第5章 材料的形变和再结晶4

溶质原子尺寸的影响
Metal Atomic radius (0.1nm) Cu 1.278 Zn 1.332 Al 1.432 Sn 1.509 Ni 1.243 Si 1.176 Be 1.143 [(r-rcu)/rcu] ×100%
0 +4.2 +12.1
Zn
+18.1 -2.7 -8.0 -10.6
3. 弥散强化 4. 加工硬化
6. 应变时效
7. 柯氏气团 8. 形变织构
Questions?
1. 为什么工程上很少用纯金属？
2. 合金加工或应用中存在哪些问题？ 3. 织构是如何产生的？
4. 如何提高金属的强度？
为什么钻戒不用纯金而是用白金作为托架？
Men's Wedding Rings Materials A groom‘s wedding band（结婚戒指） will be made of platinum, white gold, yellow gold, titanium, stainless
晶粒组成，晶粒与晶粒之间通过晶界连结。因为晶 界是成形过程中最后凝固形成的，是杂质和缺陷的 聚集带。
晶界对金属材料性能的影响
1. 疲劳性能：晶界往往是疲劳裂纹源，晶界显著降低 材料的疲劳性能； 2. 力学性能：晶界阻碍材料塑性变形，显著降低材料 的塑性； 3. 腐蚀性能：金属沿晶界产生晶间腐蚀； 4. 蠕变性能：金属材料首先由晶界开始熔化，晶界限 制了材料的最高工作温度； 5. 电学性能：在直流电信号传输中，晶界是电阻，对 电信号的传输起歪曲和衰减的作用。
(with pure gold coming in at 24 karats).
二、多晶体的塑性变形
单晶与多晶有何区别？ 晶界
多晶体存在 大量晶界。
Leabharlann Baidu
单晶与多晶性能比较
单晶金属材料因其消除了普通多晶金属材料中的晶 界使材料性能有了质的飞跃 1. 普通的金属材料都是多晶状态的，它由许多微小的
第五章 材料的形变和再结晶（4）
Chapter 5 Deformation and re-crystallization of materials
曾荣昌
本节主要内容
1. 多晶体的塑性变形 2. 合金的塑性变形 3. 塑性变形对材料组织与性能的影响
重要理论和概念
1. 细晶强化 5. 屈服现象
2. 固溶强化
三、固溶强化 （SOLID-SOLUTION STRENGTHENING）
1、单相固溶体合金的塑性变形 塑性变形阻力↑ 固溶强化
明显的屈服点和应变时效现象
固溶强化
1）概念：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度
提高而塑性下降的现象。
溶质原子的加入提高了应力-应变曲线的水平，提高了合金的 加工硬化速率。
单晶材料的获得成为突破现有材料极限的有效方法 1. 先进航空发动机叶片采用无晶界的单晶高温合金可 以提高工作温度和寿命； 2. 采用无晶界的单晶耐蚀合金无缝管，可防止因晶间 腐蚀而泄漏； 3. 单晶制品优异的塑性加工 性能，使之可以加工成超 细的线和超薄的箔，作为生产集成电路、大型计算 机以及电子仪器、音像设备所需的高级材料； 4. 单晶材料高的残留电阻比大大提高了信号传输的保 真度，在日本单晶连铸铜线在音像设备中已获得应 用。
• 比溶剂原子尺 寸大的臵换溶 质原子
间隙原子C、N
压应力
滑移面
拉应力
位错增值理论
材料塑形变形的应变速率
p m v b
ρm-可动位错密度
v-位错的平均运动速度 b-位错的伯氏矢量。

（ 1）
位错的平均运动速度V又与应力密切相关：
v （2） 0 τ0-位错作单位速度运动所需的应力，τ-位错受到的有效切 应力，m’-应力敏感指数
steel or, lead. Platinum and white gold are, at present, the most popular materials.
White gold（白金） is an alloy of gold (i.e., it is gold and silver or palladium（钯）. This is where the concept of Karat (开，克拉) comes in. Karat is a measure of the purity of the material.
拉伸试验时， p 接近于恒定。

