第5讲-金属材料组织和性能控制-应变强化和凝固
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人们可以通过材料加工工艺和热处理工艺的结合使用，不仅能够把 材料加工成有用形状的构件，而且还能够控制和改善其力学性能。
本节讨论的问题尤其适于金属及其合金材料。
• 应变硬化（通过位错增殖实现）首先需要材料具有可延展性。如果把应 变硬化作为强化材料的手段，那么也必须同时克服加工过程中因应变硬化 而带来的一些问题。
如继续对施加2的应力，然后卸载，再对 该材料进行拉伸，则此时材料的流动应力会 变为2。只要每次施加一个更高的应力，材 料的流动应力和拉伸强度就会增加，塑性下降。 最终材料被强化到流动应力、拉伸强度和断裂强度相等，而塑性为零，如图8-1c。
此 时，金属材料不再发生塑性变形。图8-1d和e展示了材料的回弹（弹性后效现象）。
金属材料的加工硬化： 1、冷作加工和应力-应变曲线的关系
图8-1a为塑性金属材料的应力-应变曲线。 如材料的外加应力1大于屈服强度y，材料 发生永久变形或应变。当外载荷卸除，就会 产生1的应变。如对已预加了1应力的金属 重新进行拉力试验，就会得到图8-1b的应力 -应变曲线。此时，材料开始变形或屈服的应 力变为1。由此，把流动应力（屈服应力） 定义为预变形材料开始塑性变形时的应力。 1此时就是材料的流动应力。
例如，我们在拉拔线材或者挤压管材时，就会发生应变硬化，此时我 们就必须保证材料具有可接受的塑性。
而在轿车和卡车制造中，要使用钢板冲压出外形美观的汽车框架，此 时使用的钢板就必须能够在冲压时容易延展并易于弯曲，而冲压后的汽车 框架则必须具有足够的强度，能够承受轻微颠簸和大的冲击载荷。此时应 变硬化就能够使产品强度提高。
此外，为了保证了汽车框架的抗撞击性能，还必须使钢板在发生碰撞 时具有迅速的应变硬化能力。
• 另外，大家关心聚合物、玻璃和陶瓷材料是否具备加工硬 化的能力。
研究表明，热塑性聚合物在变形时具有应变硬化的能 力。但其应变硬化的ຫໍສະໝຸດ Baidu理和金属完全不同。
大多的脆性材料如玻璃和陶瓷材料的强度则取决于其中 的裂纹和裂纹-尺寸分布，因此，玻璃和陶瓷加工硬化能力 很差。
• 可以看到，轧制是生产金属板材、箔材的冷作技术。锻造则是使金属 材料在模腔中变形，从而生产出形状比较复杂的承力构件如汽车曲轴、 连杆等。拉拔技术则是将金属棒坯从一个模腔中拉出使其形成线材和丝 材等。挤压技术则是使材料被推进模腔使其变形为截面均匀的产品如棒 材、管材和铝合金门窗用的型材等。此外，深冲压技术则可以用来生产 铝合金饮料罐等。总而言之，冷作加工技术是金属材料强化成型技术的 有效途径手段，但该技术也存在材料塑性变差的问题。 • 如果一根线材如电线铝芯，反复弯折，就会使其越来越硬，最终会硬 化断裂，这就是加工硬化现象。加工硬化原理被用于制造许多产品，尤 其是那些不在非常高的温度下使用的产品。如铝合金饮料罐，它在加工 过程中，可以使其强度增加70%。
金属材料组织和性能 控制原理和方法
• 加工（应变）硬化和退火处理 • 凝固原理及其应用
一、加工（应变）硬化和退火处理 强化金属和合金的技术较多，如增加位错密度、减小晶粒尺寸、合
金化等等。本节将了解以下内容：如何使用冷作加工工艺来提高金属和 合金的性能，冷作加工实质上是把金属材料变形和强化同步进行的一种 工艺方法。而热作加工则没有强化作用。通过退火热处理工艺可以改善 冷作加工工艺引起的塑性降低和硬度增加问题。冷作加工导致的加工硬 化机理，是由于位错密度增加而引起的。
3、退火 • 冷作加工是一种非常有用的强化手段，它通过拉拔、扎制和挤压等方 法为材料成型提供了良好的实现途径。但是，冷作加工也会带来不期望 的问题，如材料塑性变差、存在残余应力等。由于冷作加工硬化产生的 根源是材料中的位错密度增加而形成的，那么我们就可以认定，任何能 够使冷作材料中位错排列改变或者消除的方法度应该能够消除冷作加工 带来的影响。 • 退火处理就是用来消除或部分去除冷作加工带来的影响的一种热处理 工艺。低温退火可以去除冷作加工产生的残余应力，而且对材料的机械 性能不会产生影响。而高温退火则可以用来完全消除冷作加工材料中的 加工硬化现象，退火后的工件硬度低，塑性好，而且表面质量和尺寸精 度都很好。而工件在退火处理后，还可以进行再次冷作加工。材料经过 多次反复的冷作加工和退火处理后，就可以实现材料的大程度变形。
