可借助熱激活攀移到鄰近的滑移面上繼續(xù)滑移。減速蠕變階段主要是滑移引起的加滑移面上繼續(xù)滑移。減速蠕變階段主要是滑移引起的加工硬化和高溫動(dòng)

11、態(tài)回復(fù)中工硬化和高溫動(dòng)態(tài)回復(fù)中刃型位錯(cuò)的攀移刃型位錯(cuò)的攀移形成軟化相博形成軟化相博弈，兩者相等時(shí)，就進(jìn)入第二階段，形成穩(wěn)態(tài)蠕變。弈，兩者相等時(shí)，就進(jìn)入第二階段，形成穩(wěn)態(tài)蠕變。2）擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變：在更高溫（：在更高溫（0.9Tm）且低應(yīng)力下，或）且低應(yīng)力下，或位錯(cuò)能動(dòng)性差的情況下，主要通過(guò)位錯(cuò)能動(dòng)性差的情況下，主要通過(guò)空位定向擴(kuò)散空位定向擴(kuò)散來(lái)進(jìn)來(lái)進(jìn)行軟化行軟化。3）晶界滑動(dòng)蠕變晶界滑動(dòng)蠕變：高溫下，晶界上的原子容易擴(kuò)散，：高溫下，晶界上的原子容易擴(kuò)散，受力后易產(chǎn)生滑動(dòng)，也促進(jìn)了蠕變的進(jìn)行受力后易產(chǎn)生滑動(dòng)，也促進(jìn)了蠕變的進(jìn)行。擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變： 應(yīng)力梯度引起的空位擴(kuò)散流是擴(kuò)散蠕變的主要機(jī)制應(yīng)力

12、梯度引起的空位擴(kuò)散流是擴(kuò)散蠕變的主要機(jī)制 晶界受到拉力后，在垂直于晶界受到拉力后，在垂直于拉力方向的晶界空位形成能拉力方向的晶界空位形成能較低，空位數(shù)目多，在平行較低，空位數(shù)目多，在平行于力軸方向的晶界空位形成于力軸方向的晶界空位形成能較高，空位數(shù)目少，其間能較高，空位數(shù)目少，其間的的空位濃度差使原子定向擴(kuò)空位濃度差使原子定向擴(kuò)散散，從而產(chǎn)生晶體變形，從而產(chǎn)生晶體變形。超塑性變形能極大地發(fā)揮變形材料的塑性潛力，大大超塑性變形能極大地發(fā)揮變形材料的塑性潛力，大大降低變形抗力，有利于復(fù)雜零件的精確成形，對(duì)于難降低變形抗力，有利于復(fù)雜零件的精確成形，對(duì)于難成形的合金材料，如鈦合金、鎂合金以及某些高合

13、金成形的合金材料，如鈦合金、鎂合金以及某些高合金鋼等具有重要的意義。鋼等具有重要的意義。某些金屬材料在某些金屬材料在特定條件下拉伸特定條件下拉伸時(shí)，可以使材料時(shí)，可以使材料在較在較低的流動(dòng)應(yīng)力下低的流動(dòng)應(yīng)力下，得到，得到延伸率高達(dá)延伸率高達(dá)500%2000%的均的均勻塑形變形勻塑形變形，而，而不發(fā)生縮頸不發(fā)生縮頸，這種特性叫做，這種特性叫做超塑性超塑性.5.4.4 超塑性超塑性不產(chǎn)生縮頸不產(chǎn)生縮頸 和和 獲得高延伸率獲得高延伸率 是衡量材料超塑性的兩是衡量材料超塑性的兩項(xiàng)指標(biāo)。項(xiàng)指標(biāo)。原 始原 始試樣試樣拉 伸拉 伸試樣試樣BiSn擠壓材料在慢速拉伸下獲得大的延伸率擠壓材料在慢速拉伸下獲得大的

