机械工程材料(精品课件)04第四章 金属的塑性变形与再结晶[研究材料]
第四章金属及合金的塑性变形与再结晶-课件

强度极限B
4.1 金属与合金的塑性变形
颈缩阶段
强化阶段
◆屈服点
4.1 金属与合金的塑性变形
概念:力不增加仍能继续伸长时的应力。用符号:s 表示
◆抗拉强度
s
Fs A0
概念:试样拉断前所承受的最大拉应力。用符号:b表示注:s 、Βιβλιοθήκη b 是设计与选材的重要依据b
Fb A0
另:e 表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力。
说明:伸长率和收缩率在实际应用中,一般是用表示塑性大小。 、 Ψ越大,
材料的塑性越好。通常认为<5%脆性材料。
4.1.2 单晶体金属的塑性变形
4.1.2 单晶体金属的塑性变形
单晶体的塑变的主要形式 滑移 孪晶
4.1.2 单晶体金属的塑性变形
滑移:在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿着 一定的晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)产生相对位移, 且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。
精品
第四章金属及合金 的塑性变形与再结 晶
主要内容:
第四章 金属及合金的塑性变形与再结晶
4.1 金属及合金的(冷)塑性变形 4.2 塑性变形对金属组织和性能的影响 4.3 金属与合金的回复与再结晶 4.4 金属的热加工 4.5 固态金属中的扩散
4.1 金属与合金的塑性变形
4.1.1 应力应变曲线和力学性能指标
4.2 塑性变形对金属组织和性能的影响
二、对性能的影响 1. 对力学性能的影响(加工硬化) (1)加工硬化(形变强化、冷作强化):随变形量的增加, 材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。 强化金属的重要途径; (2)利弊
常只是原子间距的几分之一;滑移:变形时,滑移距离则是原于间距的 整倍数。 3.孪生:晶体变形部分的位向发生变化,并且孪晶面与未变形部分对称;滑 移:晶体位向并不发生变化。 4.孪生和滑移一样并不改变晶体的点阵类型。 5. 孪生临界分切应力值大,因此,只在很难滑移的条件下,晶体才发生孪 生。
工程材料与热处理 第4章 金属的塑性变形与再结晶

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残余内应力的利用
生产中有意控制 残余内应力的分 布,使其与工作 应力方向相反, 可以提高工件的 力学性能。 右图是钢板弹簧 的例子。
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4.3 冷变形金属在加热时的组织与性能变化
金属经塑性变形后,组 织结构和性能发生很大 的变化。如果对变形后 的金属进行加热,金属 的组织结构和性能又会 发生变化。随着加热温 度的提高,变形金属将 相继发生回复、再结晶 和晶粒长大过程。
滑移线
200Å
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一、滑移
滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面 (密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向) 进行, 这是由于密排面之间、密排方向之 间的间距最大,结合力最弱。因此滑移面 为该晶体的密排面, 滑移方向为该面上的 密排方向。
12
Байду номын сангаас
滑移系
一个滑移面与其上的一 个滑移方向组成一个滑 移系。如体心立方晶格 中, (110)面和[111 ]晶向 即组成一个滑移系。 滑移系越多, 金属发生 滑移的可能性越大, 塑 性就越好。
{110}
<111>
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金属三种常见晶格的滑移系
晶格类型 滑移面 滑移方向 滑移系数目 体心立方 晶格 {110} 6个 <111> 2个 6*2=12 面心立方 晶格 {111} 4个 <110> 3个 4*3=12 密排六方 晶格 {0001} 1个 <1120> 3个 1*3=3
14
滑移系
24
四、多晶体的塑性变形
第二个要注意的问题是晶 界的影响。晶界是原子排 列不规则的地方,它对位 错的移动有阻碍作用,要 想使位错通过晶界,外界 必须对它施加更大的力, 所以晶界处的强度比晶内 高。
塑性变形与再结晶PPT课件

纯铁滑移线
纯锌机械孪晶
纯铁机械孪晶
形变孪晶的产生与金属的点阵类型和层 错能高低等因素有关,如密排六方金属 (Zn,Mg等),易以孪生方式变形而产生 孪晶,层错能低的奥氏体不锈钢亦产生 形变孪晶。
工业纯铁为体心立方金属,它只有在 0℃以下受冲击载荷时,才易产生孪晶。
晶粒形貌的变化
随着变形度的增加,等轴晶将逐渐沿变形 方向伸长。
