第3讲位错强化机制.ppt

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1、 第三章第三章 位错强化机制位错强化机制 哈工大（威海）材料学院哈工大（威海）材料学院吴吴 欣欣1第三章第三章 位错强化机制位错强化机制o金属与合金的强化途径金属与合金的强化途径n形变、合金化、热处理形变、合金化、热处理o强化机制强化机制n位错强化、晶界强化、固溶强化、第二相强化位错强化、晶界强化、固溶强化、第二相强化2第三章第三章 位错强化机制位错强化机制o位错强化的基本思路位错强化的基本思路 合金变形量增加合金变形量增加位错密度增加位错密度增加 强度提高强度提高o这一强化过程与金属的塑性变形密切相关这一强化过程与金属的塑性变形密切相关33.1 金属单晶体塑性变形的一般特点金属单晶体塑性变形

2、的一般特点一一.FCC.FCC晶体中位错的运动及塑性变形特点晶体中位错的运动及塑性变形特点n滑移系数目多滑移系数目多nWpWp与与P-NP-N力低力低n低温塑性好低温塑性好n无冷脆现象无冷脆现象n层错能低（除层错能低（除AlAl，NiNi外），加工硬化明显外），加工硬化明显43.1 金属单晶体塑性变形的一般特点金属单晶体塑性变形的一般特点二二.BCC.BCC晶体中位错的运动及塑性变形特点晶体中位错的运动及塑性变形特点n滑移系总数目多滑移系总数目多nWpWp与与P-NP-N力高力高n易冷脆易冷脆n层错能高，加工硬化率较低层错能高，加工硬化率较低53.1 金属单晶体塑性变形的一般特点金属单晶体塑性

3、变形的一般特点三三.HCP.HCP晶体中位错的运动及塑性变形特点晶体中位错的运动及塑性变形特点c/a1.633c/a1.633 Zn,Cd Zn,Cdn滑移系总数目少，塑性差滑移系总数目少，塑性差nWpWp与与P-NP-N力低，强度低力低，强度低n层错能低，加工硬化明显层错能低，加工硬化明显c/a1.633 Ti,Zrc/a1.633 Ti,Zrn滑移系总数目多滑移系总数目多nWpWp与与P-NP-N力高力高n层错能高，加工硬化率层错能高，加工硬化率较低较低63.1 金属单晶体塑性变形的一般特点金属单晶体塑性变形的一般特点二、金属单晶体的加工硬化行为二、金属单晶体的加工硬化行为面心立方单晶体的

4、应力应变曲线面心立方单晶体的应力应变曲线oI I 易滑移阶段易滑移阶段单滑移单滑移 =10=108/8/cmcm2 2oII II 线性硬化阶段线性硬化阶段双滑移双滑移 =10=1011-12/11-12/cmcm2 2oIII III 抛物线硬化阶段抛物线硬化阶段 交滑移交滑移 =10=1012-13/12-13/cmcm2 273.1 金属单晶体塑性变形的一般特点金属单晶体塑性变形的一般特点总结：总结：金属变形时金属变形时 位错密度位错密度低，切应力低低，切应力低 位错密度位错密度急剧增大，切应力也急剧增大急剧增大，切应力也急剧增大 83.2 位错增殖机制位错增殖机制o位错增殖机制位错增殖

5、机制 主要有：主要有：Frank-Read Frank-Read源源双交滑移机制双交滑移机制 极轴机制极轴机制 晶界发射机制等晶界发射机制等93.2 位错增殖机制位错增殖机制一一.两端钉扎的直位错线弯曲的临界切应力两端钉扎的直位错线弯曲的临界切应力103.2 位错增殖机制位错增殖机制二二.Frank-Read.Frank-Read位错增殖机制位错增殖机制113.2 位错增殖机制位错增殖机制三、双交滑移三、双交滑移 位错增殖机制位错增殖机制123.3 位错强化的数学表达位错强化的数学表达o如何估算流变应力？如何估算流变应力？流变应力是指金属晶体产生一定量的塑性变形所需的流变应力是指金属晶体产生一

6、定量的塑性变形所需的应力。主要应考虑位错运动的各项阻力：应力。主要应考虑位错运动的各项阻力：n1.1.点阵阻力点阵阻力派派纳力纳力n2.2.开动位错源开动位错源n3.3.位错的长程弹性作用位错的长程弹性作用n4.4.与林位错的交互作用与林位错的交互作用n5.5.位错锁位错锁n6.6.晶界阻力晶界阻力n7.7.与固溶原子的弹性交互作用与固溶原子的弹性交互作用n8.8.与第二相粒子的交互作用与第二相粒子的交互作用133.3 位错强化的数学表达位错强化的数学表达o1.1.点阵阻力点阵阻力 （Peirls-Nabarro StressPeirls-Nabarro Stress，P-NP-N力）力）P-

