第六章 金属及合金强化的位错解释
金属材料的强化方法和位错的关系
陶瓷材料和聚合物材料虽然比较脆，但也有滑移面的存在。
金属材料的变形主要是通过滑移实现的，位错对于理解金属材料的一些力学行为特别有用。
而位错理论可以解释材料的各种性能和行为，特别是变形、损伤和断裂机制，相应的学科为塑性力学、损伤力学和断裂力学。
另外，位错对晶体的扩散和相变等过程也有较大影响。
首先，滑移解释了金属的实际强度与根据金属键理论预测的理论强度低得多的原因。
此外，金属材料拉伸断裂时，一般沿450截面方向断裂而不会沿垂直截面的方向断裂，原因在于材料在变形过程中发生了滑移。
其次，滑移赋予了金属材料的延性。
如果材料中没有位错，铁棒就是脆性的，也就不可能采用各种加工工艺，如锻造等将金属加工成有用的形状。
第三，通过干预位错的运动，进行合金的固溶强化，控制金属或合金的力学性能。
把障碍物引入晶体就可以阻止位错的运动，造成固溶强化。
如板条状马氏体钢( F12钢)等。
第四，晶体成型加工过程中出现硬化，这是因为晶体在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错运动变得越来越困难。
第五，含裂纹材料的疲劳开裂和断裂、材料的损伤机理以及金属材料的各种强化机制都是以位错理论为基础。
金属的强化strengthening of metals通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。
所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。
随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等（见金属力学性能的表征）；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度（见疲劳）；高温条件静态拉伸所测的持久强度（见蠕变）。
每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。
一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标未必有效。
第六章 固体材料的变形与断裂
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滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑移带； 交滑移：波纹状的滑移带。
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6. 单晶体的应力-应变曲线
第Ⅰ阶段----易滑移阶段:屈服后首先进行 单滑移，在应力增加不大时，可发生大 量塑变。此时加工硬化系数dτ／dγ很小， 约为10-4G。 第Ⅱ阶段----线性硬化阶段：加工硬化系 数比第Ⅰ阶段约大30倍且基本为常数。 双滑移造成滑移带的交割，使位错密度 急剧增加并互相缠结，加工硬化系数明 显增高。 第Ⅲ阶段----抛物线型硬化阶段：加工硬 化系数逐渐降低，应力与应变关系为 τ＝Kγ1/2。第Ⅲ阶段位错可通过交滑移克 服滑移障碍，使变形易于进行，从而使 加工硬化系数下降。
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5 多滑移和交滑移 （1）滑移的分类 单滑移：处于软取向的一组滑移系首先开动。 多滑移：由于滑移过程中晶体的转动使两个或多个滑移 系上交替滑移。 交滑移：两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行 的滑移。 （2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴 夹角分别相等的一组滑移系。
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改变，形成镜面对称关系（对 抛光面观察有重现性）
位移量 不 同 点
对塑变的贡献 变形应力 变形条件
小于孪生方向上的原子间 距，较小。 有限，总变形量小。 所需临界分切应力远高于 滑移 滑移困难时发生
变形机制
全位错运动的结果
分位错运动的结果
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6.2.3 晶体的扭折 对于那些既不能滑移也不能孪生的地方，为使晶体的形状 与外力相适应，当外力超过某一临界值时，晶体会产生局部弯 曲，这种形式的变形叫扭折。扭折是晶体弯曲变形或滑移在某 些部位受阻，位错在那里堆积而成的。压缩时产生的理想对称 扭折带是由好几个楔形区域组成。扭折带的形成能协调相邻晶 粒或同一晶粒中不同部位之间的变形，并能引起晶体的再取向， 促进晶体变形能力的发挥。
