第四章 金属材料的强化理论

第四章 金属材料的形变强化理论
一、形变强化现象 二、单晶体的塑性变形 三、滑移的位错机制 四、多晶体塑性变形特点
五、塑性变形对金属组织和性能影响
六、冷变形金属的回复和再结晶
五、塑性变形对金属组织和性能影响
1. 塑性变形对金属组织的影响
1）形成纤维组织 金属塑性变形时，晶粒沿着变形方向被拉长，当变 形量很大时，变成纤维状条纹。
4.3 第二相强化
4.4 细晶强化
4.1 形变强化 一、形变强化现象 二、单晶体的塑性变形
三、滑移的位错机制
四、多晶体塑性变形特点
五、塑性变形对金属组织和性能影响
六、冷变形金属的回复和再结晶
一、形变强化现象
金属经轧制、冲压、弯曲等冷加 工变形后，其强度、硬度上升，塑性 降低的现象。
第四章 金属材料的形变强化理论
当晶体在拉伸力F作用下发生滑移时，假 如不受夹头对滑移的限制，滑移面和滑移方 向保持不变，拉伸时的取向不变化。当有夹 头限制时，为了保持抗拉伸轴的方向固定不 变，单晶体的取向必须相对转动，即滑移面 和滑移方向发生变化。
二、单晶体的塑性变形
F A0
A1
锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
F
二、单晶体的塑性变形
5. 多系滑移 只有一个滑移系开动的情况（单系滑移） 一般发生在滑移系较少的密排六方结构的金属 中。对于滑移系较多的晶体来说，起始滑移首 先在取向最有利的滑移系中进行，但由于晶体 转动的结果，其他滑移系中的分切应力有可能 达到足以引起滑移的临界值，于是滑移过程将 在两个或多个滑移系中同时或交替进行。
六、冷变形金属的回复和再结晶
2.回复
在回复过程中，晶粒仍然保持纤维状，
金属的力学性能（硬度、强度等）变化不大，
塑性略有提高，宏观内应力基本消除，但某
些物理、化学性能发生明显变化，如导电率 升高、应力腐蚀抗力上升。
六、冷变形金属的回复和再结晶
3.再结晶 当冷变形金属的加热温度较高时，在变 形组织的基体上产生新的无畸变晶核，并迅 速长大成等轴晶粒。 再结晶是晶核形成和长大的过程，但没 有新相形成，再结晶在一个温度区间内进行。 再结晶后，冷变形金属的强度和硬度下降， 塑性和韧性升高，微观内应力完全消除，金 属性能基本上恢复到冷变形前的水平。
第四章 金属材料的形变强化理论
一、形变强化现象 二、单晶体的塑性变形
三、滑移的位错机制
四、多晶体塑性变形特点 五、塑性变形对金属组织和性能 六、冷变形金属的回复和再结晶
三、滑移的位错机制
1.位错运动与晶体滑移
铜晶体的理论计算强度为1500MPa，而 其实测强度仅有0.98MPa。这说明实际晶体 的滑移不是晶体的一部分相对于另一部分 做整体的刚性移动，而是通过位错在切应 力作用下沿滑移面逐步移动的结果。 当一条位错线移到晶体表面时，便在表 面留下一个原子间距的滑移变形。
黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片
冷变形量为38％的组织
580ºC保温3秒后的组织
580ºC保温4秒后的组织
580ºC保温8秒后的组织
580ºC保温15分后的组织 700ºC保温10分后的组织
六、冷变形金属的回复和再结晶
5. 再结晶晶粒大小的控制
形变量越大，再结晶形核率就越高，晶粒越细小。 再结晶温度越高或保温时间越长，则晶粒越粗大。 形变强化和吸晶强化不适用于高温下使用的合金。 对于冷变形金属焊接时也会出现晶粒长大的问题。
五、塑性变形对金属组织和性能影响
1. 塑性变形对金属组织的影响
1）形成纤维组织 金属塑性变形时，晶粒沿着变形方向被拉长，当变 形量很大时，变成纤维状条纹。
2）形成形变织构 随着变形的发生，还伴随着晶体的转动。在形变量 很大时，各晶粒的取向会趣于一致。这种由于变形 而使晶粒具有择优取向的组织叫做形变织构
《机械工程材料》
第四章 金属材料的强化理论
主讲人 刘 海
哈尔滨工业大学 空间材料与环境工程实验室
86412462，86418720
第四章 金属材料的强化理论
引论
理论强度
强度
金属晶须 未强化纯金属 （退火态）
加工硬化态 （1011~1012cm/cm3）
m
位错密度
第四章 金属材料的强化理论
4.1 形变强化 4.2 固溶强化
4.2 固溶强化
一、固溶强化现象 二、固溶强化的影响因素 三、固溶强化机理
4.2 固溶强化
