華南師范大學(xué)材料科學(xué)與工程教程第八章 材料的變形與斷裂(三)

1、 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 1 第八章第八章 材料的變形與斷裂（三）材料的變形與斷裂（三） 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 2七、七、 合金的變形與強(qiáng)化合金的變形與強(qiáng)化 合金在形成單相固溶體后，變形時(shí)的臨界切應(yīng)力都高于純金合金在形成單相固溶體后，變形時(shí)的臨界切應(yīng)力都高于純金屬屬即固溶強(qiáng)化，但固溶強(qiáng)化對(duì)具體合金來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)出的規(guī)即固溶強(qiáng)化，但固溶強(qiáng)化對(duì)具體合金來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)出的規(guī)律可能不一樣。律可能不一樣。（1）無(wú)限互溶的無(wú)限互溶的Cu-Ni合金、合金、Ag-Au合金，其強(qiáng)化隨溶質(zhì)濃度合金，其強(qiáng)化隨溶質(zhì)濃度成

2、拋物線關(guān)系在成拋物線關(guān)系在B 等于約等于約50時(shí)強(qiáng)化有極大值時(shí)強(qiáng)化有極大值（2）對(duì)多數(shù)合金，因溶解度有限，強(qiáng)化與溶質(zhì)濃度成線性關(guān)系對(duì)多數(shù)合金，因溶解度有限，強(qiáng)化與溶質(zhì)濃度成線性關(guān)系1、單相合金的變形與強(qiáng)化、單相合金的變形與強(qiáng)化 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 3（3）對(duì)于置換式的溶質(zhì)原子，普遍被接對(duì)于置換式的溶質(zhì)原子，普遍被接受的強(qiáng)化理論是，溶質(zhì)與溶劑原子的尺受的強(qiáng)化理論是，溶質(zhì)與溶劑原子的尺寸差別，兩者原子尺寸差別越大，溶解寸差別，兩者原子尺寸差別越大，溶解度越小，而強(qiáng)化效果越大度越小，而強(qiáng)化效果越大 固溶強(qiáng)化除了考慮原子尺寸差之外，對(duì)一些合金還要

3、考慮彈性模固溶強(qiáng)化除了考慮原子尺寸差之外，對(duì)一些合金還要考慮彈性模量的差別，當(dāng)兩者有模量差時(shí)，位錯(cuò)在溶劑原子附近和在溶質(zhì)原子附量的差別，當(dāng)兩者有模量差時(shí)，位錯(cuò)在溶劑原子附近和在溶質(zhì)原子附近的應(yīng)力是不同的。近的應(yīng)力是不同的。原因：原因： 原子尺寸差別（即錯(cuò)配）所引起的原子尺寸差別（即錯(cuò)配）所引起的晶格畸變，會(huì)產(chǎn)生一內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，位錯(cuò)在晶格畸變，會(huì)產(chǎn)生一內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，位錯(cuò)在內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受到阻力，如上圖所顯內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受到阻力，如上圖所顯示的鐵中加入不同合金元素所引起的強(qiáng)示的鐵中加入不同合金元素所引起的強(qiáng)化效果與原子錯(cuò)配度的關(guān)系?；Чc原子錯(cuò)配度的關(guān)系。溶質(zhì)原子的切變模量較大，對(duì)位錯(cuò)有斥力溶質(zhì)原子的切

4、變模量較大，對(duì)位錯(cuò)有斥力 反之切變模量較小時(shí)則有吸力反之切變模量較小時(shí)則有吸力兩種情況對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)都要額外作功 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 4 從前圖和右表可看出，從前圖和右表可看出，銅合金的屈服強(qiáng)度與溶質(zhì)銅合金的屈服強(qiáng)度與溶質(zhì)原子半徑的差別大小有明原子半徑的差別大小有明顯相互關(guān)系顯相互關(guān)系 兩者半徑差別越大，銅兩者半徑差別越大，銅合金的強(qiáng)化效果越顯著合金的強(qiáng)化效果越顯著 原子尺寸小的元素如原子尺寸小的元素如Be、Si的強(qiáng)化效果比原子的強(qiáng)化效果比原子尺寸大的元素如尺寸大的元素如Sn、Al的強(qiáng)化效果大的強(qiáng)化效果大 由此說(shuō)明固溶強(qiáng)化時(shí)原由此說(shuō)明固溶強(qiáng)

