材料的形变和再结晶精选PPT.ppt
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1、关于材料的形变和再结晶第1页,讲稿共68张,创作于星期二n一、单晶体塑形变形(三种方式):一、单晶体塑形变形(三种方式):n滑移、孪生、扭折。滑移、孪生、扭折。n1、滑滑移移:在在切切应应力力作作用用下下,晶晶体体的的一一部部分分沿沿一一定定晶晶面面和和晶晶向向,相对于另一部分发生相对移动的一种运动状态。相对于另一部分发生相对移动的一种运动状态。n晶晶体体塑塑性性变变形形的的不不均均匀匀性性:滑滑移移只只是是集集中中发发生生在在一一些些晶晶面面上上,滑滑移移带带或或滑滑移移线线之之间间的的晶晶体体层层片片未未产产生生变变形形,只只是是彼彼此此作作相相对对位移位移。n滑滑移移系系:一一个个滑滑移
2、移面面和和此此面面上上的的一一个个滑滑移移方方向向合合起起来来叫叫做做一一个个滑移系。滑移系。5,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 2第2页,讲稿共68张,创作于星期二n只只有有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,该该滑滑移移系系方可方可发生滑移发生滑移,该分切应力称为,该分切应力称为滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力。n晶晶体体滑滑移移并并不不是是晶晶体体的的一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分沿沿着着滑滑移移面面作作刚刚性性整体位移,而是整体位移,而是借助借助位错位错在滑移面上运动逐步进行在滑移面上运
3、动逐步进行。n位错在运动时会遇到位错在运动时会遇到点阵阻力,点阵阻力,又称为又称为派派-纳(纳(P-N)力:)力:5,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 3第3页,讲稿共68张,创作于星期二n2 2、孪孪生生:在在切切应应力力作作用用下下,晶晶体体的的一一部部分分沿沿一一定定晶晶面面(孪孪晶晶面面)和和一一定定的的晶晶向向(孪孪生生方方向向)相相对对于于另另一一部部分分作作均均匀匀的的切切变变、形形成成孪孪晶所产生的变形。晶所产生的变形。n孪生的特点及与滑移的异同点。孪生的特点及与滑移的异同点。相同点相同点:q都是在都是在切应力作用切应力作用下产生的剪切应变过程。下产生
4、的剪切应变过程。q都都不改变晶体结构不改变晶体结构。q都存在都存在临界分切应力临界分切应力。q都是晶体中的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向的都是晶体中的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向的平平移移。5,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 4第4页,讲稿共68张,创作于星期二n孪生的特点及与滑移的孪生的特点及与滑移的不同点不同点:q对对塑性变形的贡献小塑性变形的贡献小,但是可以,但是可以改变位向改变位向,进一步诱发滑移。,进一步诱发滑移。q孪晶的两部分晶体形成孪晶的两部分晶体形成镜面对称镜面对称的位向关系。的位向关系。q滑移滑移的机制是的机制是位错的产生和移动位
5、错的产生和移动,而,而孪生孪生是孪生区内的原子是孪生区内的原子沿滑移方向的沿滑移方向的均匀切变均匀切变,不全位错不全位错参与。参与。q孪生的临界分切应力大孪生的临界分切应力大。晶体对称度越低,越容易发生孪生。晶体对称度越低,越容易发生孪生。变形温度越低,加载速度越高,越容易发生孪生。变形温度越低,加载速度越高,越容易发生孪生。5,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 5第5页,讲稿共68张,创作于星期二n3 3、扭扭折折:为为了了使使晶晶体体的的形形状状与与外外力力相相适适应应,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
6、变变形形方方式式称称为为扭扭折折,变变形形区区域域则则称称为为扭折带扭折带。n二二、多多晶晶体体的的塑塑性性变变形形:多多晶晶体体中中每每个个晶晶粒粒变变形形的的基基本本方方式式与与单单晶晶体体相相同同,但但由由于于相相邻邻晶晶粒粒之之间间取取向向不不同同,以以及及晶晶界界的的存存在在,因因而而多晶体的变形既需克服多晶体的变形既需克服晶界的阻碍晶界的阻碍。n1 1、晶晶粒粒取取向向的的影影响响:各各晶晶粒粒变变形形过过程程中中的的相相互互制制约约和和协协调调性性;多多晶晶体体塑塑性性变变形形时时要要求求每每个个晶晶粒粒至至少少能能在在5个个独独立立的的滑滑移移系系上上进进行行滑移。滑移。65,