第六章金属与合金的回复与再结晶复习题
第六章金属与合金的回复与再结晶复习题金属与合金的回复与再结晶复习题一、名词解释：1. 回复：指冷塑性变形的金属在加热时，在显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。
2. 再结晶：是指冷变形金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生无畸变的新等轴晶粒，而性能也发生明显的变化，并恢复到冷变形之前状态的过程。
3. 临界变形度：使晶粒发生异常长大的变形度(2～10%)生产上应尽量避免在临界变形度范围内进行塑性加工变形。
4. 热加工：在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工。
5. 冷加工：在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工。
二、填空题：1．变形金属的最低再结晶温度是指通常用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属，经一小时加热后能完全再结晶(＞95%的转变量)的最低温度为再结晶温度。
2．钢在常温下的变形加工称为加工，而铅在常温下的变形加工称为热加工。
3．影响再结晶开始温度的因素预变形度、金属的熔点、微量杂质和合金元素、加热速度、保温时间。
4．再结晶后晶粒的大小主要取决于预变形度和加热温度。
5．金属在塑性变形时所消耗的机械能，绝大部分(占90%)转变成。
6．但有一小部分能量（约10%）是以增加金属晶体缺陷（空位和位错）和因变形不均匀而产生弹性应变的形式（残余应力）储存起来，这种能量我们称之为形变储存能。
7．金属在热加工过程中，由于加工温度高于再结晶温度，金属在塑性变形过程中同时发生回复(动态回复)与再结晶(动态再结晶)，使其发生软化。
三、判断题：1．金属的预先变形度越大，其开始再结晶的温度越高。
（×）2．其它条件相同，变形金属的再结晶退火温度越高，退火后得到的晶粒越粗大。
（√）3．金属铸件可以通过再结晶退火来细化晶粒。
（×）4．热加工是指在室温以上的塑性变形加工。
（×）5．再结晶能够消除加工硬化效果，是一种软化过程。
石德珂《材料科学基础》考点精讲6
八、包申格效应
材料经预先加载产生少量塑性变形（小于 ４％），而后同向加载则 σｅ升高，反向加载则 σｅ下降，此 现象称为包申格效应。
考点二：滑移和孪生（重要等级 ★★★★★）
［复习思路］掌握
金属发生塑性变形的主要方式 滑移和孪生的概念 滑移和孪生的异同点
滑移
{ 金属塑性变形的主要方式 孪生 晶界滑动（高温下） 滑移带—把试样抛光，适量的塑性变形后，在宏观或光学显微镜下看到的试样表面上平行或交叉 的细线。 滑移线—在电子显微镜下，可以看到滑移带是由更多的一组平行线组成，称为滑移线。
各向同性。
对于 α Ｆｅ多晶体其 Ｅ为 ２１１４００ＭＮ／ｍ２
七、弹性模量在工程上的应用
对零（构）件进行刚度设计
σ
＝
Ｆ Ａ
＝Ｅε→
Ｆ ε
＝ＥＡ
ＥＡ（ＧＡ），代表零件的刚度，产生单位弹性应变所需载荷的大小。
在其它条件相同时，金属的弹性模量愈高，制成的零件或构件的刚度便愈高，即在外力作用时，保
持其固有形状、尺寸的能力愈强。
２．位错运动的点阵阻力
（１）位错的宽度
{越窄 界面能越低
位错宽度
→平衡宽度
越窄 单位体积弹性畸变能高
刃型位错的形成 刃型位错原子模型
偏离 ＝ｂ／４（柏氏矢量）时，叫位错宽度 （２）位错运动的点阵阻力 晶体的滑移必须有外力作用→ 位错运动要克服阻力 →位错运动的阻力首先来自的点阵阻力
弹性变形是塑性变形的先行阶段，在塑性变形中还伴生着一定的弹性变形。可以从原子间结合
力的角度了解其物理意义。
发生弹性变形的难易程度取决于作用力 －原子间距曲线的斜率 Ｓ０
— １６７—
Ｓ０ ＝ｄｄＦｒ＝ｄｄ２ｒｕ２ σ ＝Ｓｒ００ε Ｅ ＝Ｓ０
第六章 金属和合金的塑性变形
第六章 金属和合金的塑性变形和再结晶金属材料（包括纯金属和合金）在外力的作用下引起的形状和尺寸的改变称为变形。
去除外力，能够消失的变形，称弹性变形；永远残留的变形，称塑性变形。
工业生产上正是利用塑性变形对金属材料进行加工成型的，如锻造、轧制、拉拔、挤压、冲压等。
塑性变形不仅能改变工件的形状和尺寸，还会引起材料内部组织和结构的变化，从而使其性能发生变化。
以再结晶温度为界，金属材料的塑性变形大致可分为两类：冷塑性变形和热塑性变形，在生产上，通常称为冷加工和热加工。
经冷塑性变形的金属材料有储存能，自由能高，组织不稳定。
