材料力學(xué)性能10

1、思考題：2.陶瓷晶體塑性變形微觀機(jī)制是什么？有何特點(diǎn)？7.物理屈服延伸變形特點(diǎn)？與Luders帶應(yīng)變有何關(guān)系？3.簡(jiǎn)單加載與復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)宏觀屈服條件有何關(guān)系？4.最大切應(yīng)力與形狀改變比能強(qiáng)度理論有何聯(lián)系與區(qū)別？5.物理屈服現(xiàn)象有何特征？1.塑性變形體積不變與多晶體協(xié)調(diào)變形有何關(guān)系？6.尖銳屈服點(diǎn)或應(yīng)力陡降反映了塑性變形的何種微觀特征？ 1.1.物理屈服現(xiàn)象物理屈服現(xiàn)象2.2.物理屈服的本質(zhì)物理屈服的本質(zhì) 和特定的下呈現(xiàn)的(。 (2)(2)材料特性材料特性( (內(nèi)部因素內(nèi)部因素) )溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用釘扎機(jī)制：柯氏氣團(tuán)切應(yīng)力作用下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)切應(yīng)力作用下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)vbmv0位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制vb

2、m0/mv材料具有明顯屈服點(diǎn)的條件:(1)塑性變形開(kāi)始前可動(dòng)位錯(cuò)密度低；(2)塑性變形開(kāi)始后位錯(cuò)密度迅速增加 (位錯(cuò)增殖或脫釘)；(3)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率對(duì)外加應(yīng)力有強(qiáng)烈的依存關(guān)系 (位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率應(yīng)力敏感指數(shù)m小)。Ge、Si、LiF、bcc金屬等m值較小，屈服現(xiàn)象明顯；Fcc金屬m值較大(100200)，屈服現(xiàn)象不明顯。3.3.應(yīng)變時(shí)效應(yīng)變時(shí)效X80管線鋼不同預(yù)應(yīng)變的應(yīng)變時(shí)效行為管線鋼不同預(yù)應(yīng)變的應(yīng)變時(shí)效行為位錯(cuò)與溶質(zhì)原子相互作用的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)依據(jù)：(1)應(yīng)變時(shí)效重新產(chǎn)生物理屈服的激活能與C原子在 鐵中擴(kuò)散激活能相同，約84kJ/mol；(2)應(yīng)變時(shí)效所需時(shí)間與形成原子氣團(tuán)的時(shí)間也在 同一數(shù)量級(jí)內(nèi)。

3、 (1)在薄鋼板冷沖壓成形時(shí)，往往因局部變形不均勻，板面呂德斯帶導(dǎo)致表面折皺，影響表面質(zhì)量。4.4.與物理屈服相關(guān)的幾個(gè)工程問(wèn)題與物理屈服相關(guān)的幾個(gè)工程問(wèn)題 為避免折皺出現(xiàn)，可對(duì)鋼板預(yù)變形，變形量稍大于屈服應(yīng)變，然后沖壓時(shí)將不出現(xiàn)物理屈服，避免折皺。應(yīng)變時(shí)效強(qiáng)化同時(shí)發(fā)生脆化，一般應(yīng)予以避免；但若調(diào)整成分和工藝以避免塑性下降過(guò)多，應(yīng)變時(shí)效亦能用于提高低碳鋼的強(qiáng)度。例1：川崎制鐵株式會(huì)社申請(qǐng)了一系列專(zhuān)利應(yīng)變時(shí)效硬化特性?xún)?yōu)良的高強(qiáng)度冷軋鋼板及其制造方法，CN1366559具有優(yōu)良應(yīng)變時(shí)效硬化特性的熱軋鋼板、冷軋鋼板和熱浸鍍鋅鋼板以及它們的制造方法，01801490.9 沖壓成形性和應(yīng)變時(shí)效硬化特性出