1. 固溶强化现象 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。
2 固 溶 强 化 的 影 响 因 素
4.2 固溶强化
溶质原子浓度
溶质原子浓度越高，强化 作用也越大
五、塑性变形对金属组织和性能影响
2. 塑性变形对金属性能的影响
1） 塑性变形对金属力学性能的影响 由于形成了纤维组织和形变织构，导致金属明显的各向异性 由于位错密度升高，位错运动时相互交割加剧，产生位错塞 积群、割阶、缠结网等障碍，阻碍位错的进一步运动，引起 形变抗力增加，提高了金属的强度。
一、形变强化现象
二、单晶体的塑性变形
三、滑移的位错机制 四、多晶体塑性变形特点 五、塑性变形对金属组织和性能 六、冷变形金属的回复和再结晶
二、单晶体的塑性变形
1. 单晶体塑性变形基本方式 —— 滑移
二、单晶体的塑性变形
2.滑移系 一个滑移面和在此面上的一个滑移方向构 成一个滑移系。 一般来说，滑移面通常是原子密排面，滑 移方向是原子排列最紧密的方向金属中滑移 系越多，其塑性越好。
六、冷变形金属的回复和再结晶
6. 金属热加工
热加工是指于再结晶温度以上进行的压力加工， 其特点如下： 1）在热加工过程中，同时进行形变强化和再结晶
软化两个过程，一般不发生明显加工硬化现象。
2）热加工可改善铸态组织缺陷，形成纤维组织， 使金属呈现各向异性。
轧制
模锻
拉拔
六、冷变形金属的回复和再结晶 自 由 锻
三、滑移的位错机制
Cu-4.5Al合金 晶界的位错塞积
三、滑移的位错机制
4. 切变与孪生
孪生是晶体的一部分相对另一部分沿一定晶 面（称为孪生面）产生一定角度的均匀切变过 程。孪晶界两侧晶体呈镜面对称分布。
孪生也是一种塑性变形方式。
切变与孪生
钛合金六方相中的形变孪晶
切变与孪生
孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多, 变形速度接近声速;
相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.
密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。 体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生 孪生变形。 面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发 现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列 时发生错排而产生的，称退火孪晶
第四章 金属材料的形变强化理论
2.回复 经冷塑性变形的金属加热时，在光学显 微组织发生改变前（即再结晶晶粒形成前）
所产生的某些亚结构和性能之间的变化过程
叫做回复。
六、冷变形金属的回复和再结晶
在回复阶段金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引
起的晶内某些变化。如空位与其他缺陷合并、同一
滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等。
由于位错运动使其由冷塑性 变形时的无序状态变为垂直 分布，形成亚晶界，这一过 程称多边形化。
溶质溶剂原 子尺寸差
溶质溶剂原子尺寸相差越 大，强化效果越显著
1 溶质原子造成球对称的点阵畸 变，其强化约为G/10 2溶质原子造成非球对称的点阵 畸变，其强化约为G的几倍。
溶质原子类型
3. 固溶强化机理 溶质原子造成点阵畸变，其应力场与位错应 力场发生弹性交互作用并阻碍位错运动,使变 形抗力提高。 溶质原子吸附在位错附近形成柯氏气团，使 位错被钉扎住，从而使变形抗力提高。

2、滑移的机理 把滑移设想为刚性整体滑动所需的
理论临界切应力值比实际测量临界
切应力值大3-4个数量级。滑移是
通过滑移面上位错的运动来实现的
。
多 脚 虫 的 爬 行
刃位错的运动
三、滑移的位错机制
2. 位错增殖
晶体塑性变形时产生大量滑移带，为此需 要极多的位错。实际晶体在变形时位错数目 非但不减少，反而增加，说明存在位错增殖 机制。
一、形变强化现象 二、单晶体的塑性变形 三、滑移的位错机制
四、多晶体塑性变形特点
五、塑性变形对金属组织和性能 六、冷变形金属的回复和再结晶
四、多晶体塑性变形特点
1.不同时性 2.协调性 3.不均匀性
