51第五章材料的形变与再结晶part.1课件.ppt

郭开元郭开元：：1777914212317779142123邮箱：邮箱：Guokaiyuan136@Guokaiyuan136@ 材料科学基础材料科学基础17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元1绪论第一章 原子结构与键合 第二章 固体结构第三章 晶体缺陷第四章 固体中原子及分子的运动第五章 材料的形变与再结晶第六章 单组元相图及纯晶体的凝固第七章 二元相图及其合金的凝固材料科学基础材料科学基础17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元2第五章 材料的形变与再结晶本章主要内容：本章主要内容： 5.1 5.1 弹性和粘弹性弹性和粘弹性 5.2 5.2 晶体的塑性变形晶体的塑性变形 5.3 5.3 回复和再结晶回复和再结晶 5.4 热变形与动态回复、再结晶 以下略5.5 陶瓷材料的变形5.6 高分子聚合物的变形 塑性变形的机制，对材料组织与性能的影响塑性变形的机制，对材料组织与性能的影响回复、再结晶机制与动力学回复、再结晶机制与动力学17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元3•弹性的不完整性弹性的不完整性（略）（略）•单晶的塑性变形：滑移、扭折、孪生的概念单晶的塑性变形：滑移、扭折、孪生的概念•滑移面和滑移方向、滑移系滑移面和滑移方向、滑移系•滑移的位错机制：点阵阻力滑移的位错机制：点阵阻力-派派-纳力纳力•多晶体的塑性变形：多晶体的塑性变形：Hall-Petch公式公式•合金的塑性变形：形变强化、固溶强化和弥散强化合金的塑性变形：形变强化、固溶强化和弥散强化•材料的不同强化方式的强化机制材料的不同强化方式的强化机制•塑性变形对材料组织与性能的影响塑性变形对材料组织与性能的影响•回复与再结晶过程中组织与性能的改变回复与再结晶过程中组织与性能的改变•再结晶形核机制、再结晶晶粒长大机制再结晶形核机制、再结晶晶粒长大机制- 再结晶动力学再结晶动力学计算计算•再结晶温度及其影响因素再结晶温度及其影响因素【本章重要概念】17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元4冷变形（冷变形（Tm）） 按塑性变按塑性变形温度分形温度分体积成型（锻造、轧制、挤压、拉拔等）体积成型（锻造、轧制、挤压、拉拔等）板料成型（冲裁、弯曲、拉延等）板料成型（冲裁、弯曲、拉延等）塑性变形塑性变形（固态成型）（固态成型）塑性变形分类：塑性变形分类：塑性变形在塑性变形在金属的金属的锻、轧、拉、挤加工过程中有重要作用。

锻、轧、拉、挤加工过程中有重要作用材料的塑性变形材料的塑性变形17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元5锻、轧、拉、锻、轧、拉、 挤挤体积成型：体积成型：锻造锻造轧制轧制拉拔拉拔挤压挤压17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元6低碳钢的拉伸试验低碳钢的拉伸试验 e弹性极限弹性极限 s屈服强度屈服强度 b抗拉强度抗拉强度•弹性变形弹性变形: 具有可逆性，外力去除具有可逆性，外力去除后可完全恢复后可完全恢复• 塑性变形塑性变形：不可逆：不可逆 弹性变形（弹性变形（elastic deformation））塑性变形（塑性变形（plastic deformation））外力外力 材料材料完整的塑性完整的塑性变形过程变形过程1.外形尺寸变化外形尺寸变化2.内部组织、性能变化内部组织、性能变化 塑性变形导致塑性变形导致这种状态自由焓较高，这种状态自由焓较高，不稳定，加热后发生不稳定，加热后发生回复与再结晶回复与再结晶17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元7 r=r0 原子处于平衡位置原子处于平衡位置 位能位能 U 为为 Umin 最稳定最稳定 F=0 r r0 即偏离其平衡位置即偏离其平衡位置 F＞引力＞引力 ＜斥力＜斥力力图使原子恢复其原来的平衡位置力图使原子恢复其原来的平衡位置5.1.1 弹性的本质弹性的本质可从原子间结合力的角度来了解可从原子间结合力的角度来了解之。

