材料的形变和再结晶 (3)精选PPT.ppt

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1、关于材料的形变和再结晶(3)1第1页，讲稿共154张，创作于星期二主要内容主要内容1.弹性变形的本质、特征、弹性模量等弹性变形的本质、特征、弹性模量等2.单晶体、多晶体、合金的塑性变形单晶体、多晶体、合金的塑性变形3.塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响4.冷变形金属在加热时组织与性能的变化冷变形金属在加热时组织与性能的变化5.回复与再结晶回复与再结晶6.晶粒长大晶粒长大7.再结晶退火与退火孪晶再结晶退火与退火孪晶第2页，讲稿共154张，创作于星期二材材料料受受力力后后要要发发生生变变形形，外外力力较较小小时时产产生生弹弹性性变变形形；外外力力较较大大时时产产生生塑塑性

2、性变变形形，而而当当外外力力过过大大时时就就会会发发生生断裂。断裂。研研究究材材料料的的变变形形规规律律及及其其微微观观机机制制，分分析析了了解解各各种种内内外外因因素素对对变变形形的的影影响响，研研究究冷冷变变形形材材料料在在回回复复再再结结晶晶过过程程中中组组织织、结结构构和和性性能能的的变变化化规规律律，具有十分重要的理论和实际意义。具有十分重要的理论和实际意义。第3页，讲稿共154张，创作于星期二退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为弹性变形弹性变形弹性变形弹性变形

3、 不均匀屈服塑性变形不均匀屈服塑性变形不均匀屈服塑性变形不均匀屈服塑性变形均匀塑性变形均匀塑性变形 不均匀集中塑性变形四个阶段。不均匀集中塑性变形四个阶段。不均匀集中塑性变形四个阶段。不均匀集中塑性变形四个阶段。第4页，讲稿共154张，创作于星期二将拉伸力伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的原始截面积A0和原始标距长度L0去除，则得到应力应变曲线。弹性极限、屈服强度和抗拉强度，是工程上具有重要意义的强度指标。动画第5页，讲稿共154张，创作于星期二第一节第一节弹性和黏弹性弹性和黏弹性材材料料在在外外力力作作用用下下发发生生变变形形。当当外外力力较较小小时时，产产生生弹弹性性变变形形。弹弹性性变

4、变形形是是可可逆逆变形，卸载时，变形消失并恢复原状。变形，卸载时，变形消失并恢复原状。弹弹性性变变形形：指指外外力力去去除除后后能能够够完完全全恢恢复复的的那那部部分分变变形形，可可从从原原子子间间结结合合力力的的角角度来了解它的物理本质。度来了解它的物理本质。弹弹性性变变形形的的实实质质：晶晶格格中中原原子子自自平平衡衡位位置置产产生生可可逆位移的反映。逆位移的反映。一、弹性变形的本质一、弹性变形的本质第6页，讲稿共154张，创作于星期二原原子子处处于于平平衡衡位位置置时时，相相互互作作用用力力为为零零，这这是是最最稳稳定的状态。定的状态。原原子子间间距距为为r r0 0，位位能能U U处处

5、于于最最低低位位置置，原原子子受受力力后后将将偏偏离离其其平平衡衡位位置置，原原子子间间距距增增大大时时将将产产生生引引力力；原原子子间间距距减减小小时时将将产产生生斥斥力。力。外外力力去去除除后后，原原子子都都恢恢复复到到原原来来的的平平衡衡位位置置，所所产产生的变形完全消失。生的变形完全消失。a)体系能量与原子间距的关系b)原子间作用力与距离的关系弹性变形本质：第7页，讲稿共154张，创作于星期二二、二、弹性变形的特征和弹性模量弹性变形的特征和弹性模量式中，式中，、分别为正应力和切应力；分别为正应力和切应力；、分别为正应变和切应变；分别为正应变和切应变；E，G分别为弹性模量和切变模量分别为

6、弹性模量和切变模量（1 1）可逆性：理想的弹性变形是加载时变形，卸载时变形消失并恢复）可逆性：理想的弹性变形是加载时变形，卸载时变形消失并恢复）可逆性：理想的弹性变形是加载时变形，卸载时变形消失并恢复）可逆性：理想的弹性变形是加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状。原状。原状。原状。弹性变形量比较小，一般不超过弹性变形量比较小，一般不超过弹性变形量比较小，一般不超过弹性变形量比较小，一般不超过0.50.51 1。（2 2）在弹性变形范围内，其应力与应变之间保持线性函数关系，即在弹性变形范围内，其应力与应变之间保持线性函数关系，即在弹性变形范围内，其应力与应变之间保持线性函数关系，即在弹性变形范围

