材料强度学-细晶强化.ppt

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1、《材料强度学》材料强度：表征材料承载能力的力学性能指标。是材料对变形和断裂的抗力。定义：用给定塑性变形量或塑性变形速度所对应的应力或断裂前所能承受的最大应力屈服强度：刚刚发生塑性变形所对应的应力。蠕变强度：一定温度下给定的稳定蠕变速度所对应的应力。疲劳强度：给定的疲劳断裂周次所对应的应力幅。e.g.强度硬度？硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度，是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标钢和黄铜的强度－硬度关系（选自美国MetalHandbook第九版第一卷）强度：化学成分微观结构环境应力状态材料强度的影响因素：GraphiteDiamond研究材料变形与断裂行为及

2、其与应力、环境等外部因素的关系，探明变形与断裂行为的微观机制，并建立变形与断裂定量理论。材料强度学的任务：强度塑性变形位错空位位错晶界固溶原子第二相原子缺陷点缺陷位错的运动与晶体塑性1926年，苏联物理学家雅科夫·弗仑克尔（JacovFrenkel）理想完整晶体模型理论屈服强度常用金属的G值≈104MPa～105MPa理论切变强度应为103MPa～104MPa金属的屈服强度仅为0.5～10MPa≠理论临界分剪应力埃贡·欧罗万（EgonOrowan）迈克尔·波拉尼（MichaelPolanyi）G.I.泰勒（G.I.Taylor）塑性变形的位错机制理论一侧相对于另一侧的整体刚性

3、滑移通过位错的运动来实现剪切应力的存在是塑性变形得以发生的最基本因素。晶体的范性形变就是位错运动的结果。其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。位错：指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线。刃型位错螺型位错攀移面缺陷：二维尺寸晶体外表面（externalsurfaces）晶粒边界（grainboundaries）孪晶界（twinboundaries）相界面（phaseboundaries）层错（stackingfaults）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒

4、之间的界面。(是单晶体区别与多晶体的主要特征)晶界的特性：晶界原子排列混乱、缺陷和杂质原子多、能量高；晶界上原子扩散速度较快；晶界对位错运动有阻碍作用；晶界易产生氧化、局部熔化和腐蚀等；晶界的原子混乱排列和高能量有利于固态相变的形核。晶界分类：大角度晶界：晶粒位向差大于10度的晶界。其结构为几个原子范围内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。小角度晶界：晶粒位向差小于10度的晶界。其结构为位错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。亚晶界：位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。为位错结构。晶粒的平均直径通常在0.015—0.25mm范围内，而亚晶粒的平均直径则通常为0.001mm的范围内

5、孪晶界：两块相邻孪晶的共晶面。分为共格孪晶界和非共格孪晶界。晶粒之间变形的传播过程：位错在晶界塞积;应力集中;相邻晶粒位错源开动;相邻晶粒变形;宏观塑性变形。有晶界条件下(多晶体)的变形特点：多晶体塑性变形总是一批一批晶粒逐步地发生，从少量晶粒开始逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形。软取向晶粒之间变形的协调性原因：各晶粒之间变形具有非同时性。要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的自由变化）晶粒大小与性能的关系：晶粒越细，强度越高(细晶强化：Hall-Petch公式可知)s=0+kd-1/2原

6、因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。而且晶粒越多，变形均匀性提高，由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。此外，晶粒越细，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸收较多能量,表现出高韧性。故细化晶粒是同时提高材料强度、塑性和韧性的有效手段（高温性能除外），受到广泛重视。Hall－Petch公式的位错模型s=0+kd-1/2Hall和Petch首先建立了低碳钢下屈服点与晶粒尺寸的经验关系，并得到了Morrison,Gladman和Pickering等人的证实。位错塞积模型基本思路：晶界位错塞积－应力集中－达到某临界值－

7、相邻晶粒屈服－相邻晶粒位错源开动－滑移从一个晶粒传播到另一个晶粒。n,numberofdislocationα=2foredgedislocationforscrewdislocationττ0Stressconcentration在塞积位错群头部产生应力集中该集中应力（即S）达到使滑移位错对钉扎的原子气团解钉的临界应力SSC时，晶体将发生屈服；使相邻晶粒内的位错源开动的临界应力SfC时，晶体将发生塑性流变；使邻近某处的微裂纹开始扩展的临界应力SCC时，晶体将发生解理断裂；微孔聚合的临界应力SbC时，晶