第三章-位错强化机ppt课件.ppt

第三章 位错强化机制本章的核心问题是：目录o第一节 金属单晶体变形的一般特点o第二节 位错增值机制o第三节 位错强化的数学表达式o第四节 应变速率与位错运动速率之间关系o第五节 应变强化的应用及特点o第六节 孪生的位错机制第一节 金属单晶体变形的一般特点一、FCC、BCC和HCP晶体中位错运动及塑性变形特征1、FCC（1）滑移系较较多：有12个滑移系111；（2） ；无冷脆现现象（适合于作为为低温材料使用）；（3） 塑性好！易于形成弯折对对位错错易呈弯折状低温塑性好；低温下位错可动性大（4）蠕变速率降低（适合于作为高温材料）刃型位错难于攀移（易于产生加工硬化）；螺型位错难于交滑移易于形成扩展位错（除Al、Ni外）（层错能）（5）2、BCC（1）滑移系较较多：有24个滑移系110，112 （2）有冷脆现现象； 塑性好！蠕变速率降高（不适合于作为高温材料）刃型位错易于攀移（难于产生加工硬化）；螺型位错易于交滑移难于形成扩展位错（层错能）（5） 塑性不如FCC好！（3）位错错易呈直线线状；难难于形成热热激活弯折对对（4）一、FCC、BCC和HCP晶体中位错运动及塑性变形特征3、HCP塑性差（如Zn、Cd）； 易于形成扩展位错3）（1）c/a1.633时1）只有基面滑移，滑移系少： 2） 强度较低；（易于产生加工硬化）；塑性好（如Ti、Zr）； 难于形成扩展位错3）（2）c/a1.633时1）滑移系增多： （易于产生交滑移）。

基面滑移系 棱柱面滑移系 棱锥面滑移系 2） 强度较高；一、FCC、BCC和HCP晶体中位错运动及塑性变形特征二、金属单晶体的加工硬化行为1、易滑移阶段2、线性硬化阶段3、抛物线滑移阶段单系滑移的结果 双滑移的结果 交滑移的结果 现象：第二节 位错增值机制一、位错增殖的概念那么，随着 的增大，位错密度 是增大还是减小？本节的内容就是要回答：为什么 ？是什么？是应变，代表着晶体的变形量塑性变形是如何实现的？位错滑移；增大为什么会增大？因为随着 ，晶体开动的位错源数量增多滑移系增多，从而保证证了 不同位错源释放出位错之间交互作用：阻碍位错运动位错塞积或缠结形成位错锁二、位错源的种类及增殖机制1、FrankRead源核心是：一段两端固定的位错线，在外力作用下会不断释放出位错圈当外加切应力足够大时，会形成两个蜷线位错蜷线合并，释放出位错圈（2）所需的临界切应力有多大？（1）作用在位错线上的力总是垂直于位错线当 时，位错就增值关键是克服线张力造成大阻力：临界状态时：硅晶体中的Frank-Read源（位错图修饰技术进行加工）Dash, 1957, Dislocation Mechanical Properties of Crystals, Wiley 二、位错源的种类及增殖机制（1）对于单晶体变形的几个阶段：（2）晶体塑性变形过程（3） 与 的关系 交滑移阶段： 易滑移阶段： 双滑移阶段：只有位错错源释释放出了更多的位错错，使 ，但 幅度不大；两个滑移系中的位错错源开动动，位错错形成塞积积或缠结缠结 ；增大到可以使螺型位错产错产 生交滑移时时， 很小， 也很小。

1、FrankRead源 FrankRead源开动: 位错塞积: 滑移面上的FrankRead源开动 应变应变 并不是由位错错密度决定的是由位错错运动动决定的 二、位错源的种类及增殖机制（1）双交滑移机制（以面心立方为例）即，经过两次交滑移，形成了位错源 （d）面上有一螺型位错受阻； 受阻部分交滑移到（c）面上，形成割阶； 脱离障碍的位错又滑移到（d）面上； 割阶成为束缚点，形成FranrRead源2、其它增殖机制（2）极轴机制二、位错源的种类及增殖机制 极轴位错：右螺的林位错 ； 扫动位错：可动的位错 ;极轴位错垂直于扫动位错所在的平面扫动位错与极轴位错相遇，交点为障碍；扫动位错绕极轴位错回转，扫动两臂分开；经过几次回转后，形成如图所示的组态：扫动后的区域发生切变，形成孪晶、马氏体相变等转变在外力作用下：2、其它增殖机制（3）双极轴机制二、位错源的种类及增殖机制扫动位错： ； ; 平行的滑移面上留下一串位错环 不断上升； 双极轴：一对符号相反的螺型位错为林位错；扫动结果：滑移面以林位错垂直；2、其它增殖机制第三节 位错强化的数学表达式这一节的核心问题就是如何估算流变应力一、流变应力的概念流变应力是指金属晶体产生一定量塑性变形的所需要的力。

