工程材料的強化理論

工程材料的強化理論第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四5.1形變強化金屬材料經(jīng)塑性變形后，其強度和硬度升高，塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象稱為形變強化（加工硬化）。YUYLStrainhardening×UTSf第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四1.單晶體塑性變形(1)變形基本方式滑移－一部分晶體相對于另一部分沿著某一晶面和晶向發(fā)生相對滑動，滑移面兩側(cè)晶體的結(jié)構(gòu)類型和晶體取向均未有改變，它是金屬塑性變形的最基本方式。5.1.1金屬的塑性變形第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四如果將表面拋光的單晶體金屬試樣進行拉伸，在試樣的表面上會出現(xiàn)許多相互平行的線條，這些線條稱為滑移帶。第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四(2)滑移系一個滑移面和此面上的一個滑移方向結(jié)合起來組成一個滑移系?；葡蹬c金屬的晶體結(jié)構(gòu)類型有關(guān)?；泼嫱ǔＪ蔷w中原子排列最密的晶面，而滑移方向則是原子排列最密的晶向。第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四(3)滑移的臨界分切應(yīng)力(滑移需要條件)晶體的滑移是在切應(yīng)力作用下進行，而且只有當外力在某一滑移系中的應(yīng)力達到一定的臨界值時，在這一滑移系上晶體才發(fā)生滑移，稱該臨界值為滑移的臨界分切應(yīng)力，記為τc。τc=σscosλcosφcosλcosφ稱為取向因子。臨界分切應(yīng)力的大小取決于金屬的本性，而與外力的大小無關(guān)。第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四(4)滑移的位錯機制整體滑移模型－－開始人們認為晶體的滑移是晶體的一部分相對于另一部分同時作整體的剛性移動，則按此模型計算出的最小滑移切應(yīng)力是τ=G/2π是試驗值的100～1000倍。位錯滑移模型－－通過位錯在切應(yīng)力作用下沿著滑移面逐步滑動，這樣遇到的阻力就很小，按此模型計算的結(jié)果與試驗結(jié)果在數(shù)量級上完全吻合。位錯在很小的切應(yīng)力作用下就能滑動的現(xiàn)象稱為位錯的易動性。第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四(5)孿生當金屬晶體滑移變形難以進行時，其塑性變形還可能以生成孿晶的方式進行，稱為孿生。孿生是一個發(fā)生在晶體內(nèi)部的均勻切變過程，切變的結(jié)構(gòu)是均勻切變區(qū)的晶體晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，但位向發(fā)生變更。第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四孿生與滑移有什么不同？第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2.多晶體塑性變形特點多晶體與單晶體有什么不同？存在晶界，各晶粒位向不同。(1)塑變不同時性多晶體由位向不同的許多小晶粒組成，在外加應(yīng)力作用下，只有處在有利位向（取向因子最大）的晶粒的滑移系才能首先開動，周圍取向不利的晶粒中的滑移系上的分切應(yīng)力還未達到臨界值，這些晶粒仍處在彈性變形狀態(tài)。第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四(2)塑變協(xié)調(diào)性由于多晶體的每個晶粒都處于其它晶粒的包圍之中，因此，它的變形必須要與其鄰近晶粒的變形相互協(xié)調(diào)，否則就不能保持晶粒之間的連續(xù)性而導(dǎo)致材料的斷裂。這就要求相鄰晶粒中取向不利的滑移系也參與變形。多晶體的塑性變形是通過各晶粒的多系滑移來保證相互協(xié)調(diào)性。根據(jù)理論推算，每個晶粒至少需要有五個獨立滑移系。因此，滑移系較多的面心立方和體心立方金屬表現(xiàn)出良好的塑性，而密排六方金屬的滑移系少，晶粒之間的變形協(xié)調(diào)性很差，故塑性變形能力低。(3)塑變不均勻性由多晶體中各個晶粒之間變形的不同時性可知，每個晶粒的變形量各不相同，而且由于晶界的強度高于晶內(nèi)，使得每一個晶粒內(nèi)部的變形也是不均勻的。第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四課堂思考討論題：1單晶材料和多晶材料哪個強度高，為什么？2晶粒細化能使金屬強度提高嗎？1晶界對滑移有阻礙，各晶粒位向不同。第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四5.1.2塑性變形對金屬組織與性能的影響1.塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響(1)形成纖維組織金屬經(jīng)塑性變形時，沿著變形方向晶粒被拉長。當變形量很大時，晶粒難以分辨，而呈現(xiàn)出一片如纖維絲狀的條紋，稱之為纖維組織。30％50％第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四(2)形成形變織構(gòu)隨著變形的發(fā)生，還伴隨著晶粒的轉(zhuǎn)動。在拉伸時晶粒的滑移面轉(zhuǎn)向平行于外力的方向，在壓縮時轉(zhuǎn)向垂直于外力方向。故在變形量很大時，金屬中各晶粒的取向會大致趨于一致，這種由于變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫形變織構(gòu)。Zn晶體中的滑移第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四(3)亞結(jié)構(gòu)細化冷變形會增加晶粒中的位錯密度。隨著變形量的增加，位錯交織纏結(jié)，在晶粒內(nèi)形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，叫形變胞。胞內(nèi)位錯密度較低，胞壁是由大量纏結(jié)位錯組成。變形量越大，則形變胞數(shù)量越多，尺寸越小。第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四(4)點陣畸變嚴重金屬在塑性變形中產(chǎn)生大量點陣缺陷（空位、間隙原子、位錯等），使點陣中的一部分原子偏離其平衡位置，而造成的晶格畸變。在變形金屬吸收的能量中絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)辄c陣畸變能，位錯密度顯著升高，由105-6升至1011-12。(5)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（殘余應(yīng)力）第一類內(nèi)應(yīng)力(宏觀內(nèi)應(yīng)力)，金屬工件各部分間的變形不均勻而引起的，作用于整個工件。第二類內(nèi)應(yīng)力(微觀內(nèi)應(yīng)力)，各晶粒之間的塑性變形不均勻而引起的內(nèi)應(yīng)力，其作用范圍一般不超過幾個晶粒。第三類內(nèi)應(yīng)力(點陣畸變)，作用范圍很小，在一個晶粒內(nèi)部，一般為幾十至幾百納米。殘余應(yīng)力又叫儲存能，第一類內(nèi)應(yīng)力占0.1%~，第二類內(nèi)應(yīng)力占10～％，第三類內(nèi)應(yīng)力占80～90％。第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2.塑性變形對金屬力學(xué)性能的影響(1)呈現(xiàn)明顯的各向異性(圖5-11)