无外力作用时，之无外力作用时，原子间结合原子间结合能和结合力是原子间距的函数能和结合力是原子间距的函数※ 5.1 弹性和粘弹性(高分子)弹性变形是塑性变形之前必经历的过程弹性变形是塑性变形之前必经历的过程17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元85.1.2 弹性变形的特征弹性变形的特征（（1）理想的弹性变形是可逆变形；）理想的弹性变形是可逆变形；（（2）在弹性变形范围内，应力）在弹性变形范围内，应力-应变关系服从应变关系服从胡克（胡克（Hooke））定律：定律：•正应力下正应力下  = E •切应力下切应力下  = G •各向异性弹性体的应力应变关系，即广义虎克定律可用矩阵各向异性弹性体的应力应变关系，即广义虎克定律可用矩阵表示3）弹性变形量随材料的不同而异弹性变形量随材料的不同而异E-杨氏弹性模量杨氏弹性模量G-剪切模量剪切模量  -泊松比泊松比G = E/2(1+ )不同材料的弹、塑性性能差异很大不同材料的弹、塑性性能差异很大;如如金属、陶瓷、高分子金属、陶瓷、高分子17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元9弹性模量弹性模量 E (Elastic modulus)•表征晶体中原子间结合力强弱的物理量表征晶体中原子间结合力强弱的物理量, 反映原子间的结反映原子间的结合力。

合金化影响小合金化影响小•共价键共价键(E金刚石金刚石) >金属键金属键>高分子高分子-分子键•对单晶体而言，弹性模量是各向异性的：单晶体沿原子对单晶体而言，弹性模量是各向异性的：单晶体沿原子最密排的晶向最密排的晶向 Emax ，沿原子最疏的晶向，沿原子最疏的晶向Emin多晶体因多晶体因晶粒任意取向，总体呈各向同性晶粒任意取向，总体呈各向同性•工程上工程上E是材料刚度的度量是材料刚度的度量17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元10※ 5.2 5.2 晶体的塑性变形晶体的塑性变形本节内容包括本节内容包括：：1. 1.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形2. 多多晶体的塑性变形晶体的塑性变形3. 3.合金的塑性变形合金的塑性变形4.塑性变形对材料组织与性能的影响塑性变形对材料组织与性能的影响•当应力超过弹性极限，材料发生塑当应力超过弹性极限，材料发生塑性变形，产生不可逆的永久变形性变形，产生不可逆的永久变形其其本质与弹性变形相比更为复杂本质与弹性变形相比更为复杂具体分析：单晶体具体分析：单晶体——>多晶体多晶体17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元115.2.1 单晶体（单晶体（Single Crystal）的塑性变形）的塑性变形 1.滑移滑移 Slip2.孪生孪生 Twinning晶界滑动晶界滑动 Grain boundary Sliding扩散性蠕变扩散性蠕变 Diffusional Creep高温情况下高温情况下3.扭折扭折 kink塑性变形方式塑性变形方式多晶体的晶粒内，多晶体的晶粒内，由由位错运动方式决定位错运动方式决定多晶体的晶粒之间多晶体的晶粒之间17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元12一、滑移（一、滑移（Slip））a. 现象现象-滑移线与滑移带滑移线与滑移带单晶体的拉伸试验单晶体的拉伸试验塑性变形的不均匀性特征：塑性变形的不均匀性特征：滑移只滑移只沿一定的晶面、一定沿一定的晶面、一定晶向进行晶向进行纯铁金相组织中的滑移线纯铁金相组织中的滑移线17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元13b. 滑移的晶体学特征滑移的晶体学特征-滑移系滑移系原因是：原因是： 1、原子密度最大的晶面上面间距最大、点阵阻力最小。

原子密度最大的晶面上面间距最大、点阵阻力最小2、最密排方向上的原子间距最短最密排方向上的原子间距最短位错运动克服的阻力最小位错运动克服的阻力最小滑移系：滑移系：由晶体中一个滑移面和该面由晶体中一个滑移面和该面上一个滑移方向组成上一个滑移方向组成, 构成了构成了滑移的滑移的空间取向空间取向表表5.3 常见金属的滑移面与方向常见金属的滑移面与方向滑移的特征：通常滑移面和滑移方向总是晶体中原子密度最大滑移的特征：通常滑移面和滑移方向总是晶体中原子密度最大的面和方向的面和方向P-N力17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元14晶体结构不同，滑移系的数目不同晶体结构不同，滑移系的数目不同 fcc：：{111} 有四组，而每个有四组，而每个(111)面上共有三个面上共有三个[110]，， 共有共有4×3＝＝12个滑移系个滑移系 hcp：：1个个(0001)面，面， 3个个<1120>方向方向 共有共有1×3＝＝3个滑移系个滑移系 bcc：： {110}面共有面共有6组，组， 每个每个{110}上有上有2个个<111>方向方向 {112}面共有面共有12组，组， 每个每个{112} 1个个<111>方向方向 {123}面共有面共有24组，组， 每个每个{123} 1个个<111>方向方向 共有共有6×2＋＋12×1＋＋24×1＝＝48个滑移系个滑移系一般滑移系愈多，滑移过程中可能采取的空间取向也就愈多，一般滑移系愈多，滑移过程中可能采取的空间取向也就愈多，这种材料的塑性就愈好。