7、2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 第6页,讲稿共68张,创作于星期二n2 2、晶界的影响:、晶界的影响:晶界对滑移具有阻碍效应晶界对滑移具有阻碍效应。n在在变变形形过过程程中中位位错错难难以以通通过过晶晶界界,被被堵堵塞塞在在晶晶界界附附近近。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。此此反反作作用力随用力随位错塞积的数目位错塞积的数目n而增大。而增大。n多多晶晶体体的的强强度度随随其其晶晶粒粒细细化化而而提提高高。多多晶晶体体的的屈屈服服强强度度 s与与晶晶粒粒平平均均直直径径d的的关关
8、系系可可用用著著名名的的霍霍尔尔佩佩奇奇(Hall-Petch)公公式式表表示示在在多多晶晶体体材材料料中中往往往往存存在在一一“等等强强温温度度TE”,低低于于TE时时,晶晶界界强强度度高高于于晶粒内部晶粒内部的;高于的;高于TE时则得到相反的结果。时则得到相反的结果。75,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 第7页,讲稿共68张,创作于星期二n三三、合合金金的的塑塑形形变变形形:按按合合金金组组成成相相不不同同,主主要要可可分分为为单单相相固固溶体合金溶体合金和和多相合金多相合金。n1 1、单相固溶体合金的塑性变形单相固溶体合金的塑性变形:n溶质原子溶质原子对合金塑
9、性变形的影响主要表现在对合金塑性变形的影响主要表现在n(1)固溶强化作用固溶强化作用;n(2)提高了塑性变形的阻力提高了塑性变形的阻力;n(3)有些固溶体会出现明显的)有些固溶体会出现明显的屈服点屈服点和和应变时效应变时效现象。现象。85,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 第8页,讲稿共68张,创作于星期二n屈屈服服现现象象本本质质:(1 1)Cottrell气气团团理理论论:在在固固溶溶体体合合金金中中,溶溶质质原原子子或或杂杂质质原原子子可可以以与与位位错错交交互互作作用用而而形形成成溶溶质质原原子子气气团团,即即所所谓的谓的Cottrell气团。气团。n上屈服点
10、:挣脱上屈服点:挣脱Cottrel气团,需要较大的应力气团,需要较大的应力n下屈服点:挣脱以后位错的运动就容易,应力下降下屈服点:挣脱以后位错的运动就容易,应力下降n(2)位错增殖理论位错增殖理论9由位错理论得由位错理论得位错的平均运动速度位错的平均运动速度5,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 第9页,讲稿共68张,创作于星期二n2 2、多相合金的塑性变形:、多相合金的塑性变形:根据尺寸大小分为根据尺寸大小分为n聚合型相差不多聚合型相差不多n弥散型细小弥散型细小n(1)聚合型合金的塑性变形:)聚合型合金的塑性变形:10n(2)弥散分布型合金的塑性变形:)弥散分布型合金
11、的塑性变形:n1)不可变形粒子的强化作用)不可变形粒子的强化作用n2)可变形微粒的强化作用)可变形微粒的强化作用5,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 第10页,讲稿共68张,创作于星期二n四、四、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:n1、显显微微组组织织的的变变化化:晶晶粒粒内内部部结结构构出出现现大大量量的的滑滑移移带带或或孪孪晶晶带带;晶晶粒粒外外观观结结构构将将逐逐渐渐沿沿其其变变形形方方向向伸伸长长;当当变变形形量量很很大大时时,出出现现纤纤维维组织组织。n2、亚亚结结构构的的变变化化:随随着着变变形形度度的的增增大大,晶晶体体中中的
12、的位位错错密密度度迅迅速速提高提高,出现,出现胞状亚结构。胞状亚结构。n3、性能的变化、性能的变化:加工硬化及其他物理化学性能的变化。:加工硬化及其他物理化学性能的变化。n4、形形变变织织构构:晶晶面面转转动动使使多多晶晶体体中中原原来来取取向向互互不不相相同同的的各各个个晶晶粒粒在在空空间间取取向向上上呈呈现现一一定定程程度度的的规规律律性性,这这一一现现象象称称为为择择优优取取向向,这这种种组组织织状态则称为状态则称为形变织构形变织构。n丝织构;板织构。丝织构;板织构。由于取向,由于取向,造成了材料性能的各向异性造成了材料性能的各向异性。115,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内
