第五章工程材料的强化理论

使铸态组织中的气孔、疏松及微裂纹焊合，提高金属致密度， 还可以使铸态的粗大树枝晶通过变形和再结晶的过程而变成较细 的晶粒，某些高合金钢中的莱氏体和大块初生碳化物可被打碎并 使其分布均匀等。这些组织缺陷的消除会使材料的性能得到明显 改善。
(2) 出现纤维组织
在热加工过程中铸态金属的偏析、夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变形方 向延展，在宏观工件上勾画出一个个线条，这种组织也称为纤维组织。纤维组织 的出现使金属呈现各向异性，顺着纤维方向强度高，而在垂直于纤维的方向上强 度较低。在制订热加工工艺时，要尽可能使纤维流线方向与零件工作时所受的最 大拉应力的方向一致。
变形黄铜的再结晶
金属的再结晶过程是通过形核和长大方式完成的。但它不是相变过 程，这与结晶不同。再结晶过程也不是一个恒温过程，而是自某一 温度开始，随着温度的升高和保温时间的延长而逐渐形核、长大的 连续过程。因而再结晶温度是指冷变形金属开始进行再结晶的最低 温度。通常定义为变形量很大(≥70%)的金属在1h的保温过程中， 能够完成再结晶的最低温度。大量实验表明，再结晶温度T再与熔 点T熔（以绝对温度表示）之间存在如下近似关系：T再 = (0.35~0.4)T熔 。
滑移面：原子排列最密的晶面。 滑移方向：原子排列最密的晶向。 滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一 个滑移系。 滑移系与金属的晶体结构类型有关。滑移面通常是晶体中原子 排列最密的晶面，而滑移方向则是原子排列最密的晶向。在其 它条件相同时，金属晶体中滑移系愈多，该金属的塑性愈好。
(3) 滑移的临界分切应力
经冷变形金属在加热时组织变化示意图
（1）回复 什么是回复？
变形金属在加热温度较低时，仅因金属中的一些点缺陷和位 错的迁移而所引起的某些晶内的变化。
什么是多边化？
加热温度较低，原子活动能力有限，仅点缺陷密度显著下降， 而位错密度变化不大，位错只是由缠结状态改变为规则排列的 位错墙（构成小角亚晶界），位错组态、分布的这一变化过程。 组织和性能的变化： 显微组织没有变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状，金属的机 械性能，如硬度、强度变化不大，塑性略有提高，第一、二类 内应力基本消除, 某些物理、化学性能发生明显变化，如电导率 显著增大，应力腐蚀抗力提高。
5.1.2塑性变形对金属组织与性能的影响
1.塑性变形对金属组织结构的影响 (1) 形成纤维组织 金属经塑性变形时，沿着变形方向晶粒被拉长。当变形量很大 时，晶粒难以分辨，而呈现出一片如纤维丝状的条纹，称之为纤 维组织。
Βιβλιοθήκη Baidu
冷变形量30%
冷变形量50%
低碳钢冷塑性变形后的显微组织
变形量对显微组织的影响
(2) 形成形变织构
形变织构：在变形量很大时，金属中各晶粒的取向会大致趋于一致， 这种由于变形而使晶粒具有择优取向的组织叫形变织构。 随着变形的发生，还伴随着晶粒的转动。在拉伸时晶粒的滑移面转 向平行于外力的方向，在压缩时转向垂直于外力方向。
丝织构
形变织构示意图
板织构
（3）亚结构细化 冷变形会增加晶粒中的位错密度。随着变形量的增加，位错交 织缠结，在晶粒内形成胞状亚结构，叫形变胞（或形变亚晶）。 胞内位错密度较低，胞壁是由大量缠结位错组成。变形量越大， 则形变胞数量越多，尺寸越小。

晶体的滑移是在切应力作用下进行，而且只有当外力在某一滑移 系中的应力达到一定的临界值时，在这一滑移系上晶体才发生滑 移，称该临界值为滑移的临界分切应力（使晶体开始滑移的切应 力），记为τc 。
τc = σs cosλcosυ
cosλcosυ称为取向因子。 临界分切应力的大小取决 于金属的本性，而与外力的大 小无关。
2.塑性变形对金属力学性能的影响
(1) 呈现明显的各向异性 主要是由于形成了纤维组织和变形织构。
制耳：织构会造成深冲 压成形的板材沿各方向 变形不均匀性，使工件 的边缘出现高低不平的 现象。
（a）无制耳
