第四章 材料的变形与强化

(铅板的再结晶温度为0℃，室温下对铅板进行弯折属于热加工，室温时对铅板越弯越硬是
由于弯曲变形产生的加工硬化速率大于动态再结晶软化速率所致；弯曲后隔一段时间再次 弯曲变柔软，是由于在室温放置时发生了静态再结晶，导致其强度下降所致。)
5.钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，说明它们是热加工还是冷加工 (已知T再W=1210℃，T再Sn=0℃)。(由于钨的变形温度低于再结晶温度，因此，钨的变形加工属
4-10用一冷拔钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到100Biblioteka Baidu℃保温，保 温后再次吊装工件时，钢丝绳发生断裂，试分析原因。
答：钢丝绳在随工件一起加热保温时发生了再结晶，导致钢丝绳的抗拉强度显著下降，再次吊装时， 由于工作应力大于钢丝绳的抗拉强度，造成钢丝绳发生断裂。
4-11在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又像 最初一样柔软，这是什么原因？
于冷加工；由于锡在室温下的变形温度高于其再结晶温度，因此，锡在室温下的变形加工属于热加工)
第四节金属强化理论简介P67 4.1 位错强度理论P67
降低（如晶须）或提高（如加工硬化）位错密度均可使材料强度提高。 4.2金属强化机制P68 固溶强化，细晶强化，沉淀强化（弥散强化），位错强化。
本章作业：P71 4-2、4-5、4-7、4-10和4-11 作业参考答案： 4-2若将经过大量塑性变形（变形度70%以上）的纯铜长棒的一段浸入冰水中 （并保持水温不变），另一端加热至900℃，并将此过程持续1h，然后将铜棒完 全冷却，试分析试棒长度方向的组织和硬度的分布情况。
热加工概念
第三节 金属的热塑性变形 P64
热加工对组织和性能影响 改善铸锭和钢坯组织性能:使铸态金属中气孔焊合，粗大树枝晶或柱状晶
破碎，组织致密均匀、晶粒细化→力学性能提高。P65 加工流线:铸态金属中偏析、夹杂物、第二相、晶界等沿变形方向延伸，其中
硅酸盐、氧化物、碳化物等脆性夹杂物与第二相被打碎，呈碎粒状或链状分布，
性变形削弱应力集中及加工硬化避免过载断裂等。
物化性能:导电率、电阻温度系数、耐蚀性等下降。
思考题:1.什么是第一、二和三类内应力？举例说明残留应力的有益作用。 2.什么是加工硬化？简述加工硬化的机制。3.加工硬化有何工程意义？
冷塑性变形金属加热时组织和性能变化
P61
随加热温度升高,依次发生回复、再结晶和晶粒长大。 (静态)回复P61:加热时显微组织发生明显改变前产生的亚结构和性能变化过程。
除残留应力。
有益作用:改善构件性能，如汽车板簧喷丸强化形成残留压应力改善疲劳性能。 对金属性能影响P60 加工硬化(冷作硬化，形变强化):随冷塑性变形量增加，金属强度硬度提 高，塑性韧性下降现象。 加工硬化机制：冷塑性变形导致亚结构细化、位错密度和晶格畸变程度增
大，再加上位错交互作用加剧，导致位错运动或变形阻力增大，即强度提高。 加工硬化工程意义：不能热处理强化金属和合金重要强化手段；某些工件 或半成品能拉伸或冷冲压加工成形重要基础；提高零件使用过程中安全性，如塑
4-7如果将一软焊料反复弯曲数次，会发现它仍旧很软，而对一退火铜也作同样 弯曲就会明显变硬，以致经过几次之后用手就弯曲不动了，这是为什么？
答：软焊料的再结晶温度低于室温，在室温弯曲时，其变形温度高于再结晶温度，因而在室温弯曲时 由于发生了动态回复和动态再结晶，导致其反复弯曲数次仍旧很软；铜的再结晶温度高于室温，由于 其变形温度低于再结晶温度，导致室温弯曲时发生了加工硬化，因而弯几次就弯不动了。
3.在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性韧性也好？试用多晶体塑性变形的 特点予以解释。
(常温下，晶粒尺寸越细小，晶界越多，对位错运动的阻碍作用越大，因而强度越高；晶 粒尺寸越细小，在晶界塞积的位错数量越少，位错塞积引起的应力集中越小，不易引起晶 界开裂，因而塑性韧性越好。)