7、内，其应力与应变之间保持线性函数关系，即服从虎克服从虎克服从虎克服从虎克(Hooke)(Hooke)定律：定律：定律：定律：弹性变形的特征弹性变形的特征弹性变形的特征弹性变形的特征第8页，讲稿共154张，创作于星期二弹弹性性模模量量是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量，故是组织结构不不敏敏感感参参数数。在工程上，弹性模量是材料刚度的度量。式式式式中中中中，v v为为材材料料泊泊松松比比，表表示示侧侧向向收收缩缩能能力力。一一般般金金属材料的泊松比在属材料的泊松比在0.250.250.250.250.350.350.350.35之间。之间。弹性模量与切变弹性模量之间的关系为：弹性模量与切变弹性模

8、量之间的关系为：第9页，讲稿共154张，创作于星期二弹弹性性模模量量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。对晶体材料而言，其弹性模量是各向异性的。在单晶体中，对晶体材料而言，其弹性模量是各向异性的。在单晶体中，不同晶向上的弹性模量差别很大，沿着原子最密排的晶向弹性模量不同晶向上的弹性模量差别很大，沿着原子最密排的晶向弹性模量最高，而沿着原子排列最疏的晶向弹性模量最低。多晶体因各晶粒最高，而沿着原子排列最疏的晶向弹性模量最低。多晶体因各晶粒任意取向，总体呈各向同性。任意取向，总体呈各向同性。弹弹性性变变形形量量随随材材料料的的不不同同而而异异。多多数数金金属属

9、材材料料仅仅在在低低于于比比例例极极限限的的应应力力范范围围内内符符合合虎虎克克定定律律，弹弹性性变变形量一般不超过形量一般不超过0.5%。第10页，讲稿共154张，创作于星期二三、三、弹性的不完整性弹性的不完整性多多数数材材料料为为多多晶晶体体甚甚至至为为非非晶晶态态或或者者是是两两者者皆皆有有的的物质，其内部存在各种类型的缺陷物质，其内部存在各种类型的缺陷。弹弹性性变变形形时时，可可能能出出现现加加载载线线与与卸卸载载线线不不重重合合、应应变变的的发发展展跟跟不不上上应应力力的的变变化化等等有有别别于于理理想想弹弹性性变变形形特特点点的的现现象，称之为象，称之为弹性的不完整性。弹性的不完整

10、性。弹性不完整性的现象包括弹性不完整性的现象包括包申格效应包申格效应弹性后效弹性后效弹性滞后弹性滞后循环韧性循环韧性第11页，讲稿共154张，创作于星期二1 1包申格效应包申格效应（Bauschinger Effect)Bauschinger Effect)材料经预先加载产生少量塑性变形（小于4），而后同向加载则e升高，反向加载则e下降。此现象称之为包申格效应包申格效应。它是多晶体金属材料的普遍现象。包申格效应对于承受应变疲劳的工件很重要。动画第12页，讲稿共154张，创作于星期二l微观本质 预塑性变形，位错增殖、运动、缠结；同相加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加；反向加载，位错被迫作反向运

11、动，运动容易残余伸长应力降低。l包申格效应的危害及防止方法 交变载荷情况下，显示循环软化（强度极限下降）预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应。第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退火。第13页，讲稿共154张，创作于星期二2 2弹性后效弹性后效一一些些实实际际晶晶体体，在在弹弹性性极极限限范范围围内内，应应变变滞滞后后于于外外加加应应力力，并并和和时时间间有有关关的的现现象象称称为为弹性后效或滞弹性。弹性后效或滞弹性。ab=cd滞弹性应变第14页，讲稿共154张，创作于星期二3.3.弹性滞后弹性滞后由由于于应应变变落落后后于于应应力力，在在-曲曲线线上上使使加加载载线线与与卸卸载载

12、线线不不重重合合而而形形成成一一封封闭闭回回线线，称称之为之为弹性滞后。弹性滞后。弹弹性性滞滞后后表表明明加加载载时时消消耗耗于于材材料料的的变变形形功功大大于于卸卸载载时时材材料料恢恢复复所所释释放放的的变变形形功功，多多余余的的部部分分被被材材料料内内部部所所消消耗耗，称称之之为为内内耗耗，其大小即用弹性滞后环面积度量。其大小即用弹性滞后环面积度量。第15页，讲稿共154张，创作于星期二弹性滞后环弹性滞后环a)单向加载弹性滞后环单向加载弹性滞后环(b)交变加载（加载速度慢）弹性滞后环交变加载（加载速度慢）弹性滞后环c)交变加载（加载速度快）弹性滞后环交变加载（加载速度快）弹性滞后环（d）交

13、变加载塑性滞后环）交变加载塑性滞后环动画第16页，讲稿共154张，创作于星期二 物理意义：物理意义：加加载载时时消消耗耗的的变变形形功功大大于于卸卸载载时时释释放放的的变变形形功功。回回线线面面积积为为一一个个循循环所消耗的不可逆功。环所消耗的不可逆功。这部分被金属吸收的功，称为内耗。这部分被金属吸收的功，称为内耗。循环韧性循环韧性 若若交交变变载载荷荷中中的的最最大大应应力力超超过过金金属属的的弹弹性性极极限限，则则可可得得到塑性滞后环。到塑性滞后环。金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫循环韧性循环韧性。循环韧性又称为消振性循环韧性又称