7、NP-N力是滑移面上下两层原子克服原子间吸引力产生相对位移的阻力是滑移面上下两层原子克服原子间吸引力产生相对位移的阻力，力，P-NP-N力可以采用简化的模型，通过计算上下原子间的错排能、错力可以采用简化的模型，通过计算上下原子间的错排能、错排能与原子位移的关系并对位移求导求得。排能与原子位移的关系并对位移求导求得。下式中下式中 a a 是滑移面间距是滑移面间距 P-N P-N力取决于力取决于 ，因此滑移通常都在密排面上的最密排，因此滑移通常都在密排面上的最密排晶向进行晶向进行.P-N.P-N力是晶体滑移的最小的阻力力是晶体滑移的最小的阻力.143.3 位错强化的数学表达位错强化的数学表达o2.

8、2.位错的长程弹性交互作用位错的长程弹性交互作用153.3 位错强化的数学表达位错强化的数学表达o3.3.与林位错的交互作用与林位错的交互作用 林位错是与运动位错滑移面相交的位错，运动位错与林位错是与运动位错滑移面相交的位错，运动位错与林位错的交互作用可以产生会合位错与位错交割，均增加林位错的交互作用可以产生会合位错与位错交割，均增加位错运动的阻力。位错运动的阻力。163.3 位错强化的数学表达位错强化的数学表达o位错交割位错交割以下是刃型位错与一螺型位错的交割。刃型位错的柏氏矢量为以下是刃型位错与一螺型位错的交割。刃型位错的柏氏矢量为 b1b1，螺型位错，螺型位错垂直穿过其滑移面其柏氏矢量为

9、垂直穿过其滑移面其柏氏矢量为b2b2。刃型位错上产生的割阶为刃型位错上产生的割阶为PPPP，不能通，不能通过滑移而消失。它的运动有保守的和非保守的两种过滑移而消失。它的运动有保守的和非保守的两种，当割阶作非保守运动时就会产生一列空位或间隙原当割阶作非保守运动时就会产生一列空位或间隙原 子，这对运动位锗产生子，这对运动位锗产生阻力。产生一列间隙原子比产生空位需要更大的能量，因阻力。产生一列间隙原子比产生空位需要更大的能量，因 此对运动位错的阻此对运动位错的阻力更大，传错运动更为困难。力更大，传错运动更为困难。173.3 位错强化的数学表达位错强化的数学表达o会合位错会合位错会合位错的产生会合位错

10、的产生 会合位错的运动会合位错的运动 可以证明，会可以证明，会合位错产生的阻力合位错产生的阻力与林位错间距成反与林位错间距成反比：比：183.3 位错强化的数学表达位错强化的数学表达o位错对流变应力的作用位错对流变应力的作用 综合考虑位错以及位错以外的因素，流变应力可以表示为综合考虑位错以及位错以外的因素，流变应力可以表示为下式的形式，下式的形式，可以粗略的考虑为可以粗略的考虑为P-NP-N力。力。可见晶体的流变应力与位错可见晶体的流变应力与位错密度的平方根成正比。密度的平方根成正比。银和铜多晶体流变应力与位错密度的关系银和铜多晶体流变应力与位错密度的关系 193.4应变速率与位错运动速率的关

11、系应变速率与位错运动速率的关系一一.Orawan.Orawan公式公式 应变速率应变速率m 平均取向因子平均取向因子 可动位错密度可动位错密度 位错运动平均速率位错运动平均速率 203.4应变速率与位错运动速率的关系应变速率与位错运动速率的关系o二、二、OrawaOrawa公式的意义公式的意义 1.1.直接将宏观变形与微观的位错特性相联系直接将宏观变形与微观的位错特性相联系 2.2.变形速率一定时，可反映位错密度与运动速率间的关变形速率一定时，可反映位错密度与运动速率间的关系系 3.3.金属屈服机制金属屈服机制213.5 应变强化的应用及特点应变强化的应用及特点一、应用举例一、应用举例1.1.马氏体组织的应变强化马氏体组织的应变强化2.2.纯金属的强化纯金属的强化3.3.高锰钢的强化高锰钢的强化223.5 应变强化的应用及特点应变强化的应用及特点二、特点二、特点1.1.强化效果明显强化效果明显2.2.使用温度有限制使用温度有限制3.3.使材料迅速脆使材料迅速脆4.4.对实现冷变形工艺很重要对实现冷变形工艺很重要23