这种材料的塑性就愈好17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元15c. 滑移所需临界分切应力滑移所需临界分切应力 确定滑移面和方向确定滑移面和方向 Critical（（resolved））shear stress圆柱形试样圆柱形试样单向拉伸单向拉伸情况下，作用在滑移面上沿滑移方情况下，作用在滑移面上沿滑移方向的向的切应力切应力：：其中其中作用在横断面上的拉伸应力作用在横断面上的拉伸应力取向因子取向因子A1=17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元16晶体滑移晶体滑移 必须使必须使 ≥  c临界分切应力临界分切应力: c决定了位错滑移的难易程度决定了位错滑移的难易程度 c ：：取决晶体中原子间的结合力，取决晶体中原子间的结合力，即与晶体类型、纯度即与晶体类型、纯度（杂质）、温度以及变形速度有关，与外力无关杂质）、温度以及变形速度有关，与外力无关见表见表5.4 其中其中 s-起始屈服强度，由起始屈服强度，由取向因子取向因子决定决定图图5.9 P175：：当当 ＝＝90°或或 ＝＝90 °时，时， s∞ 晶体不能产生滑移晶体不能产生滑移只有当只有当  ＝＝ ＝＝45 ° 时，时， smin 首先发生滑移首先发生滑移 ＝＝2 c17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元17d. 滑移时晶面的转动滑移时晶面的转动滑移面上发生相对位移滑移面上发生相对位移晶面转动晶面转动空间取向发生变化空间取向发生变化晶体滑移晶体滑移拉伸时，拉伸时，使滑移面和滑移方向使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴平行逐渐转到与应力轴平行压缩时，压缩时，使滑移面和滑移方使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴垂直向逐渐转到与应力轴垂直17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元18形变过程形变过程：：晶体滑移晶体滑移晶体转动晶体转动位向变化位向变化取向因子变化取向因子变化 分切应力值变化分切应力值变化e. 多系滑移多系滑移 Multiple slip 多系滑移：多系滑移： •外力下，滑移首先会发生在分切应力最大、且外力下，滑移首先会发生在分切应力最大、且t≥  c的滑移的滑移系－原始滑移系上。

系－原始滑移系上•但由于伴随晶体转动但由于伴随晶体转动空间位向变化空间位向变化另一组原取向不利；另一组原取向不利；滑移系逐渐转向比较有利的取向，从而开始滑移，形成滑移系逐渐转向比较有利的取向，从而开始滑移，形成两两组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称为组（或多组）滑移系同时进行或交替进行，称为多系滑移多系滑移名词解释17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元20f. 滑移的位错机制滑移的位错机制 第第3章提到：章提到：与实测值（约为与实测值（约为1～～10MPa）之间相差）之间相差3～～4个数量级个数量级根据根据刚性位移模型刚性位移模型，理论剪切强度，理论剪切强度(G一般为一般为104～～105MPa）） 修正后的理论剪切强度修正后的理论剪切强度 =G/30，，仍然偏大仍然偏大因为位错运动时，只要附近少数因为位错运动时，只要附近少数原子移动很小的距离原子移动很小的距离（小于一个（小于一个原子间距），因此原子间距），因此所需的应力要比晶体作整体刚性位移时小得多所需的应力要比晶体作整体刚性位移时小得多这样，借助于位错的运动就可实现晶体逐步滑移这样，借助于位错的运动就可实现晶体逐步滑移。