14、为消振性。循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来表示循环韧性的大小。表示循环韧性的大小。循环韧性的应用循环韧性的应用 减振材料（机床床身、缸体等）；减振材料（机床床身、缸体等）；乐器要求循环韧性小。乐器要求循环韧性小。第17页，讲稿共154张，创作于星期二四、四、黏弹性黏弹性除除弹弹性性变变形形、塑塑性性变变形形外外还还有有一一种种变变形形是是黏黏性性流动。流动。黏黏性性流流动动：指指非非晶晶态态固固体体和和液液体体在在很很小小外外力力作作用用下下便便会会发发生生没没有有确确定定形形状状的的流流变变，并并且且在在外外力去除后，形变不能回复。

15、力去除后，形变不能回复。一一些些非非晶晶体体，甚甚至至多多晶晶体体，在在比比较较小小的的应应力力时时可可以同时表现出弹性和黏性，即以同时表现出弹性和黏性，即黏弹性现象黏弹性现象。第18页，讲稿共154张，创作于星期二 应应应应变变变变落落落落后后后后于于于于应应应应力力力力。当当当当加加加加上上上上周周周周期期期期应应应应力力力力时时时时，应应应应力力力力应应变变曲曲线线就就成成一一回回线线，所所包包含含的的面面积积即即为为应应力力循循环环一一周周所损耗的能量，即内耗。所损耗的能量，即内耗。黏黏弹弹性性变变形形是是既既与与时时间间有有关关，又又具具有有可可恢恢复复的的弹弹性变形，即具有弹性和黏

16、性变形量方面特征。性变形，即具有弹性和黏性变形量方面特征。黏弹性变形是高分子材料的重要力学特性之一。黏弹性变形是高分子材料的重要力学特性之一。黏弹性变形的特点黏弹性变形的特点第19页，讲稿共154张，创作于星期二第二节第二节晶体的塑性变形晶体的塑性变形当当施施加加的的应应力力超超过过弹弹性性极极限限时时，材材料料发发生生塑塑性性变变形形，即即产产生生不不可可逆逆的的永永久久变变形形。通通过过塑塑性性变变形形，不不但但可可使使材材料料获获得得预预期期的的外外形形尺尺寸寸，而而且且可可使使材材料料内内部部组组织织和和性性能能产产生变化。生变化。第20页，讲稿共154张，创作于星期二一、单晶体的塑性

17、变形一、单晶体的塑性变形 单单单单晶晶晶晶体体体体塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形的的两两个个基基本本方方式式为为滑滑移移和和孪孪孪孪生生生生。滑滑移移和和孪孪生生都都是是切切应应变变，而而且且只只有有当当外外加加切切应应力力分分量量大大于于晶体的临界分切应力晶体的临界分切应力t tC时才能开始。时才能开始。其中，其中，滑移是不均匀切变，孪生为均匀切变滑移是不均匀切变，孪生为均匀切变滑移是不均匀切变，孪生为均匀切变滑移是不均匀切变，孪生为均匀切变。在在常常常常温温温温和和和和低低低低温温温温下下，单单晶晶体体的的塑塑性性变变形形主主要要通通过过滑滑移移方方式式进行的，此外，还有孪生和扭折等方式

18、。进行的，此外，还有孪生和扭折等方式。扩扩散散性性变变形形及及晶晶界界滑滑动动和和移移动动等等方方式式主主要要存存在在于于高高高高温温温温形变中。形变中。第21页，讲稿共154张，创作于星期二当应力超过晶体的弹性极限后，晶体中就会产生层片之间的相对滑移，大量的层片间滑动的累积就构成晶体的宏观塑性变形。(1)滑移滑移a a滑移线与滑移带滑移线与滑移带1.单晶体的滑移单晶体的滑移第22页，讲稿共154张，创作于星期二由大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定晶面和晶向作相对的移动，即晶体塑性变形的滑移机制。滑移机制。滑移机制。滑移机制。滑移的显微观察滑移的显微观察滑移的显微观察滑移的

19、显微观察第23页，讲稿共154张，创作于星期二 对对对对滑滑滑滑移移移移线线线线的的的的观观观观察察察察表表表表明明明明：晶晶晶晶体体体体塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形的的的的不不不不均均均均匀匀匀匀性性性性，滑滑滑滑移移移移只只只只是是是是集集集集中中中中发发发发生生生生在在在在一一一一些些些些晶晶晶晶面面面面上上上上，而而而而滑滑滑滑移移移移带带带带或或或或滑滑滑滑移移移移线线线线之之之之间间间间的的的的晶晶晶晶体体体体层层层层片片片片则未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已。则未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已。则未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已。则未产生变形，只是彼此之间作

