how materials are shaped
the chemical makeup of a material
——强化
材料塑性变形的微观机理 •常温(室温或不太高温度)
位错滑移
机械孪生
•较高温度 (T > 0.3Tm)
(1)位错滑移 (2)位错交滑移及攀移 (3)原子扩散 (4)晶界相对滑动
一、理论屈服强度
晶界强化/细晶强化
(4)三维缺陷——第二相质点 沉淀强化/弥散强化 •纯金属单晶体 •常规多晶金属材料 ——多重强化 低碳钢淬火处理：马氏体强化 固溶强化＋加工硬化
(固溶C原子) (高密度位错)
四、点钉扎强化的一般规律
• 钉扎点与点钉扎强化
——阻碍位错运动障碍物的几何尺寸远远小于障碍物间距 ——钉扎点阻碍位错运动 固溶原子、林位错或第二相粒子
（ 2）
th
x<b/2—— 弹性变形
按照Hooke定律
x a
s
Gb 2a
G 2
G G
因原子间斥力的短程性，能量曲线不是正弦形的，所以， 上述估计值过高，实验测定的切变强度比理论切变强度低2~4 个数量级。
？
二、塑性变形的位错理论 塑性变形是通过位错的移 动来完成。 位错移动将理想晶体中 相邻两层原子的一致性相对 切动转化成局部切动，因此 降低了所需作用应力。
均匀分布钉扎点的强化效果
C 2T cos 2 C lb
l 2rcos 2
C
不均匀分布钉扎点的强化效果 •强钉扎
Friedel计算机模拟
——Fmax/2T ≥0.6，则φC <100º
2T cosC 2 Fmax C 0.8 0.8 lb lb
图8-2 单位长度的位错中心区错排 能随着位错中心位置x的变化规律
刃位错原子错排能随位错中心位置变化
Gb 4w πx U x exp sin π1 b b 式中， x为位错中心位置坐标
2
d 2w为位错中心区宽度 w 21
P ( xx yy zz ) / 3
第八章 金属材料的屈服与强化
材料学院 叶荣昌
主要内容及要求
1.了解材料的理论屈服强度
2.了解位错移动的点阵阻力及其与材料中各种缺 陷的交互作用
3.掌握点钉扎的强化机理 4.掌握固溶强化、第二相强化、加工硬化、晶界 强化的机制
5.掌握时效过程中强度变化规律性及其原因
强度
安全 范围
变形抗力
断裂抗力
反映材料抵抗弹性 变形的能力，用弹 性极限σe表示。
3、温度对晶格阻力影响
位错形成双弯跨越Peierls势垒示意图
•温度极低时，位错整体越过Peierls势垒。 •温度升高，热激活能使位错线局部率先跨越Peierls势垒， 形成双弯折，通过其侧向移动使整条位错越过势垒，位错移 动阻力明显降低。
•FCC金属，P-N力很低，温度影响很小
•陶瓷材料，位错双弯形成能过高，在通常温度下热激活能 不够，P-N力始终保持高值，位错难于滑移 •BCC金属，P-N力受温度影响大 ——存在韧 - 脆转变，脆化温 度对应于P－N力开始发挥主导 作用的温度。
三、位错运动的阻力
晶体中位错运动的阻力来源于位错中心区的原子错排能及 中心区以外的弹性应变能。
P- N d
•位错移动的晶格阻力τ P-N
——Peierls-Nabarro力，简称P-N力，是位错移动的 基本阻力，与晶格中原子排列方式密切相关，是位错 中心从一个平衡位置移动一个柏氏矢量的距离到达下 一个平衡位置过程中遇到的阻力。
极端情况：Fmax ≥ 2T，φC＝0
•弱钉扎 ——Fmax/2T <0.6 ，即φC >100º
C
2T cos
3 2
lb
C 2 Fmax Fmax
lb 2T
1
2
点钉扎强化例——固溶强化
——合金元素固溶于基体相中形成固溶体而使其强化 溶质原子在尺寸、弹性模量、电子浓度、化学性 质等方面与基体存在差异，导致晶格畸变。 当位错经过其附近时，二者之间发生交互作用， 系统能量变化：1+1<2，对位错移动造成阻力，产生 强化。 •弹性交互作用 •静电交互作用
• 强化效果分析
一条在滑移面上移 动的位错，遇到钉扎 点而被钉扎住。 在外力作用下，位 错段发生弯曲。
点钉扎示意图
——定性分析
弱钉扎
强钉扎
——定量分析
钉扎点Q处位错元受力分析
2T cos FQ 2
位错段上位错元受力分析
点钉扎示意图
br T
Fmax 2Tcos c 2τ cbrcos C 2 2
预防塑性变形失效的措施： ——提高构件的承载能力 •增加构件尺寸
•增加强度储备

其中，
s
n
影响材料塑变抗力的因素：
