第三章 改变材料性能的主要途径

第三章改变材料性能的主要途径§1.金属塑性变形对材料性能的影响一.塑性变形过程及组织、性能的变化1．单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的基本形式有以下两种：①滑移变形:即在一定的切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（称滑移面，是晶体中原子密度最大的晶面）上的一定的晶向（称滑移方向，是晶体中原子密度排列最大的晶向）发生滑移。

②孪生变形:即在切应力作用下，晶体的一部分相对另一部分沿一定的晶面（称孪生面）和一定的晶向（称孪生方向）产生切变。

(2)滑移变形与位错滑移变形并不是滑移面两侧晶体的整体移动的刚性滑移，而是通过晶内的位错运动来实现的,当一个位错移动到晶体表面时，就产生一个位移量。

常把单晶体中所含位错线的总长度称作位错密度（ρ），即式中：V——晶体总体积（cm3）；S——位错线总长度（cm）。

（3）位错增殖:在滑移变形过程中造成位错数量增多的现象称为位错增殖。

（4）滑移系:金属材料的塑性变形主要是滑移变形，但在滑移过程中，不是沿着任何晶面和晶向发生的，而是沿着晶格中原子密度最大的滑移面和滑移方向进行的，不同的晶格类型的晶体，滑移面与滑移方向的数目是不同的，常将一个滑移面和其上的一个滑移方向合称为一个滑移系。

一般金属滑移系愈多，金属发生滑移的可能性就愈大，则金属的塑性变形愈容易，特别是滑移方向对塑性变形的作用比滑移面作用更大，故具有面心立方晶格的金属具有良好的塑性。

2．多晶体的塑性变形（1）多晶体的塑性变形是每个晶粒变形的总和（2）多晶体金属的晶界是位错运动的辟垒（3）冷变形纤维组织（4）变形织构二.塑性变形金属的再结晶1．再结晶过程（1）回复:工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火，以降低残余内应力，保持加工硬化效果。

时，原子扩散能力增大，（2）再结晶：当将加工硬化的金属继续加热到（0.35～0.4）T熔在位错密度较高的晶界上，一些未变形的亚晶粒和回复时形成的多边化亚晶粒转变成再结晶晶粒，并进一步长大。

此时被拉长的晶粒和碎晶转变为均匀细小的等轴晶粒，但晶格类型不变，这一过程称为再结晶。

（3）晶粒长大：当将加工硬化的金属继续加热到（0.35～0.4）T时，原子扩散能力增大，熔在位错密度较高的晶界上，一些未变形的亚晶粒和回复时形成的多边化亚晶粒转变成再结晶晶粒，并进一步长大。

此时被拉长的晶粒和碎晶转变为均匀细小的等轴晶粒，但晶格类型不变，这一过程称为再结晶。

晶粒长大，实质上是一个晶界位移的过程。

2．再结晶后的晶粒度（1）加热温度：加热温度一定时，而保温时间延长，同样也会使晶粒长大。

加热温度一定时，而保温时间延长，同样也会使晶粒长大。

加热温度与晶粒度的关系。

图3-3.( 2)预先变形：再结晶退火后的晶粒度还与预先变形度有关，变形度很小时，再结晶退火后，因不足以引起再结晶，晶粒大小基本不变。

预先变形度与晶粒度的关系，如图3-13所示。

三.金属的热变形1．热变形的组织与性能特性一般以金属的再结晶温度为界限进行区分，在其再结晶温度以上的加工变形称为热变形；在再结晶温度以下的加工变形称为冷变形。

热变形的金属随温度的上升，而强度、硬度降低，塑性、韧性提高。

因此金属变形抗力小，塑性大，而且不会产生加工硬化现象，可以进行大量的加工变形。

热变形与冷变形的机制相同，热变形虽不引起加工硬化，但也会使金属的组织和性能发生很大的变化，热加工后：①可使铸态金属中的气孔、缩松等缺陷被压合，从而使金属的致密度、性能得到提高。

②可使金属中粗大树枝晶、大晶块和碳化物破碎，并通过再结晶获得等轴细晶粒，提高力学性能③可使金属中的杂质随晶粒变形而被拉长，而拉长的晶粒通过再结晶仍可恢复为等轴细晶粒，而杂质仍为条状，使金属呈现纤维形态，称为热变形纤维组织3．热变形纤维组织的利用热变形的主要方法是热扎和锻造。