14、延伸率（1950）實(shí)現(xiàn)組織超塑性的條件：實(shí)現(xiàn)組織超塑性的條件：（1）材料本身具有細(xì)小、等軸、穩(wěn)定的復(fù)相組織）材料本身具有細(xì)小、等軸、穩(wěn)定的復(fù)相組織 晶粒直徑小于晶粒直徑小于10um，一般在，一般在0.55.0m，由兩相組成，第二，由兩相組成，第二相可阻礙晶粒長(zhǎng)大，保證在熱加工過(guò)程中晶粒不會(huì)顯著長(zhǎng)大相可阻礙晶粒長(zhǎng)大，保證在熱加工過(guò)程中晶粒不會(huì)顯著長(zhǎng)大此類材料有共晶合金、共析合金和析出型合金此類材料有共晶合金、共析合金和析出型合金 （2）在高溫下變形）在高溫下變形超塑性加工溫度一般在（超塑性加工溫度一般在（0.50.65）Tm 超塑性變形行為不同于動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶超塑性變形行為不同于動(dòng)態(tài)回復(fù)和

15、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（3）低的應(yīng)變速率和高的應(yīng)變速率敏感系數(shù)）低的應(yīng)變速率和高的應(yīng)變速率敏感系數(shù)超塑性的應(yīng)變速率一般在超塑性的應(yīng)變速率一般在10-210-4mm/s，以保證晶界擴(kuò)散得，以保證晶界擴(kuò)散得以順利進(jìn)行。以順利進(jìn)行。 1 1、超塑性的表征（力學(xué)性能指標(biāo)）、超塑性的表征（力學(xué)性能指標(biāo)） 獲得獲得高延伸率高延伸率和和不產(chǎn)生縮頸不產(chǎn)生縮頸是衡量材料超塑性的兩是衡量材料超塑性的兩項(xiàng)指標(biāo)。用項(xiàng)指標(biāo)。用應(yīng)變速率敏感系數(shù)應(yīng)變速率敏感系數(shù)m表示抗縮頸能力。表示抗縮頸能力。( , )mTK m m：lg-lglg-lg關(guān)系曲線關(guān)系曲線的斜率的斜率21,21lglglg()lglglgTmm越大，表示應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率

16、越敏感，越有利于獲得超塑性。越大，表示應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率越敏感，越有利于獲得超塑性。 通常晶粒越細(xì)，通常晶粒越細(xì)，m值越大，故獲得微晶是組織超塑性的關(guān)鍵。值越大，故獲得微晶是組織超塑性的關(guān)鍵。當(dāng)試樣要發(fā)生縮頸時(shí)，縮頸處的應(yīng)變速率比均勻變形的當(dāng)試樣要發(fā)生縮頸時(shí)，縮頸處的應(yīng)變速率比均勻變形的應(yīng)變速率大很多，如果具有高的應(yīng)變速率大很多，如果具有高的m，導(dǎo)致該處的局部應(yīng)，導(dǎo)致該處的局部應(yīng)力快速升高形成硬化，抑制縮頸的進(jìn)一步形成，將變形力快速升高形成硬化，抑制縮頸的進(jìn)一步形成，將變形傳播到其他部位傳播到其他部位增大延伸率增大延伸率位向趨于混亂位向趨于混亂2 2、超塑性的本質(zhì)、超塑性的本質(zhì)晶界滑動(dòng)、晶界擴(kuò)散和

17、晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)晶界滑動(dòng)、晶界擴(kuò)散和晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為由晶界的滑動(dòng)和晶粒旋轉(zhuǎn)為主，伴有晶界原子多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為由晶界的滑動(dòng)和晶粒旋轉(zhuǎn)為主，伴有晶界原子的擴(kuò)散性遷移所致。的擴(kuò)散性遷移所致。試驗(yàn)證明超塑性中的試驗(yàn)證明超塑性中的晶界滑動(dòng)晶界滑動(dòng)不是簡(jiǎn)單的晶粒相對(duì)滑動(dòng)，而不是簡(jiǎn)單的晶粒相對(duì)滑動(dòng)，而是在晶界附近很薄的一層區(qū)域內(nèi)發(fā)生了形變。由于形變?cè)诰窃诰Ы绺浇鼙〉囊粚訁^(qū)域內(nèi)發(fā)生了形變。由于形變?cè)诰Ы绺浇a(chǎn)生很大的畸變，高溫下首先回復(fù)而發(fā)生軟化，使形界附近產(chǎn)生很大的畸變，高溫下首先回復(fù)而發(fā)生軟化，使形變得以不斷在這些區(qū)域進(jìn)行而引起所謂的晶界滑動(dòng)。變得以不斷在這些區(qū)域進(jìn)行而引起所謂的晶界滑動(dòng)。晶界滑動(dòng)同時(shí)發(fā)生晶界