• 应变硬化指数n
金属材料对冷作加工的响应
度（灵敏度）可以用应变硬化指
数n来表征。如图8-3，在对数坐
标系中，n是真实应力-应变曲线中塑性变形部分的斜率，
t
K
n t
or ln t ln K n ln t (1)
式中，K叫做强度系数，它是常数，它是t=1时的应力。
对于HCP金属来说，n值较
低，而BCC金属则较高，FCC
因此，通过对金属材料施加超过屈服强 度的应力我们就能够使其发生应变硬化；或 者说，在对金属材料进行冷作加工时，在材 料变形的同时，也使材料发生了加工硬化。 这就是许多制造技术如线材拉拔技术的基础。
图8-2图示说明了几种冷作加工（也可进 行热作加工）的材料制造技术。后面我们会 谈及热作加工和冷作加工的区别。许多制造 技术实质上就是变形和加工硬化同时进行的 冷作加工过程，如图8-2。
• 在材料的退火过程中，可能存在三个组织转变阶段。图8-14就是黄铜 退火时的三个阶段对黄铜材料性能的影响情况。
冷作加工对于纯铜力
学性能的影响见图8-5。
随着冷作加工程度的增
加，材料的屈服和拉伸
强度增加，但塑性下降
直至接近零。如果冷作
加工程度太大，则金属会发生断裂。因此，每种金属都有一个最高冷作
加工总变形量，超过则会发生脆断。
• 冷作加工组织 在冷作加工或者热作
加工中，通常会得到沿 着外加应力方向被拉长 的晶粒。其常见显微组 织见图8-7。
金属则更高。如表8-1所示。应
变硬化指数低的金属，则其冷
作加工性能就差
2、冷作变形程度和性能的关系 通过控制材料的塑性变形总量，我们就能控制应变硬化。通常，定
义冷作加工变形程度来衡量材料的变形总量，
冷作变形程度
A0
Af A0
100%
（2）
式中，A0是金属的原始截面积，Af是金属变形后的最终截面积。
本节讨论的问题尤其适于金属及其合金材料。
• 应变硬化（通过位错增殖实现）首先需要材料具有可延展性。如果把应 变硬化作为强化材料的手段，那么也必须同时克服加工过程中因应变硬化 而带来的一些问题。
如继续对施加2的应力，然后卸载，再对 该材料进行拉伸，则此时材料的流动应力会 变为2。只要每次施加一个更高的应力，材 料的流动应力和拉伸强度就会增加，塑性下降。 最终材料被强化到流动应力、拉伸强度和断裂强度相等，而塑性为零，如图8-1c。
此 时，金属材料不再发生塑性变形。图8-1d和e展示了材料的回弹（弹性后效现象）。
金属材料的加工硬化： 1、冷作加工和应力-应变曲线的关系
图8-1a为塑性金属材料的应力-应变曲线。 如材料的外加应力1大于屈服强度y，材料 发生永久变形或应变。当外载荷卸除，就会 产生1的应变。如对已预加了1应力的金属 重新进行拉力试验，就会得到图8-1b的应力 -应变曲线。此时，材料开始变形或屈服的应 力变为1。由此，把流动应力（屈服应力） 定义为预变形材料开始塑性变形时的应力。 1此时就是材料的流动应力。
例如，我们在拉拔线材或者挤压管材时，就会发生应变硬化，此时我 们就必须保证材料具有可接受的塑性。
而在轿车和卡车制造中，要使用钢板冲压出外形美观的汽车框架，此 时使用的钢板就必须能够在冲压时容易延展并易于弯曲，而冲压后的汽车 框架则必须具有足够的强度，能够承受轻微颠簸和大的冲击载荷。此时应 变硬化就能够使产品强度提高。
此外，为了保证了汽车框架的抗撞击性能，还必须使钢板在发生碰撞 时具有迅速的应变硬化能力。
• 另外，大家关心聚合物、玻璃和陶瓷材料是否具备加工硬 化的能力。
研究表明，热塑性聚合物在变形时具有应变硬化的能 力。但其应变硬化的ຫໍສະໝຸດ Baidu理和金属完全不同。