20、相对位移而已。第24页，讲稿共154张，创作于星期二滑滑移移变变形形是是不不均均匀匀的的，常常集集中中在在一一部部分分晶晶面面上上，而而处处于于各各滑滑移移带带之之间间的的晶晶体体没没有有产产生生滑滑移。移。滑滑移移带带的的发发展展过过程程，首首先先是是出出现现细细滑滑移移线线，后后来来才才发发展展成成带带，而而且且，滑滑移移线线的的数数目目随随应应变变程程度度的的增增大大而而增增多多，它它们们之之间间的的距距离离则则在在缩短。缩短。单晶体滑移结论单晶体滑移结论第25页，讲稿共154张，创作于星期二塑塑性性变变形形时时位位错错只只沿沿着着一一定定的的晶晶面面和和晶晶向向运运动动。这这些些晶面和

21、晶向分别称为晶面和晶向分别称为“滑移面滑移面”和和“滑移方向滑移方向”滑滑滑滑移移移移面面面面：晶晶体体的的滑滑移移通通常常是是沿沿着着一一定定的的晶晶面面发发生生的的，此此组组晶晶面称为滑移面；面称为滑移面；滑滑滑滑移移移移方方方方向向向向：滑滑移移是是沿沿着着滑滑移移面面上上一一定定的的晶晶向向进进行行的的，此此晶晶向向称为滑移方向。称为滑移方向。一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系滑移系滑移系滑移系晶体结构不同，其滑移面和滑移方向也不同。晶体结构不同，其滑移面和滑移方向也不同。b滑移系滑移系第26页，讲稿共154张，创作于星期二第27页，

22、讲稿共154张，创作于星期二原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力最原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力最原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力最原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力最小，因而容易沿着这些面发生滑移；小，因而容易沿着这些面发生滑移；小，因而容易沿着这些面发生滑移；小，因而容易沿着这些面发生滑移；最密排方向上的原子间距最短，即位错最密排方向上的原子间距最短，即位错最密排方向上的原子间距最短，即位错最密排方向上的原子间距最短，即位错b b最小最小最小最小。滑滑滑滑移移移移面面面面和和和和滑滑滑滑移移移移方方方方向向向向是是是是金金金金属属属属晶晶晶晶体体体体中中中中原原

23、原原子子子子排排排排列列列列最最最最密密密密的的的的晶晶晶晶面面面面和和和和晶向的原因晶向的原因晶向的原因晶向的原因第28页，讲稿共154张，创作于星期二滑移方向滑移方向，滑移面一般为，滑移面一般为111lfcc滑移系滑移系面心立方结构共有四个不同的面心立方结构共有四个不同的111晶面，每个滑移面有三个晶面，每个滑移面有三个晶向，故共有晶向，故共有43=12个滑移系个滑移系第29页，讲稿共154张，创作于星期二滑滑移移方方向向为为，可可能能出出现现的的滑滑移移面面有有110、112、123。如如果果三三组组滑滑移移面面都都能能启启动动，则则潜潜在在的滑移系数目为：的滑移系数目为：（个）lbcc

24、滑移系滑移系体体心心立立方方结结构构是是一一种种非非密密排排结结构构，因因此此滑滑移移面面不不稳稳定定，滑移方向为滑移方向为低温时为低温时为112；中温时为中温时为110；高温时为高温时为123第30页，讲稿共154张，创作于星期二lhcp滑移系滑移系滑滑移移方方向向恒恒为为，滑滑移移面面为为（0001）或或棱棱柱柱面面1，0，-1，0、棱锥面、棱锥面1，0，-1，1第31页，讲稿共154张，创作于星期二当当滑滑移移面面为为（0001）时时，晶晶体体中中滑滑移移面面只只有有一一个个，此此面面上上有有三三个个晶晶向向，故故滑移系数目为滑移系数目为13=3个。个。由由于于hcp金金属属滑滑移移系系

25、数数目目较较少少，密密排排六六方方金金属的塑性通常都不太好。属的塑性通常都不太好。lhcp滑移系滑移系第32页，讲稿共154张，创作于星期二C.滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力晶体的滑移是在切应力作用下进行的。晶体的滑移是在切应力作用下进行的。许许多多滑滑移移系系并并非非同同时时参参与与滑滑移移，当当外外力力在在某某一一滑滑移移系系中中的的分分切切应应力力达达到到一一定定临临界界值值时时，该该滑滑移移系系首首先先发发生生滑滑移移时时的的分切应力称为分切应力称为滑移的滑移的滑移的滑移的临界分切应力临界分切应力。滑滑移移的的临临界界分分切切应应力力是是一一个个真真实实反反映映单单晶晶体体受受力

26、力起起始始屈屈服服的的物物理理量量。其其数数值值与与晶晶体体的的类类型型、纯纯度度及及温温度度等等因因素素有有关关，还还与与该该晶晶体体的的加加工工和和处处理理状状态态、变变形速度及滑移系类型等因素有关。形速度及滑移系类型等因素有关。第33页，讲稿共154张，创作于星期二（1）设设有有一一截截面面积积为为A的的圆圆柱柱形形单单晶晶体体受受轴轴向向拉拉力力F的的作作用用，为为滑滑移移面面法法线线与与外外力力F中中心心轴轴的的夹夹角角，为滑移方向与外力为滑移方向与外力F的夹角。的夹角。滑移面的面积为滑移面的面积为作用在此滑移面上的应力作用在此滑移面上的应力 滑移面法线与外力中心轴的夹角外力在滑移方

