材料科学基础第八章.ppt

第三节第三节 滑移与孪晶变形滑移与孪晶变形塑性变形的主要方式：塑性变形的主要方式：滑移，孪生滑移，孪生，，扭折一滑移观察一滑移观察1 1 滑移：在切应力作用下，晶体的一滑移：在切应力作用下，晶体的一 部分相对于另一部分沿着一部分相对于另一部分沿着一 定的晶面（定的晶面（滑移面滑移面）和晶向）和晶向 （（滑移方向滑移方向）产生相对位移，）产生相对位移， 且不破坏晶体内部原子排列且不破坏晶体内部原子排列 规律性的塑变方式规律性的塑变方式滑移变形具有以下特点：滑移变形具有以下特点：(1(1）滑移在切应力作用下产生）滑移在切应力作用下产生（（2 2）滑移沿原子密度最大的晶面）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生和晶向发生（（3 3）滑移时两部分晶体的相对）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍位移是原子间距的整数倍l（（2 2）滑移系）滑移系l 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。

l 滑滑移移系系的的个个数数:(:(滑滑移移面面个个数数））××（（每每个个面面上上所所具具有有的的滑滑移移方向的个数）方向的个数）(1)l （（2 2）滑移系）滑移系l            l            滑移系数目与材料塑性的关系滑移系数目与材料塑性的关系l 一般滑移系越多，塑性越好；一般滑移系越多，塑性越好；l 与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；l 与同时开动滑移系数目有关（与同时开动滑移系数目有关（ k k）四四四四 孪晶变形孪晶变形孪晶变形孪晶变形（（（（1 1 1 1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分）孪生：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沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取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。

向的镜面对称关系向的镜面对称关系向的镜面对称关系 孪生面孪生面孪生面孪生面 bcc{112},fcc{111},hcp{1012}bcc{112},fcc{111},hcp{1012}bcc{112},fcc{111},hcp{1012}bcc{112},fcc{111},hcp{1012}（（（（2 2 2 2）孪生的晶体学）孪生的晶体学）孪生的晶体学）孪生的晶体学 孪生方向孪生方向孪生方向孪生方向bcc<111>,fcc<112>,hcp<1011>bcc<111>,fcc<112>,hcp<1011>bcc<111>,fcc<112>,hcp<1011>bcc<111>,fcc<112>,hcp<1011> 孪晶区孪晶区孪晶区孪晶区    肖克莱不全位错的柏氏矢量肖克莱不全位错的柏氏矢量              ，，实质上就是一个肖克实质上就是一个肖克莱不全位错的移动。

莱不全位错的移动（（3））孪生变形的特点孪生变形的特点 滑移滑移孪生孪生相同点相同点1 1 切变；切变；2 2 沿一定的晶面、晶向进行；沿一定的晶面、晶向进行；3 3 不改变结构不改变结构不不同同点点 晶体位向晶体位向不不改改变变（（对对抛抛光光面面观观察察无无重现性）重现性）改改变变，，形形成成镜镜面面对对称称关关系系（（对对抛抛光光面观察有重现性）面观察有重现性）位移量位移量滑滑移移方方向向上上原原子子间间距距的的整整数倍，较大数倍，较大小小于于孪孪生生方方向向上上的的原原子子间间距距，，较小对塑变的贡献对塑变的贡献很大，总变形量大很大，总变形量大有限，总变形量小有限，总变形量小变形应力变形应力有一定的临界分切压力有一定的临界分切压力所需临界分切应力远高于所需临界分切应力远高于滑移滑移变形条件变形条件一般先发生滑移一般先发生滑移滑移困难时发生滑移困难时发生变形机制变形机制全位错运动的结果全位错运动的结果分位错运动的结果分位错运动的结果l 第四节第四节 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形l一施密特定律一施密特定律l l            l       k k取决于金属的本性，不受取决于金属的本性，不受 ，， 的影响；的影响；l                      或或 ＝＝9090 时，时， s s  ；；l s s的取值的取值  ，， ＝＝4545 时，时， s s最小，晶体易滑移；最小，晶体易滑移；l 软取向：值大；软取向：值大；l取向因子：取向因子：coscos coscos  硬取向：值小。