5、化時(shí)原子尺寸的影響十分重要子尺寸的影響十分重要 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 5(4) 對(duì)于間隙式的的溶質(zhì)原子，當(dāng)其固溶對(duì)于間隙式的的溶質(zhì)原子，當(dāng)其固溶于體心立方如于體心立方如 Fe中，會(huì)造成不對(duì)稱畸中，會(huì)造成不對(duì)稱畸變，形成體心正方，正方度變，形成體心正方，正方度 c / a 隨含碳隨含碳量增加而增加量增加而增加 原因：原因： 因?yàn)槁菪臀诲e(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)只有切應(yīng)力，當(dāng)溶質(zhì)因?yàn)槁菪臀诲e(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)只有切應(yīng)力，當(dāng)溶質(zhì)原子（如置換式溶質(zhì)原子）引起的晶格畸變是原子（如置換式溶質(zhì)原子）引起的晶格畸變是對(duì)稱時(shí)，則和螺型位錯(cuò)無(wú)交互作用，強(qiáng)化效果對(duì)稱時(shí)，則和螺型位錯(cuò)無(wú)交互

6、作用，強(qiáng)化效果就弱就弱 而碳原子當(dāng)被強(qiáng)制地（如急劇冷卻）固溶于而碳原子當(dāng)被強(qiáng)制地（如急劇冷卻）固溶于 Fe中，形成所謂馬氏體時(shí)，會(huì)造成顯著的中，形成所謂馬氏體時(shí)，會(huì)造成顯著的晶格不對(duì)稱畸變，這時(shí)碳原子不僅和刃型位錯(cuò)，晶格不對(duì)稱畸變，這時(shí)碳原子不僅和刃型位錯(cuò)，也和螺型位錯(cuò)有強(qiáng)烈的交互作用，因而產(chǎn)生很也和螺型位錯(cuò)有強(qiáng)烈的交互作用，因而產(chǎn)生很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果熱處理中淬火工藝（強(qiáng)熱處理中淬火工藝（強(qiáng)化）化） 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 6右圖為低碳鋼拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線右圖為低碳鋼拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼在上屈服點(diǎn)開(kāi)始塑性變形，達(dá)到屈服

7、低碳鋼在上屈服點(diǎn)開(kāi)始塑性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)后開(kāi)始應(yīng)力下降，在下屈服點(diǎn)發(fā)生連續(xù)變點(diǎn)后開(kāi)始應(yīng)力下降，在下屈服點(diǎn)發(fā)生連續(xù)變形而不需增加應(yīng)力形而不需增加應(yīng)力屈服平臺(tái)屈服平臺(tái)在屈服平臺(tái)范圍內(nèi)，試樣的變形先從兩端開(kāi)在屈服平臺(tái)范圍內(nèi)，試樣的變形先從兩端開(kāi)始，向中間延伸，在表面變形完成之后再始，向中間延伸，在表面變形完成之后再擴(kuò)展至心部擴(kuò)展至心部在預(yù)先磨光拋光的拉伸試樣上，可清晰看到在預(yù)先磨光拋光的拉伸試樣上，可清晰看到與外力成一定角度的變形條紋與外力成一定角度的變形條紋呂德斯帶呂德斯帶屈服平臺(tái)之后產(chǎn)生明顯的加工硬化屈服平臺(tái)之后產(chǎn)生明顯的加工硬化2、碳鋼的屈服和應(yīng)變時(shí)效、碳鋼的屈服和應(yīng)變時(shí)效 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科

8、學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 7呂德斯帶的延伸和擴(kuò)展過(guò)程。呂德斯帶的延伸和擴(kuò)展過(guò)程。屈服平臺(tái)的長(zhǎng)短與鋼的含碳量有關(guān)屈服平臺(tái)的長(zhǎng)短與鋼的含碳量有關(guān)含碳含碳量增大，平臺(tái)縮短乃至消失。量增大，平臺(tái)縮短乃至消失。屈服平臺(tái)：屈服平臺(tái)：此乃因?yàn)樘迹ǖ┰雍臀诲e(cuò)的交互作用形成柯氏氣團(tuán)以及位錯(cuò)增此乃因?yàn)樘迹ǖ┰雍臀诲e(cuò)的交互作用形成柯氏氣團(tuán)以及位錯(cuò)增值這兩個(gè)因素共同作用的結(jié)果。值這兩個(gè)因素共同作用的結(jié)果。 柯氏氣團(tuán)柯氏氣團(tuán)碳原子偏聚于刃型位錯(cuò)的下方，碳原子有釘扎位錯(cuò)作碳原子偏聚于刃型位錯(cuò)的下方，碳原子有釘扎位錯(cuò)作用，位錯(cuò)要運(yùn)動(dòng)，只有先從氣團(tuán)掙脫出來(lái)，擺脫碳原子的釘扎，從而形用，

