第5章金屬及合金的強(qiáng)化方法

1、1第5章 金屬及合金的強(qiáng)化方法金屬及合金的強(qiáng)化方法 2本章內(nèi)容5.1 強(qiáng)化的概念和途徑5.2 晶粒細(xì)化強(qiáng)化5.3 固溶強(qiáng)化5.4 第二相強(qiáng)化5.5 加工硬化35.1強(qiáng)化的概念和途徑 金屬失效方式過量彈性變形；過量塑性變形；斷裂 金屬塑性變形方式位錯(cuò)滑移 提高位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力強(qiáng)化金屬 金屬的強(qiáng)化僅僅是指提高金屬的屈服強(qiáng)度。 為什么不去提高金屬的斷裂強(qiáng)度？4 材料的構(gòu)成1）基體相2）界面：包括相界面和晶界3）第二相 舉例：1）Al4.5Cu合金，基體Al，第二相CuAl2，2）SiC/Al復(fù)合材料，基體Al，SiC為外加的第二相5 金屬強(qiáng)化途徑：內(nèi)因： 界面（晶界）細(xì)晶強(qiáng)化溶質(zhì)原子固溶強(qiáng)化第二相第二相

2、強(qiáng)化提高位錯(cuò)密度加工硬化外因：溫度提高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)容易，s 應(yīng)變速率提高，s 應(yīng)力狀態(tài): 切應(yīng)力分量，s 特殊應(yīng)力狀態(tài)：平面應(yīng)力和平面應(yīng)變狀態(tài)65.2.1 晶粒細(xì)化強(qiáng)化本質(zhì) 晶粒：正常晶粒和亞晶粒 亞晶粒的形成原因？ 晶界：大角晶界（位向差大于10度）和小角晶界（位向差小于10度） 晶界兩側(cè)晶體存在位向差：造成晶界強(qiáng)化的主要原因。晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。要使相鄰晶粒中的位錯(cuò)源開動(dòng)，必須加大外應(yīng)力。（但高溫下晶界為材料中的弱化區(qū)域，不起強(qiáng)化作用） 晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙 原因？7 滑移的臨界分切應(yīng)力 =(P/A)coscos 外應(yīng)力與滑移面法線夾角； 外應(yīng)力與滑移方向的夾角； = coscos稱為取向

3、因子。 因?yàn)楦骶Я５娜∠虿煌琧oscos不同8 室溫下位錯(cuò)在晶體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界后消失于晶界，或受到晶界阻礙形成位錯(cuò)塞積晶體再繼續(xù)變形需要相鄰晶粒內(nèi)位錯(cuò)開動(dòng)相鄰晶粒內(nèi)位錯(cuò)開動(dòng)需要更大的應(yīng)力需要外加應(yīng)力提高，即屈服強(qiáng)度提高9什么是屈服強(qiáng)度1）在應(yīng)力1作用下，晶粒A內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界后受阻2）晶粒B內(nèi)的位錯(cuò)需要開動(dòng)，需要更大的外加應(yīng)力3）外加應(yīng)力增加，達(dá)到應(yīng)力2，使得B晶粒內(nèi)位錯(cuò)開動(dòng)4）B晶粒內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界后，在應(yīng)力2的作用下，相鄰的C晶粒內(nèi)位錯(cuò)也能開動(dòng)AB104）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能夠從晶粒A、B、C。傳遞下去5）由于晶界的作用，應(yīng)力從1增大到2，表現(xiàn)為晶界對材料的強(qiáng)化作用6）這種能夠使位錯(cuò)

4、在不同晶粒間傳遞下去的應(yīng)力（應(yīng)力2）就是材料的屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度是位錯(cuò)能夠在 晶粒間傳遞下去所需要的應(yīng)力！ 舉例：復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度11 按照上面的思路建立晶界與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的模型，如下圖AB12 位錯(cuò)塞積群形成的方式（F-R位錯(cuò)源）bS1213受到的阻力為位錯(cuò)在晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)所為外加切應(yīng)力數(shù)為位錯(cuò)塞積群中位錯(cuò)個(gè)其中處受到的應(yīng)力為：位錯(cuò)塞積群頂端in)(ignQAB14晶粒中心的情況？思考：位錯(cuò)塞積群不在為布氏矢量為剪切彈性模量那么，如果塞積群在晶內(nèi)中心為位錯(cuò)塞積群長度，其中按照位錯(cuò)塞積群理論，b2/LL)(2n2GDGbLiAB15giig2ig)(n)n(QBQA)(處受到的應(yīng)力為：中位錯(cuò)在晶粒處引

