第3講位錯強化機制

1、 第三章第三章 位錯強化機制位錯強化機制 哈工大（威海）材料學(xué)院哈工大（威海）材料學(xué)院吳吳 欣欣第三章第三章 位錯強化機制位錯強化機制o金屬與合金的強化途徑金屬與合金的強化途徑n形變、合金化、熱處理形變、合金化、熱處理o強化機制強化機制n位錯強化、晶界強化、固溶強化、第二相強化位錯強化、晶界強化、固溶強化、第二相強化第三章第三章 位錯強化機制位錯強化機制o位錯強化的基本思路位錯強化的基本思路 合金變形量增加合金變形量增加位錯密度增加位錯密度增加 強度提高強度提高o這一強化過程與金屬的塑性變形密切相關(guān)這一強化過程與金屬的塑性變形密切相關(guān)3.1 金屬單晶體塑性變形的一般特點金屬單晶體塑性變形的一般

2、特點一一.FCC.FCC晶體中位錯的運動及塑性變形特點晶體中位錯的運動及塑性變形特點n滑移系數(shù)目多滑移系數(shù)目多nWpWp與與P-NP-N力低力低n低溫塑性好低溫塑性好n無冷脆現(xiàn)象無冷脆現(xiàn)象n層錯能低（除層錯能低（除AlAl，NiNi外），加工硬化明顯外），加工硬化明顯3.1 金屬單晶體塑性變形的一般特點金屬單晶體塑性變形的一般特點二二.BCC.BCC晶體中位錯的運動及塑性變形特點晶體中位錯的運動及塑性變形特點n滑移系總數(shù)目多滑移系總數(shù)目多nWpWp與與P-NP-N力高力高n易冷脆易冷脆n層錯能高，加工硬化率較低層錯能高，加工硬化率較低3.1 金屬單晶體塑性變形的一般特點金屬單晶體塑性變形的一般

3、特點三三.HCP.HCP晶體中位錯的運動及塑性變形特點晶體中位錯的運動及塑性變形特點c/a1.633c/a1.633 Zn, Zn, CdCdn滑移系總數(shù)目少，塑性差滑移系總數(shù)目少，塑性差nWpWp與與P-NP-N力低，強度低力低，強度低n層錯能低，加工硬化明顯層錯能低，加工硬化明顯c/a1.633 Ti, c/a1.633 Ti, ZrZrn滑移系總數(shù)目多滑移系總數(shù)目多nWpWp與與P-NP-N力高力高n層錯能高，加工硬化率層錯能高，加工硬化率較低較低3.1 金屬單晶體塑性變形的一般特點金屬單晶體塑性變形的一般特點二、金屬單晶體的加工硬化行為二、金屬單晶體的加工硬化行為面心立方單晶體的應(yīng)力應(yīng)

4、變曲線面心立方單晶體的應(yīng)力應(yīng)變曲線oI I 易滑移階段易滑移階段單滑移單滑移 =10=108 /8 /cmcm2 2oII II 線性硬化階段線性硬化階段雙滑移雙滑移 =10=1011-12 /11-12 /cmcm2 2oIII III 拋物線硬化階段拋物線硬化階段 交滑移交滑移 =10=1012-13 /12-13 /cmcm2 23.1 金屬單晶體塑性變形的一般特點金屬單晶體塑性變形的一般特點總結(jié)：總結(jié)： 金屬變形時金屬變形時 位錯密度位錯密度低，切應(yīng)力低低，切應(yīng)力低 位錯密度位錯密度急劇增大，切應(yīng)力也急劇增大急劇增大，切應(yīng)力也急劇增大 3.2 位錯增殖機制位錯增殖機制o位錯增殖機制位錯

5、增殖機制 主要有：主要有： Frank-Read Frank-Read源源雙交滑移機制雙交滑移機制 極軸機制極軸機制 晶界發(fā)射機制等晶界發(fā)射機制等3.2 位錯增殖機制位錯增殖機制一一. .兩端釘扎的直位錯線彎曲的臨界切應(yīng)力兩端釘扎的直位錯線彎曲的臨界切應(yīng)力LGb min 3.2 位錯增殖機制位錯增殖機制二二.Frank-Read.Frank-Read位錯增殖機制位錯增殖機制LGb min 3.2 位錯增殖機制位錯增殖機制三、雙交滑移三、雙交滑移 位錯增殖機制位錯增殖機制3.3 位錯強化的數(shù)學(xué)表達位錯強化的數(shù)學(xué)表達o如何估算流變應(yīng)力？如何估算流變應(yīng)力？ 流變應(yīng)力是指金屬晶體產(chǎn)生一定量的塑性變形所

6、需的流變應(yīng)力是指金屬晶體產(chǎn)生一定量的塑性變形所需的應(yīng)力。主要應(yīng)考慮位錯運動的各項阻力：應(yīng)力。主要應(yīng)考慮位錯運動的各項阻力：n1. 1.點陣阻力點陣阻力派派納力納力n2. 2.開動位錯源開動位錯源n3. 3.位錯的長程彈性作用位錯的長程彈性作用n4. 4.與林位錯的交互作用與林位錯的交互作用n5. 5.位錯鎖位錯鎖n6. 6.晶界阻力晶界阻力n7. 7.與固溶原子的彈性交互作用與固溶原子的彈性交互作用n8. 8.與第二相粒子的交互作用與第二相粒子的交互作用3.3 位錯強化的數(shù)學(xué)表達位錯強化的數(shù)學(xué)表達o1.1.點陣阻力點陣阻力 （Peirls-NabarroPeirls-Nabarro Stres