位错概念引入解决这一矛盾：位错概念引入解决这一矛盾：17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元21P178 图图5.13 位错中心能量的周期性变化位错中心能量的周期性变化 1、、位错运动位错运动首先遇到点阵阻力首先遇到点阵阻力——派派.纳力纳力(P-N force)：：•对于简单立方对于简单立方d=b，， =0.35, 得到得到 P-N=2×10-4G，远小于理论剪切强度，远小于理论剪切强度G/30. –––说明位错的滑移容易进行说明位错的滑移容易进行 •P-N力与晶体结构和原子间作用力有关力与晶体结构和原子间作用力有关从上式可知滑移面间距从上式可知滑移面间距d↑、、滑移方向原子间距滑移方向原子间距b↓，则，则  ↓，因此：，因此：晶体的滑移通常发生在原子最密集的晶面并沿着最密集的晶向进行晶体的滑移通常发生在原子最密集的晶面并沿着最密集的晶向进行2、除、除点阵阻力点阵阻力外，外，位错与点缺陷、其他位错、晶界位错与点缺陷、其他位错、晶界(多晶体多晶体)、、第二相质点（合金）第二相质点（合金）等交互作用，对位错的滑移运动均会产生等交互作用，对位错的滑移运动均会产生阻力，导致晶体强化。

阻力，导致晶体强化5.10））17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元22二、孪生二、孪生Twin金相观察：金相观察：纯镁、纯锌纯镁、纯锌中的形变孪晶中的形变孪晶孪生变形的难易程度：孪生变形的难易程度：和对称性、滑移系数量有关和对称性、滑移系数量有关HCP>BCC>FCC，，FCC极低温下也会孪生极低温下也会孪生- 图图5.18 铜单晶拉伸曲线（铜单晶拉伸曲线（4.2K））孪生的定义：滑移系较少的晶体孪生的定义：滑移系较少的晶体（如（如hcp的的 Mg,Zn,Ge）），，或或滑移系较多滑移系较多的晶体在低温下，的晶体在低温下，或或当滑移受阻时当滑移受阻时的一种变形方式的一种变形方式17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元24a. 孪生变形过程孪生变形过程P180 图图5.16•孪晶孪晶•孪晶界孪晶界•孪晶面孪晶面—>孪晶界孪晶界•孪生方向孪生方向b. 孪生的特点孪生的特点（简答）（简答） •临界切应力临界切应力 大于滑移的大于滑移的 c•均匀切应变均匀切应变 孪生是在切应力作用下沿特定的晶面与晶向产生的孪生是在切应力作用下沿特定的晶面与晶向产生的均匀切变均匀切变。

孪晶区的原子同时移动，同一层原子移动距离相同孪晶区的原子同时移动，同一层原子移动距离相同•镜面对称位向关系镜面对称位向关系17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元25形核（难）：孪生临界切应力比滑移的大得多，形核（难）：孪生临界切应力比滑移的大得多，只有在滑移很难进行只有在滑移很难进行的条件下才会发生的条件下才会发生例如例如，，Mg孪生所需孪生所需 c=4.9~34.3=4.9~34.3MPa，，而滑移时而滑移时 c仅为仅为0.49MPa长大（易）：例如长大（易）：例如，，Zn单晶形核单晶形核 -0.1G，长大，长大  -0.001G萌生之初，能量大量积累萌生之初，能量大量积累—>孪晶的长大速度极快（与冲击波的速度孪晶的长大速度极快（与冲击波的速度相当），有相当数量的能量被释放出来相当），有相当数量的能量被释放出来c. 孪晶的形成方式孪晶的形成方式变形（机械）孪晶：变形产生，呈透镜状或片状变形（机械）孪晶：变形产生，呈透镜状或片状生长孪晶生长孪晶 ：晶体生长过程中形成，包括气、液、固相生长：晶体生长过程中形成，包括气、液、固相生长退火孪晶退火孪晶 ：退火过程中堆垛层错生长形成，横贯整个晶粒：退火过程中堆垛层错生长形成，横贯整个晶粒形核形核长大长大两个阶段两个阶段变形孪晶的生长变形孪晶的生长: 可分为可分为17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元26d. 孪生变形的意义：孪生变形的意义：通过单纯孪生直接达到的变形量是极为有限的。