5、起的應(yīng)力集中在晶界中位錯(cuò)塞積群這是晶粒所以GbD16sc2icgcB)(cosQRB的屈服強(qiáng)度該外加應(yīng)力就是材料傳遞到晶粒錯(cuò)滑移從晶粒此時(shí)外加應(yīng)力使得位位錯(cuò)滑移臨界應(yīng)力晶粒塞積群應(yīng)力集中達(dá)到引起位錯(cuò)塞積作用下上式涵義是：外加應(yīng)力那么，力為方向上位錯(cuò)滑移臨界應(yīng)它在，中位錯(cuò)滑移方向?yàn)榧僭O(shè)晶粒ABGbDQRs172/1siscs2/1cisc2iscKcosGKcosGcos)(QRBDbDbGbDQR，那么設(shè)所以此時(shí)：，力為方向上位錯(cuò)滑移臨界應(yīng)它在，中位錯(cuò)滑移方向?yàn)榧僭O(shè)晶粒AB18增大增大；溫度降低，高，研究表明，應(yīng)變速率提示力，可以用派納力表力，主要包括晶格摩擦表征材料內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻）討論：成正比

6、徑的材料屈服強(qiáng)度與晶粒直公式，反映這就是得到：如果采用正應(yīng)力表示，iii2/1sis12/1PetchHallKD2）還包括位錯(cuò)交互作用產(chǎn)生的阻力P-N力： fcc 位錯(cuò)寬度大，位錯(cuò)易運(yùn)動(dòng)。bcc 反之。交互產(chǎn)生的阻力： 平行位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與林位錯(cuò)交互作用產(chǎn)生的阻力。19。原子釘扎會(huì)造成較大的、度有關(guān)，還與材料內(nèi)位錯(cuò)釘扎強(qiáng)越小。多，研究發(fā)現(xiàn)材料滑移系越定數(shù)值也是材料的參數(shù)，是固統(tǒng)計(jì)平均值確定。因此平均值，材料確定，該的統(tǒng)計(jì)多晶體，可以得到一個(gè)是一個(gè)變化的量。對于取向差別很大，因此差。由于材料內(nèi)的晶粒是兩個(gè)相鄰晶粒的取向相對固定，）SSSSSccSKNCKK.KKcosGbK

7、22021 HallPetch公式發(fā)現(xiàn)過程發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)50年代，發(fā)現(xiàn)人Hall和Petch都是英國劍橋大學(xué)研究生，Hall在論文中對鋼的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Petch采用位錯(cuò)塞積群理論進(jìn)行了理論分析。 材料科學(xué)中為數(shù)不多的定量描述公式之一 納米材料中的HallPetch關(guān)系？22 HallPetch公式本質(zhì)1）晶界兩側(cè)晶體存在取向差位錯(cuò)滑移從晶粒A傳遞到晶粒B需要額外的應(yīng)力該應(yīng)力由晶粒A中形成的位錯(cuò)塞積群提供2）位錯(cuò)塞積群提供的附加應(yīng)力與塞積群中位錯(cuò)個(gè)數(shù)有關(guān)塞積群中能夠容納的位錯(cuò)個(gè)數(shù)又決定于晶粒尺寸D3）晶粒尺寸越小，塞積群中位錯(cuò)個(gè)數(shù)越少需要更大的外加應(yīng)力造成屈服強(qiáng)度提高)(

8、ignGbD2ig)(5.2.2細(xì)化晶粒方法細(xì)化晶粒方法 晶粒細(xì)化是唯一一種不犧牲材料韌性的強(qiáng)化方晶粒細(xì)化是唯一一種不犧牲材料韌性的強(qiáng)化方法，是一種很重要的強(qiáng)化方法。法，是一種很重要的強(qiáng)化方法。1. 對鑄態(tài)使用的合金：合理控制冶鑄工藝，如增對鑄態(tài)使用的合金：合理控制冶鑄工藝，如增大過冷度、加入變質(zhì)劑、進(jìn)行攪拌和振動(dòng)等。大過冷度、加入變質(zhì)劑、進(jìn)行攪拌和振動(dòng)等。2. 對熱軋或冷變形后退火態(tài)使用的合金：控制變對熱軋或冷變形后退火態(tài)使用的合金：控制變形度、再結(jié)晶退火溫度和時(shí)間。形度、再結(jié)晶退火溫度和時(shí)間。3. 對熱處理強(qiáng)化態(tài)使用的合金：控制加熱和冷卻對熱處理強(qiáng)化態(tài)使用的合金：控制加熱和冷卻工藝參數(shù)工藝