9、位錯(cuò)要運(yùn)動(dòng)，只有先從氣團(tuán)掙脫出來(lái)，擺脫碳原子的釘扎，從而形成了上屈服點(diǎn)。而一旦掙脫之后位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)就比較容易，應(yīng)力降落出現(xiàn)成了上屈服點(diǎn)。而一旦掙脫之后位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)就比較容易，應(yīng)力降落出現(xiàn)下屈服點(diǎn)和水平臺(tái)。下屈服點(diǎn)和水平臺(tái)。低碳鋼拉伸變形的特點(diǎn)低碳鋼拉伸變形的特點(diǎn)有上下屈有上下屈服點(diǎn)和屈服平臺(tái)（即變形的不連續(xù)）服點(diǎn)和屈服平臺(tái)（即變形的不連續(xù)） 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 8吉爾曼約翰遜位錯(cuò)增值理論：吉爾曼約翰遜位錯(cuò)增值理論：晶體開(kāi)始變形之后，即引起大量的位錯(cuò)增值，比如通過(guò)雙交滑移模型的增值方式，當(dāng)位錯(cuò)大量增值后，在維持一定的應(yīng)變速率時(shí)，流變應(yīng)力就要降低

10、，就會(huì)造成屈服應(yīng)力降落。 柯氏氣團(tuán)還能很好地解釋低碳鋼的應(yīng)變時(shí)效，低碳鋼經(jīng)過(guò)少量的預(yù)備變形可以不出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)（右圖曲線2），這是卸載后立即加載的情況。 但如變形后在室溫下放置一較長(zhǎng)時(shí)間或在低溫經(jīng)過(guò)短時(shí)間加熱，再進(jìn)行拉伸，則屈服點(diǎn)又復(fù)出現(xiàn)（線3）低碳鋼的應(yīng)變時(shí)效。 這一過(guò)程很可能與碳（氮）原子重新擴(kuò)散到位錯(cuò)周圍形成氣團(tuán)有關(guān)。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 9鍋爐鋼板在卷板成型后焊接或使用時(shí)，相當(dāng)于經(jīng)歷一個(gè)人鍋爐鋼板在卷板成型后焊接或使用時(shí)，相當(dāng)于經(jīng)歷一個(gè)人工或自然時(shí)效過(guò)程低碳鋼板的應(yīng)變時(shí)效常使鋼的韌性降低，工或自然時(shí)效過(guò)程低碳鋼板的應(yīng)變時(shí)效常使鋼

11、的韌性降低，為此，生產(chǎn)中常在鋼中加入為此，生產(chǎn)中常在鋼中加入WAl0.05%，使其與碳、氮原使其與碳、氮原子結(jié)合，減小鋼的應(yīng)變時(shí)效傾向。子結(jié)合，減小鋼的應(yīng)變時(shí)效傾向。低碳鋼應(yīng)變時(shí)效的實(shí)際意義：低碳鋼應(yīng)變時(shí)效的實(shí)際意義：深沖低碳鋼板時(shí)，為避免出現(xiàn)不連續(xù)屈服，致使表面粗深沖低碳鋼板時(shí)，為避免出現(xiàn)不連續(xù)屈服，致使表面粗糙不平或皺折，常先將鋼板在深沖前進(jìn)行一道光整冷扎工糙不平或皺折，常先將鋼板在深沖前進(jìn)行一道光整冷扎工序，壓下量為序，壓下量為0.5%2%，如此就是預(yù)變形消除不連續(xù)屈服。，如此就是預(yù)變形消除不連續(xù)屈服。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 103、

12、 第二相對(duì)合金變形的影響第二相對(duì)合金變形的影響合金所含有的第二相，對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，可有兩種情況：合金所含有的第二相，對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，可有兩種情況：第二相可以變形，位錯(cuò)通過(guò)第二相時(shí)可以切過(guò)它們第二相可以變形，位錯(cuò)通過(guò)第二相時(shí)可以切過(guò)它們第二相不能變形，位錯(cuò)只能繞過(guò)它們向前運(yùn)動(dòng)第二相不能變形，位錯(cuò)只能繞過(guò)它們向前運(yùn)動(dòng) 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 11位錯(cuò)能否切過(guò)第二相，由第二相的本性和尺寸而定位錯(cuò)能否切過(guò)第二相，由第二相的本性和尺寸而定當(dāng)?shù)诙嗟某叽巛^小并與其基體保持共格時(shí)，能被位錯(cuò)切過(guò)，切過(guò)時(shí)因增加表當(dāng)?shù)诙嗟某叽巛^小并與其基體保持共格時(shí)，能被

13、位錯(cuò)切過(guò)，切過(guò)時(shí)因增加表面能、通過(guò)共格應(yīng)變場(chǎng)等因素使合金強(qiáng)化（如面能、通過(guò)共格應(yīng)變場(chǎng)等因素使合金強(qiáng)化（如Al-Cu、Al-Zn、Al-Li等鋁基合等鋁基合金）金）當(dāng)?shù)诙喑叽缭龃螅ㄔ跁r(shí)效或回火溫度較高時(shí)）與基體失去共格后，位錯(cuò)常不當(dāng)?shù)诙喑叽缭龃螅ㄔ跁r(shí)效或回火溫度較高時(shí)）與基體失去共格后，位錯(cuò)常不能切過(guò)，而只能繞過(guò)了（對(duì)鋼中的碳化物、氮化物，彌散強(qiáng)化合金中的氧化能切過(guò)，而只能繞過(guò)了（對(duì)鋼中的碳化物、氮化物，彌散強(qiáng)化合金中的氧化物，一般不能變形，位錯(cuò)只能繞過(guò)它們）。物，一般不能變形，位錯(cuò)只能繞過(guò)它們）。GbL此式表明，間距越小，強(qiáng)度越高，此式表明，間距越小，強(qiáng)度越高，但如質(zhì)點(diǎn)間距太小，致使位錯(cuò)不