硬取向：值小l l二单滑移、多滑移和交二单滑移、多滑移和交滑移滑移l1 1、滑移的分类、滑移的分类l单滑移：单滑移：l双滑移：双滑移：l多滑移：在多个（多滑移：在多个（>2>2）滑移系上同时或交替进行的滑移滑移系上同时或交替进行的滑移l交滑移交滑移:指两个或多个滑移面沿一个滑移方向的滑移指两个或多个滑移面沿一个滑移方向的滑移2 2、、等等效效滑滑移移系系：：各各滑滑移移系系的的滑滑移移面面和和滑滑移移方方向向与与力力轴轴夹夹角角分别相等的一组滑移系分别相等的一组滑移系l交滑移交滑移l （（1 1））交交滑滑移移：：晶晶体体在在两两个个或或多多个个不不同同滑滑移移面面上上沿沿同同一一滑滑移移方方向进行的滑移向进行的滑移l（（2 2））bcc:{110},{112},{123}bcc:{110},{112},{123}——[111] [111] l（（3 3）机制）机制l 螺螺位位错错的的交交滑滑移移：：螺螺位位错错从从一一个个滑滑移移面面转转移移到到与与之之相相交交的的另一滑移面的过程；另一滑移面的过程；l 螺螺位位错错的的双双交交滑滑移移：：交交滑滑移移后后的的螺螺位位错错再再转转回回到到原原滑滑移移面面的过程。

的过程l4 4 滑移的表面痕迹滑移的表面痕迹 l 单滑移：单一方向的滑移带；单滑移：单一方向的滑移带；l 多滑移：相互交叉的滑移带；多滑移：相互交叉的滑移带；l 交滑移：波纹状的滑移带交滑移：波纹状的滑移带二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响 a a a a 晶粒越细，强度越高晶粒越细，强度越高晶粒越细，强度越高晶粒越细，强度越高( ( ( (细晶强化细晶强化细晶强化细晶强化：霍尔－配奇公式：霍尔－配奇公式：霍尔－配奇公式：霍尔－配奇公式) ) ) )   s s s s= = = =   0 0 0 0+kd+kd+kd+kd-1/2-1/2-1/2-1/2 原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大 （有尺寸限制）（有尺寸限制）（有尺寸限制）（有尺寸限制）     晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中 导致的开裂机会减少，可承受更大的变导致的开裂机会减少，可承受更大的变导致的开裂机会减少，可承受更大的变导致的开裂机会减少，可承受更大的变 形量，表现出形量，表现出形量，表现出形量，表现出高塑性高塑性高塑性高塑性。

b b b b 晶粒越细，晶粒越细，晶粒越细，晶粒越细，塑韧性提高塑韧性提高塑韧性提高塑韧性提高 细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易 萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂 过程中可吸收较多能量过程中可吸收较多能量过程中可吸收较多能量过程中可吸收较多能量, , , ,表现表现表现表现高韧性高韧性高韧性高韧性·（（3）固溶强化的机制：）固溶强化的机制：溶质原子与位错的：化学交互作用溶质原子与位错的：化学交互作用                                     电交互作用电交互作用                                     几何交互作用几何交互作用l弹性交互作用弹性交互作用——柯氏气团对位错的钉扎作用。

柯氏气团对位错的钉扎作用应变时效？退火：经塑性变形后的金属再进行加热称为退火退火：经塑性变形后的金属再进行加热称为退火退火的目的：为了恢复与提高金属的塑性，或获得某种要求的退火的目的：为了恢复与提高金属的塑性，或获得某种要求的使用性能使用性能三三三三 回复退火的应用回复退火的应用回复退火的应用回复退火的应用 1 1 1 1回复机制与性能的关系回复机制与性能的关系回复机制与性能的关系回复机制与性能的关系 内应力降低内应力降低内应力降低内应力降低: : : :弹性应变基本消除弹性应变基本消除弹性应变基本消除弹性应变基本消除; ; ; ; 硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，亚晶较细；硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，亚晶较细；硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，亚晶较细；硬度、强度下降不多：位错密度降低不明显，亚晶较细； 电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低。