9、參數(shù), 利用相變重結(jié)晶來細(xì)化晶粒。利用相變重結(jié)晶來細(xì)化晶粒。5.3 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 相相指的是一種結(jié)構(gòu)。在一個(gè)相中，結(jié)構(gòu)或者原指的是一種結(jié)構(gòu)。在一個(gè)相中，結(jié)構(gòu)或者原子排列處處相同，化學(xué)成分處處相同，相與周圍環(huán)子排列處處相同，化學(xué)成分處處相同，相與周圍環(huán)境或其他相之間一定存在明確的界面。境或其他相之間一定存在明確的界面。幾個(gè)基本概念幾個(gè)基本概念固溶體固溶體 兩種物質(zhì)之間可以沒有限度地相互溶解成為一兩種物質(zhì)之間可以沒有限度地相互溶解成為一相，稱為相，稱為無限互溶無限互溶。 5.3 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 如果把液態(tài)的如果把液態(tài)的鎳鎳和液態(tài)的和液態(tài)的銅銅混合在一起，它們混合在一起，它們能夠形成均勻的一種

10、液相。這個(gè)均勻的液態(tài)鎳銅合能夠形成均勻的一種液相。這個(gè)均勻的液態(tài)鎳銅合金冷卻成固體時(shí)，金冷卻成固體時(shí)，均勻形成一種固相均勻形成一種固相，稱為，稱為白銅白銅。 在銅鎳合金這樣的固相中，成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)在銅鎳合金這樣的固相中，成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)均處處相同，不存在任何將銅原子和鎳原子分割開均處處相同，不存在任何將銅原子和鎳原子分割開來的界面。這種固相稱為來的界面。這種固相稱為固溶體固溶體。白銅山水墨盒白銅山水墨盒5.3 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化無限固溶體無限固溶體 像銅鎳合金這樣沒有溶解度限制、可以無限互像銅鎳合金這樣沒有溶解度限制、可以無限互溶的固溶體稱為溶的固溶體稱為無限固溶體無限固溶體。有限固溶體有限固

11、溶體 有溶解度限制、不可以無限互溶的固溶體稱為有溶解度限制、不可以無限互溶的固溶體稱為有限固溶體有限固溶體。大多數(shù)情況，物質(zhì)之間的相互溶解是有限度的大多數(shù)情況，物質(zhì)之間的相互溶解是有限度的 。5.3 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 如果在液態(tài)如果在液態(tài)銅銅中添加中添加少量少量液態(tài)液態(tài)鋅鋅，可以得到，可以得到單單相相的液態(tài)的銅鋅合金。液態(tài)銅鋅合金冷卻后，可以的液態(tài)的銅鋅合金。液態(tài)銅鋅合金冷卻后，可以得到固態(tài)的銅鋅合金，就是所謂的得到固態(tài)的銅鋅合金，就是所謂的黃銅黃銅。 如果添加的液態(tài)鋅的量超過如果添加的液態(tài)鋅的量超過30%，就會(huì)有一部，就會(huì)有一部分鋅無法溶解在銅里。多余的這部分鋅會(huì)與銅生成分鋅無法溶解在銅里。

12、多余的這部分鋅會(huì)與銅生成化合物化合物CuZn。 5.3 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 此時(shí)，固態(tài)的銅鋅合金中存在兩相。此時(shí)，固態(tài)的銅鋅合金中存在兩相。 一個(gè)相是含鋅為一個(gè)相是含鋅為30%的飽和固溶體，另一個(gè)相的飽和固溶體，另一個(gè)相是化合物是化合物CuZn。 像鋅這樣在銅中的溶解度是有限的，就是像鋅這樣在銅中的溶解度是有限的，就是有限有限固溶體固溶體。 通過形成固溶體合金通過形成固溶體合金，可以實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化的目，可以實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化的目的的。 固溶強(qiáng)化對材料性質(zhì)的影響固溶強(qiáng)化對材料性質(zhì)的影響5.3 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度都會(huì)超過純合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度都會(huì)超過純金屬。金屬。 幾乎

13、所有合金的塑性都低于純金屬。幾乎所有合金的塑性都低于純金屬。銅鋅合銅鋅合金金的強(qiáng)度和塑性都高于純銅，是個(gè)例外。的強(qiáng)度和塑性都高于純銅，是個(gè)例外。 合金的電導(dǎo)率大大低于純金屬。合金的電導(dǎo)率大大低于純金屬。 固溶強(qiáng)化能夠改善合金的抗蠕變性能。固溶強(qiáng)化能夠改善合金的抗蠕變性能。 5.3固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化5.3.1 固溶強(qiáng)化現(xiàn)象固溶強(qiáng)化現(xiàn)象 定義：定義：溶質(zhì)原子溶入金屬基體而形成固溶體，使金屬的溶質(zhì)原子溶入金屬基體而形成固溶體，使金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性有所下降，這一現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性有所下降，這一現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。例如單相的黃銅、單相錫青銅和鋁青銅都是以固溶強(qiáng)化為化。例如

