材料強(qiáng)度學(xué)晶界與強(qiáng)化.pptx

1、材料強(qiáng)度，材料強(qiáng)度：表征材料承載能力的機(jī)械性能指標(biāo)。是材料對(duì)變形和斷裂的抵抗力。定義：使用對(duì)應(yīng)于給定塑性變形量或塑性變形速度的應(yīng)力或最大應(yīng)力、強(qiáng)度、硬度、硬度：材料抵抗硬物局部壓入其表面的能力稱為硬度，是衡量金屬材料硬度的重要性能指標(biāo)。鋼和黃銅的強(qiáng)度與硬度的關(guān)系(選自美國(guó)金屬手冊(cè)第九版第一卷)，強(qiáng)度：化學(xué)成分，顯微組織，環(huán)境，應(yīng)力狀態(tài)，材料強(qiáng)度的影響因素：研究材料的變形和斷裂行為及其與應(yīng)力和環(huán)境等外部因素的關(guān)系，找出變形和斷裂行為。材料強(qiáng)度科學(xué)的任務(wù)：強(qiáng)度、塑性變形、位錯(cuò)、空位、位錯(cuò)、晶界、固溶體原子、第二相原子、缺陷、點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶體塑性。1926年，蘇聯(lián)物理學(xué)家雅克夫弗蘭克爾，理想完

2、全晶體模型的理論屈服強(qiáng)度，理論臨界剪切應(yīng)力，埃貢歐羅萬。邁克爾波拉尼)，G . I G. I .泰勒，塑性變形的位錯(cuò)機(jī)制理論，以及一側(cè)相對(duì)于另一側(cè)的整體剛性滑動(dòng)是通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，而剪應(yīng)力的存在是塑性變形的最基本因素。晶體的規(guī)范形變是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。它的存在對(duì)材料的物理性能，尤其是力學(xué)性能有很大的影響。位錯(cuò)是指晶體材料內(nèi)部的微觀缺陷，即原子的局部不規(guī)則排列(晶體缺陷)。從幾何角度來看，位錯(cuò)是一種線缺陷，可視為晶體滑移部分和非滑移部分之間的邊界。邊緣位錯(cuò)、螺旋位錯(cuò)、爬升、表面缺陷：二維尺寸、外表面、晶界、孿晶界、相界、堆垛層錯(cuò)、晶界和強(qiáng)化、晶界：具有不同空間取向的兩個(gè)相鄰晶粒之間的界面。(這是

3、單晶和多晶的主要特征)晶界特征：晶界原子排列無序，缺陷和雜質(zhì)原子多，能量高；原子在晶界上的擴(kuò)散速度更快。晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。晶界易于氧化、局部熔化和腐蝕。晶界原子的無序排列和高能量有利于固相轉(zhuǎn)變成核。晶界分類：大角度晶界：晶粒取向差大于10度的晶界。它的結(jié)構(gòu)是在幾個(gè)原子范圍內(nèi)原子的無序排列，這可以看作是一個(gè)過渡帶。低角度晶界：晶粒取向差小于10度的晶界。其結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)陣列，分為對(duì)稱傾斜晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。亞晶粒邊界：取向差小于1度的亞晶粒之間的邊界。是錯(cuò)位結(jié)構(gòu)。晶粒的平均直徑通常在0.0150.25毫米的范圍內(nèi)，而亞晶粒的平均直徑通常在0.001毫米的范圍內(nèi)。孿晶界是兩個(gè)相鄰孿晶的共晶面。分為相干孿晶

4、界和非相干孿晶界。晶粒間變形的擴(kuò)展過程：位錯(cuò)在晶界被堵塞；應(yīng)力集中；相鄰晶粒的位錯(cuò)源開始；相鄰晶粒的變形；宏觀塑性變形多晶在晶界條件下具有變形特征：多晶的塑性變形總是從幾個(gè)晶粒到大量晶粒逐漸發(fā)生，并從不均勻變形逐漸發(fā)展到相對(duì)均勻的變形。原因：晶粒間的變形不是同時(shí)發(fā)生的。要求：顆粒間的變形要協(xié)調(diào)。(獨(dú)立變形將導(dǎo)致晶體分裂)條件：5個(gè)獨(dú)立滑移系統(tǒng)。晶粒尺寸與性能之間的關(guān)系：晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高(晶粒強(qiáng)化：霍爾-佩特奇公式顯示)，s=0 kd-1/2。原因是晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大。此外，谷物越多，產(chǎn)量越高因此，晶粒細(xì)化是同時(shí)提高材料強(qiáng)度、塑性和韌性(高溫性能除外)的有效手段，受到廣泛重

5、視。HallPetch公式的位錯(cuò)模型為S=0 KD-1/2。Hall和Petch首次建立了低碳鋼屈服點(diǎn)與晶粒尺寸之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并得到了Morrison、Gladman和Pickering的證實(shí)。位錯(cuò)堆積模型的基本思想是，晶界處位錯(cuò)堆積的應(yīng)力集中達(dá)到某一臨界值，相鄰晶粒的位錯(cuò)源屈服并開始從一個(gè)晶?；频搅硪粋€(gè)晶粒。n，位錯(cuò)數(shù)=2，對(duì)于邊緣位錯(cuò)，對(duì)于螺旋位錯(cuò)，在栓塞位錯(cuò)群的頭部產(chǎn)生應(yīng)力集中。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明霍爾佩奇公式具有廣泛的適用性。例如：1 .兩相層狀結(jié)構(gòu)的亞晶粒尺寸或片層間距對(duì)屈服強(qiáng)度的影響；2.塑性材料流動(dòng)應(yīng)力與晶粒尺寸的關(guān)系：3.脆性應(yīng)力與脆性材料晶粒尺寸的關(guān)系：4.金屬材料的疲勞強(qiáng)度

