第4章金屬的變形與強(qiáng)化

1、第四章會屬的變形與様化塑性變形及隨后的加熱對金 屬材料組織和性能有顯著的 影響.了解塑性變形的本質(zhì), 塑性變形及加熱時(shí)組織的變 化，有助于發(fā)揮金屬的性能 潛力，正確確定加工工藝.第一節(jié)純金屬的塑性變形單晶體受力后，外力在 任何晶面上都可分解為 正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變 形及解理斷裂。只有在 切應(yīng)力的作用下金屬晶 體才能產(chǎn)生塑性變形。塑性變形的形式：滑移和季生。金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形?；苹剖侵妇w的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生相對李生滑動(dòng)的現(xiàn)象。atomic滑移示意圖 1、滑移變形的特點(diǎn)：滑移只能在切應(yīng)力的作 用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最 小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力.滑移

2、常沿晶體中原子密 度最大的晶面和晶向發(fā)生。沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。因原子密度最大的晶面和 晶向之間原子間距最大， 結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所 需切應(yīng)力最?。ㄈ缬覉D）一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。三種典型金屬晶格的滑移系 晶格【 體心立方晶格 ;面心立方晶格密排六方晶格 滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也 越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移面更大。 因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格, 體心立方晶格好于密排六方晶格。滑移時(shí)，晶體兩部分的相對 位移量是原子間距的整數(shù)倍.=1000 豚子【m距滑移的結(jié)果在晶體表

3、面形成臺 階，稱滑移線，若干條滑移線 組成一個(gè)滑移帶。-100=10000歐子間距l(xiāng)i滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)有兩種：滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移面上滑移方向向最大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。ff切應(yīng)力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉(zhuǎn)動(dòng)外丿j在品面上的分解轉(zhuǎn)動(dòng)的原因：晶體滑移后使正應(yīng)力分量和切應(yīng)力分量組成了力偶.t= qvcos/tcos(|)位向關(guān)系未發(fā) 生變化。當(dāng)滑移面、滑移方向與外力方向都呈45角時(shí)，滑移 方向上切應(yīng)力 最大，因而最 容易發(fā)生滑移.韌性斷口 2、滑移的機(jī)理把滑移設(shè)想為剛性整體滑動(dòng)所需的 理論臨界切應(yīng)力值比實(shí)際測量臨界 切應(yīng)力值大34個(gè)數(shù)量級?；剖峭?過滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)

4、現(xiàn)的。晶體通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，只在位錯(cuò)中心的少數(shù)原 子發(fā)生移動(dòng)，它們移動(dòng)的距 高遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作位錯(cuò)的易動(dòng)性。刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 李生0000000000000000000000攣生變形過程季生是指晶體的一 部分沿一定晶面和 晶向相對于另一部 分所發(fā)生的切變。李晶面112舉生方向發(fā)生切變的部分稱攣生帶或攣晶，沿其發(fā)生挙生的 晶面稱季生面。季生的結(jié)果使季生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對稱。攣生示意圖學(xué)晶組織與滑移相比：攣生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多,變形速度極快，接近聲速;季生時(shí)相鄰原子面的相對位移量小于一個(gè)原子間距.c9e (110)面1 1 1/|

5、14(y/ / i / ialvj一鏡習(xí) h建農(nóng)向密排六方晶格金屬滑移系少，常以季生方式變形。 體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生 攣生變形。面心立方晶格金屬，一般不發(fā)生季生變形，但常發(fā)現(xiàn)有季晶存在，這是由于相變過程中原 子重新排列時(shí)發(fā)生錯(cuò)排而產(chǎn)生的，稱退火攣晶。二、多晶體金屬的塑性變形晶界及晶粒位向差的影響 1、晶界的影響單個(gè)晶粒變形與單晶體相似, 多晶體變形比單晶體復(fù)雜。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)， 受到晶界的阻礙而堆積起來, 稱位錯(cuò)的塞積。要使變形繼 續(xù)進(jìn)行，則必須增加外力，從 而使金屬的變形抗力提高。晶界對塑性變形的影響障礙/1 體金屬的塑性變形抗力提高。2、晶粒位向的影響由于各

6、相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形便成為塑性變形晶 粒的變形阻力。由 于晶粒間的這種相 互約束，使得多晶多晶體金屬的塑性變形過程多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于 或接近于45。的晶粒。當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到 一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰晶粒中原 來處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開動(dòng)，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一 批晶粒，當(dāng)有大量晶粒 發(fā)生滑移后，金屬便顯 示出明顯的塑性變形。晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響其強(qiáng)度和硬度越高。400-3( mi-200 hzn晶大 小 與ii關(guān) 系a