二、位错运动阻力的估算1、位错运动阻力的来源（1）P-N力：（2）线张线张 力引起的阻力（5）位错锁错锁 的阻碍作用；（定性表达）；（Franr-Read源开动阻力：）；（3）位错长程弹性交互作用引起的阻力；（4）位错交截形成割阶的阻碍作用；二、位错运动阻力的估算条件：有两个竖直排列的同号刃型位错，间距为L； 有同类型的刃型位错欲从这两个位错中间穿过；求：位错间弹性交互作用对位错运动的阻力有多大？2、位错长程交互作用引起的阻力解： 应用公式（1）滑动位错从远处滑向位错对中间时：x2y时作用力最大：则两个同号位错对滑动位错的共同作用力为：二、位错运动阻力的估算 2、位错长程交互作用引起的阻力二、位错运动阻力的估算（2）滑动位错从位错对中间滑向远处时：x0.5y时作用力最大：则两个同号位错对滑动位错的共同作用力为：各种情况下总总的作用力可以表达为为：2、位错长程交互作用引起的阻力二、位错运动阻力的估算3、形成割阶的阻力求：割阶形成的阻力多大？条件：一个刃型位错通过两个林位错，形成两个割阶；解：两个割阶的形成能为：当运动位错通过林位错时，位错线在垂直方向上有d的位移，即相当于使位错线L移动了d的距离。

则外力所作的功为：即：二、位错运动阻力的估算条件：BE2x；位错线每段长度均为L， ；W1原位错线单位长度上的能量；W2会合位错线单位长度上的能量；求：拆开会合位错所需外力有多大？解：设在外加切应力作用下，BE段缩短了2dx，四段位错线相应移动了kdx其能量变化为：外力所作的功为：设，则有：对于其它几种阻力，也可以近似得到这种形式的表达式，只是L的意义有所差异总的来说:4、会合位错的阻碍作用三、流变应力的表达式所以，总体上可以把大量位错的阻力表达为：这个公式非常重要，在讨论加工硬化行为时常用，必须熟悉其中：P-N力；第四节 应变速率与位错运动速率之间关系 Orawan公式推导 一、Orawan公式平均取向因子（Schmid因子）， ；滑移方向与拉伸轴夹角滑移面与拉伸轴夹角；位错运动的平均速率；可动位错密度；b 柏氏矢量；应变速率；其中，二、Orawan公式的推导首先取单元体，研究变形与位错密度的关系1、当位错移动单位长度时，平均塑性切应变为：2、若一个位错移动的距离为x时， 则晶体顶部相对于底部的切应变为：3、当位错线的密度为 时，即单元体内有 个位错 且假设位错线与单元体平行，滑移面平行于单元体底面。

则 个位错平均移动距离为x时，引起的平均应变为：4、如果位错滑移面与单元体底面不平行， 则引入取向因子m：5、在一般情况下，计算位错运动引起的切应变时， 应当引入平均取向因子； 求出位错在x方向上的平均移动距离； 对时间取微分：三、Orawan公式的重要性2、在 一定时，可以用来讨论 与 之间的关系；1、把宏观变形行为与微观位错特性联系起来；与结合起来，可以解释屈服现象具有明显屈服点的材料应具备以下三个条件：变形开始前晶体中可动位错密度低；随着塑性变形的发生，位错可迅速增殖；具有相当低的n值有效切应力；与单位运动速率相应的切应力；n 材料常数，称为应力敏感指数，反映的是位错运动对应力的敏感程度三、Orawan公式的重要性 材料在塑性变形开始时，应力突然下降，然后随着塑性变形的进行，应力基本保持不变，这种现象被称作物理屈服1）物理屈服现象3、物理屈服现象的解释（2）实际屈服现象的获得特定的拉身条件： 夹头的运动速度恒定，即试样总的变形速度不变； 拉伸时试样的应力是靠弹性变形产生的； 试样的变形是靠弹性变形和塑性变形共同产生的 没有塑性变形，夹头均匀运动，弹性变形均匀增大，应力均匀升高；弹性变形阶段：塑性变形阶段：弹性变形速度下降，应力增加缓慢：（3）物理屈服的机制三、Orawan公式的重要性 物理屈服开始时，应力下降的原因 在屈服伸长变形时，出现锯齿现象的原因 需要强调调的是，n值值必须较须较 小。

