1.2工程材料基础理论.ppt

《材料加工工程 》 第二章工程材料基础理论 单晶体中的位错类型：(a) 刃型位错；(b) 螺型位错。 刃型位错和螺型位错 位错：首次观察到位错是本世纪30年代，它是金属原子结构排列有序性的一种缺陷。这是解释实际晶体强度与理论强度差的最重要的一类晶体缺陷。 《材料加工工程 》 第二章工程材料基础理论 图1-10刃型位错在切应力作用下滑移扫过晶格 位错可以解释为什么实际晶体强度要比理论强度低。 刃型位错的运动 《材料加工工程 》 第二章工程材料基础理论 包含位错的滑移面（图1-10）的滑移要比完整晶格中滑移面的滑移所需的切应力小。可以把刃型位错的滑移运动比作蚯蚓，它向前的运动是通过一个弓起从尾到头的运动来实现的。也可以把位错比作一条大地毯的移动，通过把地毯一端的弓起向另一端的移动，可以实现地毯整体的运动。以这种方式移动地毯要比直接让地毯在地板上滑动省力的多。螺型位错之所以这样命名是因为围绕着这种位错的原子面是螺旋上升的。 金属晶体中的缺陷 《材料加工工程 》 第二章工程材料基础理论 尽管位错的存在使滑移所需的切应力降低，位错也能 (1) 形成缠结并相互影响，并且 (2) 被材料中的碍物，如晶界、杂质原子和夹杂物等阻碍。 这种缠结和障碍提高了滑移所需的切应力。这就相当于移动地毯时有两个弓起以一定的夹角移动，这两个弓起相互影响，增加了移动地毯的难度。 切应力的增加，以及由此引起的金属整体强度的增加就叫作加工硬化，或应变硬化。变形量越大，引起强度增高的位错缠结就越严重。在适当的温度范围内，加工硬化广泛应用于压力加工过程中材料的强化。典型的强化例子有线材的冷拔强化、螺栓头的锻造成形强化、汽车车体和飞行器用板材的轧制强化等。 加工硬化（应变硬化） 金属强度与位错密度的关系 《材料加工工程 》 第二章工程材料基础理论 金属晶体中的缺陷 什么是面缺陷？ 由于结构或位向不同而存 在的各种界面和平面。 晶体的外表面 晶体的内表面 什么是晶界？晶界是如何形成的呢？…… 《材料加工工程 》 第二章工程材料基础理论 晶粒与晶界 通常用于制造各种产品的金属是由大量取向随机的单晶体（叫作晶粒）组成的。这样我们必须面对的就不是单晶体、而是包含很多晶体的多晶体材料。 晶界就是空间取向（或位向）不同的相邻晶粒之间的界面。 金属从熔融态开始凝固时，拥有随机取向的多个晶体核心分另独立地熔体中不同位置形成（图1-11）。每一个核心都长成一个晶体，或叫晶粒。单位体积金属中晶粒的数量和尺寸取决于晶体的形核（晶体形成的初始形成阶段）的速率。晶体核心初始形成地点的数目和核心的长大速度是决定最终晶粒尺寸的重要因素。通常，快冷可以产生细晶粒，而缓冷则产生粗晶粒。 《材料加工工程 》 第二章工程材料基础理论 图2-11 熔融金属凝固过程不同阶段的示意图。每个小方块表示一个单位晶胞。（a）在融融金属中随机位置晶粒型核，注意各个晶核的晶体学取向是不同的；（b）和（c）随着凝固的进行，晶粒长大；（d）凝固完成后的晶粒和晶界。注意相邻晶粒相遇时的不同交角。 《材料加工工程 》 第二章工程材料基础理论 如果形核速率高，单位体积金属晶粒数多，晶粒就细。另一方面，与形核速率相比，如果晶体的长大速率大，单位体积中晶粒的数目就少，晶粒就粗。 注意在上中，各个晶粒是怎样相互干扰并最后碰在一起的。把这些晶粒分隔开的界面叫作晶界。每个晶粒可以象纯金属中那样为一单晶体，也可以象合金中那样为多个晶体的聚合体。注意在晶界两侧晶体取向的突然变化。 单晶体或单个晶粒的行为是各向异性的。多晶体的理想行为是各向同性的，因为各个晶粒的晶体取向是随机分布的。所以其性能不随测试方向的不同而变化。 晶粒与晶界 再结晶温度的定义：在大约一个小时内完成再结晶的温度。再结晶使金属的位错密度降低、强度降低、塑性升高（图1-14）。象铅、锡、钙和锌等金属的再结晶温度接近室温。因此，当这些金属进行冷变形时，它们不会产生加工硬化。 再结晶取决预先冷变形（加工硬化）的程度；冷变形量越大，再结晶温度就越低。其原因是，冷变形量越大，金属中的位错数量以及以位错形式储存的能量（储存能）也越多。这些能量为再结晶提供动力。再结晶过程是时间的函数，因为它包括跨晶界的扩散，即跨晶界的原子运动和原子交换。 ??回复、再结晶与晶粒长大 退火 Figure 1.14 Schematic illustration of the effects of recovery, recrystallization, and grain growth on mechanical properties and on the shape and size of grain