①热扎是生产各种型材的主要方法，通常在再结晶温度以上进行，热扎后型材沿轴线形成热变形纤维组织。

所以，使用型材时必须合理利用纤维方向，充分发挥材料的作用。

②锻造通过选用型材作为坯料，一般也是在再结晶温度以上进行。

锻造一方面可以获得所需零件的毛坯形状，另一方面可使坯料的纤维方向重新分布。

所以我们在设计零件时，应尽可能使纤维组织沿零件的轮廓线分布而不被切断，最大正应力与纤维方向平行，最大切应力与纤维方向垂直，从而达到较高的力学性能。

常见的有齿轮坯镦粗、主轴的拔长、吊勾与曲轴弯曲形成、螺栓头局部镦粗、热扎齿轮等。

四.形变强化的应用金属材料经冷塑性变形后，提高强度和硬度的方法，称为形变强化。

形变强化是室温时呈单相组织，加热时又不发生相变的金属和合金的主要强化方法；也是以单相固溶体为主要组成物，包含少量第二相的合金的重要强化方法。

形变强化主要用于不能采用热处理强化或强化效果不显著的，室温时又具有良好的塑性，并能进行适当程度的冷塑性变形的金属和合金。

生产中常用的形变强化方法有冷挤、冷拉、冷扎、冷镦、冷压、滚压和喷丸等。

冷挤、冷拉、冷扎主要用于原材料的生产；冷镦主要用于标准件的生产；冷压、滚压和喷丸主要用于零件表面强化，并可提高零件表面硬度、疲劳强度和表面质量。

形变强化在生产上已得到了广泛地应用，如各类钢丝、铝丝、铁丝和小直径弹簧钢丝等；薄钢板的冷扎、冷镦螺栓；大弹簧和大齿轮表面的喷丸处理；滑动摩擦轴颈的滚压；精密锻件的精压等。

但形变强化时，材料的截面尺寸不宜过大，否则表面变形不均匀，不能达到预期的强化效果。

塑性差、形状复杂的零件也不能进行形变强化处理。

§2.金属的晶粒度对材料性能的影响一.金属晶粒度与材料性能的关系晶粒粗细决定了晶界面积的大小。

晶粒细小，金属材料总晶界面积增加。

晶粒愈细，晶界愈多，位错运动困难，则金属材料的强度和硬度显著提高。

当晶粒细小时，同一位向的晶粒数目增加，在外力作用下，变形的晶粒也多，可使应力分散，变形均匀，并使得金属具有较好的塑性和韧性，所以晶粒细化不仅是提高金属强度、硬度，而又是提高塑性和韧性的重要途径。

二.影响晶粒度的因素1．过冷度液态金属结晶过程晶粒大小与生核率N（单位时间内，单位体积中所产生的晶核数）及生长率G（单位时间内晶粒长大速度）有关。

在一定过冷度范围内，生核率N和生长率G是随过冷度的提高而增大。

如图3-17所示。

其中生核率大于生长率的速度，所以随着过冷度ΔT的增大而得到的晶粒更细。

当过冷度ΔT 达到一定程度时，由于原子移动阻力增大，故生核率和生长率都降低（图中虚线所示）。

在通常金属结晶时的过冷度范围内，过冷度愈大，则N/G比值愈大，因而晶粒愈细。

3．异质晶核在液态金属中存在的异质微粒，符合生核和生长条件时，均可作为晶核，异质微粒含量适当时，可以获得细小晶粒的金属。

三.细晶强化方法与应用1．细晶强化的主要方法（1）提高过冷度提高过冷度主要是取决于液态金属的冷却速度。

如：①采用金属型铸造，增大铸件的冷却速度。

②设计铸件的壁厚应适当，薄壁铸件相当于提高冷却速度，可使晶粒细化。

（2）变质处理：在液态金属中加入一定量的变质剂（也称孕育剂），作为异质晶核以获得细晶铸件称为变质处理。

如在钢液中加入V、Ti、Al、；在铸铁液中加入硅铁合金，有时加入某些合金元素或其他盐类，虽不能成为异质晶核，但可以降低固相界面的表面能或附着在晶体的结晶前缘，阻碍晶粒长大，也可获得细晶组织；在铝合金液体中加入Ti、Zr；在铝硅合金中加入钠盐等，都可达到细化晶粒的目的。