18、滑動(dòng)同時(shí)發(fā)生晶界擴(kuò)散晶界擴(kuò)散，以使晶粒保持聯(lián)系而不致斷開(kāi)。，以使晶粒保持聯(lián)系而不致斷開(kāi)。晶界擴(kuò)散與空位運(yùn)動(dòng)有關(guān)，在應(yīng)力作用下，空位由垂直于應(yīng)晶界擴(kuò)散與空位運(yùn)動(dòng)有關(guān)，在應(yīng)力作用下，空位由垂直于應(yīng)力的受拉晶界流向平行于應(yīng)力的受壓晶界，原子則反向遷移，力的受拉晶界流向平行于應(yīng)力的受壓晶界，原子則反向遷移，從而造成拉伸方向的應(yīng)變。從而造成拉伸方向的應(yīng)變。超塑變形通過(guò)晶界的滑動(dòng)與擴(kuò)散，造成超塑變形通過(guò)晶界的滑動(dòng)與擴(kuò)散，造成晶粒的換位晶粒的換位，并由此，并由此產(chǎn)生試樣形狀的宏觀變化，這與普通塑變的變形量由每個(gè)晶產(chǎn)生試樣形狀的宏觀變化，這與普通塑變的變形量由每個(gè)晶粒的相應(yīng)變形量所貢獻(xiàn)而不同。粒的相應(yīng)變形量所

19、貢獻(xiàn)而不同。a.四個(gè)六邊形四個(gè)六邊形等軸晶粒在應(yīng)等軸晶粒在應(yīng)力作用下，發(fā)力作用下，發(fā)生晶界滑動(dòng)生晶界滑動(dòng) (d) (e)b.在應(yīng)力作用在應(yīng)力作用下發(fā)生晶界滑下發(fā)生晶界滑動(dòng)，同時(shí)依靠動(dòng)，同時(shí)依靠晶界擴(kuò)散，保晶界擴(kuò)散，保持聯(lián)結(jié)持聯(lián)結(jié) c.四個(gè)晶粒發(fā)四個(gè)晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，形成生轉(zhuǎn)動(dòng)，形成新的組態(tài)，仍新的組態(tài)，仍保持等軸晶粒保持等軸晶粒 晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散遷移作用下發(fā)生微晶超塑變形機(jī)制示意圖晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散遷移作用下發(fā)生微晶超塑變形機(jī)制示意圖 (a) (b) (c)晶粒轉(zhuǎn)換機(jī)制的二維表示法晶粒轉(zhuǎn)換機(jī)制的二維表示法 2000年盧柯：年盧柯：納米金屬材料納米金屬材料在室溫下具有在室溫下具有超塑性超塑性 超塑性變形超

20、塑性變形中，晶界滑動(dòng)中，晶界滑動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)诋a(chǎn)生的應(yīng)變?cè)诳倯?yīng)變中的貢總應(yīng)變中的貢獻(xiàn)為獻(xiàn)為 50% 70%。d、e.伴隨定向擴(kuò)散的晶界滑動(dòng)機(jī)制，虛線箭頭代表體擴(kuò)散方向伴隨定向擴(kuò)散的晶界滑動(dòng)機(jī)制，虛線箭頭代表體擴(kuò)散方向 （1） 超塑性變形后合金仍保持均勻細(xì)小的等軸晶組織，超塑性變形后合金仍保持均勻細(xì)小的等軸晶組織，不存在織構(gòu)，所以不產(chǎn)生各向異性，且不存在織構(gòu)，所以不產(chǎn)生各向異性，且具有較高的抗應(yīng)具有較高的抗應(yīng)變能力變能力。（2） 超塑性成形時(shí)，由于變形溫度穩(wěn)定、變形速度緩慢，超塑性成形時(shí)，由于變形溫度穩(wěn)定、變形速度緩慢，所以零件內(nèi)部不存在彈性畸變能，所以零件內(nèi)部不存在彈性畸變能，變形后沒(méi)有殘余應(yīng)力

