第七章 金属的塑性变形与强化.ppt

　金属的塑性变形与强化 　单晶体 　多晶体 　合金强化理论 位错塞积模型 　　在外加切应力较小时，由于晶界的阻碍作用，会使晶粒1内由位错源放出的位错形成位错塞积，位错塞积可以在相邻晶粒内产生较大的切应力，当这个应力达到该晶粒内位错源开动的临界分切应力时，该晶粒内的位错开始滑移。计算结果为 σy=σ0+kd-1/2 位错塞积引起相邻晶粒中位错源开动示意图 晶界台阶模型 　　晶界上的台阶可以作为位错源而放出位错，由此可以将流变应力视为位错运动克服林位错的阻力，进而求出如下的霍尔—佩奇关系式： 式中S为台阶的密度（单位长度晶界上台阶的个数）。 晶界台阶发射位错示意图 晶界区硬化模型 　　在同一晶粒内，由于离晶界远近不同也会在形变阻力上有所反应。 　　设想在流变条件下，晶界的影响上在晶粒内造成一定宽度(b/2)的硬化区，晶粒的强度σy要由晶界附近的硬化区强度σH和心部软化区强度σS综合决定。推出 或者 霍尔—佩奇关系式的指数n可介于0.45和1.1之间变化。 晶界区硬化模型示意图 亚晶界强化 　　亚晶界一般为小角晶界，其对流变应力的影响也可用Hall-Petch公式加以描述，即 σf=σ0+k`ds-n` 式中，ds为亚晶粒直径，k`为亚晶界的强化系数，n`=1/2。对于相同的材料而言，k`k（k为大角晶界的强化系数）。对于亚晶界而言，n`=1更为合适。大角晶界以间接强化作用为主，而对于亚晶界而言，其强化作用主要来源于晶界位错与晶格滑移位错的相互作用，应以直接强化作用为主。有时也可以把亚晶界的强化作用看成是林位错强化，而不作为晶界强化。 相界强化 　　相界面强化也服从Hall-petch关系，例如，对钢中片状珠光体组织，流变应力与片间距λ有如下关系： σy=σ0+λ-1/2 式中，σ0和k为常数。 第九章 合金强化 　　合金元素加入以后，金属强度提高大致可以分为两种不同的方式：一种由于形成了固溶体，使基体强度提高，这种方式称为直接强化；一种由于改善了组织，如细化了晶粒、形成了弥散的第二相等，这种方式称为间接强化。 　　根据溶质浓度对强化效果的影响，大致可分为强相互作用与弱相互作用。强相互作用的合金每增加单位溶质浓度所引起的应力增量大，应力与溶质原子浓度之间成抛物线关系，即与浓度的平方根成正比（如碳在铁中）。弱相互作用每增加单位溶质原子浓度所引起的应力增量小，固溶体的临界切应力与溶质原子的含量成直线关系。 　　溶质原子有的在基体中呈统计无规分布增加了位错运动的阻力，因而带来强化；有的浓缩于位错线周围，使位错启动困难。 均匀固溶强化理论 　　溶质原子均匀而无规地分布在基体中，溶质原子的平均间距为l。由于溶质原子和基体原子之间半径不相适应，因此在基体中造成以溶质原子为核心的长程应力场。溶质原子造成的弹性应力场与位错的弹性应力场交互作用，会使运动位错受一定的障碍，并使位错弯曲成弧形。 　　这时位错线张力T的合力F将与溶质原子障碍对位错的作用力保持平衡，即 式中θ为障碍处位错偏离直线的角度。 　　当外力τ加大时，位错弯曲加剧，θ加大，与障碍间的相互作用也增大。当切应力增大至某一临界值τc时，θ达到某一临界值θc，l长位错段上所受的力刚好可以克服障碍向前继续滑移，这是的交互作用力F为Fm，即 　　　　　　　　　　　Fm可以看成是障碍的强度。 位错在无规分布的溶质原子中受阻 　　对于强相互作用的固溶强化，溶质原子造成的畸变应力场较大，障碍的强度Fm也较大，故θc较大。而弱相互作用的固溶强化θc较小，位错线不必偏离直线太多即可克服障碍而滑移。 　　对于浓度相同但相互作用强度不同的固溶体，位错线在滑移过程中的弯曲程度不同。强相互作用，弯曲程度较大；弱相互作用，位错线较直。　　 　　尽管溶质原子的浓度相同，但位错线上障碍的平均距离却不一样。对于强相互作用，该平均距离大致就是溶质原子的平均间距l。对于弱相互作用，该平均距离Ll。 溶质原子对位错的障碍 (ａ)强相互作用　(ｂ)弱相互作用 　非均匀固溶强化理论 　　在很多情况下，溶质原子在基体中并非完全无规分布，而是因为与位错有交互作用而在位错周围聚集，是非均匀的。 柯垂尔气团强化 　　由于溶质原子与刃型位错的交互作用，在温度和时间允许的条件下，为了减少畸变能，溶质原子将聚集在位错线周围，形成溶质原子云，也称为柯垂尔气团。 　　从一级效应考虑，螺位错周围只有切应变而没有体应变，因此不能形成柯垂尔气团；但从二级效应考虑，螺位错仍造成体应变，螺位错芯部处于引张状态，故半径很小的间隙原子也会趋于处在螺位错心部，使系统能量降低。 　　溶质原子在位错周围聚集形成的气团障碍了位错的运动，因此使基体的强度升高。利用位错与溶质原子的弹性交互作用，可以解释低碳钢等金属的上、下屈服点现象和应变时效现象。 上、下