不銹鋼塑性變形中的滑移與孿生
當(dāng)作用在不銹鋼材料上應(yīng)力超過彈性極限,也就是超過屈服點時,就會發(fā)生塑性變形。由此產(chǎn)生的塑性變形是永久的,不能通過簡單消除引起變形的應(yīng)力來恢復(fù)。應(yīng)用于材料屈服的能量消耗主要用于產(chǎn)生材料的位錯滑移和/或?qū)\生。這里需要注意一點,材料的位錯滑移和孿生有時候同時進(jìn)行,在材料加工的情況下,重要的是要理解所涉及的塑性變形。
兩個主要塑性變形機(jī)制,即滑移和孿生。滑移是金屬塑性變形的主要機(jī)制。它包括沿一定的晶面滑移,稱為滑移面。它類似于一副牌,當(dāng)一張牌從一端被推動時。當(dāng)剪切應(yīng)力超過臨界值時就會發(fā)生滑移。
以滑移的方式發(fā)生塑性變形,通常沿著緊密堆積的晶格平面上進(jìn)行,位錯運動的能量需求被最小化。晶體內(nèi)部的滑移一直進(jìn)行到位錯線到達(dá)晶體的末端,從而產(chǎn)生一個可見的臺階,稱為滑移帶。滑動是漸進(jìn)的,一步一步地進(jìn)行,這樣晶體結(jié)構(gòu)一直保持不變。對于大多數(shù)金屬,密排面是(111);因此,滑移帶通常發(fā)生在應(yīng)力軸線45度方向。一般滑移面是原子密度****的平面,滑移方向是滑移面內(nèi)的密排方向。
在孿生的情況下,晶格結(jié)構(gòu)確實發(fā)生了變化。孿生是一種扭曲的晶格在孿晶界創(chuàng)建鏡像的晶體結(jié)構(gòu)。在孿生過程中,原子只移動了原子間距的一小部分;由于許多原子的同時翻轉(zhuǎn),晶格中的宏觀變化可以觀察到,有時甚至可以聽到!
發(fā)生孿生的部分晶體是母晶體的鏡像,對稱平面稱為孿晶界,孿生變形的重要作用在于它使平面方向的變化,可以使滑移進(jìn)一步進(jìn)行。
金屬強(qiáng)化機(jī)理,對于單相金屬:晶粒細(xì)化、固溶合金化、應(yīng)變硬化。多相金屬材料:沉淀硬化、彌散硬化、纖維加固、馬氏體強(qiáng)化。
應(yīng)變硬化或加工硬化:在韌性金屬越來越困難時,塑性變形稱為應(yīng)變硬化或加工硬化。應(yīng)變硬化強(qiáng)度可以通過應(yīng)變硬化指數(shù)定義,它是一個提高金屬應(yīng)變硬化能力的方法。對于一定量的塑性應(yīng)變,n值越高,應(yīng)變硬化就越大。升高的溫度降低了應(yīng)變硬化的速率,因此通常在低于材料熔點的溫度下進(jìn)行處理。因此,這種加工方法也稱為冷加工。
應(yīng)變硬化材料的結(jié)果是提高了強(qiáng)度和硬度,但材料的延展性會降低。在制造過程中應(yīng)變硬化主要用于提高金屬的機(jī)械性能。除了機(jī)械性能外,材料的物理性能在冷加工過程中也會發(fā)生變化。通常有輕微的密度下降,導(dǎo)電率明顯下降,熱膨脹系數(shù)小,化學(xué)反應(yīng)性增加(耐腐蝕性降低)。
固溶強(qiáng)化:雜質(zhì)原子在單相材料中產(chǎn)生晶格應(yīng)變,可以釘扎位錯。這種強(qiáng)化的有效性取決于兩個因素:溶質(zhì)的體積差和體積分?jǐn)?shù)。
溶質(zhì)原子以多種方式與位錯相互作用:彈性交互作用、模量交互作用、堆垛層錯交互作用、電子交互作用、短程有序交互作用、長程有序交互作用。彈性,模量,和長程有序相互作用是長程的,對溫度比較敏感,一直持續(xù)到0.6Tm。
彌散強(qiáng)化:在彌散強(qiáng)化中,硬質(zhì)顆粒與基體粉末混合,用粉末冶金技術(shù)進(jìn)行固結(jié)和加工。第二階段在基體中的溶解性很小,即使在高溫下也是如此。位錯通過嵌入外來粒子的基體運動,既可以穿過粒子,也可以繞著粒子彎曲。對于小的顆粒來說切割粒子是比較容易的,這些小的粒子可以被看作是固溶原子。有效強(qiáng)化是在彎曲過程中實現(xiàn)的。
纖維強(qiáng)化:第二相材料也可以以纖維的形式引入基體并使基體獲得強(qiáng)化。前提是作為纖維的引入物必須具有高強(qiáng)度和/或高的比強(qiáng)度。纖維通常具有高強(qiáng)度和高模量,而基體必須具有韌性以及與纖維之間的非反應(yīng)性。纖維可以長的連續(xù)的也可以是不連、聚合物。纖維增強(qiáng)材料是一類重要的復(fù)合材料。
超塑性:超塑性是變形晶體固體材料在張力作用下產(chǎn)生巨大的應(yīng)變,有時甚至超過1000%。這種現(xiàn)象得益于材料抵抗局部變形的能力,就像熱玻璃一樣。材料的超塑性能,可用于形成的形狀非常接近最終尺寸的復(fù)雜構(gòu)件。
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