4.金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒？为什么？
答：从高温到低温依次为再结晶组织（等轴晶晶粒尺寸逐渐减小）、回复组织和冷变形组织，硬度则 由高温到低温逐渐升高。
4-5金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒？为什么？
答：因为只有当塑性变形量大于临界变形量时，在再结晶退火温度保温时在金属内部才会发生再结晶 过程，由于铸件没有经过塑性变形，因此，不能通过再结晶退火来细化晶粒。
第四章 材料的变形与强化
2学时
单晶体塑性变形(滑移、滑移系、位错易动性)→多晶体塑性变形(特 点、细晶强化)→冷塑性变形组织性能(纤维组织、变形织构、制耳、残留应 力、加工硬化及其机制、加工硬化意义) →静态回复与再结晶(回复、缺陷运
动、性能变化、去应力退火、再结晶、性能变化、再结晶退火、再结晶温度、正常晶 粒长大和二次再结晶)→热加工(热加工、动态回复与动态再结晶、对性能影响、 加工流线、带状组织)
第一节 材料的塑性变形 P55 单晶体塑性变形 P55 塑性变形方式:滑移和孪生,滑移是主要变形方式。 滑移:切应力作用下晶体一部分相对于另一部分在滑移面(密排晶面) 上沿滑移方向(密排晶向)发生相对运动现象。 临界切应力:产生滑移所需最小切应力。 位错易动性:晶体通过位错运动产生滑移时， 只需位错中心少数原子移动远小于一个原子 间距的距离，因而所需临界切应力小。 滑移系:一个滑移面和其上一个滑移方向组成一个滑移系。FCC、BCC
(软焊料的再结晶温度低于室温，由于变形温度高于再结晶温度，弯曲时发生的动态回复和动态再结 晶造成动态软化，所以弯曲数次仍然很软；铜的再结晶温度高于室温，由于塑性变形温度低于再结晶 温度，弯曲时发生了加工硬化，导致弯几次后就弯不动了。)
4.在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又像最 初一样柔软，这是什么原因？(已知T再Pb=0℃)。
厚薄不匀现象。 产生制耳原因：织构板材性能呈各向异性，不同方向塑性差 异很大，变形能力不同。
思考题：1.什么是纤维组织、丝织构、板织构? 2.什么是制耳？简述产生制耳原因？
残留应力： 宏观内应力(第一类内应力):宏观变形不均匀引起的内应力。 微观内应力(第二类内应力):晶粒或亚晶粒间变形不均匀产生的内应力。 点阵畸变(第三类内应力):塑性变形产生大量晶体缺陷，导致部分原子 偏离平衡位置，造成晶格畸变产生的内应力。 有害作用:易导致材料变形、开裂和应力腐蚀等,通过去应力退火可减轻或消
思考题：1.什么是热加工、冷加工、加工流线和带状组织？
思考题： 2.冷塑性变形与热塑性变形后的金属能否根据其显微组织加以区别？
（可以。冷塑性变形金属晶粒呈拉长状，热塑性变形金属晶粒为等轴状。）
3.如果将一软焊料反复弯曲数次，会发现它仍旧很软，而对一退火铜也作同样弯 曲就会明显变硬，以致经过几次之后用手就弯曲不动了，这是为什么？
向等。
思考题： 1.什么是回复？ 2.冷塑性变形金属回复后性能有何变化？ 3.去应力退火的目的是什么？黄铜子弹为什 么要进行去应力退火？
(静态)再结晶P62:加热到较高温度,发生形核和长大,形成无应变新晶粒过程。 性能变化:位错密度↓→强度硬度↓,塑性韧性↑→加工硬化消失。 再结晶温度:工业上指保温1h能完成再结晶的最低退火温度。 再结晶驱动力:冷塑性变形形成的储存能。 再结晶退火:加热到再结晶温度以上的某一温度保温一段时间，完
思考题： 1.多晶体变形有哪三个特点？（变形不同步性，变形协调性，变形不均匀性） 2.产生竹节现象原因？（由于晶内原子排列规整，位错容易运动，变形量大，而晶界原子排列混乱，对位错运动具有阻碍作用，变形量小，因
而在外力作用下，由于变形量的不同，导致产生竹节现象）
3.屈服强度与晶粒尺寸有何关系？（材料的屈服强度与晶粒直径的平方根倒数呈线性关系）
思考题： 1.什么是再结晶和二次再结 晶？再结晶后材料力学性能 有何变化？
2.若将经过大量冷塑性变形（变形度70%以上）的纯铜长棒一段浸入冰水中，另一 端加热至900℃，并将该过程持续1小时，然后将长棒完全冷却，试分析试棒长度 方向的组织与硬度的分布情况。