如通过单纯孪生直接达到的变形量是极为有限的如Zn单晶，单晶，孪生只能获得孪生只能获得7.2～～7.4％伸长率，远小于滑移所作的贡献％伸长率，远小于滑移所作的贡献孪生变形改变了晶体的位向，从而可使晶体处于更有利于孪生变形改变了晶体的位向，从而可使晶体处于更有利于发生滑移的位置，激发进一步的滑移，获得很大变形量，发生滑移的位置，激发进一步的滑移，获得很大变形量，故间接贡献却很大故间接贡献却很大17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元27※※ 5.2.2 多晶体的塑性变形 Plastic￿Deformation￿of￿polycrystalline￿Materials 多晶体变形要受到多晶体变形要受到晶界和相邻不同位向晶粒晶界和相邻不同位向晶粒的约束周围晶的约束周围晶粒同时发生相适应的变形来配合粒同时发生相适应的变形来配合 一般多晶体为多系滑移，具有高的加工硬化率，变形抗力增一般多晶体为多系滑移，具有高的加工硬化率，变形抗力增大，强度显著提高大，强度显著提高具体分析：单晶体具体分析：单晶体多晶体多晶体17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元30一一.晶粒取向的影响晶粒取向的影响 外力外力F作用下作用下处于有利取向的晶粒先开始滑移处于有利取向的晶粒先开始滑移处于不利取向晶粒还未开始滑移处于不利取向晶粒还未开始滑移变形不均匀变形不均匀为保持变形的连续性，周围晶粒变形必须相互制约，相为保持变形的连续性，周围晶粒变形必须相互制约，相互协调互协调•多晶体塑性变形时，要求至少有多晶体塑性变形时，要求至少有5个独立的滑移系相互协个独立的滑移系相互协调来进行滑移。

调来进行滑移•fcc, bcc 滑移系多，处于有利位置的取向多滑移系多，处于有利位置的取向多→塑性好塑性好 •hcp 滑移系少滑移系少→塑性差塑性差17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元31位错在晶界上产生塞积位错在晶界上产生塞积（交通堵塞）（交通堵塞）晶内发生较大变形，晶界处晶内发生较大变形，晶界处变形量较少，塑变抗力大，变形量较少，塑变抗力大，可观察到可观察到位错的塞积，位错位错的塞积，位错无法转移到相邻晶粒中无法转移到相邻晶粒中2~3个晶粒的试样拉伸后呈竹结状个晶粒的试样拉伸后呈竹结状 二二. 晶界的阻滞效应晶界的阻滞效应多晶体塑性变形的另一个特点是晶界对变形过程的阻碍作用多晶体塑性变形的另一个特点是晶界对变形过程的阻碍作用晶界对多晶体变形产生阻碍作用的原因：晶界对多晶体变形产生阻碍作用的原因： 1、大角晶界处原子排列不规则，点阵畸变严重；、大角晶界处原子排列不规则，点阵畸变严重；2、晶界两侧的晶粒取向不同，滑移面和滑移方向彼此不一致晶界两侧的晶粒取向不同，滑移面和滑移方向彼此不一致17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元32三、晶粒大小对力学性能的影响三、晶粒大小对力学性能的影响（（ 重要概念重要概念 ）） 1. 对室温力学性能的影响对室温力学性能的影响－－细晶强化：细晶强化：细晶组织具有良好的综合力学性能，可兼顾强度细晶组织具有良好的综合力学性能，可兼顾强度和塑性和塑性•晶粒愈细、晶界愈多晶粒愈细、晶界愈多→强化效应强化效应- s  b HV ↑•较好塑性，细晶的晶内和晶界附近应变差较小，变形较均匀，较好塑性，细晶的晶内和晶界附近应变差较小，变形较均匀，有可能断裂前承受大量的变形有可能断裂前承受大量的变形 Hall-Petch公式：公式：屈服强度屈服强度相当于单晶体的屈服强度相当于单晶体的屈服强度晶粒平均直径晶粒平均直径常数，反映晶界对变形的影响，与晶界结常数，反映晶界对变形的影响，与晶界结构有关构有关晶界本身的强度对多晶体的加工硬化贡献不大，晶界本身的强度对多晶体的加工硬化贡献不大，多晶体多晶体加工硬化的主要原因来自晶界两侧晶粒的位向差。

