材料强化理论及应用课件.ppt
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1、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
2、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: a typical automobile may contain the following materials:steel: 1530kg, cast iron: 350kg, rubber: 60kg, plastic: 55kg, glass: 52kg,aluminium: 30kg, zinc: 26kg, copper: 16kg, lead: 15kg, ceramics, wood, etc. in smaller quantities.Example: a typical automobi
3、le may contain the following materials:steel: 1530kg, cast iron: 350kg, rubber: 60kg, plastic: 55kg, glass: 52kg,aluminium: 30kg, zinc: 26kg, copper: 16kg, lead: 15kg, ceramics, wood, etc. in smaller quantities.Engineering MaterialsMetallicNon-MetallicFerrousNon-ferrousSteelsPlain carbonAlloyCast ir
4、onGrayWhiteDuctileMalleableAluminium Copper Magnesium Zinc Lead Nickle, TinOrganicInorganicPlastics Wood Paper Rubber LeatherPetroleumproducts MineralsCementite GlassCeramicsGraphite 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,
5、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Theory of dislocation点缺陷(Point defects) 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, Orowan and PolyaniTaylor, Orowan and Polyani 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 ( (Linear Defects = Dislocations ) )位错的类型:刃型位错和螺型位错(几何结构来看)
6、 。1刃型位错(Edge dislocation) 刃型位错的结构图:含有刃型位错的晶体结构Interatomic bonds significantly distorted in immediate vicinity of dislocation line. (Creates small elastic deformations of lattice at large distances.)Area called dislocation core. Dislocations affect mechanical properties. Discovery in 1934 by Taylor,
7、Orowan and Polyani marked beginning of our understanding of mechanical properties of materials. 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
8、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(Screw dislocation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
9、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:Burge
10、rs Vector Describe Dislocations(1939) Burgers vector, b, describes size + direction of lattice distortion by a dislocation. Make a circuit around dislocation: go from atom to atom counting the same number of atomic distances in both directions. Vector needed to close loop is bbBurgers vector above d
11、irected perpendicular to dislocation line. These are called edge dislocations.Screw dislocationlEdge dislocation: Burgers vector perpendicular to dislocation line.lScrew dislocation: Burgers vector parallel to dislocation line.bScrew dislocation 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
12、交成任意角度,这种位错称为混合位错。3混合位错(Mixed dislocation)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 (Motion of Disl
13、ocation) ) 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)
14、SlipBurgers vectorDislocation lineSlip planeb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
15、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.Where do Dislocations Come From ?Dislocation density dislocation L
