塑性变形对材料组织与性能的影响

变形量很大时，晶粒拉长，出现纤维组织
等轴晶
沿变形方向 晶粒拉长
2 亚结构的变化
• 金属晶体在塑性变形的同时，位错密度迅速提高 。 • 经塑性变形后，多数金属晶体中的位错分布不均匀，当形变 量较小时，形成位错缠结结构。 • 当变形量继续增加时，大量位错发生聚集，使晶粒分化成许 多位向略有不同的小晶块, 产生亚晶粒，即形成胞状亚结构。
• （1）当外力在滑移面及滑移方向上的分切应力达到临界分 切应力时位错源开动，位错增殖使位错密度增加。 • （2）在发生多系滑移后，在两个相交滑移面上运动的位错 必然会互相交割，形成割阶、扭结，使其运动阻力增大。 • （3）位错之间发生反应，形成固定位错，造成位错塞积， 使位错运动阻力进一步增大。
• 对纯金属多晶体，其加工硬化机理比单晶体多出了晶界
在体心立方纯金属铌中，微量的间隙原子(C、N、0等)，
由于会发生Leabharlann Baidu位错的交互作用而产生屈服现象，从而使曲
线第一阶段几乎消失。
密排六方纯金属镁由于只沿
一组相平行的滑移面作单系
滑移，位错的交截作用很弱， 故第1阶段曲线很长，以至几 乎第II阶段还没充分发展时试 样就已经断裂了。
多晶体的塑性变形由于晶界的阻碍作用和晶粒之间的协 调配合作用，各晶粒不可能以单一滑移系动作，而必然有多 组滑移系同时作用，因此多晶体的应力——应变曲线不会出
造成的位错塞积作用，阻碍了位错的运动。
• 对于合金，若是单相固溶体，其加工硬化机理比纯金属
多晶体又多出了固溶强化作用，即溶质原子与位错的弹 性相互作用形成柯氏气团，化学相互作用形成铃木气团， 阻碍位错的运动。 • 若是多相合金，其加工硬化机理比固溶体合金又多出来 沉淀强化、弥散强化机制，强化机理分别是位错的绕过 机制和切过机制，使位错运动阻力更进一步增大。
现单晶体曲线的第1阶段，而且其硬化曲线更陡。
• 塑性变形过程中位错密度的不断增加极其所产生的钉扎作用
是导致加工硬化的决定性因素。 • 加工硬化现象作为变形金属的一种强化方式，有其实际应用 意义，如许多不能通过热处理强化的金属材料，可以利用冷 变形加工同时实现成形与强化的目的。 • 例如对于工业上广泛应用的铜导线，由于要求导电性好，不 允许加合金元素，加工硬化是提高强度的唯一方法。
塑性变形对材料组织与性能的影响
晶体发生塑性变形后，不仅其外形发生了变化，其内部组 织以及各种性能也都发生了变化。
（1）显微组织的变化
经塑性变形后，金属材料的显微组织发生了明显的改变， 各晶粒中除了出现大量的滑移带、孪晶带以外，其晶粒形状 也会发生变化，随着变形量的逐步增加，原来的等轴晶粒逐 渐沿变形方向被拉长，当变形量很大时，晶粒已变成纤维状。
• 冷变形过程中形成亚结构是许多金属（例如铜、铁、钼、 钨、钽、铌等）普遍存在的现象。 • 一般认为亚结构对金属的加工硬化起重要作用，由于各 晶块的方位不同，其边界又为大量位错缠结，对晶内的 进一步滑移起阻碍作用。因此，亚结构可提高金属和合 金的强度。 • 利用亚晶来强化金属材料是措施之一。
研究表明，胞状亚结构的形成与否与材料的层错能有关，
一般来说，高层错能晶体易形成胞状亚结构。而低层错能晶 体形成这种结构的倾向较小。 这是由于对层错能高的金属而言，在变形过程中，位错不 易分解，在遇到阻碍时，可以通过交滑移继续运动，直到与 其它位错相遇缠结，从而形成位错聚集区域（胞壁）和少位 错区域（胞内）。
层错能低的金属由于其位错易分解，形成扩展位错，不易
• 问题：强化金属材料的方法有哪些？并指出其异同点。
• 加工硬化、固溶强化、弥散强化、沉淀强化、细晶强化。
• 共同点也就是金属强化的实质，在于塑性变形时增加了
位错运动的阻力。 • 不同点：（1）加工硬化：位错塞积、林位错阻力和形成 割阶阻碍位错运动（2）细晶强化：增加了晶界，增加了 位错塞积的范围（3）固溶强化：溶质原子沿位错聚集并 钉扎位错（4）第二相强化：分散的强化相颗粒迫使位错 切过或绕过强化相颗粒而额外做功，都是分散相强化的
不过加工硬化现象也存在不利之处，由于金属在
加工过程中塑性抗力不断增加，造成塑性变形困难。
另外由于加工硬化使金属变脆，因而在冷加工
过程中需要进行多次再结晶退火，使金属软化，以
便继续变形加工而不致裂开。
用位错理论分析纯金属与合金在冷变形加工时，在产
生加工硬化机理上有何区别。
• 答：纯金属单晶体产生加工硬化的机理主要是：
• 而各种晶体由于其结构类型、取向、杂质含量以及试验温度
等因素的影响，实际曲线有所改变 。 • 具有低层错能的铜显示了典型的应力－应变曲线持征；而具 有高层错能的铝，则由于其位错不易扩展，容易交滑移，故 应力－应变曲线的第III阶段开始较早，第II阶段极短 。 晶体中的杂质可使应力—应 变曲线的硬化系数有所增大， 曲线第I阶段将随杂质含量的 增加而缩短，甚至消失。
• 第II阶段，滑移在几组相交的滑移面中发生，由于运动位错之间 的交互作用，形成不利于滑移的结构状态，在相交滑移面上形 成割阶扭折、固定为错，位错运动变得非常困难，故该阶段称
为线性硬化阶段。加工硬化现象显著。
第III阶段，在应力进一步增高的
条件下，已产生的滑移障碍将逐 渐被克服，并通过交滑移的方式 继续进行变形。由于该段曲线呈 抛物线变化，故称为抛物线型硬 化阶段。
位错机制。
（2）其它性能变化
经塑性变形后的金属，由于点阵畸变、位错与 空位等晶体缺陷的增加，其物理性能和化学性能也 会发生一定的变化。如电阻率增加，电阻温度系数 降低，磁导率、热导率下降。此外，由于原子活动
交滑移，其运动性差，因而通常只形成分布较均匀的复杂网
络结构。
3 性能的变化
• （1）加工硬化（形变强化） • 金属发生塑性变形, 随变形度增大, 金属的强度和硬度显 著升高, 塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化。
强度指标增加、塑
性指标下降。
冷轧对铜及钢性能 的影响
金属的加工硬化特性可以从其应力－应变曲线上反映出 来。图是单晶体的应力－应变曲线，单晶体的塑性变形可划 分为三个阶段描述： 第I阶段，当切应力达到晶体的 临界分切应力值时，滑移首先从 一个滑移系中开始，由于位错运 动所受的阻碍很小，因此该阶段 称为易滑移阶段。此阶段加工硬 化率低。