14、單相的黃銅、單相錫青銅和鋁青銅都是以固溶強(qiáng)化為主來提高合金強(qiáng)度和硬度的。主來提高合金強(qiáng)度和硬度的。 原因原因：由于溶質(zhì)原子造成了點(diǎn)陣畸變，其應(yīng)力場將與位由于溶質(zhì)原子造成了點(diǎn)陣畸變，其應(yīng)力場將與位錯(cuò)應(yīng)力場發(fā)生彈性交互作用并阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這是產(chǎn)生固溶錯(cuò)應(yīng)力場發(fā)生彈性交互作用并阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這是產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的主要原因。強(qiáng)化的主要原因。Cu Cu Cu Cu Cu CuCuCuCuCu Cu Cu CuZnZn5.3.2 影響因素銅中加入不同含量的元素強(qiáng)化效果1. 溶質(zhì)原子濃度溶質(zhì)原子濃度 理論和實(shí)驗(yàn)表明，溶質(zhì)原子濃度越高，強(qiáng)化作用理論和實(shí)驗(yàn)表明，溶質(zhì)原子濃度越高，強(qiáng)化作用也越大。也越大。2. 溶質(zhì)溶

15、劑原子尺寸差溶質(zhì)溶劑原子尺寸差溶質(zhì)溶劑原子尺寸相差越大，強(qiáng)化效果越顯著。溶質(zhì)溶劑原子尺寸相差越大，強(qiáng)化效果越顯著。3. 溶質(zhì)原子類型溶質(zhì)原子類型 一種是溶質(zhì)原子造成球?qū)ΨQ的點(diǎn)陣畸變，其強(qiáng)一種是溶質(zhì)原子造成球?qū)ΨQ的點(diǎn)陣畸變，其強(qiáng)化效果較弱，約為化效果較弱，約為G/10，G為彈性模量，如置換型溶為彈性模量，如置換型溶質(zhì)原子或面心立方晶體中的間隙型溶質(zhì)原子；另一質(zhì)原子或面心立方晶體中的間隙型溶質(zhì)原子；另一種是溶質(zhì)原子造成非球?qū)ΨQ的點(diǎn)陣畸變，其強(qiáng)化效種是溶質(zhì)原子造成非球?qū)ΨQ的點(diǎn)陣畸變，其強(qiáng)化效果極強(qiáng)，約為果極強(qiáng)，約為G的幾倍，如體心立方晶體中的間隙型的幾倍，如體心立方晶體中的間隙型溶質(zhì)原子。溶質(zhì)原子。

16、335.3.4 固溶強(qiáng)化原因及應(yīng)用固溶種類：間隙固溶；置換固溶l 固溶強(qiáng)化的原因固溶強(qiáng)化的原因（1）因溶劑和溶質(zhì)原子的尺寸差異而在固溶體內(nèi)引起的彈性應(yīng)力場。它除了增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力外，在“稀”的固溶體中突出地表現(xiàn)在對位錯(cuò)的釘扎作用上（溶質(zhì)原子會(huì)在位錯(cuò)周圍形成原子氣團(tuán)，這種氣團(tuán)將能產(chǎn)生與屈服現(xiàn)象有關(guān)的一系列效應(yīng)，就象我們在低碳鋼變形時(shí)常?？吹降哪菢樱＃?）由于溶質(zhì)原子的溶入，合金的彈性模量會(huì)發(fā)生變化，特別是在位錯(cuò)的周圍形成原子氣團(tuán)之后，彈性常數(shù)的變化使位錯(cuò)應(yīng)力場也發(fā)生變化，從而會(huì)引起位錯(cuò)和溶質(zhì)原子間更大的交互作用能；（3）電子濃度因素：電子濃度因素：電子對應(yīng)力場同樣是敏感的。在有彈性應(yīng)力場

17、的晶體缺陷區(qū)域電子會(huì)較多地集中到張應(yīng)力地段，這樣就產(chǎn)生了電偶極子的作用，溶質(zhì)原子與帶電荷的位錯(cuò)區(qū)域之間就有電交互作用，從而促使溶質(zhì)更傾向于在位錯(cuò)的周圍偏聚； （4）層錯(cuò)能比較低的晶體點(diǎn)陣中存在有堆垛層錯(cuò)，堆垛層錯(cuò)的結(jié)構(gòu)與基體并不相同。異類原子溶入某基體后，除了層錯(cuò)能大小會(huì)變化，層錯(cuò)區(qū)的寬窄也跟著伸縮，從而使擴(kuò)張位錯(cuò)的分解或合成所需的外力也要變化外，溶質(zhì)原子在層錯(cuò)區(qū)和基體的溶解度是不一樣的。晶體發(fā)生塑性變形時(shí)，當(dāng)擴(kuò)張位錯(cuò)沿滑移面平移的時(shí)候，以及它分解、合成、交集的時(shí)候，上述濃度的差異并不能和擴(kuò)張位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)作同步的變化。由于塑性變形破壞了這種熱力學(xué)的平衡，所以位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)同樣要求外界提供更大的能量。