主要是由于形成了纖維組織和變形織構(gòu)(2)產(chǎn)生形變強化？形變強化的主要原因位錯密度導(dǎo)致形變胞的形成和不斷細化位錯滑移金屬的變形抗力第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四

變形過程中，位錯密度升高，導(dǎo)致形變胞的形成和不斷細化，對位錯的滑移產(chǎn)生巨大的阻礙作用，可使金屬的變形抗力顯著升高，這是產(chǎn)生形變強化的主要原因。(a)DislocationmicrostructureinMounder2%tensilestrainalong[110]at77K.(b)DislocationmicrostructureinMounder5.8%tensilestrainat293K第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四加工硬化方法舉例第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四3.塑性變形對金屬物理、化學(xué)性能的影響

經(jīng)過冷塑性變形后，金屬的物理性能和化學(xué)性能也將發(fā)生明顯的變化。通常使金屬的導(dǎo)電性、電阻溫度系數(shù)和導(dǎo)熱性下降。塑性變形還使導(dǎo)磁率、磁飽和度下降，但矯頑力增加。塑性變形提高金屬的內(nèi)能，使化學(xué)活性提高，耐腐蝕性下降。第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四5.1.3變形金屬在加熱時組織與性能的變化1.回復(fù)和再結(jié)晶經(jīng)冷變形后的金屬吸收了部分變形功，內(nèi)能升高，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有自發(fā)恢復(fù)到變形前狀態(tài)的趨勢。一旦受熱（加熱到0.5T熔溫度附近），冷變形金屬的組織和性能就會發(fā)生一系列的變化，可分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個階段。第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四(1)回復(fù)回復(fù)的作用:降低內(nèi)應(yīng)力（去應(yīng)力退火及回復(fù)退火）在生產(chǎn)中對冷加工的零件，為了保持加工硬化狀態(tài)，降低內(nèi)應(yīng)力，以減輕變形和翹曲，通常采用去應(yīng)力退火即回復(fù)退火?；貜?fù)階段主要特點：1點缺陷密度降低2位錯發(fā)生多邊化在回復(fù)階段，由于溫度升高，金屬的屈服強度下降，在內(nèi)應(yīng)力的作用下將發(fā)生局部塑性變形，從而使第一內(nèi)應(yīng)力得以消除。第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四多邊化第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四(2)再結(jié)晶定義:在變形組織的基體上產(chǎn)生新的無畸變的晶核，并迅速長大形成等軸晶粒，逐漸取代全部變形組織結(jié)晶？再結(jié)晶？(無新相不發(fā)生相變)再結(jié)晶階段主要特點：

