材料的变形

制耳
(3) 亚结构细化 塑性变形增加晶粒中的位错密度。随着变 形量的增加，位错交织缠结，会使晶粒内部的 亚结构发生变化，使晶粒破碎成亚晶粒，晶粒 尺寸10-2 10-4 或10-6 cm；。 (4)位错密度增加 位错密度随着变形量的增加而增加。10(6-8) 10(11-12) cm-2
2. 塑性变形对金属性能的影响
第五章 本章主要知识：
材料的变形
金属的塑性变形与再结晶
5.1 金属的塑性变形与再结晶 一、金属的塑性变形与强化 1. 单晶体金属的塑性变形
(1) 变形基本方式 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。对变形后的晶体进行射线结构分 析，发现在滑移带两侧晶体的结构类型和晶体取向 均未有改变，只是其中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，这种变形方式 称为滑移，它是金属塑性变形的最基本方式。
应用：低温度退火和去应力退火； 目的：保持加工硬化状态，降低内应力，以减轻变 形和翘曲。 例、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。 2.再结晶 定义: 是指冷变形后的金属在加热温度较高时，在变形组 织的基体上产生新的无畸变的晶核，并迅速长大形 成等轴晶粒的过程。
(5) 滑移变形的几个特点： 滑移只在切应力作用下发生，并沿晶体中原子 密度最大的晶面和晶向进行； 滑移面间的金属键没有全部破坏，相对移动的 距离是原子间距的整数倍，滑移后沿滑移面两 边的晶体位向仍保持一致； 滑移的同时，伴随有晶体的转动和旋转，使滑 移面转向与外力平行的方向（拉伸时），滑移 方向旋向最大切应力方向； 滑移的实质，对于无位错的单晶体是刚性移动， τc值极大；对于有位借的实际金属是位错的运动， τc 值很小。
(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(位错的塞积），使得每一个晶粒内部的 变形也是不均匀的。
实验表明，晶界强度 明显高于晶内。材料在外 力作用下发生塑性变形时， 通常晶粒中心区域变形量 较大，晶界及其附近区域 变形量较小。多晶体的金 属细丝在拉伸变形时在晶 界附近出现竹节状就反映 了常温下晶界的强化作用。
3.合金的塑性变形与强化 合金元素使合金的晶格发生了畸变，因此对 合金塑性变形有较大的影响。
(1) 固溶强化
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。
固溶强化是溶质原子和位错相互作用的结 果。一是有溶质原子存在导致固溶体晶格畸变， 阻碍了位错运动；二是偏聚在位错线的溶质原 子也阻碍了位错运动，提高了固溶体的变形抗 力。
(2) 滑移系
在塑性变形试样中出现的滑移带的排列并不是任意的， 这表明金属中的滑移是沿着一定的晶面和晶面上一定的晶 向进行的，这些晶面称为滑移面，晶向称为滑移方向。 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，这是由于密排面之间、密排方向 之间的间距最大，结合力最弱。 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。滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，所以面 心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。
宏观内应力（第一类内应力）是由于金属工件各 部分间的变形不均匀而引起的，其平衡范围是整 个工件。造成零件变形。
微观内应力（第二类内应力）是由于各晶粒之间 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。造成晶间腐蚀。 晶格畸变内应力（第三类内应力）是由于晶体缺 陷增加引起点阵畸变增大而造成的内应力，其作 用范围很小，一般为几十至几百纳米。
加工硬化对金属强化（形变强化）、冷作成 形和提高零件使用性能方面起到了有利作用。但 是，加工硬化也给冷轧、冲压等工艺增加了动力 消耗，为了恢复金属的塑性往往要求进行中间退 火（再结晶退火），延长了生产周期，增加了生 产成本。所以，生产中要充分考虑和合理利用加 工硬化带来的影响。 (3) 内应力 变形金属在外力去除后，内部还存在的相互 平衡的应力称为残留内应力，或称残余应力，简 称内应力。变形金属存在内应力的根本原因是金 属塑性变形的不均匀性。
二、塑性变形对组织和性能的影响 1. 塑性变形对金属组织结构的影响 (1) 形成纤维组织 金属经塑性变形时，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。 (2) 形成形变织构 在变形量很大时，金属中各晶粒的取向会大 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。
(4) 滑移的位错机制
理论和实验都已证明，在实际晶体中存在着位错。 晶体的滑移不是晶体的一部分相对于另一部分同时作 整体的刚性移动，而是通过位错在切应力作用下沿着 滑移面逐步移动的结果。以铜为例，按刚性滑动模型 计算出的临界切应力应为1500Mpa，而实验测出的临界 切应力仅为1Mpa，二者相差1500倍之多，因此刚性滑 动模型不符合实际。
1. 回复 定义：是指冷变形后的金属在加热温度较低时，发 生组织和性能变化的过程。 特点： （1）加热温度较低，T回复 = （0.2—0.3）T熔点； （2）低倍显微组织没有变化，晶粒仍是冷变形后的纤 维状； （3）点缺陷的密度显著下降，而位错密度变化不大； 多边化。 （4）机械性能：硬度、强度变化不大，加工硬化保留， 塑性略有提高； （5）宏观内应力基本消除； （6）电导率显著增大，应力腐蚀抗力提高。