(硬度由低温到高温铸件降低，组织为纤维状、细等轴状和粗等轴状组成)
答：铅板的再结晶温度为0℃，因而室温下对铅板进行弯折属于热加工，室温时对铅板越弯越硬是由 于弯曲变形是产生的加工硬化速率大于动态再结晶软化速率所致；弯曲后隔一段时间再次弯曲变柔软， 是由于在室温放置时发生了静态再结晶，导致其强度下降所致。
(不能，因为只有当塑性变形量大于临界变形量时，在再结晶退火温度保温时金属内部才 会发生再结晶过程，由于铸件没有经过塑性变形，因此，不能通过再结晶退火来细化晶 粒。)
5.生产中加工长的精密丝杠（或轴）时，常在半精加工后，将丝杠吊挂起来，并 用木锤沿全长轻击几遍，再吊挂7-15天，然后再精加工。试解释这样做的目的及 其原因。
只有当冷塑性变形量超过临界变形量时,加热到再结晶温度时才会发生再结晶。
成再结晶过程的热处理工艺。
再结晶后晶粒长大
常用于冷变形加工中间工序,使材料获得进一步冷变形能力。
P63
再结晶完成后,继续提高加热温度或延长保温时间,等轴晶将进一步长大。
正常晶粒长大:晶界平直化，晶粒均匀长大。 二次再结晶:正常晶粒长大受阻时,因某种原因消除了阻碍因素,导 致少数晶粒急剧长大现象。二次再结晶显著恶化金属力学性能。
的小晶块,即亚晶粒。 变形织构:变形晶粒的滑移面和滑移方向向外力方向转动，导致各晶粒取向 大致趋于一致，形成特殊择优取向的有序化结构。 丝织构:各晶粒某一晶向大致与拉拔方向平行，如拉拔形成。 板织构:各晶粒某一晶面与轧制面平行，而某一晶向与轧制主变形方向平行。
如轧制形成。
制耳:有织构板材拉深杯状工件时，杯形工件杯口边缘不齐，
和HCP分别有12、48和3个滑移系。
滑移系与塑性：滑移系越多，塑性也越好。FCC和BCC金属塑性较 好(因为滑移系多，如Cu和Fe)，HCP金属塑性较差(因为滑移系少，如Zn和Mg)。
思考题：1.塑性变形方式有哪 两种？哪种是主要的变形方式？ 2.为什么位错运动所需临界切 应力较小？
多晶体塑性变形特点 P57 变形不同步性:有利取向晶粒先变形，在外加切应力和位错塞积引 起的应力集中作用下，促使不利取向晶粒变形； 变形协调性:各晶粒协调变形，否则晶粒间易形成裂纹导致断裂； 变形不均匀性:晶界与晶内、各晶粒之间、晶粒内部与靠近晶界部 位变形不同。 晶粒尺寸与屈服强度间关系： P58 产生竹节现象原因： P58 霍尔-佩奇公式：σ s =σ i +kyd-1/2
缺陷运动:点缺陷运动(空位与间隙原子结合降低点缺陷浓度)；位错运动(杂 乱分布位错部分合并消失和重新排列，减小晶格畸变)。 性能变化:强度硬度略有下降,塑性略有提高;内应力和电阻率等显著下降。 去应力退火:降低工件内应力、稳定工件尺寸、减小应力腐蚀倾向， 同时保留加工硬化效果。如去应力退火降低冷冲压黄铜在潮湿环境中应力腐蚀倾
第二节 金属的冷塑性变形P58 冷塑性变形对组织影响 显微组织变化:等轴状晶沿轧制方向拉长,变形量很大时, 晶粒被拉长成纤维状,形成纤维组织。塑性夹杂物沿变形方向
被拉长成细条状；脆性夹杂物破碎,沿变形方向呈链状分布。 性能特点:平行纤维方向强度和韧性高于垂直纤维方向的, 即性能呈各向异性。
亚结构变化:位错密度显著增大,塑性变形较大时,晶粒分化成位向略有不同
塑性夹杂物则变成带状、线状或条状，形成热加工的纤维组织。
加工流线使性能呈各向异性，制定热加工工艺时应尽量使流线与拉应力方 向一致。热处理不能消除加工流线。P66 带状组织:钢铸态下存在严重偏析和夹杂物或热加 工温度过低时，热加工后钢中出现沿变形方向呈带
状或层状分布的显微组织。
带状组织性能各向异性。高温可获得单相组织材 料如钢可通过正火处理消除。P66
(调整内应力，减小精加工时的变形)
6.用一冷拔钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃保温，保温 后再次吊装工件时，钢丝绳发生断裂，试分析原因。
（钢丝绳在随工件一起加热保温时发生了再结晶软化，由于强度下降导致断裂。）
热加工:高于再结晶温度进行的塑性变形。 冷加工:低于再结晶温度进行的塑性变形。 动态回复:热加工过程中发生的回复。 动态再结晶:热加工过程中发生的再结晶。