材料科学基础第6章

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二、晶界的影响 1多晶体变形的现象 2晶粒大小与性能的关系 晶粒越细 ， 强度越高 ， 塑 性韧性越好。 性韧性越好。
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1）对强度的影响－细晶强化 对强度的影响－ 霍尔－配奇公式: HALL-PETCH公式 霍尔－配奇公式: HALL-PETCH公式 ss=s0+kd-1/2 2）对塑性、韧性的影响 对塑性、
第六章
单晶体塑 性变形 多晶体塑 性变形
塑性变形
单相 多相
本章介绍的内容：由简单到复杂
合金塑性 变形 塑性变形组织 及性能
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机理
第一节
金属的应力应变曲线
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一 工程应力应变曲线 拉伸试验基本过程： GB6397-86制作的标准 拉伸试验基本过程：将GB6397-86制作的标准 试样（长试样l 10d和短试样l=5d l=5d） 试样（长试样l＝10d和短试样l=5d）放在拉伸 试验机上缓慢拉伸，试样在载荷P下缓慢伸长， 试验机上缓慢拉伸，试样在载荷P下缓慢伸长， 直至断裂。得到工程应力 应变曲线。 工程应力－ 直至断裂。得到工程应力－应变曲线。
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第五节
冷变形金属的组织与性能
一、对显微组织的影响 1 形成纤维组织 塑性变形量很大时，各晶粒已不能分辨而成为 塑性变形量很大时， 一片如纤维状的条纹，称为纤维组织 一片如纤维状的条纹，称为纤维组织 晶粒拉长; 杂质呈细带状或链状分布。 1）晶粒拉长;2）杂质呈细带状或链状分布。 纤维组织具有明显的各向异性， 纤维组织具有明显的各向异性，纵向的强度和 塑性高于横向。 塑性高于横向。
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典型的应力应变－曲线
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二 真实应力应变曲线 真实应力应是瞬时载荷P与瞬时面积F 真实应力应是瞬时载荷P与瞬时面积F之比
P S= F
真应变e应是瞬时伸长量除以瞬时长度， 真应变e应是瞬时伸长量除以瞬时长度，即
dl l e = ∫ de = ∫ = ln = ln(l + δ ) l0 l l0
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在其他条件相同时， 在其他条件相同时，金属塑性的好坏不只取 决于滑移系的多少， 决于滑移系的多少，还与滑移面原子密排程 度及滑移方向的数目等因素有关
晶体结构 面心立方 滑移面 {111}×4 × {110}×6 × 体心立方 {121}×12 × {123}×24 × {0001}×1 × {1010} {1011} <1120> 滑移方向 <110>×3 × ×2 <111> ×1 ×1 ×3 滑移系数目 12 12 12 24 3 3 6 常见金属 Cu,Al,Ni,Au Fe,W,Mo Fe,W Fe Mg,Zn,Ti Mg,Zr,Ti Mg,Ti
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第三节
多晶体的塑性变形
多晶体塑性变形的基本方式也是滑移和孪生。 多晶体塑性变形的基本方式也是滑移和孪生。 一、晶粒取向的影响 1 变形过程
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2 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。 （1）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。 （ 2 ） 要求 ： 各晶粒之间变形相互协调 。 独立变形会导致晶体分裂） （独立变形会导致晶体分裂） 条件：独立滑移系3 （3）条件：独立滑移系3～5个。（保证晶 粒形状的自由变化
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第四节
合金的塑性变形
提高强度的另一方法是合金化。 提高强度的另一方法是合金化。合金塑性变形 合金化 的基本方式仍是滑移和孪生，但因组织、 的基本方式仍是滑移和孪生，但因组织、结构 的变化，塑性变形各有特点。 的变化，塑性变形各有特点。 一、固溶体的塑性变形 1 固溶强化现象
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2 强化机制 1)晶格畸变，阻碍位错运动； 1)晶格畸变，阻碍位错运动； 晶格畸变 2）柯氏气团强化。 柯氏气团强化。
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3）孪生比滑移的临界分切应力高，萌发于滑 孪生比滑移的临界分切应力高， 移受阻因其的局部应力集中区。 移受阻因其的局部应力集中区。 4）孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。孪 孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。 生改变了晶体位向 5）由于孪生变形时，局部切变可达较大数量， 由于孪生变形时，局部切变可达较大数量， 所以在变形试样的抛光表面上可以看到浮凸， 所以在变形试样的抛光表面上可以看到浮凸， 经重新抛光后，虽然表面浮凸可以去掉， 经重新抛光后，虽然表面浮凸可以去掉，但因 已变形区的晶体位向不同， 已变形区的晶体位向不同，所以在偏光下或浸 蚀后仍能看到孪晶。 蚀后仍能看到孪晶。而滑移变形后的试样经抛 光后滑移带消失。 光后滑移带消失。