1等軸晶粒取代變形組織

2加工硬化狀態(tài)消除再結(jié)晶的作用:1細化晶粒

2各向同性

影響因素：變形度和退火溫度第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四

再結(jié)晶與回復(fù)的不同之處在于機械性能能完全恢復(fù)到冷變形前的狀態(tài)，加工硬化得以消除。生產(chǎn)中利用這一點來消除加工硬化，使塑性加工能夠順利進行下去，這種工藝稱為再結(jié)晶退火。(3)晶粒長大冷變形金屬在再結(jié)晶剛完成時，一般得到細小的等軸晶粒組織。如果繼續(xù)提高加熱溫度或延長保溫時間，將引起晶粒進一步長大，它能減少晶界的總面積，從而降低總的界面能，使組織變得更穩(wěn)定。晶粒長大的驅(qū)動力來自界面能的降低。第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2.再結(jié)晶晶粒大小的控制

影響再結(jié)晶晶粒大小的主要因素是變形度和退火溫度。能發(fā)生再結(jié)晶的最小變形度通常在2%~8%范圍內(nèi)，但再結(jié)晶晶粒特別粗大，這樣的變形度稱為臨界變形度。這是因為此時的變形量較小，形成的再結(jié)晶核心較少。當變形度大于臨界變形度后,則隨著變形度的增大晶粒逐漸細化。當變形度和退火保溫時間一定時，再結(jié)晶退火溫度越高，再結(jié)晶后的晶粒越粗大。第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四5.1.4金屬的熱加工

壓力加工是利用塑性變形的方法使金屬成形并改性的工藝方法。由于在常溫下進行塑性變形會引起金屬的加工硬化，這使得對某些尺寸較大或塑性低的金屬在常溫下難以進行塑性變形。生產(chǎn)上通常采用在加熱條件下進行塑性變形。1.熱加工與冷加工在再結(jié)晶溫度以上進行的壓力加工稱為熱加工，在再結(jié)晶溫度以下回復(fù)溫度以上進行的壓力加工稱為溫加工，在回復(fù)溫度以下進行的壓力加工稱為冷加工，或產(chǎn)生加工硬化的壓力加工稱為冷加工。例如鎢的再結(jié)晶溫度約為1200℃，因此，即使在1000℃進行變形加工也屬于冷加工。第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2.熱加工特點在熱加工過程中，金屬同時進行著兩個過程：形變強化和再結(jié)晶軟化。塑性變形使金屬產(chǎn)生形變強化，而同時發(fā)生的再結(jié)晶(稱為動態(tài)再結(jié)晶)過程又將形變強化現(xiàn)象予以消除。因此，熱加工時一般不產(chǎn)生明顯加工硬化現(xiàn)象。第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四3.熱加工對金屬組織與性能的影響(1)改善鑄態(tài)組織缺陷使鑄態(tài)組織中的氣孔、疏松及微裂紋焊合，提高金屬致密度，還可以使鑄態(tài)的粗大樹枝晶通過變形和再結(jié)晶的過程而變成較細的晶粒，某些高合金鋼中的萊氏體和大塊初生碳化物可被打碎并使其分布均勻等。這些組織缺陷的消除會使材料的性能得到明顯改善。(2)出現(xiàn)纖維組織在熱加工過程中鑄態(tài)金屬的偏析、夾雜物、第二相、晶界等逐漸沿變形方向延展，在宏觀工件上勾畫出一個個線條，這種組織也稱為纖維組織。纖維組織的出現(xiàn)使金屬呈現(xiàn)各向異性，順著纖維方向強度高，而在垂直于纖維的方向上強度較低。在制訂熱加工工藝時，要盡可能使纖維流線方向與零件工作時所受的最大拉應(yīng)力的方向一致。第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四合理不合理第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四5.2固溶強化5.2.1固溶強化現(xiàn)象