若升高温度，使原子获得足够的扩散能力，则变形组织会恢复到变形前的状态，这个恢复过程包括：回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。
从金属材料的生产流程来看，一般是先进行热加工，然后才进行冷加工和再结晶退火。
但为了学习的方便，本章先讨论冷加工，再讨论再结晶和热加工。
§6.1 金属材料的变形特性一、 应力—应变曲线金属在外力作用下，一般可分为弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段。
图6.1是低碳钢拉伸时的应力—应变曲线，这里的应力和应变可表示为：000,L L L L L A F ∆=-==εσ 公式中F 是拉力，00,L A 分别是试样的原始横截面积和原始长度。
从图中可以得到三个强度指标：弹性极限e σ，屈服强度s σ，抗拉强度b σ。
当拉应力小于弹性极限e σ时，金属只发生弹性变形，当拉应力大于弹性极限e σ，而小于屈服强度s σ时，金属除发生弹性变形外，还发生塑性变形，当拉应力大于抗拉强度b σ时，金属断裂。
理论上，弹性变形的终结就是塑性变形的开始，弹性极限和屈服强度应重合为一点，但由于它们不容易精确测定，所以在工程上规定：将残余应变量为0.005%时的应力值作为弹性极限，记为005.0σ，而将残余应变量为0.2%时的应力值作为条件屈服极限，记为2.0σ。
s σ和2.0σ都表示金属产生明显塑性变形时的应力。
第六章 塑性变形习题集-附部分答案
1.简单立方晶体(100)面有1 个[]010=b 的刃位错(a)在(001)面有1 个b =[010]的刃位错和它相截，相截后2 个位错产生扭折结还是割阶？ (b)在(001)面有1 个b =[100]的螺位错和它相截，相截后2 个位错产生扭折还是割阶？解：两位错相割后，在位错留下一个大小和方向与对方位错的柏氏矢量相同的一小段位错，如果这小段位错在原位错的滑移面上，则它是扭折；否则是割阶。
为了讨论方便，设(100)面上[]010=b 的刃位错为A 位错，(001)面上b =[010]的刃位错为B 位错，(001)面上b =[100]的螺位错为C 位错。
(a) A 位错与B 位错相割后，A 位错产生方向为[010]的小段位错，A 位错的滑移面是(100)，[010]⋅[100]=0，即小段位错是在A 位错的滑移面上，所以它是扭折；而在B 位错产生方向为[ 010 ]的小段位错，B 位错的滑移面是(001)， [010]⋅[001]=0 ，即小段位错在B 位错的滑移面上，所以它是扭折。
(b)A 位错与C 位错相割后，A 位错产生方向为[100]的小段位错，A 位错的滑移面是(100)，[100]⋅[100]≠0 ，即小段位错不在A 位错的滑移面上，所以它是割阶；而在C 位错产生方向为[]010的小段位错，C 位错的滑移面是(001)，[][]0001010=•，即小段位错在B 位错的滑移面上，所以它是扭折。
2.下图表示在同一直线上有柏氏矢量相同的2 个同号刃位错AB 和CD ，距离为x ，他们作F-R 源开动。
(a)画出这2 个F-R 源增殖时的逐步过程，二者发生交互作用时，会发生什么情况？(b)若2 位错是异号位错时，情况又会怎样？解：(a)两个位错是同号，当位错源开动时，两个位错向同一方向拱弯，如下图(b)所示。
在外力作用下，位错继续拱弯，在相邻的位错段靠近，它们是反号的，互相吸引，如上图(c)中的P 处所示。
高等金属学位错课件
位错的应力场：
位错周围的弹性畸变区及其应力 分布→位错的应力场。 一种弹性连续介质模型。
2.5.1 应力、应变分量的表示
• • • • 正应力： 切应力： 正应变： 切应变：
x3 x2 σ22 τ21 τ23 X1
• 极坐标的表示x1=rcosθ, x2=rsinθ, • r=(x12 +x22)1/2, θ=arctg(x2/x1),
﹡柏氏矢量定义位错
b 0 的缺陷称为位错 b 位错线，b t 0，刃位错
b // 位错线，b t 1，螺位错
b t 0 ~ 1，混合位错
• 刃型位错的正负利用右手法则来确定： 食指—位错线方向；中指—柏氏矢量方 向；拇指—代表多余半原子面。 • 拇指向上者为正刃型位错，向下者为负 刃型位错。如图
(b) 位错线周围原子螺型排列
2.2 混合位错
• 实际中的位错一般来说很少是单纯的 刃型位错或是螺型位错，更普遍的是 其混合产物---混合位错。
• 混合位错的滑移矢量不平行也不垂直
位错线，而是与位错线成任意角度。
混合位错
FIGURE 5.9 (a) Schematic representation of a dislocation that has edge, screw, and mixed character.
