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多晶体的塑性变形与细晶强化简析

深圳市赛姆烯金科技有限公司 来源:深圳市赛姆烯金科技有限 2023-08-11 10:20 次阅读

01

多晶体材料

实际使用的材料多由多晶体组成,多晶体材料是由许多取向不同的小单晶体,即晶粒组成的。

晶粒和晶粒之间的过渡区域就称为晶界,如图1所示。

晶界具有如下特点:

① 晶界处原子排列的周期性被破坏,能量高;

② 晶界内含有大量的晶体缺陷,包含位错、缺陷、杂质或沉淀相等。

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图1多晶体材料

室温时,多晶体塑性变形的机制仍为滑移和孪生。但由于晶界的存在,多晶体材料的塑性变形有如下特点:

① 各晶粒不能同时变形;

② 各晶粒的变形不均匀;

③ 各变形晶粒相互协调。保持晶体连续变形需至少5个独立滑移系开动。

02

多晶体材料塑性变形时晶界的作用

晶界在多晶体塑性变形中的作用主要体现在以下几点:

①协调作用 由于协调变形的要求,在晶界处变形必须连续,否则在晶界处就会裂开。

②障碍作用 低温或室温下,晶界强度大于晶粒强度,因此滑移主要是在晶粒内进行。同时,由于晶界内大量缺陷的应力场,使晶粒内部滑移更加困难。

③促进作用 高温下变形时,由于晶界强度比晶粒弱,因此,相邻两晶粒还会沿着晶界发生滑动。但变形量往往小于滑移和孪生的变形量。

④起裂作用 由于晶界阻碍滑移,因此晶界处往往应力集中,同时,由于杂质和脆性影响,第二相往往优先分布与晶界,使晶界变脆。

此外,由于晶界处缺陷多,原子处于能量较高的状态,所以晶界往往优先被腐蚀。

这些都导致晶界强度变弱,再变形中发生断裂。

等强温度:在低温或室温下,晶界强度大于晶粒强度;在高温下,晶界强度小于晶粒强度。

因此,存在一个晶界、晶粒强度相等的温度,称为等强温度。

通过对α-Fe在室温和高温下拉伸的实验得到:在低温下,晶界强度较大,而晶粒强度较小;在高温下,晶界强度较小,而晶粒强度较大。

03

Hall-Petch公式

晶粒大小,即晶粒度,对晶体的各种性能都有影响,其中影响最大的是力学性能。

由于晶粒越细,阻碍滑移的晶界越多,屈服极限也就越高。

并得到关于屈服极限σy和晶粒度d的关系式:

单晶体的屈服强度——临界分切应力定律:

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多晶体的屈服强度——霍尔-配奇经验公式:

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d为晶粒的平均直径

σ0为单晶体的屈服强度,为常数

Ky为晶界对强度的影响系数,为常数

由此看出,在一定晶粒尺寸的范围内,晶粒越细小,多晶体材料的强度越高。该式可用来解释细晶强化。

04

细晶强化

多晶体的屈服强度随晶粒的细化而提高(细晶强化)

原因:粗大晶粒的晶界处塞积的位错数目多(位错塞积条数与位错源到障碍物距离相关),应力集中大,易于启动相邻晶粒的位错源,滑移传递(塑性变形)容易,而使屈服强度降低。晶粒细小,晶界数量增加。晶界对于位错运动产生阻力。

多晶体的塑性、韧性随晶粒的细化而提高(细晶强化的同时增强韧性)

原因:晶粒细小,晶界处塞积的位错数目少晶界及其它障碍物前沿应力集中小,这使得滑移面有利取向晶粒变形过程停止。不至于滑移面有利取向晶粒大量变形、大量塞积位错而过早萌生裂纹,导致材料断裂。

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图2材料的强度、塑性与晶粒尺寸关系的示意图

05

细晶强化的方法

1)提高过冷度:金属结晶的形核率N,长大速率G和过冷度的关系如图3所示。

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图3过冷度对形核率核长大速度的影响

2)变质处理:外来杂质能增加金属的形核率或阻碍晶核的长大。在浇注前向液态金属中加入某些难熔的固体颗粒,会显著的增加晶核数量,使晶粒细化,如:Al、Ti、Nb、V等元素在钢中形成强碳化物或氮化物,形成弥散的分布颗粒来阻止晶粒的长大。

3)在浇注和结晶过程中实施搅拌和震动,也可以细化晶粒。搅拌和震动能向液体中输入额外的能量以提供形核功;另外,还可以使结晶的枝晶破碎,增加晶核的数量。

4)热处理细化晶粒:一旦形成了粗晶粒,只要是晶界上没有很多难熔析出物,通过一次或者多次奥氏体化,可以使晶粒细化。






审核编辑:刘清

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原文标题:【知识】多晶体的塑性变形与细晶强化

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