13、容回顾内容回顾 第11页,讲稿共68张,创作于星期二n5残余应力(储存能):外力做的功中一部分储存在材料内部。残余应力(储存能):外力做的功中一部分储存在材料内部。n根据范围大小,分三种:根据范围大小,分三种:n宏宏观观残残余余应应力力:各各部部分分宏宏观观变变形形不不均均匀匀引引起起占占总总的的储储存存能能很很少少,约约0.1%;n微微观观残残余余应应力力:晶晶粒粒或或亚亚晶晶粒粒之之间间的的变变形形不不均均匀匀引引起起,可可能能引引起起微微裂纹;裂纹;n点点阵阵畸畸变变:作作用用范范围围是是几几十十至至几几百百纳纳米米,由由于于工工件件在在塑塑性性变变形形中中形形成成的的大大量量点点阵阵缺
14、缺陷陷(如如空空位位、间间隙隙原原子子、位位错错等等)引引起起的的,占占储储存能的绝大部分(存能的绝大部分(80-90%)。)。125,2 5,2 晶体的塑形变形晶体的塑形变形 内容回顾内容回顾 第12页,讲稿共68张,创作于星期二1313本章本章 章节结构章节结构5.1弹性和粘弹性弹性和粘弹性 5.2晶体的塑性变形晶体的塑性变形 5.3回复和再结晶回复和再结晶 5.4热变形与动态回复、再结晶热变形与动态回复、再结晶5.5陶瓷材料变形的特点陶瓷材料变形的特点5.6高聚物的塑性变形高聚物的塑性变形 第13页,讲稿共68张,创作于星期二5.3 5.3 回复和再结晶回复和再结晶l金金属属经经过过一一
15、定定程程度度冷冷塑塑性性变变形形后后,组组织织和和性性能能都都发发生生了了明明显显的的变变化化,由由于于各各种种缺缺陷陷及及内内应应力力的的产产生生,导导致致金金属属晶晶体体在在热热力力学学上上处处于不稳定状态于不稳定状态,有自发向稳定态转化的趋势有自发向稳定态转化的趋势。l通通过过适适当当的的加加热热和和保保温温过过程程,这这种种趋趋势势就就会会成成为为现现实实。这这种种变化的表现就是一系列变化的表现就是一系列组织、性能组织、性能的变化。的变化。l根根据据其其显显微微组组织织及及性性能能的的变变化化情情况况,可可将将这这种种变变化化分分为为三三个个阶阶段段:回复回复、再结晶再结晶和和晶粒长大
16、晶粒长大。14第14页,讲稿共68张,创作于星期二5.3.1 5.3.1 冷变形金属在加热时的组织和冷变形金属在加热时的组织和性能变化性能变化1.1.显微组织变化显微组织变化回回复复(recovery):recovery):新新的的无无畸畸变变晶晶粒粒出出现现前前所所产产生生的的亚亚结结构和性能变化的阶段,在金相显微镜中无明显变化;构和性能变化的阶段,在金相显微镜中无明显变化;再再结结晶晶:指指出出现现无无畸畸变变的的等等轴轴新新晶晶粒粒逐逐步步取取代代变变形形晶晶粒粒的的过程;过程;晶粒长大晶粒长大:指再结晶结束后晶粒的长大过程。:指再结晶结束后晶粒的长大过程。15第15页,讲稿共68张,创
17、作于星期二加热时冷变形金属显微组织发生变化加热时冷变形金属显微组织发生变化16第16页,讲稿共68张,创作于星期二性能变化性能变化 冷变形金属在退火过程中的性能和能量变化:冷变形金属在退火过程中的性能和能量变化:17第17页,讲稿共68张,创作于星期二1.1.力学性能力学性能(1)(1)硬硬度度(hardnesshardness)和和强强度度(strengthstrength):回回复复阶阶段段,变变化不大化不大,再结晶下降较大再结晶下降较大。(2)(2)塑塑性性:回回复复阶阶段段,变变化化不不大大;再再结结晶晶阶阶段段上上升升;粗粗化化后下降。后下降。2.2.物理性能物理性能(1)(1)电阻
18、电阻(resistanceresistance):回复阶段,回复阶段,电阻率明显下降电阻率明显下降。(2)(2)密度(密度(densitydensity):回复阶段变化不大,再回复阶段变化不大,再结晶阶段上升结晶阶段上升。18第18页,讲稿共68张,创作于星期二3.3.内内应应力力:回回复复阶阶段段基基本本消消除除宏宏观观应应力力,而而微微观观应应力力消消除需再结晶后才能完成;除需再结晶后才能完成;4.4.亚晶粒尺寸亚晶粒尺寸:回复前期变化不大,后期显著增大;:回复前期变化不大,后期显著增大;5.5.储存能释放储存能释放(release of stored energyrelease of s
