材料强化理论及应用.ppt

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材料强化理论及应用强度强度（Strength）：

材料抵抗变形和破坏的能力。

塑性塑性（Plasticity）：

材料在破坏前产生永久变形的程度。

韧性韧性（Toughness）：

材料变形和破坏过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。

绪论（Introduction）原子结合键和原子排列方式的差异是金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因。

除此之外，材料的组织结构对力学性能也有重要影响，因此一般通过改变材料的内部组织结构来改善材料的强韧性，以满足实际应用的需要。

通过研究材料的强韧化机理和强韧化方法，提高材料的强韧化水平，充分挖掘现有材料的潜力，不仅可以满足工程结构和技术装备制造中对高强韧性材料的要求，还能达到节约能源和原材料的目的。

Example:

atypicalautomobilemaycontainthefollowingmaterials:

steel:

1530kg,castiron:

350kg,rubber:

60kg,plastic:

55kg,glass:

52kg,aluminium:

30kg,zinc:

26kg,copper:

16kg,lead:

15kg,ceramics,wood,etc.insmallerquantities.Example:

atypicalautomobilemaycontainthefollowingmaterials:

steel:

1530kg,castiron:

350kg,rubber:

60kg,plastic:

55kg,glass:

52kg,aluminium:

30kg,zinc:

26kg,copper:

16kg,lead:

15kg,ceramics,wood,etc.insmallerquantities.EngineeringMaterialsMetallicNon-MetallicFerrousNon-ferrousSteelsPlaincarbonAlloyCastironGrayWhiteDuctileMalleableAluminiumCopperMagnesiumZincLeadNickle,TinOrganicInorganicPlasticsWoodPaperRubberLeatherPetroleumproductsMineralsCementiteGlassCeramicsGraphite位错强化机制位错强化机制固溶强化固溶强化细晶强化细晶强化弥散强化（粒子强化）弥散强化（粒子强化）相变强化相变强化形变强化（加工硬化）形变强化（加工硬化）强韧化机制与方法晶晶体体缺缺陷陷缺陷种类：

1）点缺陷如空位，间隙原子和异类原子等。

2）线缺陷主要为位错。

3）面缺陷如晶界，相界及表面。

第一章第一章位错的基本理论位错的基本理论Theoryofdislocation点缺陷（Pointdefects）如空位，间隙原子和异类原子等。

位错的概念：

已滑移区和未滑移区在滑移面上的边界线/交线。

1934年由Taylor,OrowanandPolyaniTaylor,OrowanandPolyani三人几乎同时提出。

位错的基本类型和特征位错的基本类型和特征线缺陷线缺陷（LinearDefects=Dislocations）位错的类型：

刃型位错和螺型位错（几何结构来看）。

1刃型位错（Edgedislocation）刃型位错的结构图：

含有刃型位错的晶体结构Interatomicbondssignificantlydistortedinimmediatevicinityofdislocationline.（Createssmallelasticdeformationsoflatticeatlargedistances.）Areacalleddislocationcore.Dislocationsaffectmechanicalproperties.Discoveryin1934byTaylor,OrowanandPolyanimarkedbeginningofourunderstandingofmechanicalpropertiesofmaterials.刃型位错结构的刃型位错结构的特点特点：

1）刃型位错有一个额外的半原子面。

一般把多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃型位错，记为“”；而把多出在下边的称为负刃型位错，记为“”。

其实这种正、负之分只具相对意义而无本质的区别。

2）刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。

它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量，如图3.2所示。

3）滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其它面上不能滑移。

由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。

4）晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。

就正刃型位错而言，滑移面上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力；负刃型位错与此相反。

5）在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。

但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。

2螺型位错（Screwdislocation螺型位错的结构特点：

螺型位错螺型位错1）螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。

2）根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错。

柏氏矢量与位错线同向为右旋，反向为左旋。

3）螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。

4）纯螺型位错的滑移面不是唯一的。

凡是包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面。

但实际上，滑移通常是在那些原子密排面上进行。

5）螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变，但是，只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不会引起体积膨胀和收缩，且在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。