（b）有制耳
各向异性导致的“制耳”
(2) 产生形变强化 主要原因： 位错密度升高 形变胞的形成和不断细化 阻碍 位错滑移 金属的变形抗力升高 强度、硬度 升高，塑性、韧性下降。
滑移的位错机制示意图
滑移的位错机制示意图
(5) 孪生 当金属晶体滑移变形难以进行时，其塑性变形还可能 以生成孪晶的方式进行，称为孪生。例如滑移系较少 的密排六方晶格金属易以孪生方式进行变形。
钛合金六方相中的形变孪晶
2. 多晶体塑性变形特点
多晶体的特点：存在晶界，各晶粒位向不同。 多晶体塑性变形特点： (1) 塑变不同时性； (2) 塑变不均匀性；(3) 塑变协调性 (1) 塑变不同时性 多晶体由位向不同的许多小晶 粒组成，在外加应力作用下， 只有处在有利位向（取向因子 最大的软位向）的晶粒的滑移 系才能首先开动，周围取向不 利的晶粒中的滑移系上的分切 应力还未达到临界值，这些晶 粒仍处在弹性变形状态。
单晶体的屈服强度将随着取向因子的变化而变化。为什 么？ 外力方向改变，加在滑移系上的取向因子也会发生改变， λ 、φ 都接近45 º ，取向因子取得极大值，s最低 ，称 为软位向，当λ 、φ 只要有一个接近90 º 时，取向因子趋 近于零， s 趋近于无穷大，为硬位向。 (4) 滑移的位错机制
(2)再结晶
定义：塑性变形金属加热到一定温度之后，在变形组织的基体中， 重新生成无畸变的新晶粒的过程。 再结晶驱动力来自储存能 再结晶温度：是指冷变形金属开始再结晶的最低温度。 T再= （(0.35~0.4) T熔)
原子活动能力增强，变形组织的基体上产生新的无畸变的 晶核，并迅速长大形成等轴晶粒，逐渐取代全部变形组织。 经过再结晶后，冷变形金属的强度、硬度显著下降，塑性、 韧性显著提高，微观内应力完全消除，储存能全部释放。 加工硬化状态消除，金属又基本上恢复到冷变形之前的性 能。
第五章 工程材料的强化理论
工程上应用的金属材料通常是多晶体。 最常见的强化方法： （1）形变强化 （2）固溶强化 （3）第二相强化 （4）细晶强化。
5.1 形变强化
形变强化（加工硬化）：金属材料经塑性变形后，其强度 和硬度升高，塑性和韧性下降的现象。
金属制件的压力加工方法：锻造、轧制、拉拔、和冲压等。 压力加工特点 ：使金属在外力作用下，发生不能自行 恢复的形状和尺寸的变化，即塑性变形。 目的： （1）深入理解各种机械性能指标的本质； （2）充分发挥金属材料的潜力； （3）正确掌握压力加工和退火工艺。
回复退火的应用： 回复退火主要用来除去内应力。 内应力的害处： （1）使工件变形和翘曲； （2）产生晶间应力腐蚀。 常用的热处理工艺：去应力退火即回复退火 例如用冷拉钢丝卷制弹簧时，在卷成之后要在260℃左右进行退 火，以降低内应力并使之定型，而硬度、强度基本保持不变。 此外，降低铸件和焊接件中的内应力，防止变形、开裂也是通 过回复退火来实现的。

3. 塑性变形对金属物理、化学性能的影响
经过冷塑性变形后，金属的物理性能和化学性能也将发
生明显的变化。通常使金属的导电性、电阻温度系数和
导热性下降。塑性变形还使导磁率、磁饱和度下降，但
矫顽力增加。塑性变形提高金属的内能，使化学活性提高， 耐腐蚀性下降。
5.1.3变形金属在加热时组织与性能的变化
1. 回复和再结晶 经冷变形后的金属吸收了部分变形功，内能升高，处于不稳定 状态，具有自发恢复到变形前状态的趋势。一旦受热（加热到0.5T 熔温度附近），冷变形金属的组织和性能就会发生一系列的变化， 可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。
多晶体塑性变形不同时性示意图
(2)塑变协调性 由于多晶体的每个晶粒都处于其它晶粒的包围之中，因此， 它的变形必须要与其邻近晶粒的变形相互协调，否则就不能保 持晶粒之间的连续性而导致材料的断裂。这就要求相邻晶粒中 取向不利的滑移系也参与变形。多晶体的塑性变形是通过各晶 粒的多系滑移来保证相互协调性。根据理论推算，每个晶粒至 少需要有五个独立滑移系。因此，滑移系较多的面心立方和体 心立方金属表现出良好的塑性，而密排六方金属的滑移系少， 晶粒之间的变形协调性很差，故塑性变形能力低。 (3)塑变不均匀性 由多晶体中各个晶粒之间变形的不同时性可知，每个晶粒 的变形量各不相同，而且由于晶界的强度高于晶内，使得每一 个晶粒内部的变形也是不均匀的。