27、向的分切应力外力在滑移方向的分切应力外力在滑移方向的分切应力外力在滑移方向的分切应力 第34页，讲稿共154张，创作于星期二应应力力可可分分解解为为两两个个分分应应力力：垂垂直直于于滑滑移移面面的的分分正正应应力力和和平平行行于于滑滑移移面面的的分分切切应应力力。分分切切应应力力作作用用在在滑滑移移方方向向上上，使使晶体产生滑移，其大小为：晶体产生滑移，其大小为：称称为为取取向向因因子子,又又称称为为施施密密特特(Schmid)因因子子，取取向向因因子子越越大大，则则分分切切应应力力越越大大。滑滑移移方方向向与与外外力力的的夹角夹角对于任一给定的对于任一给定的值，取向因子的最大值出现在值，取向

28、因子的最大值出现在=90-时：时：第35页，讲稿共154张，创作于星期二当当=45时时（也也为为45），取取向向因因子子有有最最大大值值1/2，此此时时，得得到最大分切应力。到最大分切应力。最最大大分分切切应应力力正正好好落落在在与与外外力力轴轴成成45角角的的晶晶面面以以及及与与外外力力轴轴成成45角的滑移方向上。角的滑移方向上。第36页，讲稿共154张，创作于星期二硬硬取取向向：晶晶体体中中有有些些滑滑移移系系与与外外力力取取向向偏偏离离45很很远远，需需要要较较大大的的s值值才才能能滑滑移移，称称为为硬硬取向。取向。l软软取取向向：晶晶体体中中有有些些滑滑移移系系与与外外力力的的取取向向

29、接接近近45角角，处处于于易易滑滑移移的的位位向向，具具有有较较小小的的s值值，称称为为“软软取取向向”。通通常常是是软软取取向向的滑移系首先滑移。的滑移系首先滑移。第37页，讲稿共154张，创作于星期二（2）能能使使晶晶体体滑滑移移的的力力是是外外力力在在滑滑移移系系上上的的分分切切应应力力。通通常常把把给给定定滑滑移移系系上上开开始始产产生生滑滑移移所所需需分分切切应应力力称称为为临临界界分分切切应力。应力。第38页，讲稿共154张，创作于星期二（3）在在拉拉伸伸时时，可可以以粗粗略略认认为为金金属属单单晶晶体体在在外外力力作作用用下下，滑滑移移系系一一开开动动就就相相当当于于晶晶体体开开

30、始始屈屈服服，此此时时，对对应应于于临临界界分切应力的外加应力就相当于屈服强度分切应力的外加应力就相当于屈服强度S取取向向因因子子增增大大，S减减小小，当当取取向向因因子子为为0.5时时，S达达到到最小值，为临界分切应力的两倍。最小值，为临界分切应力的两倍。第39页，讲稿共154张，创作于星期二课堂练习有有一一70MPa应应力力作作用用在在fcc晶晶体体的的001方方向向上上，求求作作用用在（在（111）/10-1和（和（111）/-110滑移系上的分切应力。滑移系上的分切应力。10-1-110第40页，讲稿共154张，创作于星期二两晶向夹角公式：两晶向夹角公式：两晶面夹角公式：两晶面夹角公式

31、：第41页，讲稿共154张，创作于星期二滑移系：001与的夹角001与111的夹角第42页，讲稿共154张，创作于星期二滑移系同理得：第43页，讲稿共154张，创作于星期二d拉伸和压缩时晶体的转动拉伸和压缩时晶体的转动（1）拉拉伸伸：单单晶晶体体滑滑移移时时，除除滑滑移移面面发发生生相相对对位位移移外外，往往伴随着晶面的转动往往伴随着晶面的转动第44页，讲稿共154张，创作于星期二分正应力：分正应力：拉拉伸伸作作用用在在中中间间一一层层金金属属上上下下两两面面的的作作用用力力可可分分为为两两个分应力：个分应力：分分正正应应力力1、2垂垂直直于于滑滑移移面面，成成力力偶偶，使使晶晶块块滑滑移移面

32、面朝外力轴方向转动。朝外力轴方向转动。第45页，讲稿共154张，创作于星期二分切应力分切应力：分分切切应应力力与与滑滑移移方方向向不不一一致致时时，可可分分解解为为平平行行于于滑滑移移方方向向和和垂垂直直于于滑滑移方向的两个分力。移方向的两个分力。前前一一分分力力产产生生滑滑移移，后后一一分分力力构构成成力力偶偶，使使滑滑移移方方向向转转至至最最大大切切应应力力方向。方向。拉拉伸伸时时，在在产产生生滑滑移移的的过过程程中中，晶晶体体的的位位向向在在不不断断改改变变，不不仅仅滑滑移移面面在在转转动动，而且滑移方向也改变位向。而且滑移方向也改变位向。第46页，讲稿共154张，创作于星期二（2）压缩