影响再结晶的因素
变形度:变形度越大,储能增加,再结晶驱 动力越大,再结晶温度越低,同时等温退火 时的再结晶速度越快,但当变形量大到一定 程度后,再结晶温度基本稳定。在给定温度 下,发生再结晶需要一个最小变形量(临界 变形度)低于此变形度,不发生再结晶。同 时,变形度越大,得到的再结晶晶粒越细。
当变形程度和退火保温时间一定时,退 火温度越高,再结晶速度越快,产生一
定体积分数的再结晶所需要的时间越短, 再结晶后的晶粒越粗大。
变形度70%+400℃ 退火小时
变形度70%+450℃ 退火小时
变形度70%+500℃ 退火小时
变形度70%+600℃ 退火小时
变形度70%+850℃ 退火小时
层错能低的晶体容易形成退火孪晶。
实验步骤
观察并描绘纯铁冷变形的滑移线。 观察低碳钢经5%,10%,20%,50%,70%
变形度变形后的显微组织,并描绘其组织特 征。 观察低碳钢经5%,10%,20%,30%,70% 六种变形度变形后在850 ℃退火半小时后组织, 并用割线法测得其晶粒度。 观察低碳钢经70%变形度在400 ℃ ,450 ℃, 500 ℃,600 ℃,850 ℃退火半小时后的试样, 从中找出再结晶后晶粒大小与退火温度之间 的定性关系。 观察并描绘黄铜的退火孪晶。
金属材料的塑性变形与再结晶课件

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金属材料的塑性变形 与再结晶课件
目 录
• 金属材料的塑性变形 • 金属材料的再结晶 • 金属材料塑性变形与再结晶的应用 • 金属材料塑性变形与再结晶的实验研究方法 • 金属材料塑性变形与再结晶的理论模型
PART 01
金属材料的塑性变形
塑性变形的基本概念
塑性变形
金属材料在受到外力作用时发生的不可逆的形状变化。
END
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再结晶的定义
再结晶是指在金属加工过程中,由于温度变化或外力作用,使得 金属内部发生晶格重构的过程。
再结晶的基本类型
包括静态再结晶、动态再结晶等,不同类型的再结晶过程对金属的 性能有不同的影响。
再结晶过程的驱动力
理论模型能够解释再结晶过程的驱动力,从而预测再结晶发生的条 件和过程,指导金属的加工和热处理过程。
石油化工设备如压力容器、管道等需 要承受高压和腐蚀介质,因此需要使 用经过塑性变形和再结晶处理的金属 材料。
航空航天
飞机和火箭等航空航天器的制造过程 中,需要使用经过塑性变形和再结晶 处理的金属材料,以确保其轻量化和 高强度。
金属材料塑性变形与再结晶的发展趋势
新材料的研发
随着科技的发展,新型金属材料 不断涌现,如高强度轻质合金、 纳米材料等,为金属材料的塑性 变形和再结晶提供了更多可能性。
实验原理
基于金属材料的物理和化学性质,利用各种实验手段观察和分析 金属材料在塑性变形和再结晶过程中的行为。
实验步骤
选择合适的金属材料,进行塑性变形和再结晶实验,收集实验数 据,进行结果分析和解释。
金属材料塑性变形的实验研究方法
拉伸实验 通过拉伸实验可以测量金属材料的屈服强度、抗拉强度和 延伸率等力学性能指标,同时观察金属材料在拉伸过程中 的变形行为。
工程材料与热处理 第4章 金属的塑性变形与再结晶

一、滑移
滑移只能在切应力 作用下才会发生, 不同金属产生滑移 的最小切应力(称 滑移临界切应力) 大小不同。钨、钼、 铁的滑移临界切应 力比铜、铝的要大。
10
一、滑移
由于位错每移出 晶体一次即造成 一个原子间距的 变形量, 因此晶 体发生的总变形 量一定是这个方 向上的原子间距 的整数倍。
滑移带
17
二、位错滑移机制
通过位错的移动实现滑移时: 1、只有位错线附近的少数原子移动; 2、原子移动的距离小于一个原子间距; 所以通过位错实现滑移时,需要的力较小;
18
二、位错滑移机制
金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的, 而滑移又是通过位错的移动实现的。所以, 只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进 行,从而提高了塑性变形的抗力,使强度 提高。金属材料常用的五种强化手段(固 溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、 淬火强化)都是通过这种机理实现的。
35
链条板的轧制
材料为Q345(16Mn) 1200 钢 的自行车链条经 1000 过五次轧制,厚度由 3.5mm压缩到1.2mm, 800 总变形量为65%,硬 600 度从150HBS提高到 400 275HBS;抗拉强度从 200 510MPa提高到980MPa; 0 使承载能力提高了将近 一倍。
滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大, 所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金 属的塑性更好。 金、银、铜、铝等金属的塑性高于铁、铬 等金属;而铁的塑性又高于锌、镁等金 属。