只有n值较值较 小时时， 的增大需要 值迅速增大； 的减小可导致 值明显降低塑性变变形开始后，位错错源开动动，位错错迅速增值值 值增大， 值可以降低，因而外加应力可以下降 这就形成了屈服开始后应力陡降的现象塑性变变形一旦开始，首先开动动即存位错错，位错错密度不会增加， 只有增大位错错运动动速率方可使塑性应变应变 速率增大 由于初期变变形时时，可动动位错错很少，所以要求 很高，因而要求外力较大， 因为 ，所以需要较大外力，这就是屈服点根据Orawan公式：3、物理屈服现象的解释第五节 应变强化的应用及特点一、应变强化举例 无扩散； 切变共格； 位向关系和惯习面； 温度范围； 可逆转变1、马氏体组织（1）板条马氏体（块状马氏体）：（2）片状马氏体（针状马氏体）：位错马氏体；高密度位错微细孪晶组成；马氏体转变的特点：2、纯金属强化先将共析成分的高碳钢经铅钢经铅 浴处处理得到细细小的珠光体；变变形时铁时铁 素体严严重扭曲，结结果其中位错错密度相当高，从得到极高的强度3、冷拔钢丝（铅浴）高碳钢冷拔钢丝：处理工艺：4、高锰钢（15Mn，抗磨钢）水韧处理后变形后Mn钢HB195HB448高碳钢HB190HB296水韧处理的概念将钢加热到单相奥氏体温度范围，使碳化物溶入奥氏体，然后水冷，获得单一的奥氏体组织的处理工艺。

使钢具有极强的加工硬化能力:Mn为 相形成元素，通过水韧处理，可在室温下得到 相组织；Mn可降低 相的层错能，通过大量变形可在 相中产生大量马氏体）；孪晶（马氏体）；层错 （在复合强化、第二相强化、细细晶强化中起到了重要作用5、其它强化方法加工硬化，越打越硬抗磨性从哪里来？一、应变强化举例o强化效果明显；o对材料冷变形很重要；o使用温度不能过高；o使材料迅速脆化二、应变强化特点第六节 孪生的位错机制一、孪生与孪晶1、定义孪生：是指材料的一种塑性变形方式，孪晶：材料中呈镜面对称的两部分晶体；孪晶界：孪晶区与非孪晶区界面和孪晶面重合时，称为共格孪晶；孪晶区与非孪晶区界面和孪晶面不重合时，称为非共格孪晶是一部分晶体发生均匀切变，使变形部分与未变形部分呈晶面对称；第六节 孪生的位错机制一、孪生与孪晶第六节 孪生的位错机制一、孪生与孪晶（1）方向性：孪生是晶体中一定晶面沿着一定方向移动而发生的即在每层密排面上有一个可滑移部分位错运动的结果孪生面（2）位向关系固定：孪生变形后，孪生部分与原晶体的晶体位向关系不同，但关系固定；（3）变形均匀：滑移集中在一个平面上，而孪生是变形部分晶体上的均匀变形；（4）孪生变形量小；（5）形成条件：在低温快速变形时易于发生孪生。

与层错的区别：层错：只在一层密排面上滑移；孪晶：各层上都有位错运动2、特点第六节 孪生的位错机制二、孪生机制孪生可由部分位错沿着相互平行的一组滑移面运动形成：孪生位错孪生面FCC极轴机制：1、极轴位错是螺型位错（或者能分解形成垂直于孪生面的螺型位错）；即极轴位错的柏氏矢量垂直于孪生面的矢量；2、极轴位错的垂直分量正好等于孪生面间距；3、扫动位错是孪生位错，能给出孪生切变BCC孪生位错孪生面HCP孪生位错孪生面第六节 孪生的位错机制在BCC晶体中：在（112）面上：为为不动动位错错；为扫动为扫动 位错错； 滑动动到（112）面与面相交处时，变成螺型位错，可以交滑移到 面上；可以作为为极轴轴：（3）d值为面间距1）不动；（2）垂直；二、孪生机制第六节 孪生的位错机制三、孪晶界的特点1、可发射位错非共格晶界的能量高，不稳定，易于发射位错，以降低能量BCC：2、位错运动的障碍 可以从滑移位错与孪晶界的交。