第一类内应力和第二类内应力占整个内应力的 比例不大，约为2％～3％，但会因随后的应力松弛 或重新分布（如切削加工后）使金属工件的形状和 尺寸发生改变。当与零件工作应力方向一致时会明 显降低金属工件的强度，并使零件材料的耐蚀性降 低。因此，无论是冷加工还是热加工，都必须注意 消除残余应力的有害作用，其方法主要是通过热处 理（退火）。 第三类内应力约占整个内应力的97％～98％， 是存在于变形金属中最主要的残余应力，在变形金 属吸收的能量中绝大部分转变为点阵畸变能。它可 使金属的硬度、强度显著提高，而使塑性、韧性下 降，是伴随加工硬化现象同时出现的。
(4)塑性变形对金属物理、化学性能的影响
经过冷塑性变形后，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；塑性变形还提高金属的内能，
使化学活性提高，耐腐蚀性下降。
三、变形金属在加热过程中组织和性能的变化 经冷变形后的金属吸收了部分变形功，其内能 升高，主要表现为点阵畸变能增大（位错和点缺陷 密度高），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（例如加热到0.5T熔温度 附近），其原子扩散能力增加，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。
(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。 (2) 加工硬化
变形过程中，位错密度升高，导致亚结构的 形成和不断细化，对位错的滑移产生巨大的阻碍 作用，从而使金属的强度、硬度显著升高，韧性、 塑性下降，这就是加工硬化。 造成加工硬化的原因比较复杂，涉及到较深 的位错理论。一般认为，位错密度的增高使其相 互发生“干扰作用”（交互作用），亚晶界晶格 畸变区聚集着大量位错，都使位错的运动受阻而 造成加工硬化。
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。 影响再结晶退火后晶粒度的因素—加热温度 和变形程度，应避免温度过高并避开临界变形度， 以获得较细晶粒。
(4) 细晶强化 通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑 性和韧性的方法叫做细晶强化。细晶强化是金属的一 种重要的强韧化手段，在实际生产中得到了广泛的应 用。 晶粒越小，晶界越多，晶粒间的相互约束也 越大，其强度和硬度就越高。 晶粒越小，在同样的变形量下同时参与变形 的晶粒数目也越多，变形越均匀，可以承受较大 的塑性变形量，而且具有较高的抗冲击载荷的能 力，从而使得金属的塑性和韧性都有所提高。 综上所述，金属塑性变形的实质是：外力在 金属晶体内形成的较大应力，迫使晶粒内部或晶 粒之间产生滑移与转动。
一般影响固溶强化的因素有：溶质原子浓 度，理论和实验表明，溶质原子浓度越高，强 化作用也越大；溶质溶剂原子尺寸差，相差越 大，强化效果越显著；溶质原子类型。
(2) 分散强化(第二相强化) 只通过单纯的固溶强化，其强化程度毕竟有限， 高强度合金还必须进一步以第二相或更多的相来强 化。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，称 为分散强化。 分散强化是由于位错和第二相质点相互作用 引起的。其强化途径有两种；一是位错对微粒的切 割；二是位错绕微粒旋转；第二相微粒越细小、数 量越多，间距越小时，位错运动所遇到的阻力就越 大，强化效果越大。 如果第二相微粒是通过过饱和固溶体的时效处 理而沉淀析出并产生强化，则称为沉淀强化或时效 强化；如果第二相微粒是通过粉末冶金方法加入并 起强化作用，则称为弥散强化。
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2. 多晶体金属塑性变形的特点与细晶强化
(1) 塑变不同时性 多晶体由位向不同的许多小晶粒组成，在外加 应力作用下，只有处在有利位向（取向因子最大） 的晶粒的滑移系才能首先开动，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。
(2) 塑变协调性 由于多晶体的每个晶粒都处于其它晶粒的包 围之中，因此，它的变形必须要与其邻近晶粒的 变形相互协调，否则就不能保持晶粒之间的连续 性而导致材料的断裂。这就要求相邻晶粒中取向 不利的滑移系也参与变形。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。
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滑移面内位错 移动时所需要的力。其大小取决于位错移动时所克 服的阻力。对单晶体而言，取决于点阵阻力（与原 子键合、晶格类型有关），此外，还与位错间以及 位错与点缺陷间的相互作用等因素有关。
(3) 滑移的临界分切应力 实验表明，晶体的滑 移是在切应力作用下进行， 而且只有当外力在某一滑 移系中的切应力τ达到一 定的临界值时，在这一滑 移系上晶体才发生滑移， 称该临界值为滑移的临界 分切应力，记为τc 。
τ = Fcosλ/(A/cosφ)=F/A cosλ*cosφ 式中λ--拉力F与滑移方向的夹角；φ--拉力F与滑移面 的夹角； （1）当λ或φ＝90o时，即滑移面与外力垂直或平行时， τ ＝0，不能发生滑移，永远小于τc 。 （2）当 λ ＝ φ =45o时，τ值最大，最容易发生滑移。 当滑移开始时，式中的τ相当于τc， F/A 则为晶 体的σs ，故有τc = σs cosλ*cosφ 临界分切应力的大小取决于金属的本性，而与外 力的大小无关。cosλ*cosφ称为取向因子。单晶体 的屈服强度将随着取向因子的变化而变化，晶体表现 出各向异性 。
特点： （1）加热温度较高，T再结晶 = （0.35—0.4）T熔点； （2）无畸变等轴晶粒取代有畸变拉长晶粒，纤维状组 织消除； （3）位错密度大大下降，亚结构和织构消失； （4）机械性能，如硬度、强度下降，加工硬化消除， 塑性明显提高； （5）内应力完全消除； （6）电导率显著增大，应力腐蚀抗力提高。 应用： 中间退火：消除加工硬化，恢复或提高塑性、韧性， 以便进一步压力加工和切削。