15
二、位错滑移机制
滑移非刚性滑动,而是由位错的移动实现 的(1934年提出 )。
16
二、位错滑移机制
滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移 并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动, 而是通 过位错的运动来实现的。 在切应力作用下,一个多余半 原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动 时, 晶体产生滑移。
第四章 金属的塑性变形与回复再结晶

第四章金属的塑性变形与回复再结晶第一节金属的塑性变形金属的一项重要特性是具有塑性,能够在外力作用下进行塑性变形。
外力除去后,永久残留的变形,称为塑性变形。
塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种,最常见的是滑移。
下面我们就讨论:一、光学金相显微镜下滑移带、变形孪晶与退火孪晶的特征滑移:所谓滑移即在切应力作用下晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑动。
所沿晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。
1.滑移带经表面抛光的金属单晶体或晶粒粗大的多晶体试样,在拉伸(或压缩)塑性变形后放在光学显微镜下观察,在抛光的晶体表面上可见到许多互相平行的线条,称为滑移带,如图4一1所示。
a黄铜的滑移带600⨯b 纯铁的滑移带 400⨯图4-1 滑移带的光学显微形貌由图可见,纯铁的滑移带特征与黄铜的略有不同,往往呈波纹状。
这主要由于纯铁本身层错能较高,其扩展位错容易束集,加之体心立方晶体可进行滑移的晶面多,因而产生大量交滑移的缘故。
如果用电子显微镜作高倍观察,会发现每条滑移带(光学显微镜下的每根线条)是由许多密集在一起的滑移线群所组成。
实际上,每条滑移线表示晶体表面上因滑移而产生的一个小台阶,而滑移带是小台阶累积的大台阶。
正因为晶体表面有这些台阶的出现才显示出上述的微观形貌。
如果将这些小台阶磨掉,即使重新抛光并浸蚀也看不出滑移带,因为滑移面两侧的晶体位向不随滑移而改变,故只能借助晶体表面出现的小台阶来观察。
1.变形孪晶孪生通常是晶体难以进行滑移时而发生的另一种塑性变形方式。
以孪生方式形变的结果将产生孪晶组织,在面心立方晶体中一般难以见到变形孪晶,而在密排六方晶体中比较容易见到。
因为密排六方晶体的滑移系少,塑性变形经常以孪生方式进行。
图4一2a为锌的变形孪晶,其形貌特征为薄透镜状。
纯铁在低温下受到冲击时也容易产生变形孪晶,其形貌如图4一2b所示,在这种条件下萌生孪晶并长大的速度大大超过了滑移速度。
a 锌的变形孪晶100⨯b 铁的变形孪晶 100⨯图4—2 变形孪晶光学显微形貌如果将变形孪晶试样重新磨制、抛光、浸蚀,是否如同滑移带那样也会消失呢?并不是这样的。
金属材料的塑性变形与再结晶教学PPT讲义

经表面处理后 的表面层
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§ 4-0-2 其他载荷作用下材料的机械性能 1. 冲击韧性
冲击韧性αk是指在冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 αk=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积S (J/m2)
锤头 试样
橡胶夹头
多次冲击弯曲实验示意图
20
Titanic沉没原因
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由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板,韧 性很差,特别是在低温呈脆性。所以,冲击试样 是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则 具有相当好的韧性。
条件疲劳极限:
经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。
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§4-1 金属材料的塑性变形特性
§Байду номын сангаас-1-1 金属材料变形特性
金属经熔炼浇注成铸锭以后,通常要进行各种塑性加工,如 轧制、挤压、冷拔、锻压、冲压等,以获得具有一定形状、 尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材,以及零件毛坯或 零件,并可以消除铸造过程中的某些缺陷。
单晶体受力后,外力在 任何晶面上都可分解为 正应力和切应力。 正应力只能引起弹性变 形。只有在切应力的作 用下,金属晶体才能产 生塑性变形。产生滑移 的最小切应力称临界切 应力。
压力加工的实质就是塑性变形。