在多晶体变形时，只 多晶体变形时，一个晶粒的 多晶体变形时，各晶粒 有处在有利取向（取向因 变形必须与临近晶粒的变形相互 变形量不同，而且由于晶 子最大）晶粒的滑移系才 协调，以免晶粒间产生断裂。多 能首先开动。 界强度高于晶粒内部，使 晶体的塑性变形是通过各晶粒的 得每个晶粒内部的变形也 多系滑移来保证相互协调的。 是不均匀的。
Cu-Ni合金成分与性能关系
第四章 金属材料的强化理论
4.1 形变强化 4.2 固溶强化
4.3 第二相强化 4.3 第二相强化
4.4 细晶强化
4.3 第二来自百度文库强化
概念 当第二相以细小弥散的微粒均 匀分布于基体相中时，将阻碍 位错运动, 产生显著的强化作用
五、塑性变形对金属组织和性能影响
1. 塑性变形对金属组织的影响
1）形成纤维组织 金属塑性变形时，晶粒沿着变形方向被拉长，当变 形量很大时，变成纤维状条纹。
2）形成形变织构 随着变形的发生，还伴随着晶体的转动。在形变量 很大时，各晶粒的取向会趣于一致。这种由于变形 而使晶粒具有择优取向的组织叫做形变织构 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，在晶粒内部形成胞状亚结构。 4）点阵严重畸变
六、冷变形金属的回复和再结晶
1. 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复 到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小, 不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力 增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。
黄 铜
加热温度 ℃
六、冷变形金属的回复和再结晶
六、冷变形金属的回复和再结晶
六、冷变形金属的回复和再结晶 金属的热加工特点
改善铸态组织缺陷
出现纤维组织
可使铸态组织中的气孔、 在热加工过程中铸态金属的偏 疏松及微裂纹焊合，提高金 析、夹杂物、第二相、晶界等逐渐 属致密度，某些高合金钢中 沿变形方向延展，在宏观工件上勾 的莱氏体和大块初生碳化物 画出一个个线条，这种组织也称为 可被打碎并使其分布均匀等。 纤维组织。
2） 塑性变形对金属物理-化学性能的影响
随着塑性变形的增加，金属的导电性、电阻温度系数和导 热性下降，导磁率、磁饱和度下降，矫顽力增加，内能、化学 活力增加，耐蚀性下降。
第四章 金属材料的形变强化理论
一、形变强化现象 二、单晶体的塑性变形 三、滑移的位错机制 四、多晶体塑性变形特点 五、塑性变形对金属组织和性能影响 六、冷变形金属的回复和再结晶 六、冷变形金属的回复和再结晶
7. 超塑性
(1)合金具有非常细小的等轴晶粒的两相 组织(晶粒的平均直径通常小于10μm)。 (2) 变形温度通常接近于该合金绝对熔点 温度的0.5至0.65倍。 (3)通常需要较低的应变速度率。
第四章 金属材料的强化理论
4.1 形变强化 4.2 固溶强化 4.2 固溶强化
4.3 第二相强化
4.4 细晶强化
三、滑移的位错机制
3. 位错的交割和塞积 在多系滑移时，不同滑移面上的位错相遇， 形成割阶（一段新的位错线），一方面增加了 位错线的长度，另一方面还可能形成难以运动 的固定割阶，成为后续位错运动的障碍。 位错在切应力作用下运动过程中，如果遇 到固定位错、杂质粒子、晶界等障碍物，领先 的位错在障碍物前被阻止，后续位错被塞积起 来，形成位错平面塞积群，并在障碍物前端形 成高度应力集中。
二、单晶体的塑性变形
切应力与正应力关系： k s cos cos
coscos 称 为 取 向 因 子 ， 当 45 时，取向因子有极
大值，此时切应力最大，正应 力具有最低值。金属在这种条 件下容易滑移，并表现出最大 塑性。
二、单晶体的塑性变形
二、单晶体的塑性变形
4. 滑移时晶体的转动
六、冷变形金属的回复和再结晶
3.再结晶
铁素体变形80%
再结晶也是一个晶核形
成和长大的过程，但不
是相变过程，再结晶前
650℃加热
后新旧晶粒的晶格类型
和成分完全相同。
670℃加热
六、冷变形金属的回复和再结晶
4.晶粒长大 再结晶完成时，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，晶粒将进 一步长大。