21、變形后沒(méi)有殘余應(yīng)力。（3）高鉻高鎳不銹鋼經(jīng)超塑性變形后，形成細(xì)微的雙相混）高鉻高鎳不銹鋼經(jīng)超塑性變形后，形成細(xì)微的雙相混合組織，合組織，具有很高的抗疲勞強(qiáng)度具有很高的抗疲勞強(qiáng)度。 超塑合金具有和高溫聚合物和高溫玻璃流動(dòng)相似的特征；超塑合金具有和高溫聚合物和高溫玻璃流動(dòng)相似的特征；可以采用塑料工業(yè)和玻璃工業(yè)的成型方法加工，如像吹?？梢圆捎盟芰瞎I(yè)和玻璃工業(yè)的成型方法加工，如像吹玻璃那樣吹制金屬制品，像塑料那樣壓制精密件；璃那樣吹制金屬制品，像塑料那樣壓制精密件；目前已在多種合金中實(shí)現(xiàn)了超塑性，但在實(shí)際生產(chǎn)中，由目前已在多種合金中實(shí)現(xiàn)了超塑性，但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)效率等方面的原因，只有那些難于

22、熱變形、零件形于生產(chǎn)效率等方面的原因，只有那些難于熱變形、零件形狀很復(fù)雜、又有重要用途的零部件才考慮采用超塑成型狀很復(fù)雜、又有重要用途的零部件才考慮采用超塑成型高溫合金高溫合金INCONEL718的超塑性成形的超塑性成形航天器件航天器件 雙 相 不 銹 鋼雙 相 不 銹 鋼超 塑 性 成 形超 塑 性 成 形的航天器件的航天器件 熱變形部分小結(jié)熱變形部分小結(jié)熱變形熱變形：形成細(xì)小等軸晶及位錯(cuò)纏結(jié)的亞結(jié)構(gòu)，夾雜、偏形成細(xì)小等軸晶及位錯(cuò)纏結(jié)的亞結(jié)構(gòu)，夾雜、偏析和第二相表現(xiàn)為流線組織，致密度和順流線方向的力學(xué)析和第二相表現(xiàn)為流線組織，致密度和順流線方向的力學(xué)性能都優(yōu)于鑄態(tài)或（冷變形熱處理）材料。性能

23、都優(yōu)于鑄態(tài)或（冷變形熱處理）材料。 注意注意：要避免在兩相區(qū)變形形成帶狀組織；：要避免在兩相區(qū)變形形成帶狀組織； 取材時(shí)注意材料的熱軋方向。取材時(shí)注意材料的熱軋方向。蠕變?nèi)渥儯憾x、蠕變曲線、最小蠕變速率、蠕變激活能定義、蠕變曲線、最小蠕變速率、蠕變激活能 注意注意：穩(wěn)態(tài)蠕變階段的主要變形機(jī)制：穩(wěn)態(tài)蠕變階段的主要變形機(jī)制擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變超塑性超塑性：定義、應(yīng)變速率敏感系數(shù)定義、應(yīng)變速率敏感系數(shù) 獲得超塑性的三個(gè)條件；獲得超塑性的三個(gè)條件； 超塑性變形的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。超塑性變形的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。陶瓷材料的特點(diǎn)：脆，硬，難以變形陶瓷材料的特點(diǎn)：脆，硬，難以變形 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 陶瓷晶體：以共價(jià)