16、ength/ Volume OR number of dislocations intersecting a unit area. cm/cm3 or 1/cm2.105 cm-2 in carefully solidified metal crystals; 1012 cm-2 in heavily deformed metals.Most crystalline materials have dislocations due to stresses associated with the forming process. Number increases during plastic de
17、formation. Picture is snapshot from simulation of plastic deformation in a fcc single crystal (Cu).6. 位错的观察(Dislocations in Crystals)位错影片位错影片7. 7. 位错的应变能位错的应变能( (Energy of Dislocations) ) Elastic Strain Energy : EXAMPLE-(Screw dislocation)bbDislocation linel2prrqg = tgq = b/2prt/sg / e W/V =1/2 tg =
18、 1/2 se r0R单位长度螺型位错(Screw dislocation)的弹性应变能:g = b/2r, =G g = G b/ 2rdW=(1/2) g dV,dV= (2r d r)l0W dW = (1/l) (Gb2/4 ) (r0R dr /r) WS = (Gb2/4 ) ln (R/r0) = a Gb2r0-位错中心区的半径,R-位错应力场作用半径。单位长度刃型位错(Edge dislocation)的弹性应变能: W E= Gb2/4 (1-) ln (R/r0) = a Gb2 -Posson ratio=0.3 0.4 W E= WS / (1-) =1.5 WSW
19、= a Gb2 , a = 0.5 1.0 位错的能量与柏氏矢量的平方成正比,柏氏矢量越小,位错能量越低,在晶体中越稳定.8. 位错的线张力(Tension force of Dislocation)Surface energy = Surface tension,J m-2 = Nm m-2 = N m-1 dsb ds =2Tsin (dq /2)ds = r dq , sin (dq /2)= dq /2 b = T/r Gb2/2r( 曲线位错的线张力:T KGb2, 螺位错K=1,韧位错K=1- ) = Gb/2r曲率半径r与成反比.t brTTdq9. 相互作用 韧型位错的应力场与
20、间隙原子或置换原子发生弹性相互作用,吸引这些原子向位错区偏聚降低晶格的畸变能,同时使位错难于运动造成金属的强化。Interaction between extra-toms and dislocation 运动位错的交截/交割 当一位错在某一滑移面上运动时,会与穿过滑移面的其它位错交割。位错交割时会发生相互作用,这对材料的强化、点缺陷的产生有重要意义。 在位错的滑移运动过程中,其位错线往往很难同时实现全长的运动。因而一个运动的位错线,特别是在受到阻碍的情况下,有可能通过其中一部分线段(n个原子间距)首先进行滑移。若由此形成的曲折线段就在位错的滑移面上时,称为扭折;若该曲折线段垂直于位错的滑移面
21、时,称为割阶。 扭折和割阶也可由位错之间交割而形成。刃型位错的割阶割阶部分仍为刃型位错,而扭折扭折部分则为螺型位错;螺型位错中的扭折和割阶线段,由于均与柏氏矢量相垂直,故均属于刃型位错。 运动位错交割后,每根位错线上都可能产生一扭折或割阶,其大小和方向取决于另一位错的柏氏矢量,但具有原位错线的柏氏矢量具有原位错线的柏氏矢量。所有的割阶割阶都是刃型位错,而扭折扭折可以是刃型也可是螺型的。 另外,扭折扭折与原位错线在同一滑移面上,可随主位错线一道运动,几乎不产生阻力,而且扭折在线张力作用下易于消失。但割阶割阶则与原位错线不在同一滑移面上,故除非割阶产生攀移,否则割阶就不能跟随主位错线一道运动,成为
22、位错运动的障碍,通常称此为割阶硬化割阶硬化。 1)两个韧性位错交截(柏氏矢量相互垂直)2)两个韧性位错交截(柏氏矢量相互平行)把处于位错原滑移面上的割阶称为“扭折”,由于扭折能沿着原滑移面移动,因此不影响位错的滑移.3)韧性位错和螺型位错交截刃位错AB产生割阶PP而螺位错CD产生割阶QQ,显然,PP和QQ都属于刃型.第二章 材料强韧化的位错机制 (Dislocation mechanism of Strengthening and Toughening for materials)pt2Gm=(1) 材料的强度主要取决于构成晶体的原子(还包括离子、分子等,下文一律用原子代替)之间的结合力结合力
23、。这种结合力随原子性质和结合键的性质而有差异。依据原子间的作用能和外加作用力的关系,弗兰克尔(1926年)从分析完整金属晶体中相邻上、下两排原子在切应力作用下发生刚性相对位移刚性相对位移时(图1)原子势能的变化中,推导出晶体的理论剪切强度(Shearing Strength)为:abx原子层相对位移时的作用力 =m sin(2x/b) = m 2x/b; = G= Gx/a; m=(G/ 2)(b/a)= G/ 2; a 原子层的间距,b为位移方向的原子间距(ab) ,切应力, 是原子位移x的正弦函数, m 晶体的理论剪切强度, G为切变模量(shear modulus)。图1 晶体的刚性滑移
24、(rigid slip) 实际试验测量出的剪切强度与理论剪切强度相差4个数量级。(表1)所示为几种金属晶体的理论切应力与实测值的比较。 表1 某些金属晶体的理论切应力与实测值的比较金属切变模量G/MPa理论切应力m/MPa实际切应力/MPaAl2440038300.786Cu4070064800.490-Fe68950109602.75 材料的理论强度和实际强度之间的差异与晶体的结构完整性(即晶体缺陷Crystal defects)有关。 材料的弹性模量(Youngs modulus, elastic ratio)一般不随晶体结构完整性的变化而变化,但材料的强度、塑性、韧性等力学性能除与键的强
25、度有关外,还与晶体结构的完整性密切相关,即受晶粒、亚晶粒尺寸、第二相特征、晶体缺陷密度等因素影响,这些影响都可以用位错作用机制来解释。 图2为在外力作用下位错运动的示意图。位错区周围原子为1、2、3、4、5,位错中心处于2处,3-4,1-5原子对各在其两侧。图2 位错参与的滑移过程(a ) ( b) ( c ) ( d ) 当施加切应力时(图2b),滑移面上、下方原子沿切应力方向发生相对位移,位错中心处原子2由于能量高,位移量更大些,使原子2与4的距离逐渐接近,而原子3与4则距离拉大,当应力增大时(图2c),2与4的距离进一步接近,以至结合成为原原子对子对,这样位错中心就被推向相邻的原子位置3
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