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多滑移
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交滑移
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交滑移和多滑移的区别： 交滑移和多滑移的区别： 发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带； 发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带；发生 交滑移时会出现曲折或波纹状的滑移带。 交滑移时会出现曲折或波纹状的滑移带。 交滑移必须是纯螺型位错， 交滑移必须是纯螺型位错，因其滑移面不受限 可以同时进行共向滑移。 制。可以同时进行共向滑移。 6 滑移的位错机制
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特点： 特点：晶体结构类型并未改变 。 滑移的组织形态： 光镜下： 滑移带（ 无重现性） 滑移的组织形态 ： 光镜下 ： 滑移带 （ 无重现性 ） 电境下：滑移线。 电境下：滑移线。 显微组织特点：抛光后可能看不见。 显微组织特点：抛光后可能看不见。
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2 滑移系 滑移是沿着特定的晶面 滑移是沿着特定的晶面 和
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二 弥散型合金的塑性变形 1 不可变形微粒的强化作用 位错绕过第二相粒子(粒子、 位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错 运动) 运动)
位错克服第二粒子的阻碍作 用，克服位错环对位错源的 反向应力。继续变形时必须 增大外应力，从而使流变应 力迅速提高
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2 可变形微粒的强化作用 当第二相偎可变形微粒时， 当第二相偎可变形微粒时，位错将切过粒子使 其与基体一起变形
聚合型 多相合金 弥散型
第二相很细小，且弥散分 布于基体晶粒内
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第二相的尺寸与基体晶 粒尺寸属同一数量级
1
聚合型两相合金的变形
性能按下列方法估计 1）两相都具有较好的塑性，合金的变形阻力 两相都具有较好的塑性， 决定于两相的体积分数。 决定于两相的体积分数。
σ =ϕ1σ1 +ϕ2σ2
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2）软基体＋硬第二相合金的性能除与两相的 ）软基体＋ 相对含量有关外， 相对含量有关外，在很大程度上取决于脆性相 形状和分布。 的形状和分布。 第二相网状分布于晶界（二次渗碳体） 易沿 第二相网状分布于晶界（二次渗碳体）,易沿 晶脆断； 晶脆断； 原因：因塑性相晶粒被脆性相包围分割， 原因：因塑性相晶粒被脆性相包围分割，少量 塑变即脆断
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三 多相合金的塑性变形 单相合金的强化：加入第二相形成多相合金。 单相合金的强化：加入第二相形成多相合金。 相变热处理（ 第二相可通过相变热处理 沉淀强化， 第二相可通过相变热处理（沉淀强化，时效强 粉末冶金方法（弥散强化） 化）或粉末冶金方法（弥散强化）获得 多相合金根据第二相粒子的尺寸大小分类
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两相呈层片状分布（珠光体） 两相呈层片状分布（珠光体） 特点：变形主要集中在基体相中， 特点：变形主要集中在基体相中，位错的移动 被限制在很短的距离内， 被限制在很短的距离内，增加了继续变形的阻 使其强度提高。 力，使其强度提高。 片层间距越小，其强度越高 片层间距越小， 第二相呈颗粒状分布（球状渗碳体）。 第二相呈颗粒状分布（球状渗碳体）。 强度降低，塑性、 强度降低，塑性、韧性得到改善
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二、 屈服和应变时效 1 屈服现象 吕德斯带 吕德斯带扩展 吕德斯带危害： 吕德斯带危害：因屈服 延伸区的不均匀变形（ 延伸区的不均匀变形（吕 德斯带） 德斯带）使工件表面粗糙 不同。 不同。
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2 应变时效 原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。 原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成。
低碳钢时效图
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4 滑移时晶体的转动 1）位向和晶面的变化 滑移过程中， 滑移过程中，滑移面和滑移方向的转动必然导 致取向因子的改变。 致取向因子的改变。 2）取向因子的变化 几何硬化 几何软化
