C1第二节塑性变形与强化机制

因为晶粒越细，单位体积内的晶粒数就越多， 变形时同样的变形量可分散到更多的晶粒中发生， 以产生比较均匀的变形，这样，因局部应力集中而 引起材料开裂的几率较小，使材料在断裂前就有可 能承受较大的塑性变形，得到较大的伸长率、断面 收缩率和具有较高的冲击载荷抗力。
实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之 间有下列关系：
3、金属强度与位错密度的关系
金属强度与位错密度关系示意图
冷加工过程中，除了力学性能的变化，金属 材料的物理化学性能也有所改变。
例如：冷加工后位错密度增加，晶格畸变很大， 给自由电子的运动造成一定程度的干扰，从而使 电阻有所增加；由于位错密度增大，晶体处于高 能量状态，金属易与周围介质发生化学反应，使 抗腐蚀性能降低。
位错塞积
生产中细化晶粒的方法
1、加快凝固速度 2、变质处理 （如纯铝铸锭） 3、振动和搅拌
Ti变质处理
未变质处理
（三）位错强化
1、概念
金属中的位错密度越高，则位错运动时越容易发 生相互交割，形成割阶、造成位错缠结，阻碍位 错运动，给继续塑性变形造成困难，从而提高金 属的强度，这种用增加位错密度提高金属强度的 方法称为位错强化。
弹簧钢丝的强化
• 65Mn弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可达 2000~3000MPa，比一般钢材的强度提高 4~6倍。
高锰钢的加工硬化
•
高锰钢的加工硬化
2、加工硬化机制
金属的塑性变形是通过滑移进行的。在塑性变形 过程中，由于位错塞积（位错运动过程中遇到障 碍受阻）、位错之间的弹性作用、位错割阶等造 成位错运动受阻，从而使材料的强度提高。
沉淀强化（或时效强化）：通过过饱和固溶体的时效处 理而沉淀析出并产生强化。
不可变形的微粒的强化机制：
➢绕过机制：基体与第二相的界面上存在点阵畸 变和应力场，成为位错运动的障碍。滑动位错遇 到这种障碍变得弯曲，随切应力加大，位错弯曲 程度加剧，并逐渐成为环状。由于两个颗粒间的 位错线段符号相反，它们将断开，形成包围小颗 粒的位错环。位错则越过颗粒继续向前滑动。随 着位错不断绕过第二相颗粒，颗粒周围的位错环 数逐渐增加，对后来的位错造成更大的阻力。
第二节 塑性变形与强化机制
一、单晶体的塑性变形
1、滑移
当作用在位错上的切应力达到某一临界值时， 晶体的一部分将沿着一定的晶面（滑移面）和 一定的方向（滑移方向）发生相对的滑动，产 生了相对的位移。
滑移的特征 ➢ 滑移只能在切应力的作用下通过位错运动发生。 ➢滑移的结果：
使晶体表面产生台阶、滑移线、滑移带
金属材料经冷塑性变形后，其强度与硬度随变形 程度的增加而提高，而塑性、韧性则很快降低的 现象为加工硬化或形变强化。
例如：自行车链条板(16Mn钢板) 原始厚度3.5mm 150HB 五次冷轧后1.2mm 275HB
b=520MPa b>1000MPa
又如：冷拔高强度钢丝和冷卷弹簧是利用加工变 形来提高它们的强度和弹性极限；坦克和拖拉机 的履带、破碎机的颚板以及铁路的道叉等也都是 利用加工硬化来提高它们的硬度和耐磨性的。
位错→
切应力
第二相颗粒
可变形微粒的强化机制： ➢切过机制：位错与颗粒之间的阻力较小时，直接切 过第二相颗粒，结果颗粒被切成上下两部分，并在切 割面上产生位移，颗粒与基体间的界面面积增大，需 要做功。并且，由于第二相与基体结构不同，位错扫 过小颗粒必然引起局部原子错排，这也会增加位错运 动的阻力，从而使金属强化。
新的界面
新的界面
小结
单晶体塑性变形 晶体滑移的特征：滑移是在切应力作用下发生；滑移
的结果使晶体表面形成台阶，产生滑移线、滑移带； 滑移通常沿原子密度最大的晶面和晶向进行；滑移 是由位错运动造成的。 多晶体塑性变形 具有不同时性和相互协调性；晶界具有强化作用。 四大强化方式及其强化机制 固溶强化、细晶强化、加工硬化、第二相强化
金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格
（面心立方）
（密排六方）
பைடு நூலகம்
2、孪生
➢孪生是切应力作用 下晶体的一部分相对 于另一部分沿一定的 晶面（孪生面）与晶 向（孪生方向）产生 一定角度的均匀切变 过程。 ➢发生切变的区域称 为孪晶或孪晶带。
