材料强度学细晶强化

？ 强度
硬度
硬度： 材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度，是 衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标
钢和黄铜的强度－硬度关系（选自美国 Metal Handbook第九版第一卷）
材料强度的影响因素：
强度： 化学成分
微观结构 环境 应力状态
Graphite
Diamond
材料强度学的任务：
晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。(是单 晶体区别与多晶体的主要特征)
晶界的特性：
•晶界原子排列混乱、缺陷和杂质原子多、能量高； •晶界上原子扩散速度较快； •晶界对位错运动有阻碍作用； •晶界易产生氧化、局部熔化和腐蚀等； •晶界的原子混乱排列和高能量有利于固态相变的形核。
晶界分类：
晶粒之间变形的协调性
原因：各晶粒之间变形具有非同时性。 要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致
晶体分裂） 条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变化）
晶粒大小与性能的关系： 晶粒越细，强度越高(细晶强化：Hall-
Petch 公式可知) s=0+kd-1/2
原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。
G
1 2
L( S V
)
ρ,位错密度 L,是屈服时单位晶界面积上发出的位错 的总长度 S,晶粒表面积 V,晶粒体积
系数1/2表示晶界分属两个晶粒
对于十四面体晶粒
S /V 6 .7 /D
3.35L
G
D
1
位错强化增量公式 YS2Gb2 G
0
S n( ) 0
( )2 D
2A
0
（2
AS1
1
）D 2
2
0
SS （ 8A） S 1 2D 1 2 SkD 1 2
0
0
y
0k d1/2
该集中应力（即S）达到
➢使滑移位错对钉扎的原子气团解钉的临界应力SSC时，晶体将
发生屈服；
➢使相邻晶粒内的位错源开动的临界应力SfC时，晶体将发生塑
剪切应力的存在是塑移
面缺陷：二维尺寸
• 晶体外表面（external surfaces） • 晶粒边界（grain boundaries） • 孪晶界（twin boundaries） • 相界面（phase boundaries） • 层错（stacking faults）
性流变；
➢使邻近某处的微裂纹开始扩展的临界应力SCC时，晶体将发生
解理断裂；
➢微孔聚合的临界应力SbC时，晶体将发生塑性断裂。
晶界位错模型
基本思路：晶界上存在台阶或坎－故晶界本身 也可以作为位错源－位错移出晶界必须通过坎位错 林－所需的应力取决于坎的密度（随晶粒尺寸减小 而增）。
可解释纯金属中不存在位错塞积而符合HallPetch 公式的情况。
一侧相对于另一侧的整体刚性滑移 通过位错的运动来实现
位错：指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的 局部不规则排列（晶体学缺陷）。从几何角度看， 位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与 未滑移部分的分界线。
晶体的范性形变就是位错运动的结果。其存在对 材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的 影响。
理论临界分剪应力 m
m
G
2
常用金属的G 值 ≈ 104MPa～105MPa
≠ 理论切变强度应为103MPa～104MPa
金属的屈服强度仅为0.5～10MPa
埃贡·欧罗万（Egon Orowan） 迈克尔·波拉尼（Michael Polanyi） G.I. 泰勒（G. I. Taylor）
塑性变形的 位错机制理论
而且晶粒越多，变形均匀性提高，由应力集中导致的 开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。
此外，晶粒越细，应力集中小，裂纹不易萌生；晶 界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能 量,表现出高韧性。
故细化晶粒是同时提高材料强度、塑性和韧性的有 效手段（高温性能除外），受到广泛重视。
Hall－Petch 公式的位错模型
大角度晶界：
晶粒位向差大于10度的晶界。其结构为几个原子范围内的原 子的混乱排列，可视为一个过渡区。
小角度晶界：
晶粒位向差小于10度的晶界。其结构为位错列，又分为 对称倾侧晶界和扭转晶界。
亚晶界：
位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。为位错结构。
晶粒的平均直径通常在0.015—0.25mm范围内，而 亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm的范围内
孪晶界：
两块相邻孪晶的共晶面。分为共格孪晶界和非共格孪晶 界。
有晶界条件下(多晶体)的变形特点：
晶粒之间变形的传播过程：
➢位错在晶界塞积; ➢应力集中; ➢相邻晶粒位错源开动; ➢相邻晶粒变形; ➢宏观塑性变形。
软取向
多晶体塑性变形总是一批一批晶粒逐步地发生，从少量晶 粒开始逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到 比较均匀的变形。
材料强度学细晶强化
材料强度： 表征材料承载能力 的力学性能指标。是材料对变形 和断裂的抗力。
定义： 用给定塑性变形量或塑性变形速度所对应的应力或断 裂前所能承受的最大应力
e.g. 屈服强度：刚刚发生塑性变形所对应的应力。 蠕变强度：一定温度下给定的稳定蠕变速度所对应的应力。 疲劳强度：给定的疲劳断裂周次所对应的应力幅。
研究材料变形与断裂行为及其与应力、环境等 外部因素的关系，探明变形与断裂行为的微观 机制，并建立变形与断裂定量理论。
强度
塑性变形 位错
缺陷
空位 位错 晶界 固溶原子 第二相原子
点缺陷
位错的运动与晶体塑性
1926年，苏联物理学家雅科夫·弗仑克尔（Jacov Frenkel）
理想完整晶体模型理论屈服强度
Stress concentration
D( )
n
0
2A
n, number of dislocation
α=2
τ0
A Gb
2(1)
for edge dislocation
τ
A Gb
for screw dislocation
2
在塞积位错群头部产生 应力集中
S n( ) 0
( )2 D
2A
s=0+kd-1/2
Hall和Petch 首先建立了 低碳钢下屈服点与晶粒尺 寸的经验关系，并得到了 Morrison, Gladman 和 Pickering等人的证实。
位错塞积模型
基本思路：晶界位错塞积－应力集中－达到某临界值－相邻
晶粒屈服－相邻晶粒位错源开动－滑移从一个晶粒传播到另
一个晶粒。