33、）压缩压缩时晶体的滑移面，压缩时晶体的滑移面，力图转至与压力方向力图转至与压力方向垂直的位置。垂直的位置。第47页，讲稿共154张，创作于星期二e多系滑移多系滑移单单滑滑移移：只只有有一一个个特特定定的的滑滑移移系系处处于于最最有有利利的的位位置置而优先开动时，形成单滑移。而优先开动时，形成单滑移。有有多多组组滑滑移移系系的的晶晶体体，滑滑移移首首先先在在取取向向最最有有利利的的滑滑移移系系中中进进行行，由由于于变变形形时时晶晶面面转转动动，另另一一组组滑滑移移面面上上的的分分切切应应力力也也可可能能逐逐渐渐增增加加到到足足以以发发生生滑滑移移的的临临界界值值以以上上，于于是是晶晶体体的的滑滑

34、移移就就可可能能在在两两组组或或更更多多的的滑滑移移面面上同时进行或交替地进行，从而产生多系滑移。上同时进行或交替地进行，从而产生多系滑移。位错交互运动使位错运动受阻，材料得到强化位错交互运动使位错运动受阻，材料得到强化第48页，讲稿共154张，创作于星期二f滑移的位错机制滑移的位错机制晶晶体体的的滑滑移移必必须须在在一一定定的的外外力力作作用用下下才才能能发发生生，这这说说明明位位错错的运动要克服阻力。的运动要克服阻力。位位错错运运动动的的阻阻力力首首先先来来自自点点阵阵阻阻力力。由由于于点点阵阵结结构构的的周周期期性性，当位错沿滑移面运动时，位错中心的能量也要发生周期性的变化。当位错沿滑移

35、面运动时，位错中心的能量也要发生周期性的变化。位错滑移时核心能量的变化位错滑移时核心能量的变化1和和2为为等等同同位位置置，当当位位错错处处于于这这种种平平衡衡位位置置时时，其其能能量量最最小小，相相当当于于处处在在能能谷谷中中。当当位位错错从从位位置置1移移动动到到位位置置2时时，需需要要越越过过一一个个势势垒垒，这这就就是是说说位位错错在在运运动动时时会会遇遇到到点点阵阵阻阻力力。由由于于派派尔尔斯斯（Peierls）和和纳纳巴巴罗罗（Nabarro）首首先先估估算算了了这这一一阻阻力，故又称为力，故又称为派一纳（派一纳（P-N）力。）力。第49页，讲稿共154张，创作于星期二派派-纳（纳

36、（P-N）力）力式式中中，b为为滑滑移移方方向向上上的的原原子子间间距距，d为为滑滑移移面面的的面面间间距距，为为泊泊松松比，比，W=d/(1-)代表代表位错宽度位错宽度位位错错宽宽度度越越大大，则则派派一一纳纳力力越越小小，这这是是因因为为位位错错宽宽度度表表示示了了位位错错所所导导致致的的点点阵阵严严重重畸畸变变区区的的范范围围宽宽度度大大则则位位错错周周围围的的原原子子就就能能比比较较接接近近于于平平衡衡位位置置，点点阵阵的的弹弹性性畸畸变变能能低低，故故位位错错移移动动时时其其他他原原子子所所作作相相应应移移动动的距离较小，产生的阻力也较小。的距离较小，产生的阻力也较小。第50页，讲稿

37、共154张，创作于星期二位错运动的阻力与晶体的强化位错运动的阻力与晶体的强化l点阵阻力；点阵阻力；l位错与位错的交互作用产生的阻力；位错与位错的交互作用产生的阻力；l运运动动位位错错交交截截后后形形成成的的扭扭折折和和割割阶阶，尤尤其其是是螺螺型型位位错错的割阶将对位错起钉扎作用，致使位错运动的阻力增加；的割阶将对位错起钉扎作用，致使位错运动的阻力增加；l位位错错与与其其他他晶晶体体缺缺陷陷如如点点缺缺陷陷，其其他他位位错错、晶晶界界和和第第二二相相质点等交互作用产生的阻力；质点等交互作用产生的阻力；l对位错运动均会产生阻力，导致晶体强化。对位错运动均会产生阻力，导致晶体强化。第51页，讲稿共

38、154张，创作于星期二2.单晶体的孪生单晶体的孪生l当当面面心心立立方方晶晶体体在在切切应应力力作作用用下下发发生生孪孪生生变变形形时时，晶晶体体内内局局部部地地区区的的各各个个（111）晶晶面面沿沿着着11-2方向（方向（AC），产生彼此相对移动距离为），产生彼此相对移动距离为a/611-2的均匀切变。的均匀切变。l这这样样的的切切变变并并未未使使晶晶体体的的点点阵阵类类型型发发生生变变化化，但但它它却却使使均均匀匀切切变变区区中中的的晶晶体体取取向向发发生生变变更更，变为与未切变区晶体呈镜面对称的取向。变为与未切变区晶体呈镜面对称的取向。l这一变形过程称为这一变形过程称为孪生孪生。变形与未