大多的脆性材料如玻璃和陶瓷材料的强度则取决于其中 的裂纹和裂纹-尺寸分布，因此，玻璃和陶瓷加工硬化能力 很差。
• 可以看到，轧制是生产金属板材、箔材的冷作技术。锻造则是使金属 材料在模腔中变形，从而生产出形状比较复杂的承力构件如汽车曲轴、 连杆等。拉拔技术则是将金属棒坯从一个模腔中拉出使其形成线材和丝 材等。挤压技术则是使材料被推进模腔使其变形为截面均匀的产品如棒 材、管材和铝合金门窗用的型材等。此外，深冲压技术则可以用来生产 铝合金饮料罐等。总而言之，冷作加工技术是金属材料强化成型技术的 有效途径手段，但该技术也存在材料塑性变差的问题。 • 如果一根线材如电线铝芯，反复弯折，就会使其越来越硬，最终会硬 化断裂，这就是加工硬化现象。加工硬化原理被用于制造许多产品，尤 其是那些不在非常高的温度下使用的产品。如铝合金饮料罐，它在加工 过程中，可以使其强度增加70%。
金属材料组织和性能 控制原理和方法
• 加工（应变）硬化和退火处理 • 凝固原理及其应用
一、加工（应变）硬化和退火处理 强化金属和合金的技术较多，如增加位错密度、减小晶粒尺寸、合
金化等等。本节将了解以下内容：如何使用冷作加工工艺来提高金属和 合金的性能，冷作加工实质上是把金属材料变形和强化同步进行的一种 工艺方法。而热作加工则没有强化作用。通过退火热处理工艺可以改善 冷作加工工艺引起的塑性降低和硬度增加问题。冷作加工导致的加工硬 化机理，是由于位错密度增加而引起的。
3、退火 • 冷作加工是一种非常有用的强化手段，它通过拉拔、扎制和挤压等方 法为材料成型提供了良好的实现途径。但是，冷作加工也会带来不期望 的问题，如材料塑性变差、存在残余应力等。由于冷作加工硬化产生的 根源是材料中的位错密度增加而形成的，那么我们就可以认定，任何能 够使冷作材料中位错排列改变或者消除的方法度应该能够消除冷作加工 带来的影响。 • 退火处理就是用来消除或部分去除冷作加工带来的影响的一种热处理 工艺。低温退火可以去除冷作加工产生的残余应力，而且对材料的机械 性能不会产生影响。而高温退火则可以用来完全消除冷作加工材料中的 加工硬化现象，退火后的工件硬度低，塑性好，而且表面质量和尺寸精 度都很好。而工件在退火处理后，还可以进行再次冷作加工。材料经过 多次反复的冷作加工和退火处理后，就可以实现材料的大程度变形。
• 应变硬化指数n
金属材料对冷作加工的响应
度（灵敏度）可以用应变硬化指
数n来表征。如图8-3，在对数坐
标系中，n是真实应力-应变曲线中塑性变形部分的斜率，
t
K
n t
or ln t ln K n ln t (1)
式中，K叫做强度系数，它是常数，它是t=1时的应力。
对于HCP金属来说，n值较
低，而BCC金属则较高，FCC
因此，通过对金属材料施加超过屈服强 度的应力我们就能够使其发生应变硬化；或 者说，在对金属材料进行冷作加工时，在材 料变形的同时，也使材料发生了加工硬化。 这就是许多制造技术如线材拉拔技术的基础。
图8-2图示说明了几种冷作加工（也可进 行热作加工）的材料制造技术。后面我们会 谈及热作加工和冷作加工的区别。许多制造 技术实质上就是变形和加工硬化同时进行的 冷作加工过程，如图8-2。
• 在材料的退火过程中，可能存在三个组织转变阶段。图8-14就是黄铜 退火时的三个阶段对黄铜材料性能的影响情况。
冷作加工对于纯铜力
学性能的影响见图8-5。
随着冷作加工程度的增
加，材料的屈服和拉伸
强度增加，但塑性下降
直至接近零。如果冷作
加工程度太大，则金属会发生断裂。因此，每种金属都有一个最高冷作
加工总变形量，超过则会发生脆断。
• 冷作加工组织 在冷作加工或者热作
加工中，通常会得到沿 着外加应力方向被拉长 的晶粒。其常见显微组 织见图8-7。
金属则更高。如表8-1所示。应
变硬化指数低的金属，则其冷
作加工性能就差
2、冷作变形程度和性能的关系 通过控制材料的塑性变形总量，我们就能控制应变硬化。通常，定
义冷作加工变形程度来衡量材料的变形总量，
冷作变形程度
A0
Af A0
100%
（2）
式中，A0是金属的原始截面积，Af是金属变形后的最终截面积。