(3)晶粒长大
冷变形金属在再结晶刚完成 时，一般得到细小的等轴晶 粒组织。如果继续提高加热 温度或延长保温时间，将引 起晶粒进一步长大，它能减 少晶界的总面积，从而降低 总的界面能，使组织变得更 稳定。晶粒长大的驱动力来 自界面能的降低。
黄铜再结晶退火的晶粒长大
2. 再结晶晶粒大小的控制
影响再结晶晶粒大小的主要因 素是变形度和退火温度。能发 生再结晶的最小变形度通常在 2%~8%范围内，但再结晶晶 粒特别粗大，这样的变形度称 为临界变形度。这是因为此时 的变形量较小，形成的再结晶 核心较少。当变形度大于临界 变形度后,则随着变形度的增大 晶粒逐渐细化。当变形度和退 火保温时间一定时，再结晶退 火温度越高，再结晶后的晶粒 越粗大。
变形量对再结晶晶粒大小的影响
5.1.4 金属的热加工
压力加工是利用塑性变形的方法使金属成形并改性的工艺 方法。由于在常温下进行塑性变形会引起金属的加工硬化， 这使得对某些尺寸较大或塑性低的金属在常温下难以进行 塑性变形。生产上通常采用在加热条件下进行塑性变形。 1. 热加工与冷加工
在再结晶温度以上进行的压力加工称为热加工，在再 结晶温度以下回复温度以上进行的压力加工称为温加工， 在回复温度以下进行的压力加工称为冷加工，或产生加工 硬化的压力加工称为冷加工。例如钨的再结晶温度约为 1200℃，因此，即使在1000℃进行变形加工也属于冷加工。
2. 热加工特点
在热加工过程中，金属同时进行着两个过程：形变强化和再结晶软 化。塑性变形使金属产生形变强化，而同时发生的再结晶(称为动 态再结晶)过程又将形变强化现象予以消除。因此，热加工时一般 不产生明显加工硬化现象。
热加工时的动态再结晶示意图
3. 热加工对金属组织与性能的影响
1) 改善铸态组织缺陷
合理
吊钩中的纤维组织
不合理
5.2固溶强化
5.2.1 固溶强化现象 定义：溶质原子溶入金属基体而形成固溶体，使金属的强度、 硬度升高，塑性、韧性有所下降，这一现象称为固溶强化。例如单 相的黄铜、单相锡青铜和铝青铜都是以固溶强化为主来提高合金强 度和硬度的。 原因：由于溶质原子造成了晶格畸变，其应力场将与位错应力 场发生弹性交互作用并阻碍位错运动，这是产生固溶强化的主要原 因。 Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Zn Cu Zn Cu Cu Cu Cu Cu

经5%冷变形的纯铝的位错网络
(4) 点阵畸变严重
金属在塑性变形中，外力所作的功大部分转化为热，尚有一部分 （约占10%）以畸变能的形式储存在形变金属内部，这部分能量叫 储存能。 储存能的具体表现方式为：宏观残余应力（第一类内应力） 微观残余应力（第二类内应力） 晶格畸变（第三类内应力） 宏观残余应力：是物体各部分不均匀变形所引起的，在整个物体范 围内平衡。 微观残余应力：由晶粒或亚晶变形不均匀引起，在晶粒或亚晶范 围内平衡。 晶格畸变：由变形金属内部产生大量点阵缺陷（空位、间隙原子、 位错等）引起，其作用范围仅为几十至几百个纳米。 在变形金属吸收的能量中绝大部分转变为点阵畸变能，约占储 存能的90%。
5.1.1金属的塑性变形
单晶体和多晶体的概念 1.单晶体塑性变形 (1) 变形基本方式
单晶体变形基本方式：滑移和孪生（滑移是主要变形方式） 滑移：晶体的一部分相对于另一部分沿着某一晶面和晶向 发生相对滑动。
滑移面两侧晶体的结构类型和晶体取向均末有改变。
滑移现象
铜拉伸试样表面滑移带
滑移带示意图
(2) 滑移系
整体滑移模型－－开始人们认为晶 体的滑移是晶体的一部分相对于另 一部分同时作整体的刚性移动，则 按此模型计算出的最小滑移切应力 是 τ= G/2π 是试验值的100～1000倍。
位错滑移模型－－通过位错在切应力作用下沿着滑 移面逐步滑动，这样遇到的阻力就很小，按此模型 计算的结果与试验结果在数量级上完全吻合。位错 在很小的切应力作用下就能滑动的现象称为位错的 易动性。