6、和硬度與晶粒尺寸的關(guān)系。通常，在室溫下使用的結(jié)構(gòu)材料希望獲得精細(xì)且均勻的晶粒。因?yàn)榧?xì)晶不僅使材料具有較高的強(qiáng)度和硬度，而且使其具有良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學(xué)性能。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明霍爾佩奇公式具有廣泛的適用性，例如，當(dāng)集中應(yīng)力(即S)達(dá)到滑動(dòng)位錯(cuò)解鎖被釘扎原子氣團(tuán)的臨界應(yīng)力SSC時(shí)，晶體將屈服；當(dāng)相鄰晶粒中的位錯(cuò)源被臨界應(yīng)力SfC激活時(shí)，晶體將經(jīng)歷塑性流變；當(dāng)臨界應(yīng)力應(yīng)力集中使某處附近的微裂紋開始擴(kuò)展時(shí)，晶體將發(fā)生解理斷裂；當(dāng)微孔聚合的臨界應(yīng)力為SbC時(shí)，會(huì)發(fā)生塑性斷裂。晶界位錯(cuò)模型的基本思想是：晶界上有臺(tái)階或脊。晶界本身也可以用作位錯(cuò)源。當(dāng)位錯(cuò)移出晶界時(shí)，穿過脊位錯(cuò)林所需的應(yīng)力取決

7、于脊的密度(隨著晶粒尺寸的減小而增加)。它可以解釋純金屬中沒有位錯(cuò)塞積，符合霍爾-佩特奇公式。位錯(cuò)密度l是屈服時(shí)每單位晶界面積位錯(cuò)的總長(zhǎng)度s，晶粒表面積v，晶粒體積，系數(shù)1/2表示晶界屬于兩個(gè)晶粒，對(duì)于十面體晶粒，位錯(cuò)強(qiáng)化增量公式，不同鋼的K值，材料晶粒尺寸K值低碳鋼3m-幾毫米17.4兆帕1/2高碳鋼22.3兆帕1/2 1米10兆帕1/2鋁？Mg。鎂的k值大于鋁或鐵的k值。增加成核速率，降低晶粒生長(zhǎng)速率，在澆注前向液態(tài)金屬中加入成核劑，促進(jìn)大量非均勻成核的形成，以細(xì)化晶粒。這種方法用于大型鑄件。振動(dòng)、振動(dòng)和攪拌、機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)、壓力澆注等。用于非常復(fù)雜的鑄件，ECAP細(xì)晶強(qiáng)化可以達(dá)到更大

8、的強(qiáng)化效果。目前，在鋼材料中，通過低溫和大塑性變形(SPD)過程，如HPT -高壓扭轉(zhuǎn)、ARB -累積滾焊、動(dòng)態(tài)塑性變形、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的應(yīng)變誘導(dǎo)鐵素體轉(zhuǎn)變(DIFT-變形誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軋制/擠壓，揭示納米孿晶銅的最大強(qiáng)度?？茖W(xué)2009年1月30日3:卷323號(hào)第5914頁(yè)607-610，通過納米尺度的工程相干內(nèi)部邊界強(qiáng)化材料揭示納米孿晶銅的最大強(qiáng)度(英文)魯科學(xué)2009:年1月30日第323卷第5914期第607-610頁(yè)快速凝固晶粒細(xì)化劑(鈦、鋁)鋼的正火高強(qiáng)度鋼絲：專利工藝(奧氏體-290鉛浴淬火540超細(xì)珠光體轉(zhuǎn)變)冷拉UTS可達(dá)4000兆帕以上。再結(jié)晶退火納米晶，應(yīng)用4細(xì)晶強(qiáng)化，

9、鋁合金晶粒細(xì)化：鈦(Ti3Al)，鈦-硼(TiB2)鎂合金晶粒細(xì)化：鋯，釔值得注意的是，晶界是一種非晶缺陷，晶體在極端條件下表現(xiàn)出許多缺陷(納米晶，非晶)和無晶須的優(yōu)異性能。此外，在研究中，應(yīng)特別注意區(qū)分晶粒和枝晶細(xì)胞。在這一節(jié)的最后，1 .每個(gè)晶粒變形的不均勻性和不均勻性。每個(gè)晶粒變形的相互協(xié)調(diào)需要五個(gè)以上獨(dú)立的滑移系統(tǒng)同時(shí)作用。由于晶界阻滯效應(yīng)和較差的取向效應(yīng)，變形不可能從某一晶粒開始后直接從一個(gè)晶粒繼續(xù)到另一個(gè)晶粒。但是，作為一個(gè)連續(xù)的整體，每一個(gè)晶粒都被其他晶粒所包圍，在任何滑移體系中，每一個(gè)晶粒都不允許自由變形，否則將導(dǎo)致晶界開裂。為了使每個(gè)晶粒和相鄰的晶粒協(xié)調(diào)變形，馮米塞斯指出，晶粒應(yīng)該能夠在至少五個(gè)獨(dú)立的滑移系統(tǒng)上滑移。Fcc和bcc金屬可以滿足五種以上獨(dú)立滑移系的條件，其塑性通常較好；然而，hcp金屬幾乎沒有獨(dú)立的滑移系統(tǒng)，其塑性通常不好。多晶金屬的塑性變形特性，以及滑移的轉(zhuǎn)移，必須激發(fā)相鄰晶粒的位錯(cuò)源。多晶體的變形抗力大于單晶，變形更不均勻