C1-第二節(jié) 塑性變形與強(qiáng)化機(jī)制.ppt

1、第二節(jié) 塑性變形與強(qiáng)化機(jī)制,一、單晶體的塑性變形,1、滑移,當(dāng)作用在位錯(cuò)上的切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，晶體的一部分將沿著一定的晶面（滑移面）和一定的方向（滑移方向）發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)，產(chǎn)生了相對(duì)的位移。,滑移的結(jié)果：,使晶體表面產(chǎn)生臺(tái)階、滑移線、滑移帶,滑移通常沿原子密度最大的晶面和晶向進(jìn)行滑移系,滑移的特征,滑移只能在切應(yīng)力 的作用下發(fā)生,不同加載方式發(fā)生塑性變形的能力不同。拉伸、扭轉(zhuǎn)、壓縮塑性變形能力依次增加。,工業(yè)純鐵壓縮變形滑移線,孿生是切應(yīng)力作用下晶體的一部分相對(duì)于另一部 分沿一定的晶面（孿生面）與晶向（孿生方向） 產(chǎn)生一角度的均勻切變過程。發(fā)生切變的區(qū)域稱 為孿晶或?qū)\晶帶。,2、孿生,與

2、滑移相似，孿生也是在切應(yīng)力的作用下發(fā)生的， 但孿生所需的臨界切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于滑移時(shí)的臨界 切應(yīng)力，因此，只有在滑移很難進(jìn)行的條件下， 晶體才發(fā)生孿生變形。孿生變形速度極快，常引 起沖擊波，并伴隨聲響。,純銅 形變退火 退火孿晶,純鋅沖擊變形孿晶,二、多晶體的塑性變形,晶粒變形的不同時(shí)性,晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性,晶界的強(qiáng)化作用,處于有利位向（軟位向）的晶粒先滑移 處于不利位向（硬位向）的晶粒后滑移,多晶體中每個(gè)晶粒都處于其它晶粒的包圍之 中，它們的變形必然要與其它臨近的晶粒相 互協(xié)調(diào)配合。,晶界是滑移的障礙，晶界變形抗力較大 晶界多了能強(qiáng)化材料 細(xì)晶強(qiáng)化,三、材料的強(qiáng)化機(jī)制,（一）固溶強(qiáng)化,通過溶入

3、某種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬強(qiáng)度硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。分為間隙固溶強(qiáng)化（尺寸比較小的間隙原子引起的強(qiáng)化）和置換固溶強(qiáng)化（尺寸比較大的置換原子引起的強(qiáng)化）。,例如: 純Cu中加入19%的Ni，可使合金的強(qiáng)度由220MPa提高到380400MPa，硬度由44HBS升高到70HBS，而塑性由70%降低到50%，降幅不大。若按其它方法（如冷變形加工硬化）獲得同樣的強(qiáng)化效果，其塑性將接近完全喪失。,由于形成固溶體的溶質(zhì)原子和溶劑原子的尺寸和性質(zhì)不同，溶質(zhì)原子的溶入必然引起一些現(xiàn)象，例如：溶質(zhì)原子聚集在位錯(cuò)周圍釘扎住位錯(cuò)（彈性交互作用）；溶質(zhì)原子聚集在層錯(cuò)處，阻礙層錯(cuò)的擴(kuò)展與束集（化學(xué)交互作用）；

4、位錯(cuò)與溶質(zhì)間形成偶極子（電學(xué)交互作用）。這些現(xiàn)象都增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高了金屬的強(qiáng)度和硬度。,固溶強(qiáng)化機(jī)制,電學(xué)交互作用,化學(xué)交互作用,彈性交互作用,（二）細(xì)晶強(qiáng)化,金屬的晶粒越細(xì)，單位體積金屬中晶界和亞晶 界面積越大，金屬的強(qiáng)度越高，這就是細(xì)晶強(qiáng)化。,晶粒大小對(duì)純鐵力學(xué)性能的影響,細(xì)化晶粒不僅能提高材料的強(qiáng)度，還可以改善 材料的塑性和韌性。 因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)就越多， 變形時(shí)同樣的變形量可分散到更多的晶粒中發(fā)生， 以產(chǎn)生比較均勻的變形，這樣，因局部應(yīng)力集中而 引起材料開裂的幾率較小，使材料在斷裂前就有可 能承受較大的塑性變形，得到較大的伸長(zhǎng)

