第五章材料的强化理论

(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。
课堂思考讨论题： 1 单晶材料和多晶材料哪个强度高，为什么？
2 晶粒细化能使金属强度提高吗？
1 晶界对滑移有阻碍，各晶粒位向不同。
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
τc = σs cosλcosυ
讨论：单晶体的屈服强度是定值吗？为什么？
(4) 滑移的位错机制 整体滑移模型－－晶体的一部分相对于另一部 分同时作整体的刚性移动，按此模型计算出的 最小滑移切应力是 ： τ= G/2π
比试验值高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。
(5) 产生内应力（残余应力） 第一类内应力(宏观内应力)，金属工件各部分间的 变形不均匀而引起的，作用于整个工件。 第二类内应力(微观内应力)，各晶粒之间的塑性变 形不均匀而引起的内应力，其作用范围一般不超过 几个晶粒。 第三类内应力(点阵畸变)，作用范围很小，在一个 晶粒内部，一般为几十至几百纳米。
当一条位错线移到晶体表面时，便在晶体表面留下一个原 子间距的滑移变形。如果有大量位错按此方式不断滑过晶体， 就会在晶体表面形成滑移带。可见，滑移的临界分切应力实际 上是推动位错移动时所需要的力，其大小取决于位错移动时所 遇到的阻力。对单晶体而言，取决于点阵阻力（与原子键合、 晶格类型有关，称为派－纳力），理论计算表明：
(2)再结晶 加热温度升至 1/2 T熔，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。金属的加工 硬化状态消除，性能基 本上恢复到冷变形之前 的状态。这一过程叫再 结晶。再结晶驱动力来 自储存能，再结晶完成 后，冷变形金属中的储 存能全部释放。
再结晶温度
形变量对金属强度的影响
原因 塑性变形过程中，位错在滑移时会产生交互 作用，如相互交割、反应、缠结；同时位错在滑 移时还会产生增殖，位错密度不断升高，导致形 变胞的形成和不断细化，这些都对位错的滑移产 生巨大的阻碍作用，使得位错滑移阻力随着塑性 变形的进行不断升高，在宏观上就表现为金属抵 抗塑性变形的能力随塑性变形的进行不断升高。
(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。
再结晶与回复的不同之处在于机械性能能完全 恢复到冷变形前的状态，加工硬化得以消除。生产 中利用这一点来消除加工硬化，使塑性加工能够顺 利进行下去，这种工艺称为再结晶退火。
(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。
即：τ= σ cosλcosυ cosλcosυ称为取向因子。
外力方向改变，加在滑移系上的取向因子也会 发生改变，因此外力在不同方向上作用,滑移系上产 生的分切应力是不同的。 取向因子最大的方向称为软取向，取向因子最 小的方向为硬取向。
当分切应力达到临界分切应力时，晶体开始产 生滑移，意味着晶体开始屈服：
τc = [2G/(1-υ)]e-2πa/[(1-υ)b]
(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。
孪生与滑移有什么不同？
2. 多晶体塑性变形特点 多晶体与单晶体有什么不同？ 存在晶界，各晶粒位向不同。 (1) 塑变不同时性 在外加应力作用 下，处在软取向的晶 粒的滑移系首先开动， 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。
残余应力又叫储存能，第一类内应力占0.1%~， 第二类内应力占10～％，第三类内应力占80～90％。
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形变织构。
制耳现象
(2) 产生形变强化 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，这种现象称为形变强化（加工硬 化），是金属强化的一种有效手段。
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。
(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。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。
(4) 点阵畸变严重
金属在塑性变形中产生大量点阵缺陷（空位、 间隙原子、位错等），使点阵中的一部分原子偏离 其平衡位置，而造成的晶格畸变。在变形金属吸收 的能量中绝大部分转变为点阵畸变能，位错密度显 著升高，由105-6升至1011-12。
(2) 塑变协调性
处于软取向的晶粒不能自由的变形，必须要求相 邻晶粒中取向不利的滑移系也参与变形，否则就不能 保持晶粒之间的连续性而导致材料的断裂。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。
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。
30％
50％
形变量对金属组织的影响
(2) 形成形变织构 随着变形的进行，原处于随机分布的各晶粒的 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。
产生择优取向的原因是塑性变形时晶粒发生 了转动。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。当变形 量很大时，各晶粒的位向就会趋于一致。
Zn晶体中的滑移
(3) 滑移的临界分切应力
当作用在滑移系上的切应力达到某一临界值时， 这一滑移系才能发生滑移，该临界值称为滑移的临界 分切应力，记为τcwk.baidu.com。 临界分切应力的大小取决于金属的本性，与外 力的大小无关。
作用在滑移系上的外加分切应力的计算
当晶体上受到拉力 F作用时，作用在滑移 系上的分切应力为：
第五章 工程材料的塑性变形和强 化理论
强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形的能 力，强化的实质就是提高金属抵抗塑性变形的能 力，因此强度与塑性变形的难易程度密切相关。
工程中最常见的强化方法有形变强化、固溶强 化、第二相强化和细晶强化。它们都是围绕提高材 料塑性变形抗力出发来对材料进行强化的，要掌握 强化理论，首先必须先对金属塑性变形规律有充分 的了解。
合理
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。
加工硬化方法举例
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 冷变形后的金属内能升高，存在储存能，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。
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)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。
3. 热加工对金属组织与性能的影响 (1) 改善铸态组织缺陷 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。
滑移带
如果将表面抛光的单晶体金属试样进行拉伸， 在试样的表面上会出现许多相互平行的线条，这些 线条称为滑移带。
(2) 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。
5.1 塑性变形和形变强化（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，这种现象称为形变强化。
5.1.1金属的塑性变形
1.单晶体塑性变形 (1) 变形基本方式 滑移－－在切应力作用下，一部分晶体相对于另 一部分沿着某一晶面和晶向发生相对滑动。滑移 后滑移面两侧晶体的结构类型和晶体取向均末有 改变，它是金属塑性变形的最基本方式。
在生产中对冷加工的零件，为了保持加工硬 化状态，降低内应力，以减轻变形和翘曲，通 常采用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。
机冷 械变 性形 能金 的属 变在 化加 热 过 程 中 组 织 和
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，这时再结晶后晶粒特别粗大，这 一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。
(1) 回复 加热温度较低，原子活动能力有限，仅有点缺陷 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称为多边化。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。
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 。