24、鍵和離子鍵為主要結(jié)合鍵陶瓷晶體：以共價(jià)鍵和離子鍵為主要結(jié)合鍵 陶瓷非晶：玻璃化溫度陶瓷非晶：玻璃化溫度Tg5.5 陶瓷材料變形的特點(diǎn)陶瓷材料變形的特點(diǎn)鍵能高、派納力大鍵能高、派納力大先天性微裂紋先天性微裂紋顯微組織特點(diǎn)：顯微組織特點(diǎn)： 多晶：主晶相，晶界玻璃相，疏松氣孔；多晶：主晶相，晶界玻璃相，疏松氣孔； 非晶：玻璃相，氣孔；非晶：玻璃相，氣孔；同號(hào)靜電斥力作用使同號(hào)靜電斥力作用使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有方向性位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有方向性制備工藝：燒結(jié)，多孔，熱應(yīng)力，微裂紋制備工藝：燒結(jié)，多孔，熱應(yīng)力，微裂紋 彈性變形彈性變形黏性流動(dòng)黏性流動(dòng) 共價(jià)鍵具有方向性和飽和性，具有較高的抗晶格畸變和阻共價(jià)鍵具有方向性和飽和性

25、，具有較高的抗晶格畸變和阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力；同時(shí)共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滑移系很少；礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力；同時(shí)共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滑移系很少；并且共價(jià)晶體中的位錯(cuò)寬度較窄，導(dǎo)致并且共價(jià)晶體中的位錯(cuò)寬度較窄，導(dǎo)致P-N力高。力高。離子鍵水平或垂直滑移時(shí)要受到同號(hào)離子的排斥，而沿離子鍵水平或垂直滑移時(shí)要受到同號(hào)離子的排斥，而沿45方向運(yùn)動(dòng)時(shí)變形容易一些，在單晶中可表現(xiàn)出一定塑性方向運(yùn)動(dòng)時(shí)變形容易一些，在單晶中可表現(xiàn)出一定塑性 但由于變形具有方向性，實(shí)際可開(kāi)動(dòng)的滑移系較少，作為多但由于變形具有方向性，實(shí)際可開(kāi)動(dòng)的滑移系較少，作為多晶體往往獨(dú)立滑移系不夠晶體往往獨(dú)立滑移系不夠5個(gè)，在室溫下幾乎都是脆性的個(gè)，在室溫

26、下幾乎都是脆性的。共價(jià)鍵陶瓷晶體無(wú)論共價(jià)鍵陶瓷晶體無(wú)論單晶還是多晶都很脆單晶還是多晶都很脆離子鍵單晶陶瓷具有一定離子鍵單晶陶瓷具有一定塑性，但多晶陶瓷仍很脆塑性，但多晶陶瓷仍很脆 大多數(shù)工業(yè)用的陶瓷都是多晶體，室溫靜拉伸時(shí)幾乎都大多數(shù)工業(yè)用的陶瓷都是多晶體，室溫靜拉伸時(shí)幾乎都是脆性的。其應(yīng)力應(yīng)變曲線一般通過(guò)是脆性的。其應(yīng)力應(yīng)變曲線一般通過(guò)彎曲實(shí)驗(yàn)彎曲實(shí)驗(yàn)得到。得到。室溫室溫高溫下還會(huì)發(fā)生蠕變高溫下還會(huì)發(fā)生蠕變和黏性流動(dòng)和黏性流動(dòng)彎曲實(shí)驗(yàn)的最大應(yīng)力彎曲實(shí)驗(yàn)的最大應(yīng)力 斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力 抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度 Al2O3拉伸斷裂應(yīng)力拉伸斷裂應(yīng)力 280MPa1）拉伸樣品制備困難；）拉伸樣品制備困難；2）

27、拉伸實(shí)驗(yàn)與壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別很大（）拉伸實(shí)驗(yàn)與壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別很大（510倍）倍） Al2O3壓縮壓縮斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力 2100MPa陶瓷材料力學(xué)性能特點(diǎn)陶瓷材料力學(xué)性能特點(diǎn) 陶瓷晶體的彈性模量和強(qiáng)度都是陶瓷晶體的彈性模量和強(qiáng)度都是組織敏感參數(shù)組織敏感參數(shù)，壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度（510倍），倍），抗拉強(qiáng)度由最大抗拉強(qiáng)度由最大裂紋尺寸決定；壓縮強(qiáng)度由平均裂紋尺寸決定裂紋尺寸決定；壓縮強(qiáng)度由平均裂紋尺寸決定。而金屬的抗。而金屬的抗拉強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度一般相近。拉強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度一般相近。彈性模量亦然。彈性模量亦然。彈性模量與孔隙率有關(guān)。彈性模量與孔隙率有關(guān)。理論強(qiáng)度和實(shí)際斷裂強(qiáng)度相