7、i - 3/ ?(ty =仍()+ kwd晶粒的平均直徑，單位為cm第二節(jié)合金的塑性變形與強(qiáng)化機(jī)制合金可根據(jù)組織分為單相固溶體和多相混合物兩種.合金元素的存在，使合金的變形與純金屬顯著不同.實(shí)際工程材料中，一切阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的因素 都會使金屬的強(qiáng)度提高，造成強(qiáng)化。阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙有四種: 溶質(zhì)原子固溶強(qiáng)化第二相粒子沉淀強(qiáng)化晶界晶界強(qiáng)化 位錯(cuò)本身一錯(cuò)強(qiáng)化 一、單相固溶體合金的塑性變形與固溶強(qiáng)化單相固溶體合金組織與純金屬相同，其塑性變形過程 也與多晶體純金屬相似。但隨溶質(zhì)含量增加，固溶體 的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱固溶強(qiáng)化。 產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因，是由于溶質(zhì)原子與位錯(cuò)相互作 用的結(jié)果，溶質(zhì)

8、原子不僅使晶格發(fā)生畸變，而且易被 吸附在位錯(cuò)附近形成柯氏氣團(tuán)，使位錯(cuò)被釘扎住，位 錯(cuò)要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高.ikhx)-ujcu20somsozo10i，i iu406085iwni (%)niko a(120hmi46 ft ic 12 14 16 18 20 22合金元齢(必)傾k()6o41 r _ i i i s=哲安目。:換原子和間隙原子在刃位錯(cuò)區(qū)的富集二、多相合金的塑性變形與沉淀強(qiáng)化當(dāng)合金的組織由多相混合物組成時(shí)，合金的塑性變工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物。形除與合金基體的性質(zhì) 有關(guān)外，還與第二相的 性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù) 量和分布有關(guān)。當(dāng)在晶界呈網(wǎng)狀分布時(shí)，對合金

9、的強(qiáng)度和塑性不利； 當(dāng)在晶內(nèi)呈片狀分布時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度，但會降 低塑性和韌性；當(dāng)在晶內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時(shí)，第二相顆粒越細(xì)，分布 越均勻，合金的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性略有下降, 這種強(qiáng)化方法稱彌散強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化。彌散強(qiáng)化的原因是由于硬的顆粒不易被切變，需繞過第二相質(zhì)點(diǎn)而消耗額外的能量,因而阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),提高了變形抗力。顆粒釘扎作用的電鏡照片位錯(cuò)切割 第二相粒 子示意圖第三節(jié) 塑性變形對組織和性能的影響一、塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長或壓扁。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變 得模糊不清。塑性變形還使 晶粒破碎為

10、亞 晶粒。工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)塑性變 形達(dá)到一定程度時(shí)，會使絕 大部分晶粒的某一位向與變 形方向趨于一致，這種現(xiàn)象 稱變形織構(gòu)或擇優(yōu)取向。變形織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時(shí)，易產(chǎn)生形變織構(gòu)示意圖“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象二、加工硬化隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性 下降的現(xiàn)象稱加工硬化。加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之 一，對于不能熱處理強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。1020300506070冷塑性變形量，%uou70q600500400100200100eds骸顔瑩哩20汶90%),再結(jié)晶后 晶粒又重

11、新出現(xiàn)粗 化現(xiàn)象，_般認(rèn)為 這與形成織構(gòu)有關(guān).變形88 %預(yù)先變形程度對再結(jié)晶晶粒尺寸變形93 %的影響第五節(jié)金屬的熱塑性變形一、冷加工與熱加工的區(qū)別在金屬學(xué)中，冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃分的。低于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工，而高于再結(jié)晶溫度的加工稱為熱加工。如fe的再結(jié)晶溫度為451c,其在400c以下的加 工仍為冷加工。而sn的再結(jié)晶溫度為71c,則其在室溫下的加工為熱加工o熱加工時(shí)產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化 所抵消，因而熱加工不會帶來加工硬化效果。金屬的冷熱加工/hon7777,|0d p。3 2hwruughl prodi ir( witli larpp rrainsh

12、ot n ill in wwrought pixoduct with 熱加工動(dòng)態(tài)再small, uniform結(jié)晶示意圖 神m二、熱加工對金屬組織和性能的影響熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合，使粗大 的樹枝晶或柱狀晶破碎，從而使組織致密、成分均勻、晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高。deformed祖麗辭new羿nsc zgrowing/new grains . recrystallizationformingcomplete/x熱加工使鑄態(tài)金屬中的 非金屬夾雜沿變形方向 拉長，形成彼此平行的 宏觀條紋，稱作流線， 由這種流線體現(xiàn)的組織 稱纖維組織。滾壓成型后螺紋內(nèi)部的纖維分布它使鋼產(chǎn)生各向異性， 在制定加工工藝時(shí)，