材料力学性能10

溶质原子不同，强化效果不同；溶质原子 浓度越高，强化作用越大，低浓度时效果 更明显。 溶质原子与基体原子的尺寸相差越大，效 果越明显。


间隙式溶质元素比置换式溶质元素固溶强 化作用更大。
溶质原子与基体原子电负性差别越大，固 溶强化作用越大。

(3)固溶强化机理
固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性 交互作用、电交互作用和化学交互作用阻 碍了位错的运动。
柯氏气团
位错钉扎与脱钉过程
②位错运动机制
切应力作用下位错运动状态

b v
v 0
m
物理屈服的位错运动机制
bmv
v / 0
m'
材料具有明显屈服点的条件:
(1)塑性变形开始前可动位错密度低； (2)塑性变形开始后位错密度迅速增加 (位错增殖或脱钉)； (3)位错运动速率对外加应力有强烈的依存关系 (位错运动速率应力敏感指数m小)。


等应力理论假定两相所受的流变应力相等，平均 应变为：
ε=ε1f1+ε2f2

当第二相应变小于基相应变(ε2=ε1f2-Δ)时， ε=ε1f1+(ε1f2-Δ)=ε1-Δ, 材料得以强化。
如果第二相为硬脆相，则合金性能除与两相相 对含量有关外，很大程度上取决于硬脆相的形状 与分布。



如果硬脆相呈不连续等轴状颗粒分布于基 体相晶粒之间，则因基体连续，硬脆相颗 粒对基体变形的影响大大减弱，强度下降， 塑性、韧性得以提高。
第二相形态对碳钢力学性能的影响
第三章 材料变形抗力与强化机制
S3-2 材料基本强化机制 4.第二相强化
(3)分散强化

组织特征： 力学性能特点： 分类：
沉淀强化或时效强化 弥散强化


分散相形态及分布：f, r,

分散相类型：
可变形粒子 不可变形粒子
1）不变形粒子的强化作用：当移动的位错 与微粒相遇时，将因奥罗万(Orowan, 位 错绕过)机制而产生位错增殖。

位错绕过时，既要克服第二相粒子的阻碍 作用，又要克服位错环对位错源的反向应 力，而且每一个位错绕过后都要增加一个 位错环。因此继续变形必须增大外应力， 从而使流变应 力迅速提高。 此图为α黄铜 中绕Al2O3粒 子的位错环的 透射电镜像。
Ge、Si、LiF、bcc金属等m值较小，屈服现象明显； Fcc金属m值较大(>100~200)，屈服现象不明显。
3.应变时效
应变时效行为
预应变量对应变时效行为的影响
X80管线钢不同预应变的应变时效行为
应变时效微观机制 位错与溶质原子相互作用的结果。 实验依据： (1)应变时效重新产生物理屈服的激活能与C原子在 铁中扩散激活能相同，约84kJ/mol； (2)应变时效所需时间与形成原子气团的时间也在 同一数量级内。
应变时效硬化特性优良的高强度冷轧钢板及其制造方法，CN1366559 具有优良应变时效硬化特性的热轧钢板、冷轧钢板和热浸镀锌钢板 以及它们的制造方法，01801490.9 冲压成形性和应变时效硬化特性出色的高延展性钢板及其制造方法， 02122437.4
例2：国家自然科学基金项目(2012-2015)
7.物理屈服延伸变形特点？与Luders带应变有何关系？
塑性变形体积不变假设与多晶体的协调变形


第二章 材料变形行为
S2-5 物理屈服现象及其本质
1.物理屈服现象
2.物理屈服的本质 材料特性和特定的拉伸试验条件下呈现的(不均匀)塑性 变形开始与传播过程。
(2)材料特性(内部因素)
①钉扎机制： 溶质原子与位错交互作用
第二相来源：可通过相变热处理(沉淀相或 析出相)或粉末冶金方法(弥散相)获得。

(2)集聚型第二相强化
铸态组织

H62黄铜
变形和退火后
如果两相都具有较好塑wenku.baidu.com，则合金变形阻力取决于 两相的体积分数。可按等应变理论或等应力理论计算 的平均流变应力或平均应变。
(2)集聚型第二相强化