19、tored energy)。)。19第19页,讲稿共68张,创作于星期二5.3.2 5.3.2 回复回复(一)回复动力学(一)回复动力学在在回回复复阶阶段段,材材料料性性能能的的变变化化是是随随温温度度和和时时间间的的变变化化而而变变化化,相相同同变变形形程程度度多多晶晶体体铁铁在在不不同同温温度度下下的的回回复复动动力力学学曲曲线线。纵纵坐坐标标为为余余应应变变硬硬化率化率(1R)。R为为屈服屈服强强度回复率度回复率,m、r和和0分分别别代代表表变变形形后后、回回复复后后和和完完全全退退火火后后的的屈屈服服强强度度。屈服屈服强强度回复程度度回复程度R愈大愈大,则则剩余剩余应变应变硬化率硬化率
20、(1R)越小越小。20第20页,讲稿共68张,创作于星期二 回复过程是一个回复过程是一个驰豫过程驰豫过程,具有以下特点:,具有以下特点:n回复过程在加热后立刻开始回复过程在加热后立刻开始,没有孕育期;,没有孕育期;n回回复复开开始始的的速速率率很很大大,随随着着时时间间的的延延长长,逐逐渐渐降降低低,直直至至趋趋于于零;零;n加热温度越高,最终回复程度也越高加热温度越高,最终回复程度也越高;n变形量越大,初始晶粒尺寸越小,都有助于加快回复速率变形量越大,初始晶粒尺寸越小,都有助于加快回复速率。21第21页,讲稿共68张,创作于星期二 回复特征通常可用回复特征通常可用一级反应方程一级反应方程来表
21、达,即:来表达,即:(1)式中式中t t为恒温下的加热时间,为恒温下的加热时间,x x为冷变形导致的性能增量经加热后的为冷变形导致的性能增量经加热后的残留分残留分数数,c c为与材料和温度有关的比例常数,为与材料和温度有关的比例常数,c c值与温度的关系具有典型的热激活值与温度的关系具有典型的热激活过程的特点:过程的特点:(2)式中式中Q Q为激活能,为激活能,R R为气体常数为气体常数(8.3110(8.3110-3-3J/kgmolK)J/kgmolK),c c0 0为比例常为比例常数,数,T T为绝对温度。将式(为绝对温度。将式(2 2)代入方程()代入方程(1 1)中并积分,以)中并积
22、分,以x x0 0表示开始时性能增表示开始时性能增量的残留分数,则得:量的残留分数,则得:22第22页,讲稿共68张,创作于星期二 在不同温度下如以回复到相同程度作比较,即上式左边为常在不同温度下如以回复到相同程度作比较,即上式左边为常数,这样对两边同时取对数:数,这样对两边同时取对数:于于是是,通通过过作作图图所所得得到到的的直直线线关关系系,由由其其斜斜率率即即可可求求出出回回复复过过程程的激活能的激活能Q Q。铁铁的的回回复复实实验验表表明明,短短时时间间回回复复时时,其其激激活活能能与与空空位位迁迁移移激激活活能能相相近近,长长时时间间回回复复时时,其其激激活活能能与与铁铁的的自自扩扩
23、散散激激活活能能相相近近。因因此此对于冷变形金属的回复不能用单一机制描述。对于冷变形金属的回复不能用单一机制描述。23第23页,讲稿共68张,创作于星期二(二二)回复机制回复机制 (1 1)低温回复)低温回复n 温温度度较较低低,原原子子活活动动能能力力有有限限,一一般般局局限限于于点点缺缺陷陷的的运运动动,通通过过空空位位迁迁移移至至晶晶界界、位位错错或或与与间间隙隙原原子子结结合合而而消消失失,使使冷冷变变形形过过程程中中形形成成的的过过饱饱和和空位浓度下降空位浓度下降。对点缺陷敏感的电阻率此时发生明显下降。对点缺陷敏感的电阻率此时发生明显下降。n(2 2)中温回复)中温回复n 温温度度升
24、升高高,原原子子活活动动能能力力增增强强,除除点点缺缺陷陷运运动动外外,位位错错也也被被激激活活,在在内内应应力力作作用用下下开开始始滑滑移移,部部分分异异号号位位错错发发生生抵抵消消,位位错错密密度度略略有降低。有降低。n(3 3)高温回复)高温回复n 变变形形金金属属在在较较高高温温(0.3Tm0.3Tm)下下,变变形形金金属属的的回回复复机机制制主主要要与与位位错错的的攀攀移移运运动动有有关关。这这时时同同一一滑滑移移面面上上的的同同号号刃刃型型位位错错在在本本身身弹弹性性应应力力场场作作用用下下,还还可可能能发发生生攀攀移移运运动动,最最终终通通过过滑滑移移和和攀攀移移使使得得这这些些
25、位位错错从从同同一一滑滑移移面面变变为为在在不不同同滑滑移移面面上上竖竖直直排排列列的的位位错错墙墙以以降降低低总总畸畸变变能能,并并产产生亚晶(多边化结构)。生亚晶(多边化结构)。24第24页,讲稿共68张,创作于星期二 多多边边化化过过程程的的驱驱动动力力主主要要来来自自应应变变能能的的下下降降,产产生的条件生的条件:(1)(1)塑性变形使晶体点阵发生弯曲塑性变形使晶体点阵发生弯曲。(2)(2)在滑移面上有塞积的同号刃型位错在滑移面上有塞积的同号刃型位错。(3)(3)需加热到较高温度使刃型位错能产生攀移运动需加热到较高温度使刃型位错能产生攀移运动。多边化前后刃型位错的排列情况下图所示:多边
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