14、能但如質(zhì)點(diǎn)間距太小，致使位錯(cuò)不能繞過(guò)第二相繞過(guò)第二相位錯(cuò)繞過(guò)所需克服的阻力是可以簡(jiǎn)單計(jì)算的，阻力與第二相的本性無(wú)關(guān)，而只位錯(cuò)繞過(guò)所需克服的阻力是可以簡(jiǎn)單計(jì)算的，阻力與第二相的本性無(wú)關(guān)，而只決定于第二相的間距決定于第二相的間距 L，即有：，即有：由圖可知，峰值強(qiáng)度大體相當(dāng)于位錯(cuò)由圖可知，峰值強(qiáng)度大體相當(dāng)于位錯(cuò)可繞過(guò)第二相的最小質(zhì)點(diǎn)間距可繞過(guò)第二相的最小質(zhì)點(diǎn)間距 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 12八、八、 冷變形金屬的組織與性能冷變形金屬的組織與性能金屬的強(qiáng)化變形的有利面金屬的強(qiáng)化變形的有利面：保證了各種冷：保證了各種冷加工成型工藝的順利進(jìn)行，沒(méi)有材料

15、的變形加工成型工藝的順利進(jìn)行，沒(méi)有材料的變形強(qiáng)化，這些工藝就無(wú)法實(shí)施強(qiáng)化，這些工藝就無(wú)法實(shí)施金屬的強(qiáng)化變形的不利面：隨著變形的增加，金屬的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在不斷提高，特別是屈服強(qiáng)度升高得很快，導(dǎo)致屈服比增大，塑性降低，其性能變化決定了冷加工工藝如拉絲的拉拔次數(shù)，最終拉拔道次的拉拔力如拉絲的拉拔次數(shù)，最終拉拔道次的拉拔力必須大于材料的屈服強(qiáng)度，又要小于材料的必須大于材料的屈服強(qiáng)度，又要小于材料的抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度這時(shí)材料的屈服強(qiáng)度已經(jīng)十分接近抗拉強(qiáng)度，這時(shí)材料的屈服強(qiáng)度已經(jīng)十分接近抗拉強(qiáng)度，便容易拉斷金屬絲（見(jiàn)右圖）便容易拉斷金屬絲（見(jiàn)右圖） 此外，變形強(qiáng)化與其他強(qiáng)化方法此外，變形強(qiáng)化與其他強(qiáng)化

16、方法相比，雖然能最有效地地提高強(qiáng)度，相比，雖然能最有效地地提高強(qiáng)度，但塑性和韌性也降低得最多但塑性和韌性也降低得最多1、冷變形金屬的性能 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 13(1) 退火態(tài)的純金屬或單相金屬，原來(lái)晶粒為等軸狀，經(jīng)過(guò)拉拔和冷扎之后，晶粒沿著拉拔和冷扎方向伸長(zhǎng)，變形量很大時(shí)，晶界可變得模糊不清(2) 當(dāng)金屬中含有可變形的夾雜物或第二相如 MnSMnS、MnOMnO、FeOFeO等時(shí)，可隨晶粒一起沿受力方向伸展(3) 另有一類夾雜物如AlAl2 2O O3 3、硅酸鹽，不能隨晶粒一起變形，但因?yàn)榫ЯＩ扉L(zhǎng)了，這些夾雜物也呈帶狀分布。 以上兩種

17、情況，其夾雜物、第二相都稱為纖維組織 性能：性能：材料順著纖維方向的強(qiáng)度較強(qiáng)，垂直于纖維方向的強(qiáng)度較低材料性能的各向異性2、 冷變形金屬的組織冷變形金屬的組織 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 14概念：概念： 金屬變形時(shí)，晶體的滑移面會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使滑移層逐漸轉(zhuǎn)向與拉力軸金屬變形時(shí)，晶體的滑移面會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使滑移層逐漸轉(zhuǎn)向與拉力軸平行，各個(gè)晶粒的某個(gè)相同滑移系（指數(shù)相同的晶面和晶向）在變形平行，各個(gè)晶粒的某個(gè)相同滑移系（指數(shù)相同的晶面和晶向）在變形量較大時(shí)都逐漸轉(zhuǎn)向趨于與拉力軸平行，即原來(lái)的各個(gè)晶粒是任意取量較大時(shí)都逐漸轉(zhuǎn)向趨于與拉力軸平行，即原來(lái)的各個(gè)晶粒是