4、色的高延展性鋼板及其制造方法，02122437.4例2：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012-2015)基于動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的激光溫噴丸強(qiáng)化延壽基礎(chǔ)研究 (2)應(yīng)變時(shí)效可能導(dǎo)致工程構(gòu)件脆性增加。繼續(xù)變形抗力：初始變形抗力：最大強(qiáng)度：fydddymax1.1.點(diǎn)陣阻力點(diǎn)陣阻力bwbdpeGeG2)1(21212位錯(cuò)滑移時(shí)核心能量的變化： 2.2.位錯(cuò)間交互作用阻力位錯(cuò)間交互作用阻力Ti合金冷變形位錯(cuò)纏結(jié)合金冷變形位錯(cuò)纏結(jié)(1)平行位錯(cuò)間交互作用(2)位錯(cuò)林阻力b b1 1b b2 2位錯(cuò)滑移方向位錯(cuò)滑移方向位錯(cuò)交割結(jié)果：在位錯(cuò)線上可形成曲折位錯(cuò)交割結(jié)果：在位錯(cuò)線上可形成曲折( (割階或扭折割階或扭折) )

5、。割階：位錯(cuò)線上垂直于其滑移面的曲折部分。割階：位錯(cuò)線上垂直于其滑移面的曲折部分。 割階阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。割階阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。扭折：位錯(cuò)線上位于其滑移面上的曲折部分。扭折：位錯(cuò)線上位于其滑移面上的曲折部分。 扭折對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)影響不大。扭折對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)影響不大。b bb b割階割階扭折扭折典型的位錯(cuò)交割：典型的位錯(cuò)交割： 不同滑移面上兩條相垂直不同滑移面上兩條相垂直刃位錯(cuò)交割刃位錯(cuò)交割，使兩條位錯(cuò)線上，使兩條位錯(cuò)線上各形成大小、方向等于另一條各形成大小、方向等于另一條位錯(cuò)線位錯(cuò)線b b 矢量的螺型扭折。矢量的螺型扭折。不同滑移面上兩條相垂不同滑移面上兩條相垂直螺位錯(cuò)交割直螺位錯(cuò)交割，使兩條位錯(cuò)，使兩條

6、位錯(cuò)線上各自形成大小、方向等線上各自形成大小、方向等于另一條位錯(cuò)線于另一條位錯(cuò)線b b 矢量的刃矢量的刃型割階。該割階須經(jīng)攀移才型割階。該割階須經(jīng)攀移才能運(yùn)動(dòng)。能運(yùn)動(dòng)。b b1 1b b2 2b b1 1b b2 2b b1 1b b2 2b b1 1b b2 2不同滑移面上的兩條相垂直刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)交割不同滑移面上的兩條相垂直刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)交割，使刃，使刃位錯(cuò)上形成大小、方向等于螺位錯(cuò)位錯(cuò)上形成大小、方向等于螺位錯(cuò)b b矢量的刃型扭折，螺位矢量的刃型扭折，螺位錯(cuò)上形成大小、方向等于刃位錯(cuò)錯(cuò)上形成大小、方向等于刃位錯(cuò)b b矢量的刃型割階。矢量的刃型割階。b b1 1b b2 2b b2 2b

7、b1 1Gbd3.3.屈服強(qiáng)度本質(zhì)及構(gòu)成屈服強(qiáng)度本質(zhì)及構(gòu)成GbpdpsGbs0 1.1.基本途徑基本途徑非晶金屬非晶金屬 2.2.細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化 低碳鋼的s與晶粒直徑的關(guān)系210kds Hall-Petch關(guān)系關(guān)系 純銅s與晶粒直徑的關(guān)系Hall-Petch關(guān)系的推導(dǎo): 2GbLkng2)(igGbLK(扣除位錯(cuò)滑移阻力i )cgcos當(dāng)s2)(2cosiScGbdk2/1cos2dKGbciSMcoscos(單晶體 )M(多晶體 )2/12cos2dKMGbMMciS2/1kdis討論：(1)i、k的物理意義？(2)細(xì)晶強(qiáng)韌化機(jī)制？(3)適用范圍？關(guān)于細(xì)晶強(qiáng)韌化： 性能單位金屬多晶單晶納米