加工硬化的主要原因来自晶界两侧晶粒的位向差例见图例见图5.2517 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元332. 对高温强度的影响对高温强度的影响低温时：低温时：晶界强度晶界强度>晶内强度晶内强度；；加上晶界两侧晶粒位加上晶界两侧晶粒位向差影响向差影响 晶界对滑移有阻滞作用晶界对滑移有阻滞作用高温时：温度升高，与原子扩散速率有关的晶界滑动高温时：温度升高，与原子扩散速率有关的晶界滑动和与空位扩散有关的蠕变机制和与空位扩散有关的蠕变机制 晶界强度晶界强度<晶内强度晶内强度等强温度等强温度TE：： s晶界晶界＝＝ s晶内晶内17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元34一、一、单相固溶体合金单相固溶体合金的塑性变形的塑性变形 拉伸曲线：拉伸曲线： 屈服现象屈服现象 yield phenomenon 固溶体合金的特点：固溶体合金的特点：1.塑性好，固溶强化；塑性好，固溶强化；2.会出现明显的屈服点会出现明显的屈服点（（Yield point  0.20.2））和应变时效现象和应变时效现象常采用的强化方式：固溶强化常采用的强化方式：固溶强化+形变强化形变强化※※ 5.2.3 合金的塑性变形合金的塑性变形 Plastic Deformation of Alloys单相合金单相合金多相合金多相合金17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元35a. 固溶强化固溶强化 Solid-Solution Strengthening （重要概念）（重要概念） 通过溶入某种元素形成固熔体，固溶原子的存在使基体金属的变形通过溶入某种元素形成固熔体，固溶原子的存在使基体金属的变形抗力提高，从而使金属强度、硬度升高的现象抗力提高，从而使金属强度、硬度升高的现象 本质本质：溶质原子：溶质原子→点阵畸变点阵畸变 作用作用：溶质含量：溶质含量↑——固溶体合金的强度、硬度固溶体合金的强度、硬度↑而塑性、韧性而塑性、韧性↓⑴⑴ 溶质原子的浓度溶质原子的浓度↑——固溶强化主要因素固溶强化主要因素↑⑵⑵ 置换型置换型rx/rm相差愈大相差愈大——固溶强化固溶强化↑ Why?⑶⑶ 间隙强化方式比置换方式效果好；间隙强化方式比置换方式效果好； Why?⑷⑷ 溶质原子与基体金属的价电子数相差愈大，固溶强化溶质原子与基体金属的价电子数相差愈大，固溶强化 效果愈显著。

效果愈显著Al-Mg、、Al-Si固溶强化的主要影响因素固溶强化的主要影响因素：：17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元36下屈服点：下屈服点：应力平台起始点，此后在恒定的应力下发生屈服伸长应力平应力平台起始点，此后在恒定的应力下发生屈服伸长应力平台上每一个波动对应于一个新的形变带，即新台上每一个波动对应于一个新的形变带，即新Lüders bond，当，当Lüders bond扩展至试样整个长度后，屈服伸长阶段就告结束，应力又随应变单调扩展至试样整个长度后，屈服伸长阶段就告结束，应力又随应变单调增加，开始增加，开始均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段上屈服点：上屈服点：拉伸曲线应力突然下降的拉伸曲线应力突然下降的点，此时试样开始屈服，发生明显的点，此时试样开始屈服，发生明显的塑性变形在试样表面观察到与纵轴塑性变形在试样表面观察到与纵轴（拉伸轴）约呈（拉伸轴）约呈45°的应变痕迹的应变痕迹—（（Lüders bond）与试样的未变形部分）与试样的未变形部分有明显的界线它是一种宏观可见皱有明显的界线它是一种宏观可见皱纹，也称表面桔皮，在冲压产品中需纹，也称表面桔皮，在冲压产品中需避免。