18、 5）結(jié)構(gòu)因素：）結(jié)構(gòu)因素：無論是短程有序的還是偏聚狀態(tài)的固溶體，在塑性變形的同時(shí)，其有序區(qū)域或偏聚區(qū)域?qū)⒃獾狡茐?。引起這種穩(wěn)定狀態(tài)破壞的塑性變形是要付出更多的能量作為代價(jià)的。思考題: 何謂何謂“屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象”？為什么低碳鋼在變形時(shí)？為什么低碳鋼在變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象？會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象？l 低碳鋼經(jīng)過退火后，位錯(cuò)受到強(qiáng)烈釘扎，位錯(cuò)密度也比較少；l 為了以一定的速度實(shí)現(xiàn)變形（變形速率），就需要位錯(cuò)有較高的運(yùn)動(dòng)速率，這就要求運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)受 較大的外力來保證。（運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的速度與所受力有一關(guān)系式）；l外力作用下位錯(cuò)大量脫釘和增殖時(shí)，位錯(cuò)密度就陡然增加；l若變形d/dt恒定，外應(yīng)力將不得不減小，以使位錯(cuò)運(yùn)

19、動(dòng)速度降低；l這就是屈服現(xiàn)象產(chǎn)生的理由。40 固溶強(qiáng)化的應(yīng)用：提高金屬材料強(qiáng)度的主要途徑受到溶解度限制：1）一種元素有特定的最大溶解量，受到相圖控制2）一種元素的溶解不影響其它元素的溶解量可以采用多加入幾種合金元素，從而提高金屬的強(qiáng)度，比如低合金高強(qiáng)度鋼提高金屬材料的淬透性，如40鋼中加入Ni、Cr提高鋼的熱處理特性，如抗回火特性LSiAlSi5.4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化定義：定義：第二相以細(xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時(shí)，使合第二相以細(xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時(shí)，使合金強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象。金強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象。原因：原因：第二相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使位錯(cuò)滑動(dòng)阻力增大。第二相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

20、，使位錯(cuò)滑動(dòng)阻力增大。分類：分類：如果第二相微粒是通過過飽和固溶體的時(shí)效處理而沉淀如果第二相微粒是通過過飽和固溶體的時(shí)效處理而沉淀析出并產(chǎn)生強(qiáng)化，則稱為析出并產(chǎn)生強(qiáng)化，則稱為沉淀強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化；如果第二相微；如果第二相微粒是通過粉末冶金方法加入并起強(qiáng)化作用，則稱為粒是通過粉末冶金方法加入并起強(qiáng)化作用，則稱為彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化。5.4.1沉淀強(qiáng)化（時(shí)效強(qiáng)化）沉淀強(qiáng)化（時(shí)效強(qiáng)化）2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein unde

21、r license.第二相微粒通過過飽和固溶體的時(shí)效處理而沉淀析出并產(chǎn)生第二相微粒通過過飽和固溶體的時(shí)效處理而沉淀析出并產(chǎn)生強(qiáng)化，稱之為強(qiáng)化，稱之為沉淀強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化或時(shí)效強(qiáng)化。1. 固溶處理固溶處理 具有時(shí)效強(qiáng)化現(xiàn)象合金的最基本條件是在其相圖上有固具有時(shí)效強(qiáng)化現(xiàn)象合金的最基本條件是在其相圖上有固溶度變化，并且固溶度隨溫度降低而顯著減小。如圖溶度變化，并且固溶度隨溫度降低而顯著減小。如圖5-21所所示。當(dāng)組元示。當(dāng)組元B含量大于含量大于Bo的合金加熱到略低于固相線的溫度，的合金加熱到略低于固相線的溫度，保溫一定時(shí)間，使保溫一定時(shí)間，使B組元充分溶解后，取出快速冷卻，則組元充分溶解后，取

22、出快速冷卻，則B組組元來不及沿元來不及沿CD線析出，而形成亞穩(wěn)定的過飽和固溶體，這種線析出，而形成亞穩(wěn)定的過飽和固溶體，這種處理稱為處理稱為固溶處理固溶處理。2.時(shí)效時(shí)效 經(jīng)固溶處理的合金在室溫或一定溫度下加熱保持一定時(shí)經(jīng)固溶處理的合金在室溫或一定溫度下加熱保持一定時(shí)間，使過飽和固溶體趨于某種程度的分解，這種處理稱為間，使過飽和固溶體趨于某種程度的分解，這種處理稱為時(shí)時(shí)效效。在室溫下放置產(chǎn)生的時(shí)效稱為自然時(shí)效，加熱到室溫以。在室溫下放置產(chǎn)生的時(shí)效稱為自然時(shí)效，加熱到室溫以上某一溫度進(jìn)行的時(shí)效稱為人工時(shí)效。上某一溫度進(jìn)行的時(shí)效稱為人工時(shí)效。2003 Brooks/Cole, a division