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§4-1-2 单晶体的塑性变形
塑性变形有两种形式:滑移和孪生。在多数情况下, 金属的塑性变形是以滑移方式进行的。
(1) 滑移
滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)和 晶向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动位移的 现象。
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①滑移变形的特点
(A)滑移只能在切应力的作用下发生。
h1-h0
13
定义:每0.002mm相当于洛氏1度
第四章金属的塑性变形与再结晶

第四章金属的塑性变形与再结晶铸态组织具有晶粒粗大且不均匀、组织不致密及成分偏析等缺陷,需要经压力加工再使用。
金属的压力加工,就是通过使金属产生一定的塑性变形获得制件。
压力加工不仅改变其外形尺寸,且使内部的组织和性能发生改变。
因此研究金属塑性变形以及变形后材料的组织结构的变化规律,对于深入了解金属材料各项力学性能指标的本质,充分发挥材料强度的潜力,正确制定和改进金属压力加工的工艺,提高产品的质量以及合理使用材料等都具有重要意义。
第一节金属的塑性变形[教学目的] 理解单晶体的塑性变形,掌握多晶体的塑性变形。
[教学重点] 多晶体的塑性变形。
[教学难点] 多晶体的塑性变形。
[教学方法] 讲授。
[教学内容]所有变形中,塑性变形对组织和性能的影响最大。
为认识塑性变形的规律,首先研究单晶体的塑性变形。
一单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生方式进行。
1 滑移切应力作用下,晶体的一部分沿着一定晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动,称为滑移。
外力在一定的晶面分解为垂直于晶面的正应力σN和平行于晶面的切应力τN。
σN引发弹性变形和脆性断裂,断口呈金属光泽;τN引发弹性变形、弹塑性变形和韧性断裂,断口灰暗无光泽。
滑移变形的5个要点:1)滑移只能在切应力作用下发生;2)滑移主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上,并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行。
(原因:最密排晶面之间的距离最远;最密排晶面上原子与邻近原子之间的阻力最小)3)滑移必然伴随着晶体的转动(正应力引起)。
4)滑移是滑移面上的位错运动造成的。
位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力。
如铜刚性滑移要1540MPa,实际只有1MPa。
二多晶体的塑性变形1 晶界与晶粒位向的影响①晶界竹节现象多晶体金属中,晶界原子的排列不规则,局部晶格畸变严重,且易产生杂质原子和空位等缺陷的偏聚。
位错运动到晶界附近时容易受到晶界的阻碍。
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调研学习
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密排六方晶格金属滑移系少,常以孪生方式变形。 体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生 孪生变形。面心立方晶格金属,一般不发生孪生变 形,但常发现有孪晶存在,这是由于相变过程中原 子重新排列时发生错排而产生的,称退火孪晶。
钛合金六方相中的形变孪晶调研学习 奥氏体不锈钢中退火孪晶 20
因而金属的塑性,面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。
调研学习
8
⑶滑移时,晶体两部分的相对 位移量是原子间距的整数倍.
滑移的结果在晶体表面形成台 阶,称滑移线,若干条滑移线 组成一个滑移带。
调研学习
铜拉伸试样表面滑移带 9
⑷ 滑移的同时伴随着晶体的转动 转动有两种:滑移面向外力轴方向转动和滑移面上
24
㈢ 晶粒大小对金属力学性能的影响
金属的晶粒越细,其强度和硬度越高。
因为金属晶粒越
晶
粒
细,晶界总面积
大 小
越大,位错障碍
与 金
属
越多;需要协调
强
度
的具有不同位向
关 系
的晶粒越多,使
金属塑性变形的
抗力越高。
调研学习
25
金属的晶粒越细,其塑性和韧性也越高。
因为晶粒越细,单位体积内晶粒数目越多,参与变
滑移方向向最大切应力方向转动。
调研学习
10
切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动
调研学习
11
转动的原因:晶体滑移后使正应
力分量和切应力分量组成了力偶.
A0
当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45°角时,滑
移方向上切应力 最大,因而最
F A0
容易发生滑移.