7、s Stress，P-NP-N力）力） P-NP-N力是滑移面上下兩層原子克服原子間吸引力產(chǎn)生相對位移的力是滑移面上下兩層原子克服原子間吸引力產(chǎn)生相對位移的阻力，阻力， P-NP-N力可以采用簡化的模型，通過計算上下原子間的錯排能、力可以采用簡化的模型，通過計算上下原子間的錯排能、錯排能與原子位移的關(guān)系并對位移求導(dǎo)求得。錯排能與原子位移的關(guān)系并對位移求導(dǎo)求得。 下式中下式中 a 是滑移面間距是滑移面間距 P-N P-N力取決于力取決于 ，因此滑移通常都在密排面上的最密，因此滑移通常都在密排面上的最密排晶向進行排晶向進行. P-N. P-N力是晶體滑移的最小的阻力力是晶體滑移的最小的阻力. .

8、12exp12baGpba /2 3.3 位錯強化的數(shù)學(xué)表達位錯強化的數(shù)學(xué)表達o2.2.位錯的長程彈性交互作用位錯的長程彈性交互作用lGb 3.3 位錯強化的數(shù)學(xué)表達位錯強化的數(shù)學(xué)表達o3.3.與林位錯的交互作用與林位錯的交互作用 林位錯是與運動位錯滑移面相交的位錯，運動位錯與林位錯是與運動位錯滑移面相交的位錯，運動位錯與林位錯的交互作用可以產(chǎn)生會合位錯與位錯交割，均增加林位錯的交互作用可以產(chǎn)生會合位錯與位錯交割，均增加位錯運動的阻力。位錯運動的阻力。 3.3 位錯強化的數(shù)學(xué)表達位錯強化的數(shù)學(xué)表達o位錯交割位錯交割以下是刃型位錯與一螺型位錯的交割。刃型位錯的柏氏矢量為以下是刃型位錯與一螺型位錯

9、的交割。刃型位錯的柏氏矢量為 b1b1，螺型位錯，螺型位錯垂直穿過其滑移面其柏氏矢量為垂直穿過其滑移面其柏氏矢量為b2b2。 刃型位錯上產(chǎn)生的割階為刃型位錯上產(chǎn)生的割階為PPPP，不能通，不能通過滑移而消失。它的運動有保守的和非保守的兩種過滑移而消失。它的運動有保守的和非保守的兩種 ， 當割階作非保守運動時就會產(chǎn)生一列空位或間隙原當割階作非保守運動時就會產(chǎn)生一列空位或間隙原 子，這對運動位鍺產(chǎn)子，這對運動位鍺產(chǎn)生阻力。產(chǎn)生一列間隙原子比產(chǎn)生空位需要更大的能量，因生阻力。產(chǎn)生一列間隙原子比產(chǎn)生空位需要更大的能量，因 此對運動位錯的此對運動位錯的阻力更大，傳錯運動更為困難。阻力更大，傳錯運動更為困

10、難。 lGb / 3.3 位錯強化的數(shù)學(xué)表達位錯強化的數(shù)學(xué)表達o會合位錯會合位錯會合位錯的產(chǎn)生會合位錯的產(chǎn)生 會合位錯的運動會合位錯的運動 lGbh/ 可以證明，會可以證明，會合位錯產(chǎn)生的阻力合位錯產(chǎn)生的阻力與林位錯間距成反與林位錯間距成反比：比：3.3 位錯強化的數(shù)學(xué)表達位錯強化的數(shù)學(xué)表達o位錯對流變應(yīng)力的作用位錯對流變應(yīng)力的作用2/10 Gb 綜合考慮位錯以及位錯以外的因素，流變應(yīng)力可以表示綜合考慮位錯以及位錯以外的因素，流變應(yīng)力可以表示為下式的形式，為下式的形式， 可以粗略的考慮為可以粗略的考慮為P-NP-N力。力。 可見晶體的流變應(yīng)力與位錯可見晶體的流變應(yīng)力與位錯密度的平方根成正比。密

11、度的平方根成正比。銀和銅多晶體流變應(yīng)力與位錯密度的關(guān)系銀和銅多晶體流變應(yīng)力與位錯密度的關(guān)系 0 3.4應(yīng)變速率與位錯運動速率的關(guān)系應(yīng)變速率與位錯運動速率的關(guān)系一一. .OrawanOrawan公式公式 bm 應(yīng)變速率應(yīng)變速率m 平均取向因子平均取向因子 可動位錯密度可動位錯密度 位錯運動平均速率位錯運動平均速率 3.4應(yīng)變速率與位錯運動速率的關(guān)系應(yīng)變速率與位錯運動速率的關(guān)系o二、二、OrawaOrawa公式的意義公式的意義 1. 1.直接將宏觀變形與微觀的位錯特性相聯(lián)系直接將宏觀變形與微觀的位錯特性相聯(lián)系 2. 2.變形速率一定時，可反映位錯密度與運動速率間的關(guān)變形速率一定時，可反映位錯密度與運動速率間的關(guān)系系 3. 3.金屬屈服機制金屬屈服機制3.5 應(yīng)變強化的應(yīng)用及特點應(yīng)變強化的應(yīng)用及特點