mechanical, physical and chemical properties
how materials are made
the arrangement of atoms Fig.1 The tetrahedron of materials science and engineering (MSE) 几乎所有的金属材料都可以通过合金化改变其成分，通过热处 理改变其微观组织结构，从而达到调整材料塑变抗力的目的。
弹性变 形抗力
塑性变 形抗力
反映材料抵抗塑 性变形的能力
初始塑性 变形抗力
继续塑性 变形抗力 抗拉强度σb对应 材料的最大均匀 塑性变形抗力。
屈服强度 σs或σ0.2
塑性变形的危害
机械传动 化工设备
塑性变形的工程意义
• •
提高工件抵抗的过载抗力
松弛应力集中，使应力重新分配
•
保证工件在特殊条件（环境）中的安全运行 塑性加工成型，如锻、轧、冲压、拉拔等
晶格阻力的影响因素： P- N
2G 4w exp 1 b
w
•位错的中心区宽度
d 21
•位错Burgers矢量 b 1、位错滑移必然采取使晶格阻力降至最低的方式 ——滑移面为最密排面、滑移方向为最密排方向
面心立方晶体 • 滑移面： {111} • 滑移方向：<-110>
体心立方晶体 • 滑移面： {110} • 滑移方向：<-111>
2、结合键类型及晶体结构的影响 (1)金属键材料 ——FCC结构金属，位错的中心宽度较大，P-N力低 ——BCC结构金属，位错的中心宽度较小，P-N力较高 (2)离子键材料 ——P-N力很高 •位错的柏氏矢量因异号离子的静电作用而较大 •位错的中心宽度很小 (3)共价键材料 ——P-N力很高 •共价键方向性原子排列不致密，位错的柏氏矢量较大 •位错的中心宽度很小 (4)金属间化合物材料 ——P-N力介于金属与陶瓷之间 •位错中心宽度较小，柏氏矢量也较大
Pd80Si20非晶合金的弹性 应力－应变曲线
位错运动引起的塑性变形 ——位错运动引起滑移面两侧产生相对位移b，从而产生永久变 形，这是塑性变形的根本原因。
切应变
p Vb x
p Vbv 切变速率
塑性变形与材料内部 位错的运动密切相关
注：该关系对螺、刃位错都成立；但攀移引起的应变是正应变
•点缺陷
——在三维空间尺寸很小，与原子大小相同的数量级，相对于整 个晶体来说，可以看成是零维的
——空位、间隙原子（自间隙型、杂质型）、置换型杂质原子
•线缺陷
——严重畸变范围是线型的，二个方向上的尺寸很小，第三 个方向上的尺寸却很大，如位错 位错—晶体中某处有一列或 若干列原子发生有规律的错排
•面缺陷
——一个方向上尺寸很小，其余两个方向上的尺寸则很大， 如晶体的外表面，各种内界面（晶界、孪晶界、亚晶界、相 界、层错等）。
金
属
真空各 空气种 外 部 介 质
孪 晶 及 孪 晶 界
亚 晶 及 亚 晶 界
•体缺陷
——三个方向上的尺寸都较大，如第二相粒子
各类晶体缺陷的强化方式
(1)零维缺陷——点缺陷 (2)一维缺陷——位错 (3)二维缺陷——界面 固溶强化 加工硬化
•化学交互作用
（一）位错与溶质原子的弹性交互作用
(a) spherical distortion
(b) tetragonal distortion
——产生球对称畸变的溶质原子 与刃位错存在较大相互作用，与 螺位错相互作用较小。
——产生非球对称畸变的溶质原 子与刃位错及螺位错 均存在较大 相互作用。
•
塑性变形失效的原因：
——载荷与温度变化 •2010年11月18日上午9时15分许， 嘉兴发电厂三期码头取水口工地，43 岁的湖北黄石人范声家在水下钻孔钢 护筒内作业时，因海水涨潮，水压增 大，致使护筒突然发生变形。 •出事的钢护筒位于一座向海面延伸的 平台中，平台高出海平面6米。 •护筒整体长24米，除了连接平台的6 米位于海平面以上外，护筒有18米的 筒身位于海平面以下。 •发生变形的位置在平台以下8至10米 的位置，直径1米的筒体最窄的地方 已经被压到了只有3厘米宽。
相互作用的一个重要结果是产生气团，即为了减小体系的相互作 用能，溶质原子向位错线附近聚集。 •Cottrell气团 •置换型溶 质原子
•间隙型溶 质原子 •Snoek气团 ——间隙溶质原子在螺型位错周围形成局部有序化分布
1、尺寸效应 •球对称畸变固溶强化 ——考虑置换式固溶原子与刃位错的交互作用，且只考虑固溶原 子与基体原子之间的尺寸差作用。 刃位错应力场的水静压力为
max
U x