u 31 2Ge31 G 3 x1
23
u3 2Ge23 G x2
平衡方程
23 31 0 x2 x1
2u3 2u3 G( )0 2 2 x2 x1
上式代入 ▽2u3=0 满足调和
1 2u3 0 2 2 r
方程，化成极坐标为：
合金强化机理
合金强化机理
合金强化是通过在晶体结构的缺陷、位错、固溶体、析出物等方面加强晶体结构，从而提高合金材料的机械性能、物理性能和化学性能。
常见合金强化机理有:
1. 固溶体强化: 将一种金属元素溶解到另一种金属中，使晶粒
尺寸小于1μm，形成均匀的实溶体结构。
这种溶解的过程可
以提高合金的硬度和强度。
2. 相变强化: 合金中添加的元素会在一定条件下形成新的相，
如固溶体、碳化物、氮化物等，这些相可以形成局部的高硬度区域，增加合金的硬度和强度。
同时，这些相也可以在不同温度下发生相变，形成储存和释放弹性能量的结构，提高合金的韧性。
3. 弥散硬化: 在合金中掺入微小的球形或棒状的颗粒，可以在
晶体结构中形成弥散的嵌入物，阻碍位错的移动，从而提高合金的强度和硬度。
4. 冷加工硬化: 将合金材料在低温下进行变形加工，会导致晶
体结构的变形和位错的增加，从而提高合金的硬度和强度。
5. 内应力强化: 通过热处理、表面处理、形状记忆合金等方式，将材料中的位错和应力锁定在一定位置，从而增加材料的硬度和强度。
总之，合金强化机理旨在改善材料的晶体结构，增强材料的性能，以满足不同领域的需求。
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1、cottrell 气团 2、位错的交割和带割阶位错的运动 3、滑动位错与第二相质点的交互作用
Байду номын сангаас
1、柯氏气团(Cottrell atmosphere) 围绕于刃型位错(见滑移)周围的溶质原子聚物，又称溶质原子气团或 溶质原子云，溶质原子和刃型位错的相互弹性作用称为柯氏效应。 在含有溶质原子的固溶体合金中，同时存在位错与溶质，其周围均 有一个应力场，这两个应力场会发生交互作用，降低系统的应变能。 溶质原子与位错应力场问的弹性交互作用能越大，则交互作用越强 烈。由于这种交互作用，溶质原子在晶体中将重新进行分布。刃型 位错具有拉应力区及压应力区，因此溶质原子被吸引到拉应力区(见 图)；若置换的溶质原子比溶剂原子小时，则溶质原子被吸引到位错 的压应力区。在间隙固溶体中，溶质原子在刃型位错的拉应力区偏 聚，使溶质原子的浓度提高；而在压应力区，则溶质原子浓度降低。 柯氏气团对位错起钉扎作用，除产生强化效应外，还可解释某些合 金中出现的应变时效和明显屈服点现象的原因。柯氏气团的作用随 着温度的升高而减弱。
位错互相截割后可以 产生割阶(jog)。图6[两 个刃型位错的截割]
为伯格斯矢量互相垂直的两个刃型位错发生截割的情况。 AB在Ⅰ面上移动，CD在Ⅱ面上截割后产生割阶QQ （图6b [两个刃型位错的截割]其伯格斯矢量为。从QQ与相垂直 可知QQ属刃型,位于QQ 与构成的滑移面Ⅲ上, 故可与整个 位错一起运动。因为与AB平行，截割后位错AB不受影响。
3、滑动位错与第二相质点的交互作用
晶体中的位错在外力作用 下产生运动，在运动过程 中首先遇到的是第二相质 点周围的应力场（如果有 这种应力场存在的话）， 对其产生阻碍作用，它属 于长程作用。继而有两种 可能，一种是位错切割质 点而过，一种是位错以某 种方式绕过质点
6.5 材料的断裂
6.6.5 影响材料断裂的基本因素
• 1、结合键及晶体结构类型对材料断裂形式 有决定性的影响； • 2、材料的化学成分及显微组织对断裂行为 也有重要影响； • 3、裂纹及应力状态的影响； • 4、温度对材料断裂行为的影响。