39、变形两部分晶体合称为。变形与未变形两部分晶体合称为孪晶孪晶；l均匀切变区与未切变区的分界面（即两者的镜面对称面）称为均匀切变区与未切变区的分界面（即两者的镜面对称面）称为孪晶界孪晶界；l发发生生均均匀匀切切变变的的那那组组晶晶面面称称为为孪孪晶晶面面（即即（111）面面）；孪孪生生面面的的移移动动方方向向（即即11-2方向）称为方向）称为孪生方向孪生方向。a.孪生变形过程孪生变形过程第52页，讲稿共154张，创作于星期二（1）孪孪生生变变形形也也是是在在切切应应力力作作用用下下发发生生的的，并并通通常常出出现现于于滑滑移移受受阻阻而而引引起起的的应应力力集集中中区区，因因此此，孪孪生生所所需需

40、的的临临界界切切应应力力要要比比滑滑移时大得多。移时大得多。（2）孪孪生生是是一一种种均均匀匀切切变变，即即切切变变区区内内与与孪孪晶晶面面平平行行的的每每一一层层原原子子面面均均相相对对于于其其毗毗邻邻晶晶面面沿沿孪孪生生方方向向位位移移了了一一定定的的距距离离，且且每一层原子相对于孪生面的切变量跟它与孪生面的距离成正比。每一层原子相对于孪生面的切变量跟它与孪生面的距离成正比。（3）孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。）孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。（4）形形变变孪孪晶晶常常见见于于密密排排六六方方和和体体心心立立方方晶晶体体（密密排排六六方方金金属属很很容易产生孪生变形容易产

41、生孪生变形），面心立方晶体中很难发生孪生。），面心立方晶体中很难发生孪生。（5）孪孪生生本本身身对对金金属属塑塑性性变变形形的的贡贡献献不不大大，但但形形成成的的孪孪晶晶改改变变了了晶体的位向，使新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献。晶体的位向，使新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献。b.孪生特点孪生特点第53页，讲稿共154张，创作于星期二第54页，讲稿共154张，创作于星期二c孪晶的形成孪晶的形成在晶体中形成孪晶的主要方式有三种：在晶体中形成孪晶的主要方式有三种：l一一是是通通过过机机械械变变形形而而产产生生的的孪孪晶晶，也也称称为为“变变形形孪孪晶晶”或或“机械孪晶机械孪晶”，它的特征通

42、常呈，它的特征通常呈透镜状或片状；透镜状或片状；l其其二二为为“生生长长孪孪晶晶”，它它包包括括晶晶体体自自气气态态（如如气气相相沉沉积积）、液液态态（液液相相凝凝固固）或或固固体体中中长长大大时时形形成成的的孪孪晶；晶；l其其三三是是变变形形金金属属在在其其再再结结晶晶退退火火过过程程中中形形成成的的孪孪晶晶，也也称称为为“退退火火孪孪晶晶”，它它往往往往以以相相互互平平行行的的孪孪晶晶面面为为界界横横贯贯整整个个晶晶粒粒，是是在在再再结结晶晶过过程程中中通通过过堆堆垛垛层层错错的的生生长长形形成成的的。它它实实际际上上也也应应属属于于生生长长孪孪晶晶，系系从从固固体体中中生长过程中形成。生

43、长过程中形成。第55页，讲稿共154张，创作于星期二(a)(a)退火孪晶示意图退火孪晶示意图 (b)(b)纯铜的退火孪晶纯铜的退火孪晶第56页，讲稿共154张，创作于星期二孪孪晶晶的的萌萌生生一一般般需需要要较较大大的的应应力力，但但随随后后长长大大所所需需的的应应力力较较小小，其其拉拉伸伸曲曲线线呈呈锯锯齿齿状状。孪孪晶晶核核心心大大多多是是在在晶晶体体局局部部高高应应力力区区形形成成。变变形形孪孪晶晶一一般般呈呈片片状状。变变形形孪孪晶晶经经常常以以爆爆发发方方式式形形成成，生生成速率较快。成速率较快。第57页，讲稿共154张，创作于星期二l为为了了使使晶晶体体的的形形状状与与外外力力相相

44、适适应应，当当外外力力超超过过某某一一临临界界值值时时晶晶体体将将会会产产生生局局部部弯弯曲曲，这这种种变变形形方方式式称称为为扭扭折折，变变形形区域则称为扭折带。区域则称为扭折带。l扭扭折折变变形形与与孪孪生生不不同同，它它使使扭扭折折区区晶晶体体的的取取向向发发生生了了不不对对称称性性的的变化变化。l扭扭折折是是一一种种协协调调性性变变形形，它它能能引引起起应应力力松松弛弛，使使晶体不致断裂。晶体不致断裂。3.单晶体的扭折单晶体的扭折第58页，讲稿共154张，创作于星期二第59页，讲稿共154张，创作于星期二（1）取取向向差差效效应应：多多晶晶体体中中，不不同同位位向向晶晶粒粒的的滑滑移移