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5 多滑移 单滑移： 1）单滑移：只有一组滑移系处于最有利的取向 最大） 分切应力最大，便进行单系滑移。 （m最大）时，分切应力最大，便进行单系滑移。 多滑移：在多个（ 滑移系上同时 同时或 2）多滑移：在多个（>2）滑移系上同时或交替 进行的滑移。 进行的滑移。 发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带。 发生多滑移时会出现几组交叉的滑移带。 交滑移： 3）交滑移 交滑移：晶体在两个或多个不同滑 移面上沿同一滑移方向进行的滑移。 移面上沿同一滑移方向进行的滑移。
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m称为取向因子，或称施密特因子（Schmid）。 称为取向因子，或称施密特因子（Schmid）。 与塑性变形： 越大，越有利于滑移。 m与塑性变形：m越大，越有利于滑移。 tk的特点 的特点： tk的特点： 临界分切应力的大小主要取决于金属的本性， 1)临界分切应力的大小主要取决于金属的本性 1)临界分切应力的大小主要取决于金属的本性， 与外力无关。当条件一定时， 与外力无关。当条件一定时，各种晶体的临 界分切应力各有其定值 2)是一个组织敏感参数 是一个组织敏感参数。 2)是一个组织敏感参数。 材料的组织性能——临界切应力决定屈服强度)
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3 临界分切应力 滑移是在切应力作用下发生的 滑移发生的力学条件： 滑移发生的力学条件：
P cos λ P τ= = cos ϕ cos λ = σ o cos ϕ cos λ A / cos ϕ A
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当外加应力等于屈服强度时： 当外加应力等于屈服强度时： 宏观上：晶体出现塑性变形。 宏观上：晶体出现塑性变形。 微观上： 晶体开始滑移。 微观上 ： 晶体开始滑移 。 此时滑移方向上的分 切应力达到临界值，称为临界分切应力 临界分切应力。 切应力达到临界值，称为临界分切应力。 τk：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切 应力。 应力。 τ k = σ s m m = cosϕ cosλ
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2 形成大量亚结构
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二 变形织构 1 变形织构 择优取向：塑性变形过程中晶粒的转动， 择优取向 ： 塑性变形过程中晶粒的转动 ， 使绝 大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致的 现象 变形织构： 变形织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶 粒呈择优取向的组织。 粒呈择优取向的组织。 特征: 特征:各向异性
l
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均匀塑性变形阶段的真应力-真应变曲线， 均匀塑性变形阶段的真应力-真应变曲线，称 流变曲线： 为流变曲线：
S = ke
n
n值越大，变形时的 值越大， 强化效果越明显
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第二节
单晶体的塑性变形
常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、 常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生、扭 折。 一 滑移 1 滑移现象 定义：在切应力作用下， 定义：在切应力作用下，晶体的一部分相对于 另一部分沿着一定的晶面（ 滑移面） 另一部分沿着一定的晶面 （ 滑移面 ） 和晶向 滑移方向）产生相对位移。 （滑移方向）产生相对位移。
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二 孪生 1 孪生现象 在切应力作用下， 在切应力作用下 ， 晶体的一部分相对于另一部 分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶 体取向的镜面对称关系。 体取向的镜面对称关系。
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变形部分与未变形部分以孪晶面为准， 变形部分与未变形部分以孪晶面为准，构成镜 面对称，形成孪晶。 面对称，形成孪晶。孪晶在显微镜下呈带状或 透镜状。 透镜状。 2 孪生变形的特点 1 ） 孪生使一部分晶体发生了均匀的切变 ， 而 孪生使一部分晶体发生了均匀的切变， 滑移是不均匀的，只集中在一些滑移面上进行。 滑移是不均匀的，只集中在一些滑移面上进行。 2 ） 孪生后晶体变形部分与未变形部分成镜面 对称关系，位向发生变化。 对称关系，位向发生变化。
晶向进行的。 晶向进行的。 进行的
密排面）滑移方向(密排方向) 滑移面 （密排面）滑移方向(密排方向) 滑移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向组 滑移系： 成一个滑移系
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每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系。 每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系 。 滑移系的多少在一定程度上决定了金属塑性的 好坏。 好坏。 滑移系的个数:( 滑移面个数）× （ 每个面上所 滑移系的个数: 滑移面个数） 具有的滑移方向的个数） 具有的滑移方向的个数）