等应变理论假定塑性变形过程中两相应变相等，合 金产生一定应变的流变应力为： σ=f1σ1+f2σ2 式中f1和f2为两相的体积分数。 当第二相流变应力高于基相(σ2 =σ1+Δσ)时, σ=f1σ1+f2(σ1+Δσ) =σ1+f2Δσ, 材料得以强化。
卢柯等利用电解沉积技术制备高纯致密块状纳米晶体Cu， 晶粒尺寸为30 nm，纯度高于99.995 wt%，密度可达普通纯Cu 理论密度的99.4%。 在室温(仅为熔点的22%)轧制纳米晶Cu样品，其延伸率高达 5100%，无明显的加工硬化效应，晶粒尺寸保持不变。说明 晶界运动起重要作用。
思考题：如何兼顾金属材料的强韧性与导电性？
③不同滑移面上的两条相垂直刃位错与螺位错交割，使刃
位错上形成大小、方向等于螺位错b矢量的刃型扭折，螺位 错上形成大小、方向等于刃位错b矢量的刃型割阶。
b1
b1
b2
b2
d Gb
S3-1 单晶体的屈服强度
3.屈服强度本质及构成
纯净材料单晶体： s p d p Gb
Hall-Petch关系的推导:

g n
g
kL 2 Gb
KL ( i ) 2 Gb
(扣除位错滑移阻力i )
当 g cos c
kd cos c ( S i ) 2 2Gb
s
2Gb c 1 / 2 S i d K cos
(1)固溶强化现象
Cu-Ni合金固溶强化
铁素体的固溶强化
固溶强化现象
溶质原子的加入提高 材料的屈服强度s和
应力水平,
同时加工硬化率d/d
不同程度增大。
Al-Mg合金应力-应变曲线
(2)固溶强化规律 ①一般稀固溶体屈服应力：
s 0 kC
m
②固溶强化与溶质极限溶解度(固溶度)显著相关；
4.与物理屈服相关的几个工程问题
(1)在薄钢板冷冲压成形时，往往因局部 变形不均匀，板面吕德斯带导致表面折皱， 影响表面质量。
为避免折皱出现，可对钢板预变形，变形 量稍大于屈服应变，然后冲压时将不出现物 理屈服，避免折皱。
(2)应变时效可能导致工程构件脆性增加。
应变时效强化同时发生脆化，一般应予以避免； 但若调整成分和工艺以避免塑性下降过多， 应变时效亦能用于提高低碳钢的强度。 例1：川崎制铁株式会社申请了一系列专利
基于动态应变时效的激光温喷丸强化延寿基础研究
第三章 材料变形抗力与强化机制
s 初始变形抗力： s 继续变形抗力：
最大强度：
max y
f
y
d d
d
S3-1 单晶体的屈服强度
1.点阵阻力 (派-纳力:Peierls-Nabarro)
位错滑移时核心能量的变化：
dc, nm
纳米晶材料中塑性变形机制的变化
晶界变形主导：
晶界位错发射与湮灭 晶界滑移 晶粒旋转 ……
习题四：试对比分析单晶体与多晶体的塑性
变形临界条件，基于位错理论推导HallPetch公式并举例说明其工程意义与适用范围。
思考题：
1.应变时效条件是什么？有何工程意义？ 2.何种条件下应变时效可以用作强化手段？
扩散激活能
德拜温度
eV
K
Ag于Cu中
Cu自扩散 Fe
2.0
2.04 467
-
0.39
0.64 3
纳米晶金属材料力学行为特点
(1)高强度：临界晶粒尺寸dc
d >dc,Hall-Petch关系 d <dc,反Hall-Petch关系
dc , nm
纳米晶金属材料力学行为特点
(2)低塑性：尤其是均匀延伸率低 纯度与加工缺陷的影响； 加工硬化能力较差， 易塑性失稳。
①弹性交互作用
溶质原子均匀分布——长程弹性交互作用
形成溶质原子气团钉扎位错
Cottrell气团
Snoek气团
螺型位错与周围的溶质
原子作用，原子在沿x、
y、z的三种面心位置上
发生择优分布（应力感 生有序），使系统能量 降低。
②电交互作用 ③化学交互作用
面心立方晶体中的扩展位错
④几何交互作用
⑤改变基体键合强度导致点阵阻力变化
如果硬脆相呈连续网状分布于基相晶界上， 则基相受限不能变形，应力过大即沿晶界 断裂。塑性变差，甚至强度也随之下降。 如果硬脆相成片状分布于基相，因变形主 要集中在基相，而位错受片层厚度限制， 移动距离很短，继续变形阻力加大，强度 得以提高。片层越薄，强度越高；变形越 均匀，塑性也越好，类似于细晶强化。
材料力学性能
哈尔滨工业大学材料学院 朱景川
思考题：
1.塑性变形体积不变与多晶体协调变形有何关系？
2.陶瓷晶体塑性变形微观机制是什么？有何特点？
3.简单加载与复杂应力状态宏观屈服条件有何关系？ 4.最大切应力与形状改变比能强度理论有何联系与区别？ 5.物理屈服现象有何特征？ 6.尖锐屈服点或应力陡降反映了塑性变形的何种微观特征？
2G p e 1