➢ 沿其发生孪生的晶面称孪生面。
➢ 孪生变形的特点
(1)孪生是萌发于局部应力高度 集中的地方。
(2)孪生所需的切应力比滑移所 需的要大10~100倍。
(3)孪生变形速度极快，通常以 猝发的方式形成，并使应力应变曲线上呈现锯齿。
铜单晶在4.2K的拉伸曲线
(4)孪生改变了晶体位向。
(5)孪生时相邻原子面的相对位 移量小于一个原子间距。
弹性交互作用
化学交互作用
电学交互作用
（二）细晶强化
金属的晶粒越细，单位体积金属中晶界和亚晶 界面积越大，金属的强度越高，这就是细晶强化。
晶粒大小对纯铁力学性能的影响
晶粒的平 均直径 d(mm)
9.7 7.0 2.5
抗拉强度 b(MPa)
延伸率(%)
168
28.8
184
30.6
215
39.5
细化晶粒不仅能提高材料的强度，还可以改善 材料的塑性和韧性。
滑移时，晶体两部分的相对位移量 是原子间距的整数倍。
工业纯铜中的滑移线
➢滑移通常沿原子密度最大的晶面和晶向进行。 滑移面、滑移方向、滑移系
三种常见金属晶体结构的滑移系
滑移系的个数: (滑移面个数）×（每个面上所具有的滑移方向的个数）
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性 也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。
σs=σ0+ K/d1/2 此式称为霍耳-配奇公式。
式中：σ0 ——为常数，相当于单晶体的屈服强度； d——为多晶体中各晶粒的平均直径； K——为晶界对强度影响程度的常数， 与晶界结构有关。 σs ——开始发生塑性变形的最小应力。
细晶强化机制：晶界是位错运动过程中的障碍。 晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强，致使位 错在晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强 度增加；在单个晶粒内部，塞积的位错群的长度 减小，应力集中较小，不足以使相邻晶粒的位错 源开动，必须增加外力。
密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。
锌晶体中的形变孪晶
铜晶体中的退火孪晶组织
二、多晶体的塑性变形
➢晶粒变形的不同时性 处于有利位向（软位向）的晶粒先滑移 处于不利位向（硬位向）的晶粒后滑移
硬位向
软位向
➢晶粒变形的相互协调性
多晶体中每个晶粒都处于其它晶粒的包围之 中，它们的变形必然要与其它临近的晶粒相 互协调配合。
（四）第二相强化
当第二相粒子以细小的颗粒弥散分布于基体相中时，可以有 效地阻碍位错运动，产生显著的强化作用，这种由第二相粒 子引起的强化作用称之为第二相强化。 根据第二相与位错交互作用方式的不同，把第二相粒子分为 不可变形的和可变形的两类。
根据第二相粒子的产生方式不同，第二相强化分为两类：
弥散强化：第二相微粒是借粉末冶金方法加入而起强化 作用。
固溶强化机制
由于形成固溶体的溶质原子和溶剂原子的尺 寸和性质不同，溶质原子的溶入必然引起一些现 象，例如：溶质原子聚集在位错周围钉扎住位错 （弹性交互作用）；溶质原子聚集在层错处，阻 碍层错的扩展与束集（化学交互作用）；位错与 溶质间形成偶极子（电学交互作用）。这些现象 都增加了位错运动的阻力，使金属的滑移变形变 得更加困难，从而提高了金属的强度和硬度。
➢晶界的强化作用 晶界是滑移的障碍，晶界变形抗力较大。 晶界多了能强化材料 ——细晶强化
三、材料的强化机制
（一）固溶强化
通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度 硬度提高的现象称为固溶强化。分为间隙固溶强化 （尺寸比较小的间隙原子引起的强化）和置换固溶强化（尺寸比较
大的置换原子引起的强化）。
例如: 纯Cu中加入19%的Ni，可使合金的强度由 220MPa提高到380~400MPa，硬度由44HBS升高到 70HBS，而塑性由70%降低到50%，降幅不大。若 按其它方法（如冷变形加工硬化）获得同样的强化 效果，其塑性将接近完全丧失。