8、晶熱膨脹系數(shù)10-6K-1Cu161831比熱容(295K)J/(gK)Pd0.24-0.37密度g/cm3Fe7.97.56彈性模量GPaPd123-88剪切模量GPaPd43-32斷裂強(qiáng)度MPaFe-1.8%C700-8000屈服強(qiáng)度MPaCu83-185飽和磁化強(qiáng)度(4K)4p10-7Tm3/kgFe222215130磁化率4p10-9Tm3/kgSb-1-0.0320超導(dǎo)臨界溫度KAl1.2-3.2擴(kuò)散激活能eVAg于Cu中2.0-0.39Cu自擴(kuò)散2.04-0.64德拜溫度KFe467-3 反Hall-Petch關(guān)系dc , nm 尤其是均勻延伸率低p純度與加工缺陷的影響；p加工硬化

9、能力較差，易塑性失穩(wěn)。p盧柯等利用電解沉積技術(shù)制備高純致密塊狀納米晶體Cu，晶粒尺寸為30nm，純度高于99.995wt%，密度可達(dá)普通純Cu理論密度的99.4%。p在室溫(僅為熔點(diǎn)的22%)軋制納米晶Cu樣品，其延伸率高達(dá)5100%，無(wú)明顯的加工硬化效應(yīng)，晶粒尺寸保持不變。說(shuō)明晶界運(yùn)動(dòng)起重要作用。思考題：如何兼顧金屬材料的強(qiáng)韌性與導(dǎo)電性？dc, nm習(xí)題四：試對(duì)比分析單晶體與多晶體的塑性變形臨界條件，基于位錯(cuò)理論推導(dǎo)Hall-Petch公式并舉例說(shuō)明其工程意義與適用范圍。1.應(yīng)變時(shí)效條件是什么？有何工程意義？思考題：2.何種條件下應(yīng)變時(shí)效可以用作強(qiáng)化手段？3.屈服強(qiáng)度的微觀本質(zhì)是什么？4.從

10、屈服強(qiáng)度的本質(zhì)和應(yīng)變時(shí)效效應(yīng)推測(cè)材料強(qiáng)化時(shí)應(yīng)注意什么？8.細(xì)化晶粒對(duì)高塑性或高強(qiáng)度材料s何者影響大？7.如何理解細(xì)晶強(qiáng)化同時(shí)改善塑韌性？5.多晶體屈服強(qiáng)度微觀本質(zhì)？與單晶體有何聯(lián)系與區(qū)別？6.多晶體宏觀屈服強(qiáng)度與單晶體有何聯(lián)系與區(qū)別？ 3.3.固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化Cu-Ni合金固溶強(qiáng)化鐵素體的固溶強(qiáng)化Al-Mg合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線溶質(zhì)原子的加入提高溶質(zhì)原子的加入提高材料的屈服強(qiáng)度材料的屈服強(qiáng)度s和和應(yīng)力水平應(yīng)力水平, ,同時(shí)加工硬化率同時(shí)加工硬化率d d /d/d 不同程度增大不同程度增大。一般稀固溶體屈服應(yīng)力：mskC0固溶強(qiáng)化與溶質(zhì)極限溶解度(固溶度)顯著相關(guān)；n溶質(zhì)原子不同，強(qiáng)化效果不同；溶質(zhì)

11、原子溶質(zhì)原子不同，強(qiáng)化效果不同；溶質(zhì)原子濃度越高，強(qiáng)化作用越大，低濃度時(shí)效果濃度越高，強(qiáng)化作用越大，低濃度時(shí)效果更明顯。更明顯。n溶質(zhì)原子與基體原子的尺寸相差越大，效溶質(zhì)原子與基體原子的尺寸相差越大，效果越明顯。果越明顯。n間隙式溶質(zhì)元素比置換式溶質(zhì)元素固溶強(qiáng)間隙式溶質(zhì)元素比置換式溶質(zhì)元素固溶強(qiáng)化作用更大?；饔酶?。n溶質(zhì)原子與基體原子電負(fù)性差別越大，固溶質(zhì)原子與基體原子電負(fù)性差別越大，固溶強(qiáng)化作用越大。溶強(qiáng)化作用越大。固溶強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的固溶強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的和和阻阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。彈性交互作用溶質(zhì)原子均勻分布長(zhǎng)程彈性交互作用形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)釘扎位錯(cuò)螺型

