24
4 GRAIN REFINEMENT HARDENING
金属的晶粒越细，单位体积金属中晶界和亚晶 界面积越大 金属的强度越高 这就是细晶强化 界面积越大，金属的强度越高，这就是细晶强化。
Grain boundaries act as barriers to dislocation motion. What is grain boundary?
图 晶体位错密度和强度关系示意图
STRENGTHENING (HARDENING)
MECHANISMS
Strength ≡ restricted dislocation motion!!! 1. Work hardening 2. Solute strengthening 3 Precipitate strengthening 3. 4. Grain refinement strengthening
11
2）屈服现象
许多金属由弹性变形向塑性变形的过渡是逐步的，它们的 应力-应变曲线是光滑的。但有些金属的应力-应变曲线在 弹塑性转变处有明显的负荷突变，最常见的例子是低碳钢。
12
低碳钢的屈服现象
吕德斯带： 如果拉伸所用的试样表面是磨光的，我们可以看到当达到上屈服 如果拉伸所用的试样表面是磨光的 我们可以看到当达到上屈服 点时，试样上只有一部分发生了塑性形变，这个变形带随后在试 样上扩展，引起长度的增加，这个局部的变形带被称为吕德斯带。 屈服平台的形变就是吕德斯带的发生与扩展造成的。因此试样在 整体上变形是不均匀的。
3
1 Work hardening
Why do the steels become harder after forged by the hammer?
4
加工硬化的强化方法的局限性
|
加工硬化的方法并非在任何条件下都适用，如对大型 工件就没有办法冷加工 加工硬化对强度的提高也有一定的限度，因为这种方 法是靠消耗掉一部分塑性和韧性的储备来达到的 因 法是靠消耗掉一部分塑性和韧性的储备来达到的，因 而有相当的局限性。
17
Long range interaction
1 Coherency strains 1. • There are long range stress fields around coherent precipitates p p
Coherent particle
A small Coherent precipitate
9
间隙固溶原子较置换固溶原子强化效果更强
Three features of interstitial solutes in bcc metals make them powerful hardening agents: They have very large stress fields around them, so they can lower energy by “sitting” at dislocation cores The stress fields have both shear and dilatational components, so they pin both edge and screw dislocations They can diffuse rapidly, even at room temperature, so they can find the dislocations in hours or days
16
3 PRECIPITATES HARDENING （析出强化）
Interaction between precipitates and dislocation 1 L 1. Long range interaction i t ti (Long (L range stress t fields fi ld of f precipitates interact with dislocation stress fields) 2. “Cutting” interaction 3. . “By y pass pass” interaction nt ract on Precipitates with “hard” crystal structures act as local blocks to d l dislocations Precipitates are on the slip plane of a dislocation
Low angle grain boundary High angle grain boundary
Slip plane of dislocation
Grain boundary
22
“By pass” interaction
If the precipitates are incoherent with the matrix, too hard or too big to be cut?
Bowing round precipitates. (“Orowan mechanism”) • Dislocation curvature increases on bypassing precipitates
屈服现象本质（Cottrell气团理论 ）： • 溶质或杂质原子与位错作用形成Cottrell C tt ll气团，钉扎住位 气团 钉扎住位 错（尤其是间隙溶质原子）。 • 位错运动必须在更大应力作用下挣脱Cottrell C ll气团钉扎而 运动，从而形成上屈服点； • 位错挣脱钉扎后运动较容易，造成应力降落，出现下屈服 点。
23
“By pass” interaction
¾绕过机制： 基体与中间相的界面上存在点阵畸变和应力场，成为位错滑 动的障碍。滑动位错遇到这种障碍变得弯曲，随切应力加大， 位错弯曲程度加剧，并逐渐成为环状。由于两个颗粒间的位 错线段符号相反 它们将断开 形成包围小颗粒的位错环 错线段符号相反，它们将断开，形成包围小颗粒的位错环。 位错则越过颗粒继续向前滑动。随着位错不断绕过第二相颗 粒，颗粒周围的位错环数逐渐增加，对后来的位错造成更大 的阻力。
Strain field of an edge dislocation
6
SOLUTE STRENGTHENING OF ELEMENTS
Atomic radius (Å) (angstrom): Fe: 1.29 P: 1.10 Si: 1.17 Mn: 1.12 Mo:1.40 Ni: 1.25
第三章
力学性能
II
强化机制
要提高晶体强度，减少位错？增加位错？
位错是热力学不稳定的晶格缺陷，所以存在着生长出完全无位错 晶体的可能性。 一旦在晶体中形成位错，往 往组成在力学上稳定的网络， 往组成在力学上稳定的网络 不能完全消除。 “晶须”：是现在能制备出含 位错密度最低的 种材料，其 位错密度最低的一种材料，其 位错密度仅为10m/cm3；强度很 高，但尺寸极细，直径仅为若 干微米。
I t f Interface
19
NO LONG-RANGE INTERACTION BETWEEN NON-COHERENT PRECIPITATE AND
DISLOCATION
非共格析出物与位错没有长程作用
Non-coherent precipitate
20
“Cutting” g interactions
|
5
2 Solute strengthening
固溶强化 即加入合金元素到金属基体中形成固溶体以强化金属 固溶强化：即加入合金元素到金属基体中形成固溶体以强化金属。
Solid solution strengthening occurs when the strain fields around misfitting ttin solutes interfere with the motion of dislocations dislocations.
| | |
溶质原子与溶剂原子尺寸相差越大，强化作用越大。 溶质原子的原子分数越高，强化作用越大。 间隙固溶原子较置换固溶原子强化效果更强 间隙固溶原子较置换固溶原子强化效果更强。
8
1）固溶强化理论
A. 位错钉扎机制 位错被可运动的溶质原子钉扎住而造成强化，它主要 在合金开始屈服时起作用。 包括与溶质原子弹性交互作用、电学交互作用、化学 包括与溶质原子弹性交互作用 电学交互作用 化学 交互作用和近程有序等几种情况。弹性交互作用为 主要作用。 这些现象都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形 变得更加困难，从而提高了金属的强度。 柯氏气团 史氏气团
Hale Waihona Puke 18Strain field of coherent precipitate
Long range interaction
2 Semi-coherent 2. Semi coherent precipitates • Long and short-range interactions with interfacial dislocations
¾切过机制： 位错与颗粒之间的阻力较小时，直接切过第二相颗粒，结果 硬颗粒被切成上下两部分，并在切割面上产生位移，颗粒与 基体间的界面面积增大，需要做功。并且，由于第二相与基 体结构不同，位错扫过小颗粒必然引起局部原子错排，这也 会增加位错运动的阻力，从而使金属强化。
21
“Cutting” interactions
应变时效
1
2
低碳钢的应变时效
应变时效现象： •退火态低碳钢试样拉伸超 过屈服点发生少量塑性变形 后卸载，若立即重新加载拉 伸，其拉伸曲线不再出现屈 服现象（曲线1）。 •若将预变形试样常温下放 置几天或经200℃短时加热 后再拉伸，又出现屈服现象， 且屈服应力进一步提高（曲 线2）。
15
应变时效机理 应变时效机理： • 卸载后立即重新加载，位错已经挣脱出气团的钉扎， 故不出现屈服点。 故不出现屈服点 • 如果卸载后放置较长时间或经加热则溶质原子通过扩 散而重新聚集到位错周围形成气团，故屈服现象又复 出现。