23、 of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.3. 時(shí)效過程與性能變化時(shí)效過程與性能變化 時(shí)效過程中，新相并不是一步從過飽和固溶體中析出，而是通過一系列的中間相逐步析出，最終轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定相。LC4超硬鋁合金540時(shí)效硬化曲線 隨著時(shí)效時(shí)間的延長，合金的強(qiáng)度不斷升高，當(dāng)細(xì)小的平衡相剛好均勻析出時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最高，為峰時(shí)效態(tài)。進(jìn)一步延長時(shí)效時(shí)間由于平衡相長大粗化，合金的強(qiáng)度又逐漸下降，稱為過時(shí)效態(tài)。5.4.2彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化1.彌散型合金彌散型合金 利用彌散強(qiáng)化是提高金屬材料力學(xué)性

24、能的有效方法，尤利用彌散強(qiáng)化是提高金屬材料力學(xué)性能的有效方法，尤其對耐熱材料有更大的應(yīng)用價(jià)值。例如常用的彌散型合金是其對耐熱材料有更大的應(yīng)用價(jià)值。例如常用的彌散型合金是以金屬為基體，彌散相為穩(wěn)定性高、熔點(diǎn)高的各種化合物粉以金屬為基體，彌散相為穩(wěn)定性高、熔點(diǎn)高的各種化合物粉末，粉末顆粒直徑約為末，粉末顆粒直徑約為0.10.01m，間距為間距為0.010.03m。2. 粉末冶金原理與工藝粉末冶金原理與工藝 粉末冶金法與金屬熔鑄法不同，它是利用金屬粉末或粉末冶金法與金屬熔鑄法不同，它是利用金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末的混合物作原料，經(jīng)過壓制成型和燒金屬粉末與非金屬粉末的混合物作原料，經(jīng)過壓制成型和

25、燒結(jié)兩個(gè)主要工序來生產(chǎn)各種金屬制品的方法。粉末冶金生產(chǎn)結(jié)兩個(gè)主要工序來生產(chǎn)各種金屬制品的方法。粉末冶金生產(chǎn)的主要工藝過程有粉末的制備、壓制成型、燒結(jié)及后處理。的主要工藝過程有粉末的制備、壓制成型、燒結(jié)及后處理。定義：定義：第二相微粒通過粉末冶金法加入并起強(qiáng)化作用，第二相微粒通過粉末冶金法加入并起強(qiáng)化作用，稱之為彌散強(qiáng)化。稱之為彌散強(qiáng)化。 粉末冶金工藝流程圖衛(wèi)星用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)衛(wèi)星用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料零件合材料零件粒子增強(qiáng)粒子增強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)鋁基泡沫復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)鋁基泡沫復(fù)合材料碳黑增強(qiáng)橡膠碳黑增強(qiáng)橡膠505.4.3 第二相強(qiáng)化效果 第二相相：特定成分、特定晶體

26、結(jié)構(gòu)組織：幾種相構(gòu)成如珠光體組織 形成途徑：凝固；共析轉(zhuǎn)變；時(shí)效；復(fù)合材料AlSiLSiFe3C珠光體組織51 第二相分類1）彌散分布和大塊聚集2）不可變形和可變形不可變形的第二相，位錯(cuò)只能繞過它運(yùn)動(dòng)。“硬相”可變形的第二相，位錯(cuò)可以切過。“軟相”第二相的作用，還與其尺寸、形狀、數(shù)量及分布有關(guān)；同時(shí)，第二相與基體的晶體學(xué)匹配程度也有關(guān)。52 彌散質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化1）切過型第二相基體界面增大；第二相有序結(jié)構(gòu)破壞；第二相變形需要能量強(qiáng)化效果：Tsd1Ni-19% Cr-6% Al合金中位錯(cuò)切合金中位錯(cuò)切過過Ni3Al粒子的透射電子顯微像粒子的透射電子顯微像 532）繞過型位錯(cuò)線彎曲成半圓時(shí)需要的應(yīng)力最大，