12、位錯(cuò)與周?chē)娜苜|(zhì)原子作用，原子在沿x、y、z的三種面心位置上發(fā)生擇優(yōu)分布（應(yīng)力感生有序），使系統(tǒng)能量降低。 電交互作用化學(xué)交互作用面心立方晶體中的擴(kuò)展位錯(cuò)幾何交互作用改變基體鍵合強(qiáng)度導(dǎo)致點(diǎn)陣阻力變化n彈性交互作用強(qiáng)，但對(duì)溫度敏感，常溫下作用大；彈性交互作用強(qiáng)，但對(duì)溫度敏感，常溫下作用大；n電學(xué)和化學(xué)交互作用較弱，但對(duì)溫度不敏感，高電學(xué)和化學(xué)交互作用較弱，但對(duì)溫度不敏感，高溫下作用大。溫下作用大。n強(qiáng)化效果大的溶質(zhì)元素固溶度低；強(qiáng)化效果大的溶質(zhì)元素固溶度低；n多元微合金化，非單個(gè)元素強(qiáng)化的加和。多元微合金化，非單個(gè)元素強(qiáng)化的加和。 4.4.第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化n單相合金可借固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度，但提

13、高單相合金可借固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度，但提高程度有限。通常使用的材料大多是兩相或程度有限。通常使用的材料大多是兩相或多相合金。多相合金。n第二相來(lái)源：可通過(guò)相變熱處理第二相來(lái)源：可通過(guò)相變熱處理()或粉末冶金方法或粉末冶金方法()獲得。獲得。H62黃銅黃銅鑄態(tài)組織鑄態(tài)組織變形和退火后變形和退火后n如果兩相都具有較好塑性，則合金變形阻力取決于如果兩相都具有較好塑性，則合金變形阻力取決于兩相的體積分?jǐn)?shù)兩相的體積分?jǐn)?shù)?？砂??？砂椿蚧蛴?jì)算計(jì)算的平均流變應(yīng)力或平均應(yīng)變。的平均流變應(yīng)力或平均應(yīng)變。假定塑性變形過(guò)程中兩相應(yīng)變相等假定塑性變形過(guò)程中兩相應(yīng)變相等，合，合金產(chǎn)生一定應(yīng)變的流變應(yīng)力為：金產(chǎn)生一定應(yīng)變的流變

14、應(yīng)力為： =f11+f22 式中式中f1和和f2為兩相的體積分?jǐn)?shù)。為兩相的體積分?jǐn)?shù)。n當(dāng)?shù)诙嗔髯儜?yīng)力高于基相當(dāng)?shù)诙嗔髯儜?yīng)力高于基相(2 =1+)時(shí)時(shí), =f11+f2(1+) =1+f2, 材料得以強(qiáng)化。材料得以強(qiáng)化。假定兩相所受的流變應(yīng)力相等假定兩相所受的流變應(yīng)力相等，平均平均應(yīng)變?yōu)椋簯?yīng)變?yōu)椋?=1f1+2f2 n當(dāng)?shù)诙鄳?yīng)變小于基相應(yīng)變當(dāng)?shù)诙鄳?yīng)變小于基相應(yīng)變(2=1f2- )時(shí)，時(shí)， =1f1+(1f2- )=1- , 材料得以強(qiáng)化材料得以強(qiáng)化。 如果第二相為硬脆相，則合金性能除與兩相相如果第二相為硬脆相，則合金性能除與兩相相對(duì)含量有關(guān)外，很大程度上取決于硬脆相的對(duì)含量有關(guān)外，很大程