6）螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。

螺型位错具有以下特征特征：

BurgersVectorDescribeDislocations（1939）Burgersvector,b,describessize+directionoflatticedistortionbyadislocation.Makeacircuitarounddislocation:

gofromatomtoatomcountingthesamenumberofatomicdistancesinbothdirections.VectorneededtocloseloopisbbBurgersvectorabovedirectedperpendiculartodislocationline.Thesearecallededgedislocations.ScrewdislocationlEdgedislocation:

Burgersvectorperpendiculartodislocationline.lScrewdislocation:

Burgersvectorparalleltodislocationline.bScrewdislocation除了上面介绍的两种基本型位错外，还有一种形式更为普遍的位错，其柏氏矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度，这种位错称为混合位错。

3混合位错（Mixeddislocation）混合位错由于位错线是已滑移区与未滑移区的边界线。

因此，位错具有一个重要的性质：

即一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。

若它终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。

形成封闭线的位错称为位错环，如下图所示。

图中的阴影区是滑移面上一个封闭的已滑移区。

显然，位错环各处的位错结构类型也可按各处的位错线方向与滑移矢量的关系加以分析，如A，B两处是刃型位错，C，D两处是螺型位错，其他各处均为混合位错。

晶体中的位错环tbt4.位错的运动（MotionofDislocation）位错的最重要性质之一：

它可以在晶体中运动，而晶体宏观的塑性变形是通过位错运动来实现的。

晶体的力学性能如强度、塑性和断裂等均与位错的运动有关。

因此，了解位错的运动的有关规律，对于改善和控制晶体力学性能是有益的。

位错的运动方式有两种最基本形式：

滑移和攀移。

位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移（小于一个原子间距）而逐步实现的.刃型位错刃型位错的运动方向始终垂直垂直位错线而平行平行柏氏矢量。

刃型位错的滑移面就是由位错线与柏氏矢量所构成的平面，因此刃型位错的滑移限于单一的滑移面上。

位错的滑移位错的滑移（Slip）SlipBurgersvectorDislocationlineSlipplaneb运动方向位错线刃型位错的滑移过程位错的攀移（Climb）刃型位错除了可以在滑移面上滑移外，还可以在垂直于滑移面的方向上运动，即发生攀移。

通常把多余半原子面向上运动称为正攀移，向下运动称为负攀移，如下图所示。

由于攀移伴随着位错线附近原子增加或减少，即有物质迁移，需要通过扩散才能进行。

故把攀移运动称为非守恒运动；而相对应的位错滑移为守恒运动。

位错攀移需要热激活，较之滑移所需的能量更大。

对大多数材料，在室温下很难进行位错的攀移，而在较高温度下，攀移较易实现。

位错的攀移Climb螺型位错运动时，螺型位错的移动方向与位错线垂直垂直，也与柏氏矢量垂直垂直。

对于螺型位错，由于位错线与柏氏矢量平行，故它的滑移不限于单一的滑移面上。

对于螺型位错，由于所有包含位错线的晶面都可成为其滑移面，因此，当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移交滑移。

如果交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的滑移面上继续运动，则称为双交滑移双交滑移。

螺位错xy的交滑移a）滑移面为A面b）交滑移到B面c）再次交滑移到A面abc5.WheredoDislocationsComeFrom?

DislocationdensitydislocationLength/VolumeORnumberofdislocationsintersectingaunitarea.cm/cm3or1/cm2.105cm-2incarefullysolidifiedmetalcrystals；1012cm-2inheavilydeformedmetals.Mostcrystallinematerialshavedislocationsduetostressesassociatedwiththeformingprocess.Numberincreasesduringplasticdeformation.Pictureissnapshotfromsimulationofplasticdeformationinafccsinglecrystal（Cu）.6.位错的观察（DislocationsinCrystals）位错影片位错影片7.7.位错的应变能位错的应变能（EnergyofDislocations）ElasticStrainEnergy:

EXAMPLE-（Screwdislocation）bbDislocationlinel2prrqg=tgq=b/2prt/sg/eW/V=1/2tg=1/2ser0R单位长度螺型位错（Screwdislocation）的弹性应变能：

g=b/2r，=Gg=Gb/2rdW=（1/2）g