2 2 2 2去应力退火去应力退火去应力退火去应力退火 降降降降低低低低应应应应力力力力（（（（保保保保持持持持加加加加工工工工硬硬硬硬化化化化效效效效果果果果）））），，，，防防防防止止止止工工工工件件件件变变变变形形形形、、、、开开开开裂，提高耐蚀性裂，提高耐蚀性裂，提高耐蚀性裂，提高耐蚀性再再再再结结结结晶晶晶晶：：：：冷冷冷冷变变变变形形形形后后后后的的的的金金金金属属属属加加加加热热热热到到到到一一一一定定定定温温温温度度度度后后后后，，，，在在在在原原原原来来来来的的的的组组组组织织织织中中中中产产产产生生生生了了了了无无无无畸畸畸畸变变变变的的的的新新新新晶晶晶晶粒粒粒粒，，，，而而而而且且且且性性性性能能能能恢恢恢恢复复复复到到到到变变变变形形形形以以以以前前前前的完全软化状态，这个过程称为再结晶的完全软化状态，这个过程称为再结晶的完全软化状态，这个过程称为再结晶的完全软化状态，这个过程称为再结晶一一一一 再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大再结晶的形核与长大     驱动力：畸变能差驱动力：畸变能差驱动力：畸变能差驱动力：畸变能差 2 2 2 2 长大长大长大长大 方式方式方式方式: : : :晶核向畸变晶粒扩展晶核向畸变晶粒扩展晶核向畸变晶粒扩展晶核向畸变晶粒扩展, , , ,至新晶粒相互接触。

至新晶粒相互接触至新晶粒相互接触至新晶粒相互接触 注：再结晶不是相变过程注：再结晶不是相变过程注：再结晶不是相变过程注：再结晶不是相变过程二二二二 再结晶动力学再结晶动力学再结晶动力学再结晶动力学          （（（（1 1）再结晶速度与温度的关系）再结晶速度与温度的关系）再结晶速度与温度的关系）再结晶速度与温度的关系v v再再再再＝＝＝＝A Aexp(-exp(-Q QR R/RT/RT) )          （（（（2 2）规律）规律）规律）规律                              有孕育期有孕育期有孕育期有孕育期;  ; 温度越高温度越高温度越高温度越高, ,变形量越大孕育期越短变形量越大孕育期越短变形量越大孕育期越短变形量越大孕育期越短; ;在体在体在体在体                              积分数为时速率最大，然后减慢积分数为时速率最大，然后减慢积分数为时速率最大，然后减慢积分数为时速率最大，然后减慢四四四四 影响再结晶的因素影响再结晶的因素影响再结晶的因素影响再结晶的因素1 1 1 1 退火温度。

温度越高，再结晶速度越大退火温度温度越高，再结晶速度越大退火温度温度越高，再结晶速度越大退火温度温度越高，再结晶速度越大2 2 2 2 变变变变形形形形量量量量变变变变形形形形量量量量越越越越大大大大，，，，再再再再结结结结晶晶晶晶温温温温度度度度越越越越低低低低；；；；随随随随变变变变形形形形量量量量增增增增大大大大，，，，再再再再结晶温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行结晶温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行结晶温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行结晶温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行3 3 3 3 原原原原始始始始晶晶晶晶粒粒粒粒尺尺尺尺寸寸寸寸晶晶晶晶粒粒粒粒越越越越小小小小，，，，驱驱驱驱动动动动力力力力越越越越大大大大, , , ,再再再再结结结结晶晶晶晶温温温温度度度度降降降降低低低低；；；；晶界越多，有利于形核晶界越多，有利于形核晶界越多，有利于形核晶界越多，有利于形核4 4 4 4 微量溶质元素阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶微量溶质元素阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶微量溶质元素阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶微量溶质元素。

阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶5 5 5 5 第第第第二二二二分分分分散散散散相相相相间间间间距距距距和和和和直直直直径径径径都都都都较较较较大大大大时时时时，，，，提提提提高高高高畸畸畸畸变变变变能能能能，，，，并并并并可可可可作作作作为为为为形形形形核核核核核核核核心心心心，，，，促促促促进进进进再再再再结结结结晶晶晶晶；；；；直直直直径径径径和和和和间间间间距距距距很很很很小小小小时时时时，，，，提提提提高高高高畸畸畸畸变变变变能能能能，，，，但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶五五五五 再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小－变形量关系图）再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小－变形量关系图）再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小－变形量关系图）再结晶晶粒大小的控制（晶粒大小－变形量关系图）1 1 1 1 变变变变形形形形量量量量（（（（图图图图））））存存存存在在在在临临临临界界界界变变变变形形形形量量量量，，，，生生生生产产产产中中中中应应应应避避避避免免免免临临临临界界界界变变变变形形形形量2 2 2 2 原始晶粒尺寸。

晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多，原始晶粒尺寸晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多，原始晶粒尺寸晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多，原始晶粒尺寸晶粒越小，驱动力越大，形核位置越多， 使晶粒细化使晶粒细化使晶粒细化使晶粒细化3 3 3 3 合金元素和杂质增加储存能，阻碍晶界移动，有利于合金元素和杂质增加储存能，阻碍晶界移动，有利于合金元素和杂质增加储存能，阻碍晶界移动，有利于合金元素和杂质增加储存能，阻碍晶界移动，有利于 晶粒细化晶粒细化晶粒细化晶粒细化4 4 4 4 温度变形温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶温度变形温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶温度变形温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶温度变形温度越高，回复程度越大，储存能减小，晶 粒粗化；退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大粒粗化；退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大粒粗化；退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大粒粗化；退火温度越高，临界变形度越小，晶粒粗大 驱驱驱驱 动动动动 力：力：力：力：界面能差界面能差界面能差界面能差. . . . 长大方式：长大方式：长大方式：长大方式： 正常长大；正常长大；正常长大；正常长大； 异常长大（二次再结晶）异常长大（二次再结晶）异常长大（二次再结晶）异常长大（二次再结晶）. . . .第十二节 晶粒长大晶粒长大一一一一 晶粒的正常长大晶粒的正常长大晶粒的正常长大晶粒的正常长大 1 1 1 1 正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大。

正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大 它它它它是是是是一一一一个个个个晶晶晶晶界界界界移移移移动动动动的的的的过过过过程程程程，，，，晶晶晶晶界界界界能能能能否否否否迁迁迁迁动动动动取取取取决决决决于于于于两两两两个个个个因因因因 素：第一有无足够的驱动力，第二晶界有无足够的迁移率素：第一有无足够的驱动力，第二晶界有无足够的迁移率素：第一有无足够的驱动力，第二晶界有无足够的迁移率素：第一有无足够的驱动力，第二晶界有无足够的迁移率 2 2 2 2 驱动力：界面能差界面能越大，曲率半径越小，驱驱动力：界面能差界面能越大，曲率半径越小，驱驱动力：界面能差界面能越大，曲率半径越小，驱驱动力：界面能差界面能越大，曲率半径越小，驱 动力越大动力越大动力越大动力越大 ( ( ( (长大方向是指向曲率中心长大方向是指向曲率中心长大方向是指向曲率中心长大方向是指向曲率中心, , , ,而再结晶晶核的长大方向相反而再结晶晶核的长大方向相反而再结晶晶核的长大方向相反而再结晶晶核的长大方向相反.).).).) 一一一一 晶粒的正常长大晶粒的正常长大晶粒的正常长大晶粒的正常长大4 4 4 4 影响晶粒长大的因素影响晶粒长大的因素影响晶粒长大的因素影响晶粒长大的因素(1)(1)(1)(1)温度。

温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化2)(2)(2)(2)分散相粒子阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率一分散相粒子阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率一分散相粒子阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率一分散相粒子阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率一 般有晶粒稳定尺寸般有晶粒稳定尺寸般有晶粒稳定尺寸般有晶粒稳定尺寸d d和第二相质点半径和第二相质点半径和第二相质点半径和第二相质点半径r r、体积分数、体积分数、体积分数、体积分数   的的的的          关系：关系：关系：关系：d=4r/3d=4r/3   (3)(3)(3)(3)杂杂杂杂质质质质与与与与合合合合金金金金元元元元素素素素 “气气气气团团团团作作作作” ”钉钉钉钉扎扎扎扎晶晶晶晶界界界界, , , ,不不不不利利利利于于于于晶晶晶晶界界界界移移移移动动动动 (4)(4)(4)(4)晶粒位向差小角度晶界的界面能小于大角度晶界，晶粒位向差小角度晶界的界面能小于大角度晶界，晶粒位向差。

小角度晶界的界面能小于大角度晶界，晶粒位向差小角度晶界的界面能小于大角度晶界， 因而前者的移动速率低于后者因而前者的移动速率低于后者因而前者的移动速率低于后者因而前者的移动速率低于后者。