18、任意取向的，如今則隨晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)使各個(gè)晶粒的取向趨于一致，即形成了晶向的，如今則隨晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)使各個(gè)晶粒的取向趨于一致，即形成了晶粒的擇優(yōu)取向粒的擇優(yōu)取向變形織構(gòu)變形織構(gòu)變形量越大，擇優(yōu)取向程度越大，表現(xiàn)出織構(gòu)越強(qiáng)變形量越大，擇優(yōu)取向程度越大，表現(xiàn)出織構(gòu)越強(qiáng)3、 形變織構(gòu)形變織構(gòu)變形織構(gòu)對(duì)材料的的力學(xué)性能和物理性能有重要影響變形織構(gòu)對(duì)材料的的力學(xué)性能和物理性能有重要影響織構(gòu)的形成會(huì)使材料具有強(qiáng)烈的各向異性織構(gòu)的形成會(huì)使材料具有強(qiáng)烈的各向異性生產(chǎn)上有時(shí)希望產(chǎn)生一定方向的織構(gòu)，一滿足特定用途的需要生產(chǎn)上有時(shí)希望產(chǎn)生一定方向的織構(gòu)，一滿足特定用途的需要 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變

19、形與斷裂材料的變形與斷裂 15 由于金屬變形時(shí)各個(gè)部分的變形程度不同，變形后就會(huì)在金屬內(nèi)部由于金屬變形時(shí)各個(gè)部分的變形程度不同，變形后就會(huì)在金屬內(nèi)部殘存應(yīng)力（拉應(yīng)力，壓應(yīng)力），可以在整個(gè)金屬板材（線材、零件）的殘存應(yīng)力（拉應(yīng)力，壓應(yīng)力），可以在整個(gè)金屬板材（線材、零件）的體積范圍內(nèi)平衡體積范圍內(nèi)平衡宏觀應(yīng)力；也可以在顯微體積范圍內(nèi)平衡宏觀應(yīng)力；也可以在顯微體積范圍內(nèi)平衡顯微顯微應(yīng)力應(yīng)力殘余應(yīng)力的作用：殘余應(yīng)力的作用：殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)降低材料強(qiáng)度殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)降低材料強(qiáng)度殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，可抵消工作載荷下部分的拉應(yīng)力，有效提高材殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，可抵消工作載荷下部分的拉應(yīng)力，有

20、效提高材料表面的耐疲勞強(qiáng)度料表面的耐疲勞強(qiáng)度4、 殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力當(dāng)變形金屬產(chǎn)生殘余應(yīng)力時(shí)，要通過(guò)低溫退火以消除內(nèi)應(yīng)力當(dāng)變形金屬產(chǎn)生殘余應(yīng)力時(shí)，要通過(guò)低溫退火以消除內(nèi)應(yīng)力冷變形金屬除了產(chǎn)生上述的組織與性能變化之外，還會(huì)使一些物理和化冷變形金屬除了產(chǎn)生上述的組織與性能變化之外，還會(huì)使一些物理和化學(xué)性能變化，如令金屬電導(dǎo)率和耐腐蝕性下降，但遠(yuǎn)不如合金成分的影學(xué)性能變化，如令金屬電導(dǎo)率和耐腐蝕性下降，但遠(yuǎn)不如合金成分的影響那么顯著響那么顯著消除：消除： 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 16九、九、 金屬的斷裂金屬的斷裂 用原子間結(jié)合力模型，可求出金屬的理論

21、斷用原子間結(jié)合力模型，可求出金屬的理論斷裂強(qiáng)度裂強(qiáng)度 如右圖，縱軸大于如右圖，縱軸大于0時(shí)為吸力，小于時(shí)為吸力，小于0時(shí)為斥時(shí)為斥力，原子間距為力，原子間距為a時(shí)為平衡距離，相應(yīng)的原子間時(shí)為平衡距離，相應(yīng)的原子間結(jié)合力為零結(jié)合力為零 在在 m處，吸力達(dá)到最大，在正弦周期之半處，吸力達(dá)到最大，在正弦周期之半 2時(shí)，原子結(jié)合力為零，即此時(shí)原子的鍵合已時(shí)，原子結(jié)合力為零，即此時(shí)原子的鍵合已完全被破壞而相互分離。完全被破壞而相互分離。理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度 c應(yīng)克服應(yīng)克服 m位置時(shí)的最大引力位置時(shí)的最大引力計(jì)算方程為：計(jì)算方程為：E為彈性模量，為彈性模量， 為分離時(shí)為分離時(shí)形成兩個(gè)新斷面的表面能形成