避免b. 屈服现象屈服现象 yield phenomenon 塑料带17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元37 屈服现象之本质和机理屈服现象之本质和机理⑴⑴ Cottrell气团理论气团理论 溶质原子与位错之间的交互作用：溶质原子与位错之间的交互作用：位错被溶质原子钉扎住（如低位错被溶质原子钉扎住（如低碳钢中的碳钢中的C原子原子—示意图）示意图）位错运动必须挣脱这气团，因而所需应位错运动必须挣脱这气团，因而所需应力较高力较高——上屈服点；一旦挣脱气团的钉扎后便能在较低应力下运上屈服点；一旦挣脱气团的钉扎后便能在较低应力下运动动——下屈服点下屈服点 无位错的晶体也有屈服现象，无位错的晶体也有屈服现象，why？？⑵⑵ 位错增殖理论（位错增殖理论（P188）） 两种理论结合一起解释屈服现象两种理论结合一起解释屈服现象上屈服点：可动位错密度很低上屈服点：可动位错密度很低下屈服点：位错迅速增殖下屈服点：位错迅速增殖 材料塑性变形的应变速率材料塑性变形的应变速率 与可动位错密度与可动位错密度 之间关系：之间关系：位错的柏氏矢量位错的柏氏矢量位错运动的平均速度位错运动的平均速度由试验机夹头的运由试验机夹头的运动速度决定，接近动速度决定，接近于恒值于恒值应力敏感系数应力敏感系数位错作单位速度位错作单位速度运动所需应力运动所需应力位错受到有效切应力位错受到有效切应力17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元38c. 应变时效应变时效 Strain aging （重要概念）（重要概念）塑变塑变→卸载卸载→拉伸拉伸→无屈服现象无屈服现象 ┖ ┖─ 室温停留几天或室温停留几天或200 ºC时效效 →拉伸拉伸→ →重新出现屈服现象重新出现屈服现象 而且上屈服点比原来升高，这种现象称为应变时效。

而且上屈服点比原来升高，这种现象称为应变时效用用Cottrell气团理论解释：气团理论解释：说明溶质原子再次扩散到了位错周围说明溶质原子再次扩散到了位错周围名词解释：名词解释：将低碳钢试样拉伸到产生少量预塑性变形后卸载，然后重新加载，试样不发生屈服现象，但若产生一定量的塑性变形后卸载， 在室温停留几天或在低温（如200℃）时效几小时后再进行拉伸，此时屈服点现象重新出现，并且上屈服点升高，这种现象即应变时效 17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元39二二. 多相合金多相合金的塑性变形的塑性变形 Plastic Deformation of multiphase alloy分为两类：分为两类： 1. 聚合型合金聚合型合金 两相晶粒尺寸属同一数量级两相晶粒尺寸属同一数量级多相合金除基体相外，存在第二相多相合金除基体相外，存在第二相2. 弥散分布型合金弥散分布型合金 第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元40分两种情况：分两种情况：a）两相均为塑性相，合金的抗变形能力取决于两相的体）两相均为塑性相，合金的抗变形能力取决于两相的体积分数积分数。

形变时，当较强相数量小时，则滑移和塑性变形变时，当较强相数量小时，则滑移和塑性变形基本上在较弱相中；只有第二相较强时，且占有一定形基本上在较弱相中；只有第二相较强时，且占有一定体积分数（如体积分数（如f2>0.3）才能起明显的强化作用才能起明显的强化作用例如，例如，Pb-Sn、、Cu-Zn等二相合金等二相合金b）一相为塑性相，另一相为脆性相时）一相为塑性相，另一相为脆性相时，则合金的机械性，则合金的机械性能在很大程度上取决于硬脆相的存在数量及其形状、大小能在很大程度上取决于硬脆相的存在数量及其形状、大小和分布情况和分布情况例如，亚共晶例如，亚共晶Al-Si合金、合金、钢中渗碳体钢中渗碳体Fe3C存在的数量和存在的数量和形貌就是明显一例形貌就是明显一例 1. 聚合型合金聚合型合金17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元412. 弥散分布型合金弥散分布型合金 •当第二相以细小弥散的微粒均当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用生显著的强化作用 不可变形粒子的强化作用不可变形粒子的强化作用•当运动位错与其相遇时，将受当运动位错与其相遇时，将受到粒子阻挡，位错线绕着它发到粒子阻挡，位错线绕着它发生弯曲，随着外加应力生弯曲，随着外加应力↑，位，位错线弯曲更剧，最后形成包围错线弯曲更剧，最后形成包围着粒子的位错环留下，而位错着粒子的位错环留下，而位错线的其余部分则越过粒子继续线的其余部分则越过粒子继续运动。