m'
塑形变性前，ρm很低，v很大，τ 很大；这就是上屈服点 高的原因。
2）影响固溶强化的因素
1. 溶质原子含量:溶质原子的原子数分数越高，强化 作用也越大；
2. 原子尺寸:溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越
大，强化作用也越大；
3. 固溶体类型：间隙型溶质原子比臵换原子具有较 大的固溶强化效果； 4. 价电子数：溶质原子与基体金属的价电子数相差 越大，固溶强化作用越显著。
二次疲劳裂纹产生的原因
霍尔佩奇公式：
s 0 kd
1/ 2
已知：σs=187.0 Mpa， k = 0.22 MPa m1/2，σ0=146.8MPa 那么 对于细晶粒，d 1= 10 μm， σs1 = 216.4 MPa 对于粗晶粒，d 2= 250 μm， σs2 = 160.7 Mpa 显然， Δσs = σs1 -σs2 =55.7 Mpa 粗晶粒和细晶粒屈服强度之间存在巨大的差异，粗晶 粒优先发生塑性变形。
晶粒之间变形的协调性
（ 1 ）原因：各晶粒之间变形 具有非同时性。
（ 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） （ 3 ）条件：独立滑移系 5 个。 （保证晶粒形状的自由变化）
2、晶界的影响
晶界附近产生的位错塞积群会对晶内的位错源产生一
反作用力。此反作用力随位错塞积的数目n而增大：
吕德斯带
概念：在发生屈服延伸阶段，
试样的应变是不均匀的，在试
样表面可观察到与纵轴约呈45º 交角的应变痕迹，称为吕德斯 （Lüders）带。 现象：吕德斯带会造成拉伸
和深冲过程中工件表面不平。
吕德斯带造成铝 合金板材表面不 平整
吕德斯带与滑移带比较
吕德斯带是许多晶粒协调变形的结果，它穿过了试 样横截面上的每个晶粒，而其中每个晶粒内部则仍 按各自滑移系进行滑移变形。 滑移带是抛光试样表面经过塑性变形产生的高低不 同的台阶所造成的一条条细线。
R.C. Zeng et al. / International Journal of Fatigue 31 (2009) 463–467
细晶强化：
1. 晶粒越细，强度越高—细晶强化理论 晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。 （有尺寸限制）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。
s = 0 + kd-1/2
细晶强化
霍尔-佩奇公式最初是一经验公式，但也可根据位错理论， 利用位错群在晶界附近引起的塞积模型导出。
细晶强化
霍尔-佩奇公式的应用解释镁合金AZ61疲劳裂纹形成机理 二次裂纹是如何 产生的？
?
?
R.C. Zeng et al. / International Journal of Fatigue 31 (2009) 463–467
①各晶粒变形的不同时性；
②各晶粒变形的相互协调性； ③多晶体塑性变形的不均匀性；
5、细晶强化 (Strengthening by grain size reduction)
晶界数量直接取决于晶粒的大小
多晶体的强度随其晶粒细化而提高。 多晶体的屈服强度σs与晶粒平均晶粒直径d的关系. 由霍尔-配奇（Hall-Petch）公式,可知
3）固溶强化机制
①晶格畸变，阻碍位错运动；
溶质原子与位错的弹性交互作用、化学交互作用和 静电交互作用
②柯氏气团强化。
位错运动改变了溶质原子在固溶体结构中以短程有序 或偏聚形式存在的分布状态， →↑系统能量，↑滑移变形的阻力
固溶强化对性能的影响
1. 合金的拉伸强度、屈服强 度、硬度都大于纯金属；
2. 合金的韧性都低于纯金属 ； 3. 合金的电导率远远低于纯 金属； 4. 固溶强化提高了蠕变阻力 。
屈服现象的物理本质
a、柯氏理论：柯氏气团的形成；
b、位错增值理论：位错运动与增殖的结果。
• 柯氏气团：在固溶体合金中，溶质原子或杂质原 子可以与位错交互作用而形成的溶质原子气团。
柯垂尔（COTTRELL）气团
与位错交互作用偏聚于刃 位错的下方，以抵消部分 或全部的张应力，↓弹性 应变能，位错趋于稳定， 不易运动，对位错具有 “钉扎作用”。
2. 晶粒越细，塑韧性提高
细晶粒材料中，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。
晶界在塑性变形中的作用
协调作用：协调相邻晶粒变形
障碍作用：阻碍滑移的进行 促进作用：高温变形时两相邻晶粒沿晶界滑动 起裂作用：晶界阻碍滑移晶界应力集中
多晶体与单晶体塑性变形比较
相同之处： 同样以滑移和孪生为塑性变形的基本方式 不同之处： 1、多晶体的塑性变形受到晶粒取向和晶界阻碍的影响； 2、任何一个晶粒的塑性变形都不是处于独立的自由变 形状态，需要其周围的晶粒同时发生相适应的变形 来配合。
1. 晶粒取向的影响
晶粒取向对多晶体塑性变形的影响，主要表现在各晶粒 变形过程中的相互制约和协调性。 多晶体塑性变形过程如同绑腿比赛
k 0 L n Gb 式中，τ0为作用于滑移 面上的外加分切应力， L为位错源至晶界之距 离，κ为系数，螺型位 错κ=1，刃型位错κ=1-ν。
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→塑性变形
3、晶界对变形的阻碍作用
（1）晶界的特点： 原子排列不规则、分布有大量缺陷。 （2）晶界对变形的影响:多晶体塑性变形后，每一晶粒 中的滑移带都终止在晶界附近。滑移、孪生多终止于 晶界,极少穿过。
R. Zeng et al. / Journal of Alloys and Compounds 509 (2011) 4462–4469 R. Zeng et al. / International Journal of Fatigue 32 (2010) 411–419
4、多晶体塑性变形的特点
Strength or elongation
Cu
回答：为什么钻戒不用纯金而是用白金作为托 架的问题？
利用合金固溶强化理论，白金的硬度显然比纯金的高 ，以保证钻石不会从戒指中脱落。
4）屈服现象与应变时效
①屈服现象
上屈服点：试样开始屈服时对应的应力
下屈服点：载荷首次降低的最低载荷 屈服伸长：试样在此恒定应力下的伸长
An 18K gold ring has 75% pure gold (the element). The higher the karat, the softer the ring and the more easily it will get scratched and dented. Accordingly, 18K is considered the optimal karat
http://www.sdada.edu.cn/show.php?id=571188
理论分析指出，多晶体塑性变形要求至少能在5个独立
的滑移系上进行滑移。 多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互 间协调的，即：一个多晶粒是否能塑性变形，决定于它 是否具备5个独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协 调的要求。 这与晶体的结构类型有关：面心立方和体心立方晶体分 别有12个和48个滑移系，故它们的多晶体具有很好的塑 性；而密排六方晶体只有3个滑移系，其塑性变形能力 较差。
鲍威尔与特奥运动员赵曾曾二人三足跑
三人四足绑腿跑
http://gb.cri.cn/20864/2007/09/28/2065@1786314.htm, http://xsgzb.sdkd.net.cn/gfjy/news.asp?articleid=11126
绑腿人数越多，制约性越多，协调性更困难。 同理，晶粒越细小，晶粒越多，制约性更强， 塑性变形将变得更为不易。