27、強(qiáng)化效應(yīng)： 質(zhì)點(diǎn)周圍位錯(cuò)增多后，有效dT減小 形成的位錯(cuò)塞積對后續(xù)的位錯(cuò)產(chǎn)生阻礙TdGb54 彌散強(qiáng)化的效果都與質(zhì)點(diǎn)間距成反比 彌散度提高強(qiáng)化效果增大 Al4.5Cu合金欠時(shí)效：GP區(qū)（ ”）Cu在Al中的“叢聚”狀態(tài)；共格；納米尺寸；彌散分布；“軟相”，可以切過峰時(shí)效： ” Cu與Al的原子比趨向于1：2，半共格；尺寸增大；彌散度稍微降低；根據(jù)尺寸介于“硬相”和“軟相”之間。過時(shí)效：成為CuAl2化合物；非共格；尺寸長大；彌散度低；屬于“硬相”欠欠過過峰峰時(shí)間時(shí)間硬度硬度55 大塊聚集型強(qiáng)化11：等應(yīng)變狀態(tài)22：等應(yīng)力狀態(tài) 面積為S； 基體含量為f1，第二相含量為f2 假設(shè)處于彈性狀態(tài)112

28、2f1f256EEEE)(1122112211221122112211混合法則這是所以：等應(yīng)變方向總總總總總sssffffEffEffSfSfFE1E201E1 2011122f1f2f2f257E1E201E1 201)()(111)(221222112112212211222111221121如果如果所以：等應(yīng)力方向總總總總總總總總ssEEEfEfEEfEfEEfEfEff等應(yīng)力條件下（11方向）比等應(yīng)變條件下（22方向）更能發(fā)揮第二相的強(qiáng)化效果！1122第二相粒子強(qiáng)化的最佳粒子半徑 綜合考慮切過、繞過兩種機(jī)制，估算出第二相粒子強(qiáng)化的最佳粒子半徑rc=(Gb2)/(2s)5.5形變強(qiáng)化 金

29、屬材料經(jīng)塑性變形后，其強(qiáng)度和硬度升高，塑性金屬材料經(jīng)塑性變形后，其強(qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象稱為和韌性下降，這種現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化（加工硬化）形變強(qiáng)化（加工硬化）。YUYLStrain hardeningUTSf加工硬化加工硬化加工硬化加工硬化又稱為又稱為應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化。 應(yīng)力應(yīng)力y11應(yīng)變應(yīng)變 如果所加的應(yīng)力如果所加的應(yīng)力 大于屈服強(qiáng)大于屈服強(qiáng)度度 ，材料將發(fā)生永久應(yīng)變，材料將發(fā)生永久應(yīng)變 。即使。即使撤去應(yīng)力撤去應(yīng)力 ，應(yīng)變，應(yīng)變 仍然存在。仍然存在。 1y111 如果用已經(jīng)發(fā)生過應(yīng)變?nèi)绻靡呀?jīng)發(fā)生過應(yīng)變 的材料再次進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，的材料再次進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，材料的屈服強(qiáng)度不再是材

30、料的屈服強(qiáng)度不再是 ，而是，而是 。 1y1加工硬化加工硬化應(yīng)力應(yīng)力212應(yīng)變應(yīng)變 如果用已經(jīng)發(fā)生過應(yīng)變?nèi)绻靡呀?jīng)發(fā)生過應(yīng)變 的材料再次進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，的材料再次進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，材料的屈服強(qiáng)度不再是材料的屈服強(qiáng)度不再是 ，而是，而是 。 1y1 如果此時(shí)將應(yīng)力增加到如果此時(shí)將應(yīng)力增加到 后，再后，再次移去應(yīng)力，材料的屈服強(qiáng)度又會(huì)增加次移去應(yīng)力，材料的屈服強(qiáng)度又會(huì)增加到到 。 22 在每次拉伸試驗(yàn)中增加一點(diǎn)應(yīng)力，在每次拉伸試驗(yàn)中增加一點(diǎn)應(yīng)力，可以使材料的屈服強(qiáng)度逐漸增加，而延可以使材料的屈服強(qiáng)度逐漸增加，而延展性卻越來越差。展性卻越來越差。加工硬化加工硬化 加工硬化加工硬化 加工硬化加工硬化能夠產(chǎn)生

31、加工硬化的材料必須是位錯(cuò)能夠滑移能夠產(chǎn)生加工硬化的材料必須是位錯(cuò)能夠滑移的塑性材料。的塑性材料。 通過這樣使金屬發(fā)生塑性變形的方式，可以使通過這樣使金屬發(fā)生塑性變形的方式，可以使其屈服強(qiáng)度增高。這就是其屈服強(qiáng)度增高。這就是加工硬化加工硬化。加工硬化指數(shù)加工硬化指數(shù)n是表現(xiàn)材料加工硬化性能的參數(shù)。是表現(xiàn)材料加工硬化性能的參數(shù)。 晶體結(jié)構(gòu)對加工硬化指數(shù)有很大的影響。晶體結(jié)構(gòu)對加工硬化指數(shù)有很大的影響。 1.單晶體塑性變形單晶體塑性變形 (1) 變形基本方式變形基本方式 滑移滑移一部分晶體相對于另一部分沿著某一晶面和晶向一部分晶體相對于另一部分沿著某一晶面和晶向發(fā)生相對滑動(dòng)，滑移面兩側(cè)發(fā)生相對滑動(dòng)，

