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材料力学性能 哈尔滨工业大学材料学院 朱景川 S2-5 物理屈服现象及其本质 切应力作用下位错运动状态 (1)在薄钢板冷冲压成形时，往往因局部变形不均匀，板面吕德斯带导致表面折皱，影响表面质量。 (2)应变时效可能导致工程构件脆性增加。 S3-2 材料基本强化机制 S3-2 材料基本强化机制 S3-2 材料基本强化机制 溶质原子的加入提高材料的屈服强度?s和应力水平, 同时加工硬化率d?/d? 不同程度增大。 溶质原子不同，强化效果不同；溶质原子浓度越高，强化作用越大，低浓度时效果更明显。 固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用阻碍了位错的运动。 弹性交互作用强，但对温度敏感，常温下作用大； S3-2 材料基本强化机制 单相合金可借固溶强化提高强度，但提高程度有限。通常使用的材料大多是两相或多相合金。 第二相来源：可通过相变热处理(沉淀相或析出相)或粉末冶金方法(弥散相)获得。 等应变理论假定塑性变形过程中两相应变相等，合金产生一定应变的流变应力为： σ=f1σ1+f2σ2 式中f1和f2为两相的体积分数。 当第二相流变应力高于基相(σ2 =σ1+Δσ)时, σ=f1σ1+f2(σ1+Δσ) =σ1+f2Δσ, 材料得以强化。 等应力理论假定两相所受的流变应力相等，平均应变为： ε=ε1f1+ε2f2 当第二相应变小于基相应变(ε2=ε1f2-Δ?)时， ε=ε1f1+(ε1f2-Δ?)=ε1-Δ?, 材料得以强化。 如果硬脆相呈连续网状分布于基相晶界上，则基相受限不能变形，应力过大即沿晶界断裂。塑性变差，甚至强度也随之下降。 如果硬脆相成片状分布于基相，因变形主要集中在基相，而位错受片层厚度限制，移动距离很短，继续变形阻力加大，强度得以提高。片层越薄，强度越高；变形越均匀，塑性也越好，类似于细晶强化。 如果硬脆相呈不连续等轴状颗粒分布于基体相晶粒之间，则因基体连续，硬脆相颗粒对基体变形的影响大大减弱，强度下降，塑性、韧性得以提高。 S3-2 材料基本强化机制 1）不变形粒子的强化作用：当移动的位错与微粒相遇时，将因奥罗万(Orowan, 位错绕过)机制而产生位错增殖。 位错绕过时，既要克服第二相粒子的阻碍作用，又要克服位错环对位错源的反向应力，而且每一个位错绕过后都要增加一个位错环。因此继续变形必须增大外应力，从而使流变应 力迅速提高。 此图为α黄铜 中绕Al2O3粒 子的位错环的 透射电镜像。 位错绕过间距为λ的第二相微粒所需要的切应力为： τ=Gb/λ 式中G为切变弹性模量；b为柏氏矢量。 位错绕过强化与第二相粒子的间距成反比。λ越小，强化效果越好。 因此，减小粒子尺寸(增大粒子数)或提高粒子体积分数(减小粒子间距)，都能使合金的强度提高。 2）可变形粒子的强化作用：第二相为可变形微粒时，位错将切过粒子使其与基相一起变形（位错切过机制）。 位错切过强化机制： ① 点阵阻力增加； ② 若第二相粒子是有序相， 位错切过粒子产生反向 畴界，增加反向畴界能； ③ 每个位错切过粒子时，使其生成宽为b的台阶，需要增加表面能； ④ 第二相粒子弹性应力场与位错交互作用阻力； ⑤ 第二相粒子弹性模量与基体相不同，引起位错能量与线张力变化。 Ni合金位错绕过Ni3Al粒子TEM照片 Ni-Cr-Al合金位错切过Ni3Al粒子 纳米晶材料与纳米结构材料结构与性能特点 ?纳米晶金属与通常多晶或非晶的性能 3 - 467 Fe K 德拜温度 0.64 - 2.04 Cu自扩散 ? ? 0.39 - 2.0 Ag于Cu中 eV 扩散激活能 3.2 - 1.2 Al K 超导临界温度 20 -0.03 -1 Sb 4p×10-9Tm3/kg 磁化率 130 215 222 Fe 4p×10-7Tm3/kg 饱和磁化强度(4K) 185 - 83 Cu MPa 屈服强度 8000 - 700 Fe-1.8%C MPa 断裂强度 32 - 43 Pd GPa 剪切模量 88 - 123 Pd GPa 弹性模量 6 7.5 7.9 Fe g/cm3 密度 0.37 - 0.24 Pd J/(g×K) 比热容(295K) 31 18 16 Cu 10-6K-1 热膨胀系数 纳米晶 单晶 多晶 金属 单位 性能 纳米晶金属材料力学行为特点 (1)高强度：临界晶粒尺寸dc d dc,Hall-Petch关系 d dc,