5、率、斷面 收縮率和具有較高的沖擊載荷抗力。,實(shí)驗(yàn)證明，金屬的屈服強(qiáng)度與其晶粒尺寸之 間有下列關(guān)系： s=0+ K/d1/2 此式稱為霍耳-配奇公式。 式中：0 為常數(shù)，相當(dāng)于單晶體的屈服強(qiáng)度； d為多晶體中各晶粒的平均直徑； K為晶界對(duì)強(qiáng)度影響程度的常數(shù)， 與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。 s 開始發(fā)生塑性變形的最小應(yīng)力,細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制：晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程中的障礙。 晶界增多，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng)，致使位 錯(cuò)在晶界處塞積（即位錯(cuò)密度增加），金屬的強(qiáng) 度增加；在單個(gè)晶粒內(nèi)部，塞積的位錯(cuò)群的長(zhǎng)度 減小，應(yīng)力集中較小，不足于使位錯(cuò)源開動(dòng)，必 須增加外力。,生產(chǎn)中細(xì)化晶粒的方法:,1、加快凝固速度,2、變質(zhì)處理（如

6、純鋁鑄錠）,3、振動(dòng)和攪拌,Ti變質(zhì)處理,未變質(zhì)處理,（三）位錯(cuò)強(qiáng)化,金屬中的位錯(cuò)密度越高，則位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)越容易發(fā) 生相互交割，形成割階，造成位錯(cuò)纏結(jié)等位錯(cuò)運(yùn) 動(dòng)的障礙，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高 金屬的強(qiáng)度，這種用增加位錯(cuò)密度提高金屬強(qiáng)度 的方法稱為位錯(cuò)強(qiáng)化。,金屬材料經(jīng)冷塑性變形后，其強(qiáng)度與硬度隨變形程度的增加而提高，而塑性、韌性則很快降低的現(xiàn)象為加工硬化或形變強(qiáng)化。,1、概念,例如：自行車鏈條板(16Mn鋼板) 原始厚度3.5mm 150HB b=520MPa 五次冷軋后1.2mm 275HB b1000MPa,又如：冷拔高強(qiáng)度鋼絲和冷卷彈簧是利用加工變形來提高他們的強(qiáng)度和彈性極限；

7、坦克和拖拉機(jī)的履帶、破碎機(jī)的顎板以及鐵路的道叉等也都是利用加工硬化來提高他們的硬度和耐磨性的。,金屬的塑性變形是通過滑移進(jìn)行的。在塑性變形過程中，由于位錯(cuò)塞積（位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程中遇到障礙受阻）、位錯(cuò)之間的彈性作用、位錯(cuò)割階等造成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，從而使材料的強(qiáng)度提高。,2、加工硬化機(jī)制,實(shí)驗(yàn)證明，金屬強(qiáng)度 與位錯(cuò)密度有左圖所 示的關(guān)系。退火態(tài)金 屬的位錯(cuò)密度為 106108/cm2 ，強(qiáng)度最 低，在此基礎(chǔ)上增加 或降低位錯(cuò)密度，都 可有效提高金屬強(qiáng) 度。加工硬化態(tài)金屬 的位錯(cuò)密度為 10111012/cm2 。,金屬強(qiáng)度與位錯(cuò) 密度關(guān)系示意圖,3、金屬強(qiáng)度與位錯(cuò)密度有左圖所示的關(guān)系,冷加工過程中，除了

8、力學(xué)性能的變化，金屬材料的物理化學(xué)性能也有所改變。 例如：冷加工后位錯(cuò)密度增加，晶格畸變很大， 給自由電子的運(yùn)動(dòng)造成一定程度的干擾，從而使 電阻有所增加；由于位錯(cuò)密度增大，晶體處于高 能量狀態(tài)，金屬易與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使 抗腐蝕性能降低。,（四）第二相強(qiáng)化,第二相粒子可以有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)著 的位錯(cuò)遇到滑移面上的第二相粒子時(shí)，或切過， 或繞過，這樣滑移變形才能繼續(xù)進(jìn)行。這一過 程要消耗額外的能量，需要提高外加應(yīng)力，所 以造成強(qiáng)化。但是第二相粒子必須十分細(xì)小， 粒子越彌散，其間距越小，則強(qiáng)化效果越好。 這種有第二相粒子引起的強(qiáng)化作用稱之為第二 相強(qiáng)化。根據(jù)兩者相互作用的方式有兩種強(qiáng)化 機(jī)制：彌散強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。,繞過機(jī)制：基體與中間相的界面上存在點(diǎn)陣畸 變和應(yīng)力場(chǎng)，成為位錯(cuò)滑動(dòng)的障礙。滑動(dòng)位錯(cuò)遇 到這種障礙變得彎曲，隨切應(yīng)力加大，位錯(cuò)彎曲 程度加劇，并逐漸成為環(huán)狀。由于兩個(gè)顆粒間的 位錯(cuò)線段符號(hào)相反，它們將斷開，形成包圍小顆 粒的位錯(cuò)環(huán)。位錯(cuò)則越過顆粒繼續(xù)向前滑動(dòng)。隨 著位錯(cuò)不斷繞過第二相顆粒，顆粒周圍的位錯(cuò)環(huán) 數(shù)逐漸增加，對(duì)后來的位錯(cuò)造成更大的阻力。,彌散強(qiáng)化機(jī)制,切過機(jī)