22、兩個(gè)新斷面的表面能如以如以 1.0 J/m J/m2 2, , a = 3.0 10 8cm代入，代入，可得可得 c E/ 10（ ）Ea1/2 c= 1. 理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 17（1）金屬的實(shí)際斷裂強(qiáng)度比理論斷裂強(qiáng)度要低很多，至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)，）金屬的實(shí)際斷裂強(qiáng)度比理論斷裂強(qiáng)度要低很多，至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)，（3）金屬材料內(nèi)部存在裂紋的原因是：）金屬材料內(nèi)部存在裂紋的原因是：多半是由變形的不均勻和變形受到阻礙（如晶界、第二相等），產(chǎn)生多半是由變形的不均勻和變形受到阻礙（如晶界、第二相等），產(chǎn)生了很大的應(yīng)力集中，當(dāng)

23、應(yīng)力集中達(dá)到了理論斷裂強(qiáng)度才開(kāi)始萌生裂紋了很大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到了理論斷裂強(qiáng)度才開(kāi)始萌生裂紋生產(chǎn)上的制造工藝缺陷，特別是焊接工藝，在焊縫區(qū)域總認(rèn)為是已有生產(chǎn)上的制造工藝缺陷，特別是焊接工藝，在焊縫區(qū)域總認(rèn)為是已有裂紋存在裂紋存在 1100E即：即：2 、實(shí)際斷裂強(qiáng)度、實(shí)際斷裂強(qiáng)度（2）實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的原因是：）實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的原因是： 材料內(nèi)部存在材料內(nèi)部存在裂紋裂紋 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 18十、十、 冷變形金屬的回復(fù)階段冷變形金屬的回復(fù)階段冷變形金屬冷變形金屬, ,內(nèi)能高內(nèi)能高, ,亞穩(wěn)狀態(tài)亞穩(wěn)狀態(tài)室溫下室溫

24、下: :原子難以擴(kuò)散原子難以擴(kuò)散, ,形變組織保持形變組織保持, ,保持加工硬化保持加工硬化、殘余內(nèi)應(yīng)力等。、殘余內(nèi)應(yīng)力等。加熱加熱: :原子擴(kuò)散增強(qiáng)原子擴(kuò)散增強(qiáng), ,亞穩(wěn)亞穩(wěn)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài). .冷變形金屬加熱冷變形金屬加熱: :相繼發(fā)生相繼發(fā)生回復(fù)回復(fù), ,再結(jié)晶再結(jié)晶, ,晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大. .加熱后性能變化加熱后性能變化：消除加工硬化，強(qiáng)度、硬度降低消除加工硬化，強(qiáng)度、硬度降低，塑性、韌性提高，塑性、韌性提高 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 * *形變金屬及合金在退火過(guò)程中的變化形變金屬及合金在退火過(guò)程中的變化冷變形金屬冷變形金屬: :隨加熱隨加熱T

25、,T,或加熱到或加熱到T0.5TT0.5T熔熔后保溫后保溫, ,組織變化如圖組織變化如圖: : 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 * *形變金屬及合金在退火過(guò)程中的變化形變金屬及合金在退火過(guò)程中的變化( (顯微組織的變化顯微組織的變化) )再結(jié)晶后組織恢復(fù)到變形前的程度，性能也恢復(fù)到變形前的程度再結(jié)晶后組織恢復(fù)到變形前的程度，性能也恢復(fù)到變形前的程度晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大: :新晶粒逐漸相互合并長(zhǎng)大新晶粒逐漸相互合并長(zhǎng)大. . 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 ( (儲(chǔ)存能與內(nèi)應(yīng)力變化儲(chǔ)存能與內(nèi)應(yīng)力變化) )隨隨T,

26、T,儲(chǔ)存能逐漸釋放儲(chǔ)存能逐漸釋放. .再結(jié)晶后再結(jié)晶后, ,形變儲(chǔ)存能全部釋放形變儲(chǔ)存能全部釋放. .再結(jié)晶再結(jié)晶: :內(nèi)應(yīng)力全部消除內(nèi)應(yīng)力全部消除. .* *形變金屬及合金在退火過(guò)程中的變化形變金屬及合金在退火過(guò)程中的變化按照德國(guó)學(xué)者馬赫勞赫提出的分類方法，內(nèi)應(yīng)力分為三類： 第類內(nèi)應(yīng)力是存在于材料的較大區(qū)域（很多晶粒）內(nèi)，并在整個(gè)物體各個(gè)截面保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)一個(gè)物體的第類內(nèi)應(yīng)力平衡和內(nèi)力矩平衡被破壞時(shí)，物體會(huì)產(chǎn)生宏觀的尺寸變化。 第類內(nèi)應(yīng)力是存在于較小范圍（一個(gè)晶?；蚓Я?nèi)部的區(qū)域）的內(nèi)應(yīng)力。 第III類內(nèi)應(yīng)力是存在于極小范圍（幾個(gè)原子間距）的內(nèi)應(yīng)力。 在工程上通常所說(shuō)的殘余應(yīng)力就是第在