45、系系取取向向不不相相同同，滑滑移移不不能能从从一一个个晶晶粒粒直直接接延延续到另一晶粒中。续到另一晶粒中。二、多晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形1.影响多晶体塑性变形的因素影响多晶体塑性变形的因素第60页，讲稿共154张，创作于星期二（2）晶晶界界阻阻滞滞效效应应：90%以以上上的的晶晶界界是是大大角角度度晶晶界界，其其结结构构复复杂杂，由由约约几几个个纳纳米米厚厚的的原原子子排排列列紊紊乱乱的的区区域域与与原原子子排排列列较较整整齐齐的的区区域域交交替替相相间间而而成成，这这种种晶晶界界本本身身使使滑滑移移受受阻阻而而不易直接传到相邻晶粒。不易直接传到相邻晶粒。第61页，讲稿共154张，创

46、作于星期二第62页，讲稿共154张，创作于星期二l多晶体试样经拉伸后，每一晶粒中的滑移带都终止在晶界附近；多晶体试样经拉伸后，每一晶粒中的滑移带都终止在晶界附近；l在变形过程中位错难以通过晶界被堵塞在晶界附近；在变形过程中位错难以通过晶界被堵塞在晶界附近；l这这种种在在晶晶界界附附近近产产生生的的位位错错塞塞积积群群会会对对晶晶内内的的位位错错源源产产生生一一反反作作用用力力。此反作用力随位错塞积的数目此反作用力随位错塞积的数目n而增大；而增大；l当它增大到某一数值时，可使位错源停止开动。使晶体显著强化。当它增大到某一数值时，可使位错源停止开动。使晶体显著强化。l因因此此，对对多多晶晶体体而而

47、言言，外外加加应应力力必必须须大大至至足足以以激激发发大大量量晶晶粒粒中中的的位位错错源源动作，产生滑移，才能觉察到宏观的塑性变形。动作，产生滑移，才能觉察到宏观的塑性变形。0为为作作用用于于滑滑移移面面上上外外加加分分切切应应力力；L为为位位错错源源至至晶晶界界之之距距离离；k为为系系数数，螺螺位位错错k=1，刃刃位位错错k=1-v。位错塞积数目位错塞积数目第63页，讲稿共154张，创作于星期二三、晶粒大小对机械性能的影响三、晶粒大小对机械性能的影响1晶粒大小对金属室温机械性能的影响晶粒大小对金属室温机械性能的影响晶晶粒粒越越细细，室室温温强强度度，包包括括s，b，-1较较大大，塑塑性较好，

48、称为性较好，称为细晶强化细晶强化例：例：10#钢钢s与晶粒大小的关系与晶粒大小的关系Hall-Petch公式：公式：S=0+Kd-1/20，K：材料常数：材料常数大大量量实实验验表表明明，Hall-Petch公公式式不不仅仅适适用用于于屈屈服服强强度，同时也适用于整个流变范围以至断裂强度。度，同时也适用于整个流变范围以至断裂强度。晶粒直径（m）400501052下屈服点KN/m2）86121180242345第64页，讲稿共154张，创作于星期二第65页，讲稿共154张，创作于星期二2晶粒大小对高温强度的影响晶粒大小对高温强度的影响高高温温下下晶晶界界在在应应力力作作用用下下会会产产生生粘粘滞

49、滞性性流动，发生晶粒沿晶界的相对滑动；流动，发生晶粒沿晶界的相对滑动；另另外外，还还可可能能产产生生“扩扩散散蠕蠕变变”，所所以以，细晶粒组织的高温强度反而较低。细晶粒组织的高温强度反而较低。第66页，讲稿共154张，创作于星期二第三节第三节 合金的塑性变形合金的塑性变形 一、一、单相固溶体合金塑性变形的特点单相固溶体合金塑性变形的特点1固溶强化固溶强化溶溶质质原原子子溶溶入入基基体体金金属属后后,使使变变形形抗抗力力提提高高，应应力力-应应变变曲曲线线升升高，变形能力下降，这就是固溶强化。高，变形能力下降，这就是固溶强化。第67页，讲稿共154张，创作于星期二第68页，讲稿共154张，创作于

50、星期二第69页，讲稿共154张，创作于星期二固溶强化的机制：固溶强化的机制：l弹性交互作用弹性交互作用l化学交互作用化学交互作用l电交互作用电交互作用l几何交互作用几何交互作用第70页，讲稿共154张，创作于星期二2屈服点现象屈服点现象试试样样开开始始屈屈服服时时对对应应的的应应力力称称为为上上屈屈服点服点载载荷荷首首次次降降低低的的最最低低载载荷荷或或不不变变载载荷荷称为称为下屈服点下屈服点；试试样样继继续续伸伸长长，应应力力保保持持为为定定值值或或有有微微小小的的波波动动，在在拉拉伸伸曲曲线线上上出出现现一一个个应应力力平平台台区区，试试样样在在此此恒恒定定应应力力下下的的伸长称为伸长称为