A1
滑移后, 滑移
面两侧晶体的
位向关系未发
二、多晶体金属的塑性变形
单个晶粒变形与单晶体相似, 多晶体变形比单晶体复杂。
㈠晶界及晶粒位向差的影响 1、晶界的影响
当位错运动到晶界附近时,
受到晶界的阻碍而堆积起来,
称位错的塞积。要使变形继
续进行, 则必须增加外力, 从
而使金属的变形抗力提高。源自调研学习21晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
调研学习
22
2、晶粒位向的影响
由于各相邻晶粒位向不同,当一个晶粒发生塑性变形
时,为了保持金属的连续性,周围的晶粒若不发生塑
性变形,则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形
便成为塑性变形晶
粒的变形阻力。由
于晶粒间的这种相
互约束,使得多晶
体金属的塑性变形
抗力提高。
调研学习
23
㈡ 多晶体金属的塑性变形过程
在
晶
正应力和切应力。正应
面 上
的
力只能引起弹性变形及
分 解
解理断裂。只有在切应
力的作用下金属晶体才
能产生塑性变形。 调研学习
切
锌
应
单
力
晶
作
的
用
拉
下
伸
的
照
变
片
形
2
韧性断口
脆性解理断口
调研学习
3
塑性变形的形式:滑移和孪生。 金属常以滑移方式发生塑性变形。 ㈠ 滑移 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶
多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于 或接近于45°的晶粒。当塞积位错前端的应力达到
一定程度,加上相邻晶粒的转动,使相邻晶粒中原
来处于不利位向滑移系上的位错开动,从而使滑移
由一批晶粒传递到另一
批晶粒,当有大量晶
粒发生滑移后,金属 σ
σ
便显示出明显的塑性
变形。
铜多晶试样拉伸后形成的滑移带
调研学习
生变化。
调研学习
F 12
韧性断口
调研学习
13
2、滑移的机理 把滑移设想为刚性整体滑动所需的
理论临界切应力值比实际测量临界 切应力值大3-4个数量级。滑移是通 过滑移面上位错的运动来实现的。
多脚 虫 的 爬 行
调研学习
14
晶体通过位错运动产生滑移 时,只在位错中心的少数原 子发生移动,它们移动的距 离远小于一个原子间距,因 而所需临界切应力小,这种 现象称作位错的易动性。
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移 方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。
调研学习
6
一个滑移面
和其上的一
个滑移方向
构成一个滑
移系。
三种典型金属晶格的滑移系
晶格
体心立方晶格
面心立方晶格
滑移面 {110}
滑移 方向
{111} {110}
{111}
滑移系
调研学习
密排六方晶格
7
滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大,塑性也 越好,其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。
第四章 金属的塑性变形与 再结晶
塑性变形及随后的加热对金
属材料组织和性能有显著的
影响. 了解塑性变形的本质,
塑性变形及加热时组织的变
化,有助于发挥金属的性能
潜力,正确确定加工工艺.
5万吨水压机
调研学习
1
第一节 纯金属的塑性变形
一、单晶体金属的塑性变形
单晶体受力后,外力在
外
力
任何晶面上都可分解为
调研学习
15
刃位错的运动
调研学习
16
㈡ 孪生 孪生是指晶体的一
部分沿一定晶面和 晶向相对于另一部 分所发生的切变。
调研学习
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发生切变的部分称孪生带或孪晶,沿其发生孪生的 晶面称孪生面。
孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。
孪生示意图
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孪晶组织
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与滑移相比: 孪生使晶格位向发生改变; 所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.
形的晶粒数目也越
多,变形越均匀,
脆性 材料
使在断裂前发生较
塑性材料
大的塑性变形。强
度和塑性同时增加,
金属在断裂前消耗
的功也大,因而其
应变
韧性也比较好。
调研学习
26
通过细化晶粒来同时 提高金属的强度、硬 度、塑性和韧性的方 法称细晶强化。
调研学习
27
第二节 合金的塑性变形与强化
合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种. 合金元素的存在,使合金的变形与纯金属显著不同.
奥氏体调研学习珠光体
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一、单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化 单相固溶体合金组织与纯金属相同,其塑性变形过程
也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加,固溶体 的强度、硬度提高,塑性、韧性下降,称固溶强化。
调研学习
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产生固溶强化的原因,是由于溶质原子与位错相互作 用的结果,溶质原子不仅使晶格发生畸变,而且易被 吸附在位错附近形成柯氏气团,使位错被钉扎住,位 错要脱钉,则必须增加外力,从而使变形抗力提高.
面和晶向相对于另一部分发生滑动 位移的现象。
调研学习
4
1、滑移变形的特点 : ⑴ 滑移只能在切应力的作
用下发生。产生滑移的最 小切应力称临界切应力.
调研学习
5
⑵ 滑移常沿晶体中原 子密度最大的晶面和 晶向发生。因原子密 度最大的晶面和晶向 之间原子间距最大, 结合力最弱,产生滑 移所需切应力最小。