金属的塑性变形和强化

第六章金属的塑性变形和强化

练习与思考题

1 什么叫强化？可能采用那些强化手段来强化金属？

采用各种方式使得金属塑性变形时位错运动的阻力增大，即可实现金属材料的强化。如冷变形的加工硬化，添加合金的固溶强化和析出沉淀强化，细晶强化，亚结构强化，多相组织的相变强化等。

2 面心立方单晶体的应力应变曲线的硬化系数θ为什么各个阶段各不相同？θⅡ最大的原因是什么？

第I阶段一般认为只有一个滑移系开动，强化作用不大，θI较小，为易滑移阶段；

第Ⅱ阶段为线性强化阶段，出现了多系滑移；多系滑移产生大量位错，使得位错运动阻力明显增大，尤其是面角位错的出现，强烈的阻止位错源开动，并强

最大。

烈阻止其他滑移面上的位错运动，从而使得这一阶段硬化指数θ

Ⅱ

第Ⅲ阶段出现了交滑移，从而拜托了面角位错的封锁，使原被塞积的位错继续运动，使得位错的自由路程增大。即在加工硬化的同时，存在着动态回复的软化过程，从而造成θⅢ随着γ增大而逐渐降低的现象。

3 晶界对塑性变形有什么影响？

晶界对塑性变形过程的影响，主要是在温度较低时晶界阻碍滑移进行引起的障碍强化作用和变形连续性要求晶界附近多系滑移引起的强化作用。

为使多晶体塑性变形过程不破坏晶界连续性，相邻的晶粒必须协调变形。多晶体塑性变形一旦变形传播到相邻的晶粒，就产生了多系滑移。位错运动遇到的障碍比单系滑移多，阻力要增加。

存在晶界及晶界两侧晶粒取向有差别，多晶体的塑性变形有着很大的不均匀性。在单个晶粒内，晶界变形要低于晶粒中心区域；由于细晶组织中晶界占的比例要大于粗晶组织中的晶界，细晶组织的强化效果高于粗晶组织。

4 多系滑移为何能起到强化作用？金属多晶体塑性变形一开始为什么就出现了多系滑移的强化？

多系滑移产生大量位错，位错间相互作用使得位错运动阻力明显增大，尤其是面角位错的出现，强烈的阻止位错源开动，并强烈阻止其他滑移面上的位错运动。

多晶体材料中，某一晶粒产生滑移变形而不破坏晶界连续性，相邻的晶粒必须协调变形。理论计算证明，相邻晶粒通过滑移协调一个可以变成任意形状的晶粒的变形，至少需六个滑移系统。所以多晶体塑性变形一旦形传播到相邻的晶粒，就产生了多系滑移。位错运动遇到的障碍比单系滑移多，阻力增加很快。

5 细化晶粒对金属材料的力学性能有什么影响？细化晶粒可以解决哪些问题？有哪些途径可以细化晶粒？

根据Hall-Petch关系，流变应力与晶粒直径方根的倒数(D-1/2)有明显的线性关系。

σs=σi+KD-1/2

式中σs——屈服应力； D——平均晶粒直径；σi、K——实验常数。

细化晶粒非常重要，在工程上有重要的应用

（1）在高强度的钢种中，细化晶粒可以提高其韧性；有助于防止脆性断裂发生，可降低脆性转化温度，提高材料使用范围。

（2）在低强度钢中（如低碳结构钢），利用细化晶粒来提高屈服强度有明显效果。尤其是超细晶组织对提高强度和韧性作用更突出。

（3）在超塑性变形时，细化晶粒可以得到理想的超塑性变形。因为超塑性

变形的控制机理为晶间滑动机理，等轴细小晶粒更有利于晶间滑动变形。

晶粒细化的途径有以下几种：

1）改变结晶过程中的凝固条件，尽量增加冷却速度，另一方面调节合金成分以提高液体金属过冷能力，使形核率增加，进而获得细化的初生晶粒。

2）进行塑性变形，严格控制随后的回复和再结晶过程以获得细小的晶粒组织。采用低温轧制和随后控制冷却，是得到细晶组织的有效生产工艺。

3）利用固溶体的过饱和和分解或粉末烧结等方法，在合金中产生弥散分布的第二相以控制基体组织的晶粒长大。

4）通过同素异形转变的多次反复快速加热冷却的热循环处理来细化晶粒。

6 什么是屈服效应？其在变形金属的外观上有何反应？

体心立方金属单向拉伸过程出现上下屈服点和屈服平台的现象，称之为屈服效应。其原因是位错与间隙原子形成的柯氏气团的反复钉扎的相互作用。

屈服效应会在变形金属的外观上有所反应，当金属变形量恰在屈服延伸区内时，金属表面会产生粗糙不平的表面缺陷，称之为吕德斯带。吕德斯带的形成：是外应力作用下，某些位置位错钉扎不牢，它们首先摆脱溶质原子的气团，开始运动、变形是集中在局部区域，在金属外观上的反映就是一种带状的表面粗糙的缺陷。

吕德斯带的消除:

（1）加入少量的AI、Ti等强氮、碳化物形成元素，固定C、N，使之不能有效钉扎位错。

（2）在钢板冲压前进行小量的预变形（稍大于屈服延伸区的变形程度），使

被溶质原子钉扎住的位错大部分基本脱钉.

7 什么是形变时效和动态形变时效？

形变时效：体心立方金属第一次加载屈服后卸载，停留一段时间再加载，重新出现屈服效应现象。其屈服极限、强度极限和硬度均有所提高，而塑性与疲劳极限等则要下降，容易发生脆断。

a-第一次实验；b-卸载后立即加载实验；c-卸载后停留一段时间再加载实验

蓝脆：碳钢在150～350℃范围内变形时，存在着动态形变时效现象，因而降低塑性，使金属变脆。这个温度区间试样或工件表面很容易生长蓝色的氧化膜，有发蓝的现象。

8 处于不同时效阶段的沉淀强化合金的应力应变曲线有何特点？

如图所示，应力应变曲线可分为四个阶段，即溶质原子的偏聚阶段、偏聚区有序化阶段、过渡相阶段和平衡阶段。

溶质原子的偏聚阶段：GPⅠ区所对应的一段曲线。在GPⅠ区，随着时效时间增长，强度增加。

偏聚区有序化阶段：GPⅡ区（体心点阵形成）。形成共格相θ``强化曲线达到峰值时，沉淀相中有80-90%是θ``相。

过渡相阶段：θ′相出现后，共格关系开始破坏，强化作用不如θ“相，标志着过时效开始。

平衡阶段：长时间时效后，沉淀相完全转变成粗大体心正方结构的有序稳定平衡θ相，完全失去共格关系，导致软化，强化作用比不上固溶强化。

9 沉淀析出相质点越小，沉淀强化合金的强化效果越好吗？

第二相析出强化作用机理主要有两种：切过第二相的强化机理和绕过机理，如下图所示。

位错切过第二相质点时，位错运动的阻力将随质点尺寸加大而增加，如曲线