运动概念的区别概念的区别沉淀强化沉淀强化 和弥散强化和弥散强化半原子面17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元42一一一一. . 显微组织变化显微组织变化显微组织变化显微组织变化1. 晶粒形状变化晶粒形状变化 等轴晶等轴晶——>纤维状组织纤维状组织 ——强烈冷变形的特征强烈冷变形的特征各向同性各向同性——>各向异性各向异性2. 亚结构变化亚结构变化 P191 图图5.36位错密度迅速增长，形成位错密度迅速增长，形成位错缠结位错缠结106~107cm-2 -> 1011~1012cm-2※※ 5.2.4 塑性变形后组织与性能的变化塑性变形后组织与性能的变化17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元43图图5.36 铜材经过不同程度冷轧后的光学显微组织及薄膜投射电镜像铜材经过不同程度冷轧后的光学显微组织及薄膜投射电镜像图图a,b 胞状亚结构：变形晶粒是由许多胞状亚结构：变形晶粒是由许多“胞胞”所组成，各个胞之间有着微小的取向差所组成，各个胞之间有着微小的取向差图图c,d 高密度高密度缠结位错缠结位错主要集中在胞的周围主要集中在胞的周围地带构成地带构成“胞壁胞壁”，而胞内位错密度很低。

而胞内位错密度很低图图e,f 随变形量随变形量↑，胞数量，胞数量↑，尺寸，尺寸↓，，细长带细长带状胞状胞17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元44二二. 性能变化性能变化 1.加工硬化加工硬化 塑性变形后，性能上最为突出的变化是强度（硬度）显著塑性变形后，性能上最为突出的变化是强度（硬度）显著提高，塑性迅速下降书中提高，塑性迅速下降书中图图5.39，表，表5.6 (P193) 加工硬化的本质加工硬化的本质：：与与位错间的交互作用位错间的交互作用及位错增殖、密度增加有及位错增殖、密度增加有关关 ┗━┗━ 钉扎钉扎 →继续变形发生困难，必须加大应力才能继续变形继续变形发生困难，必须加大应力才能继续变形→加工硬化加工硬化 •加工硬化是材料强化的一个重要的途径；特别是纯金属及某些不能通过固溶时效热处理强化的合金•由于材料具有加工硬化特性，形变才得以传递和扩展使整个零件在宏观上能够均匀变形定量关系式：定量关系式：17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元45 ⑴⑴电阻率电阻率：：塑性变形使金属的电阻率升高。

变化程度因塑性变形使金属的电阻率升高变化程度因材质而异，如纯铜、黄铜、钨丝材质而异，如纯铜、黄铜、钨丝另外，电阻温度系数下降、导磁率下降、导热系数下降等另外，电阻温度系数下降、导磁率下降、导热系数下降等 ⑵⑵腐蚀速度腐蚀速度：：塑变使缺陷增多，扩散过程加速，腐蚀速塑变使缺陷增多，扩散过程加速，腐蚀速度加快度加快 ⑶⑶密度密度：：对含有铸造缺陷（如气孔、疏松等）的金属，对含有铸造缺陷（如气孔、疏松等）的金属，经塑性变形后可能使密度上升经塑性变形后可能使密度上升 ⑷⑷弹性模量弹性模量：：塑变使弹性模量升高塑变使弹性模量升高2. 其它性能的变化其它性能的变化17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元461.固溶强化固溶强化 (对于不同合金应选择性利用对于不同合金应选择性利用:结构材料结构材料\导电材料导电材料)2.形变强化形变强化3.沉淀硬化沉淀硬化1.固溶处理＋（形变）＋时效固溶处理＋（形变）＋时效2.常见合金系常见合金系 ：：Cu-Fe-(P)，，Cu-Cr-(Zr)，，Cu-Ni-Si，， Cu-Ni-P，，Cu-Ni-Sn4.弥散强化弥散强化1.第二相颗粒第二相颗粒Ti3SiC2，，Al2O3，，TiC，，WC2.关键和难点：如何将第二相颗粒关键和难点：如何将第二相颗粒引入引入铜基体铜基体5.复合纤维强化复合纤维强化：人工：人工(粉末冶金粉末冶金)、自生（熔铸法）、自生（熔铸法）1.塑性变形塑性变形—两相复合体，大量塑变，两相复合体，大量塑变，Cu-Ag，，Cu-Nb，， Cu-Cr，， Cu-Fe2.原位反应原位反应—化学反应生成增强体化学反应生成增强体3.原位生长原位生长—共晶合金定向凝固共晶合金定向凝固 Cu-Cr4.优点：强度特别高优点：强度特别高:1000MPa以上以上 缺点：工艺复杂缺点：工艺复杂塑性变形的应用塑性变形的应用(开发新材料，活用Cu合金的强化方式)逆思维逆思维-阻碍变形的方式阻碍变形的方式17 九月 2024《材料科学基础》CAI课件-郭开元52。