27、工程上通常所說(shuō)的殘余應(yīng)力就是第類內(nèi)應(yīng)力類內(nèi)應(yīng)力。到目前為止，第類內(nèi)應(yīng)力的測(cè)量技術(shù)最為完善，它們對(duì)材料性能和構(gòu)件質(zhì)量的影響也研究得最為透徹。 除了這樣的分類方法以外，工程界也習(xí)慣于按產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工藝過(guò)程來(lái)歸類和命名，例如鑄造應(yīng)力、焊接應(yīng)力、熱處理應(yīng)力、磨削應(yīng)力、噴丸應(yīng)力等等，而且一般指的都是第類內(nèi)應(yīng)力。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 ( (性能變化性能變化) )晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大: :力學(xué)性能降低力學(xué)性能降低. .* *形變金屬及合金在退火過(guò)程中的變化形變金屬及合金在退火過(guò)程中的變化 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變

28、形與斷裂 23冷變形金屬在加熱時(shí)先后經(jīng)歷了冷變形金屬在加熱時(shí)先后經(jīng)歷了回復(fù)回復(fù)、再結(jié)晶再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段三個(gè)階段在再結(jié)晶階段在再結(jié)晶階段從組織上看是以產(chǎn)生無(wú)畸變的新晶核，然后在變形金屬基體內(nèi)長(zhǎng)大，形從組織上看是以產(chǎn)生無(wú)畸變的新晶核，然后在變形金屬基體內(nèi)長(zhǎng)大，形成大角度晶界的新晶粒為標(biāo)志的；成大角度晶界的新晶粒為標(biāo)志的；從性能上看是以力學(xué)性能（如強(qiáng)度、硬度）和物理性能（如電阻、儲(chǔ)存從性能上看是以力學(xué)性能（如強(qiáng)度、硬度）和物理性能（如電阻、儲(chǔ)存變形能的釋放）產(chǎn)生急劇的變化為標(biāo)志的變形能的釋放）產(chǎn)生急劇的變化為標(biāo)志的在再結(jié)晶過(guò)程在再結(jié)晶過(guò)程未進(jìn)行之前未進(jìn)行之前，一個(gè)相當(dāng)寬的溫度一個(gè)相當(dāng)

29、寬的溫度范圍都屬于回復(fù)階段范圍都屬于回復(fù)階段十、十、 冷變形金屬的回復(fù)階段冷變形金屬的回復(fù)階段冷變形金屬在內(nèi)部?jī)?chǔ)存了較高的彈性畸變能，有高的位錯(cuò)密度（退火態(tài)金冷變形金屬在內(nèi)部?jī)?chǔ)存了較高的彈性畸變能，有高的位錯(cuò)密度（退火態(tài)金屬的位錯(cuò)密度約為屬的位錯(cuò)密度約為108/cm2，強(qiáng)烈冷變形后可達(dá)，強(qiáng)烈冷變形后可達(dá)1012/cm2），且位錯(cuò)纏結(jié)成），且位錯(cuò)纏結(jié)成胞不規(guī)則分布，也伴有大量的空位胞不規(guī)則分布，也伴有大量的空位彈性畸變能的減小彈性畸變能的減小是回復(fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，而晶粒長(zhǎng)大則是力圖使界面是回復(fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，而晶粒長(zhǎng)大則是力圖使界面能減小的結(jié)果。能減小的結(jié)果。概念概念:冷變形金屬在加熱溫度不

30、高時(shí)冷變形金屬在加熱溫度不高時(shí),僅因金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)遷移而引僅因金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)遷移而引起亞結(jié)構(gòu)和某些性能變化起亞結(jié)構(gòu)和某些性能變化.晶粒外形無(wú)明顯變化晶粒外形無(wú)明顯變化. 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 241 1、回復(fù)階段性能與組織的變化、回復(fù)階段性能與組織的變化在回復(fù)階段，可觀察到以下現(xiàn)象：在回復(fù)階段，可觀察到以下現(xiàn)象：（1 1）宏觀內(nèi)應(yīng)力經(jīng)過(guò)低溫加熱（一般在）宏觀內(nèi)應(yīng)力經(jīng)過(guò)低溫加熱（一般在200200250250）后，大部分去除，而）后，大部分去除，而微觀應(yīng)力仍然殘存；微觀應(yīng)力仍然殘存；（2 2）電阻率電阻率 / / 降低降低

31、。CuCu、AgAg、AlAl線材預(yù)先在線材預(yù)先在90K90K下變形，在室溫下變形，在室溫（293K293K）下導(dǎo)電性能可逐漸恢復(fù)，相對(duì)原始變形態(tài)來(lái)說(shuō)，電阻率下降）下導(dǎo)電性能可逐漸恢復(fù)，相對(duì)原始變形態(tài)來(lái)說(shuō)，電阻率下降3030，而與此同時(shí)硬度和流變應(yīng)力卻覺(jué)察不出有什么變化；而與此同時(shí)硬度和流變應(yīng)力卻覺(jué)察不出有什么變化；（3 3）硬度和流變應(yīng)力的變化隨金屬不同而異）硬度和流變應(yīng)力的變化隨金屬不同而異 密排六方金屬密排六方金屬ZnZn、CdCd在室溫下就可絕大部分地去除冷變形產(chǎn)生的加工硬在室溫下就可絕大部分地去除冷變形產(chǎn)生的加工硬化；化； CuCu、 黃銅直到加熱至黃銅直到加熱至350350，其硬度

