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；