定義：溶質(zhì)原子溶入金屬基體而形成固溶體，使金屬的強度、硬度升高，塑性、韌性有所下降，這一現(xiàn)象稱為固溶強化。例如單相的黃銅、單相錫青銅和鋁青銅都是以固溶強化為主來提高合金強度和硬度的。原因：由于溶質(zhì)原子造成了點陣畸變，其應(yīng)力場將與位錯應(yīng)力場發(fā)生彈性交互作用并阻礙位錯運動，這是產(chǎn)生固溶強化的主要原因。CuCuCuCuCuCuCuCuCuCuCuCuCuZnZn第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四5.2.2影響因素銅中加入不同含量的元素強化效果第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四1.溶質(zhì)原子濃度理論和實驗表明，溶質(zhì)原子濃度越高，強化作用也越大。2.溶質(zhì)溶劑原子尺寸差溶質(zhì)溶劑原子尺寸相差越大，強化效果越顯著。3.溶質(zhì)原子類型一種是溶質(zhì)原子造成球?qū)ΨQ的點陣畸變，其強化效果較弱，約為G/10，G為彈性模量，如置換型溶質(zhì)原子或面心立方晶體中的間隙型溶質(zhì)原子；另一種是溶質(zhì)原子造成非球?qū)ΨQ的點陣畸變，其強化效果極強，約為G的幾倍，如體心立方晶體中的間隙型溶質(zhì)原子。第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四5.3第二相強化定義：第二相以細小彌散的微粒均勻分布于基體相中時，使合金強度、硬度升高的現(xiàn)象。原因：第二相阻礙位錯運動，使位錯滑動阻力增大。分類：如果第二相微粒是通過過飽和固溶體的時效處理而沉淀析出并產(chǎn)生強化，則稱為沉淀強化或時效強化；如果第二相微粒是通過粉末冶金方法加入并起強化作用，則稱為彌散強化。第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四5.3.1沉淀強化（時效強化）?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.第二相微粒通過過飽和固溶體的時效處理而沉淀析出并產(chǎn)生強化，稱之為沉淀強化或時效強化。第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四1.固溶處理具有時效強化現(xiàn)象合金的最基本條件是在其相圖上有固溶度變化，并且固溶度隨溫度降低而顯著減小。如圖5-21所示。當組元B含量大于Bo的合金加熱到略低于固相線的溫度，保溫一定時間，使B組元充分溶解后，取出快速冷卻，則B組元來不及沿CD線析出，而形成亞穩(wěn)定的過飽和固溶體，這種處理稱為固溶處理。2.時效經(jīng)固溶處理的合金在室溫或一定溫度下加熱保持一定時間，使過飽和固溶體趨于某種程度的分解，這種處理稱為時效。在室溫下放置產(chǎn)生的時效稱為自然時效，加熱到室溫以上某一溫度進行的時效稱為人工時效。第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四3.時效過程與性能變化時效過程中，新相并不是一步從過飽和固溶體中析出，而是通過一系列的中間相逐步析出，最終轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相。LC4超硬鋁合金540℃時效硬化曲線

隨著時效時間的延長，合金的強度不斷升高，當細小的平衡相剛好均勻析出時強度達到最高，為峰時效態(tài)。進一步延長時效時間由于平衡相長大粗化，合金的強度又逐漸下降，稱為過時效態(tài)。第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四5.3.2彌散強化1.彌散型合金利用彌散強化是提高金屬材料力學(xué)性能的有效方法，尤其對耐熱材料有更大的應(yīng)用價值。例如常用的彌散型合金是以金屬為基體，彌散相為穩(wěn)定性高、熔點高的各種化合物粉末，粉末顆粒直徑約為0.1~0.01μm，間距為0.01~0.03μm。2.粉末冶金原理與工藝粉末冶金法與金屬熔鑄法不同，它是利用金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末的混合物作原料，經(jīng)過壓制成型和燒結(jié)兩個主要工序來生產(chǎn)各種金屬制品的方法。粉末冶金生產(chǎn)的主要工藝過程有粉末的制備、壓制成型、燒結(jié)及后處理。定義：第二相微粒通過粉末冶金法加入并起強化作用，稱之為彌散強化。

第42頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四粉末冶金工藝流程圖第43頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四5.4細晶強化定義：晶粒尺寸減小使材料強度升高的現(xiàn)象。原因：1晶界強度明顯高于晶內(nèi)。材料在外力作用下發(fā)生塑性變形時，通常晶粒中心區(qū)域變形量較大，晶界及其附近區(qū)域變形量較小。多晶體的金屬細絲在拉伸變形時在晶界附近出現(xiàn)竹節(jié)狀就反映了常溫下晶界的強化作用。第44頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2晶界對滑移有阻礙。晶粒越細小，晶界面積越大，對位錯滑移的阻礙就越強烈，位錯就越不容易越過晶界傳播。第45頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四5.4.2細化晶粒方法