3）振动与搅拌金属结晶时施以机械振动、超声波振动、电磁振动或搅拌等都可使树枝晶或大晶块破碎而增加新的晶核。

振动还能补充生核时所需的能量，提高生核率。

2．细晶强化的应用细晶强化主要应用于铸件生产领域。

常用于铸铁件和非铁合金铸件（即有色金属及合金），如灰铸铁的孕育处理和铝活塞采用金属型铸造等都属细晶强化的实例。

§3 金属的合金化一.合金化强化原理1．固溶强化主要方式有：①溶质原子小于基体（溶剂）原子形成的置换原子，一般移向位错线附近的受压位置，即刃型位错的上部。

②溶质原子大于基体原子形成的置换原子和间隙原子，一般移向位错线附近的受拉位置，即刃型位错的下部。

2．第二相强化（又称弥散强化）①位错绕过第二相质点，当第二相质点较硬，且质点大而间距也大时，位错线绕过第二相质点而继续运动，而且留下一个位错环。

②位错切过第二相质点，当第二相质点较软，且质点细小而间距也小，并与基体共格联系时，产生一个界面能很大的反相畴界。

§4.金属的热处理一.概述热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需的组织结构与性能的一种工艺不同加热温度和不同的冷却速度，处理后将获得的组织不同，则材料的性能也不同二.碳素钢热处理的理论基础钢的热处理加热温度一般都高于状态图的PSK、gs、ES线。

为了表达简便，以A1、A3、Ac m分别代表PSK、gs、ES线。

A1、A3、Ac m是碳钢在极缓慢地加热或冷却时地转变温度，因此，A1、A3、Ac m点都是平衡临界点。

在实际生产中，加热和冷却并不是极缓慢的，因此不可能在平衡临界点进行组织转变。

一般加热或冷却都是要发生一定的滞后现象，即要有一定的过热和过冷才能使相变充分进行，因此，加热时分别用Ac1、Ac3、Ac cm表示，冷却时分别用Ar1、Ar3、Ar cm表示，如图3－21所示。

1．加热时的组织转变从Fe-C状态图可知，任何成分的碳钢加热到临界点Ac1线以上都会发生P→A转变，而亚共析钢、过亚析钢加热到Ac3、Ac cm线以上时便全部转变为A。

热处理进行Ac1、Ac3、Ac cm以上加热的目的，就是为了得到A，通常把这种加热转变过程称为“奥氏体化”。

奥氏体化后的钢以不同的冷却方式，可得到不同的组织，获得不同的性能，所以奥氏体是钢的组织转变的基本条件。

（1）奥氏体的形成过程当加热到Ac1时，P开始向A转变。

1）奥氏体晶核的形成2）奥氏体晶核的长大3）未溶Fe3C的溶解4）奥氏体成分均匀化（2）影响奥氏体转变的因素1)加热温度2）加热速度（3）奥氏体的晶粒度①起始晶粒度②实际晶粒度③本质晶粒度3．钢冷却时的组织转变①等温冷却：是将奥氏体化后的钢，快速冷却到A1以下某一温度，进行保温，使其在该温度下发生组织转变，称为等温转变②连续冷却：是以连续冷却的方式从奥氏体化温度以某种冷却速度连续冷却到室温，这一过程发生的组织转变，称为连续冷却转变。

（1）过冷奥氏体等温转变奥氏体在临界点上为稳定相，能长期存在。

一旦冷却到临界点以下时，并非立即发生转变，而是需要一定时间的孕育期。

在A1温度以下转变以前存在的奥氏体称为过冷奥氏体1）过冷奥氏体等温转变过程过冷奥氏体在不同温度等温时，孕育的长短不同，转变终止的时间也不同。

将不同温度过冷奥氏体转变开始的时间与转变终止的时间标注在温度－时间（对数）坐标图上，并将相同的转变点连接成光滑曲线，便可得到过冷奥氏体等温转变曲线图，如图3－27所示。