15、度上取決于硬脆相的形狀形狀與分布與分布。n如果如果硬脆相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布于基相晶界上，硬脆相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布于基相晶界上，則基相受限不能變形，應(yīng)力過(guò)大即沿晶界則基相受限不能變形，應(yīng)力過(guò)大即沿晶界斷裂斷裂。塑性變差，甚至強(qiáng)度也隨之下降。塑性變差，甚至強(qiáng)度也隨之下降。n如果硬脆相成片狀分布于基相，因變形主如果硬脆相成片狀分布于基相，因變形主要集中在基相，而位錯(cuò)受片層厚度限制，要集中在基相，而位錯(cuò)受片層厚度限制，移動(dòng)距離很短，繼續(xù)變形阻力加大，強(qiáng)度移動(dòng)距離很短，繼續(xù)變形阻力加大，強(qiáng)度得以提高。片層越薄，強(qiáng)度越高；變形越得以提高。片層越薄，強(qiáng)度越高；變形越均勻，塑性也越好，類(lèi)似于細(xì)晶強(qiáng)化。均勻，塑性也越好

16、，類(lèi)似于細(xì)晶強(qiáng)化。n如果硬脆相呈不連續(xù)等軸狀顆粒分布于基如果硬脆相呈不連續(xù)等軸狀顆粒分布于基體相晶粒之間，則因基體連續(xù)，硬脆相顆體相晶粒之間，則因基體連續(xù)，硬脆相顆粒對(duì)基體變形的影響大大減弱，強(qiáng)度下降，粒對(duì)基體變形的影響大大減弱，強(qiáng)度下降，塑性、韌性得以提高。塑性、韌性得以提高。 4.4.第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化n組織特征：n力學(xué)性能特點(diǎn)：n分類(lèi)：沉淀強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化彌散強(qiáng)化n分散相形態(tài)及分布：f, r, n分散相類(lèi)型：可變形粒子不可變形粒子 1）不變形粒子的強(qiáng)化作用：）不變形粒子的強(qiáng)化作用：當(dāng)移動(dòng)的位錯(cuò)當(dāng)移動(dòng)的位錯(cuò)與微粒相遇時(shí)，將因與微粒相遇時(shí)，將因而產(chǎn)生位錯(cuò)增殖而產(chǎn)生位錯(cuò)增殖。n位錯(cuò)繞過(guò)時(shí)，既要

17、克服第二相粒子的阻礙位錯(cuò)繞過(guò)時(shí)，既要克服第二相粒子的阻礙作用，又要克服位錯(cuò)環(huán)對(duì)位錯(cuò)源的反向應(yīng)作用，又要克服位錯(cuò)環(huán)對(duì)位錯(cuò)源的反向應(yīng)力，而且每一個(gè)位錯(cuò)繞過(guò)后都要增加一個(gè)力，而且每一個(gè)位錯(cuò)繞過(guò)后都要增加一個(gè)位錯(cuò)環(huán)位錯(cuò)環(huán)。因此繼續(xù)變形必須增大外應(yīng)力，。因此繼續(xù)變形必須增大外應(yīng)力，從而使流變應(yīng)從而使流變應(yīng) 力迅速提高。力迅速提高。 此圖為此圖為黃銅黃銅 中繞中繞Al2O3粒粒 子的位錯(cuò)環(huán)的子的位錯(cuò)環(huán)的 透射電鏡像。透射電鏡像。 位錯(cuò)繞過(guò)間距為位錯(cuò)繞過(guò)間距為的第二相微粒所需要的切的第二相微粒所需要的切應(yīng)力為：應(yīng)力為： =Gb/ 式中式中G為切變彈性模量；為切變彈性模量；b為柏氏矢量。為柏氏矢量。 位錯(cuò)繞過(guò)強(qiáng)化與第二相粒子的間距成反比。位錯(cuò)繞過(guò)強(qiáng)化與第二相粒子的間距成反比。越小，強(qiáng)化效果越好。越小，強(qiáng)化效果越好。 因此，因此，減小粒子尺寸減小粒子尺寸(增大粒子數(shù)增大粒子數(shù))或提高或提高粒子體積分?jǐn)?shù)粒子體積分?jǐn)?shù)(減小粒子間距減小粒子間距)，都能使合，都能使合金的強(qiáng)度提高金的強(qiáng)度提高。 2）可變形粒子的強(qiáng)化作用：第二相為可變）可變形粒子的強(qiáng)化作用：第二相為可變形微粒時(shí)，位錯(cuò)將切過(guò)粒子