28、差理論強(qiáng)度和實(shí)際斷裂強(qiáng)度相差1-31-3個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)。只有晶須、只有晶須、纖維的實(shí)際強(qiáng)度才比較接近理論值纖維的實(shí)際強(qiáng)度才比較接近理論值。 陶瓷晶體的陶瓷晶體的失效主要是由組織缺陷引起的失效主要是由組織缺陷引起的，表面裂紋、孔，表面裂紋、孔隙隙率率、相的種類與分布、相的種類與分布、夾雜以及制備時(shí)形成的大晶粒等，夾雜以及制備時(shí)形成的大晶粒等，由于沒(méi)有能量吸收過(guò)程，一旦應(yīng)力達(dá)到臨界值，便形成裂紋由于沒(méi)有能量吸收過(guò)程，一旦應(yīng)力達(dá)到臨界值，便形成裂紋并持續(xù)擴(kuò)展至失穩(wěn)斷裂。并持續(xù)擴(kuò)展至失穩(wěn)斷裂。20(1 1.90.9)EEPP（1 1）降低晶粒尺寸，改善組織均勻密實(shí)性，以盡量減降低晶粒尺寸，改善組織均

29、勻密實(shí)性，以盡量減少組織中的各種雜質(zhì)和缺陷。少組織中的各種雜質(zhì)和缺陷。 例如用熱壓法制造的例如用熱壓法制造的Si3N4陶瓷，幾乎沒(méi)有氣孔，密度和陶瓷，幾乎沒(méi)有氣孔，密度和強(qiáng)度都接近于理論值；強(qiáng)度都接近于理論值； 將陶瓷制成纖維，甚至晶須，可以大大減小各種缺陷產(chǎn)生將陶瓷制成纖維，甚至晶須，可以大大減小各種缺陷產(chǎn)生的機(jī)率，能使強(qiáng)度提高的機(jī)率，能使強(qiáng)度提高12個(gè)數(shù)量級(jí)。個(gè)數(shù)量級(jí)。 陶瓷材料的增韌陶瓷材料的增韌 = = 增強(qiáng)增強(qiáng)（2 2）相變?cè)鲰g相變?cè)鲰g ( (受溫度限制，通常受溫度限制，通常800800以下）以下） 外力作用誘發(fā)相變，并伴有體積膨脹，消耗外加能量，外力作用誘發(fā)相變，并伴有體積膨脹，消耗外加能量，使材料增韌。使材料增韌。（3 3）纖維或顆粒原位生長(zhǎng)增強(qiáng)。纖維或顆粒原位生長(zhǎng)增強(qiáng)。（4 4）表面殘余壓應(yīng)力層增強(qiáng)（鋼化玻璃）。）表面殘余壓應(yīng)力層增強(qiáng)（鋼化玻璃）。 高聚物力學(xué)性能的最大特點(diǎn)高聚物力學(xué)性能的最大特點(diǎn) 5.6 高聚物的變形特點(diǎn)高聚物的變形特點(diǎn)高彈性高彈性粘彈性粘彈性溫度和形變速溫度和形變速度的影響很大度的影響很大溫度升高，有機(jī)玻璃溫度升高，有機(jī)玻璃的模量和強(qiáng)度下降，的模量和強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率增加斷裂伸長(zhǎng)率增加脆化溫度脆化溫度降低形變速率的效降低形變速率的效果相當(dāng)于升高溫度果相當(dāng)于升高溫度高聚物的高聚物的結(jié)晶度結(jié)晶度和和交聯(lián)程度交聯(lián)程度