2d (1 ) b
2G e 1

2w b
S3-1 单晶体的屈服强度
2.位错间交互作用阻力
(1)平行位错间交互作用 (2)位错林阻力
b1
位错滑移方向
b2
Ti合金冷变形位错缠结
位错交割结果：在位错线上可形成曲折(割阶或扭折)。 割阶：位错线上垂直于其滑移面的曲折部分。 割阶阻碍位错的运动。 扭折：位错线上位于其滑移面上的曲折部分。 扭折对位错运动影响不大。
但塑性明显降低。
原因：晶粒过小晶界不能有效塞积位错，加工硬化能力弱， 易塑性失稳断裂。
纳米晶材料与纳米结构材料结构与性能特点
纳米晶金属与通常多晶或非晶的性能
性能 热膨胀系数 比热容(295K) 密度 弹性模量 剪切模量 断裂强度 屈服强度 饱和磁化强度(4K) 磁化率 超导临界温度 单位 10-6K-1 J/(g×K) g/cm3 GPa GPa MPa MPa 4p×10-7Tm3/kg 4p×10-9Tm3/kg K 金属 Cu Pd Fe Pd Pd Fe-1.8%C Cu Fe Sb Al 多晶 16 0.24 7.9 123 43 700 83 222 -1 1.2 单晶 18 7.5 215 -0.03 纳米晶 31 0.37 6 88 32 8000 185 130 20 3.2
3.屈服强度的微观本质是什么？ 4.从屈服强度的本质和应变时效效应推测材料强化时应 注意什么？ 5.多晶体屈服强度微观本质？与单晶体有何联系与区别？
6.多晶体宏观屈服强度与单晶体有何联系与区别？ 7.如何理解细晶强化同时改善塑韧性？ 8.细化晶粒对高塑性或高强度材料s何者影响大？
S3-2 材料基本强化机制 3.固溶强化

弹性交互作用强，但对温度敏感，常温下作用大； 电学和化学交互作用较弱，但对温度不敏感，高 温下作用大。 强化效果大的溶质元素固溶度低； 多元微合金化，非单个元素强化的加和。

第三章 材料变形抗力与强化机制
S3-2 材料基本强化机制 4.第二相强化
(1)第二相分布类型
集聚型
分散型

单相合金可借固溶强化提高强度，但提高 程度有限。通常使用的材料大多是两相或 多相合金。

M cos cos
(单晶体 )
M
(多晶体 )
2GbM 2 c 1/ 2 M S M i d K cos
s i kd 1/ 2
讨论：(1)i、k的物理意义？ (2)细晶强韧化机制？
(3)适用范围？
关于细晶强韧化：
强化：晶界阻碍位错运动，因此晶粒细化强度提高。 韧化：晶粒细小有利于协调变形；同样的延伸率，每个晶粒 的变形量减小，当其与大晶粒一样的话，总延伸率提高。 细化晶粒是一种有效的强韧化手段。 例外：当晶粒细化到一定程度，比如纳米量级，强度增加；
b
割阶 扭折
b
典型的位错交割： ①不同滑移面上两条相垂直
刃位错交割，使两条位错线上
b1
b1
各形成大小、方向等于另一条
位错线b 矢量的螺型扭折。
b2
b2
b1 b2
b1
b2
②不同滑移面上两条相垂 直螺位错交割，使两条位错 线上各自形成大小、方向等 于另一条位错线b 矢量的刃 型割阶。该割阶须经攀移才 能运动。
对于一般材料：
s 0 Gb
Bailey-Hirsch关系式
S3-2 材料基本强化机制
1.基本途径
非晶金属
第三章 材料变形抗力与强化机制
S3-2 材料基本强化机制
2.细晶强化
低碳钢的σs与晶粒直径的关系
s 0 kd
1 2
Hall-Petch关系
纯铜σs与晶粒直径的关系