32、沒(méi)有明顯變化；，其硬度沒(méi)有明顯變化； FeFe在在350350以上就看到部分加工硬化的去除。以上就看到部分加工硬化的去除。（4）顯微組織至少在光學(xué)顯微鏡下）顯微組織至少在光學(xué)顯微鏡下看不出任何變化，看不出任何變化，在高溫回復(fù)時(shí)，在在高溫回復(fù)時(shí)，在電鏡下看到晶粒內(nèi)的胞狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚щ婄R下看到晶粒內(nèi)的胞狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚?材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 25在回復(fù)階段，對(duì)那些能察覺(jué)到有部分加工硬化去除的金屬，可研究溫度與時(shí)在回復(fù)階段，對(duì)那些能察覺(jué)到有部分加工硬化去除的金屬，可研究溫度與時(shí)間對(duì)硬化去除的影響間對(duì)硬化去除的影響如如Fe在在0經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)5

33、預(yù)變形，然后在不同溫度下每隔一定時(shí)間測(cè)量其殘留應(yīng)變預(yù)變形，然后在不同溫度下每隔一定時(shí)間測(cè)量其殘留應(yīng)變硬化（見(jiàn)右圖），其中硬化（見(jiàn)右圖），其中1R為殘留應(yīng)變硬化分?jǐn)?shù)，為殘留應(yīng)變硬化分?jǐn)?shù)，R為回復(fù)部分為回復(fù)部分有：有：1R 0 m 式中式中 為回復(fù)退火后的流變應(yīng)力；為回復(fù)退火后的流變應(yīng)力； 0為完全退火后加工硬化能全部消除的流變應(yīng)力；為完全退火后加工硬化能全部消除的流變應(yīng)力； m為退火前即冷變形態(tài)的流變應(yīng)力為退火前即冷變形態(tài)的流變應(yīng)力。2、回復(fù)動(dòng)力學(xué)、回復(fù)動(dòng)力學(xué)圖中顯示，回復(fù)起始階段硬化去除程度較快，然后逐漸減圖中顯示，回復(fù)起始階段硬化去除程度較快，然后逐漸減慢；慢；預(yù)形變量越大，起始的回復(fù)速率也

34、越大預(yù)形變量越大，起始的回復(fù)速率也越大減小晶粒尺寸也會(huì)使回復(fù)加快減小晶粒尺寸也會(huì)使回復(fù)加快在每一恒定溫度下，回復(fù)的時(shí)間關(guān)系為：在每一恒定溫度下，回復(fù)的時(shí)間關(guān)系為：1Rbalnt材料在一定變材料在一定變形溫度、應(yīng)變和形溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率下的屈應(yīng)變速率下的屈服極限稱為其流服極限稱為其流變應(yīng)力。變應(yīng)力。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂 26但但1R 按照一般的反應(yīng)速率公式，可寫(xiě)成：按照一般的反應(yīng)速率公式，可寫(xiě)成： 1RAeQ/RT，式中的，式中的Q為激活為激活能，對(duì)不同的反應(yīng)過(guò)程能，對(duì)不同的反應(yīng)過(guò)程Q有其特定的涵義有其特定的涵義在不同溫度下，如以回復(fù)到相

35、同程度作比較，即在固定在不同溫度下，如以回復(fù)到相同程度作比較，即在固定1R情況下，各回復(fù)時(shí)情況下，各回復(fù)時(shí)間自然不同，合并以上兩式，可得：間自然不同，合并以上兩式，可得：lnt常數(shù)常數(shù)+RQT1若以若以lnt 對(duì)對(duì)1/ T 作圖為一直線，則從其斜率可求出激活能作圖為一直線，則從其斜率可求出激活能Q，回復(fù)程度不同，有不同的激活能回復(fù)程度不同，有不同的激活能例如例如: R0.1，Q100kJ/ mol； R0.6，Q200kJ/ mol實(shí)際上，冷變形程度、回復(fù)程度、回復(fù)溫度、雜質(zhì)原子及金屬的種類等實(shí)際上，冷變形程度、回復(fù)程度、回復(fù)溫度、雜質(zhì)原子及金屬的種類等許多因素都會(huì)影響回復(fù)的物理過(guò)程。許多因素都會(huì)影響回復(fù)的物理過(guò)程。 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 第第8 8章章 材料的變形與斷裂材料的變形與斷裂