32、滑移面兩側(cè)晶體的結(jié)構(gòu)類型和晶體取向均未晶體的結(jié)構(gòu)類型和晶體取向均未有改變有改變，它是金屬塑性變形的最基本方式。，它是金屬塑性變形的最基本方式。5.5.1金屬的塑性變形 如果將表面拋光的單晶體金屬試樣進(jìn)行拉伸，在試樣的如果將表面拋光的單晶體金屬試樣進(jìn)行拉伸，在試樣的表面上會(huì)出現(xiàn)許多相互平行的線條，這些線條稱為表面上會(huì)出現(xiàn)許多相互平行的線條，這些線條稱為滑移帶滑移帶。(2) 滑移系 一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向結(jié)合起來組成一個(gè)一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向結(jié)合起來組成一個(gè)滑移系滑移系?；葡蹬c金屬的晶體結(jié)構(gòu)類型有關(guān)?；葡蹬c金屬的晶體結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。滑移面通常是滑移面通常是晶體中原子排列最密的

33、晶面，而滑移方向則是原子排列最密晶體中原子排列最密的晶面，而滑移方向則是原子排列最密的晶向。的晶向。(3) 滑移的臨界分切應(yīng)力滑移的臨界分切應(yīng)力(滑移需要條件滑移需要條件) 晶體的滑移是在切應(yīng)力作用下進(jìn)行，而且只有當(dāng)外力在某晶體的滑移是在切應(yīng)力作用下進(jìn)行，而且只有當(dāng)外力在某一滑移系中的應(yīng)力達(dá)到一定的臨界值時(shí)，在這一滑移系上晶體一滑移系中的應(yīng)力達(dá)到一定的臨界值時(shí)，在這一滑移系上晶體才發(fā)生滑移，稱該臨界值為才發(fā)生滑移，稱該臨界值為滑移的臨界分切應(yīng)力滑移的臨界分切應(yīng)力，記為，記為c 。c = s coscos coscos稱為稱為取向因子取向因子。 臨界分切應(yīng)力的大小臨界分切應(yīng)力的大小取決于金屬的本

34、性，而與外取決于金屬的本性，而與外力的大小無關(guān)。力的大小無關(guān)。(4) 滑移的位錯(cuò)機(jī)制整體滑移模型開始人整體滑移模型開始人們認(rèn)為晶體的滑移是晶體們認(rèn)為晶體的滑移是晶體的一部分相對于另一部分的一部分相對于另一部分同時(shí)作整體的剛性移動(dòng)，同時(shí)作整體的剛性移動(dòng)，則按此模型計(jì)算出的最小則按此模型計(jì)算出的最小滑移切應(yīng)力是滑移切應(yīng)力是 = G/2是試驗(yàn)值的是試驗(yàn)值的1001000倍。倍。位錯(cuò)滑移模型通過位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下沿著滑移面逐步位錯(cuò)滑移模型通過位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下沿著滑移面逐步滑動(dòng)，這樣遇到的阻力就很小，按此模型計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)滑動(dòng)，這樣遇到的阻力就很小，按此模型計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)量級(jí)上完全吻合。位

35、錯(cuò)在很小的切應(yīng)力作用下就能結(jié)果在數(shù)量級(jí)上完全吻合。位錯(cuò)在很小的切應(yīng)力作用下就能滑動(dòng)的現(xiàn)象稱為位錯(cuò)的易動(dòng)性?；瑒?dòng)的現(xiàn)象稱為位錯(cuò)的易動(dòng)性。(5) 孿生孿生 當(dāng)金屬晶體滑移變形難以進(jìn)行時(shí)，其塑性變形還可能以生當(dāng)金屬晶體滑移變形難以進(jìn)行時(shí)，其塑性變形還可能以生成孿晶的方式進(jìn)行，稱為成孿晶的方式進(jìn)行，稱為孿生孿生。孿生是一個(gè)發(fā)生在晶體內(nèi)部的均勻切變過程，切變的結(jié)構(gòu)是孿生是一個(gè)發(fā)生在晶體內(nèi)部的均勻切變過程，切變的結(jié)構(gòu)是均勻切變區(qū)的晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，但位向發(fā)生變更。均勻切變區(qū)的晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，但位向發(fā)生變更。孿生與滑移有什么不同？2. 多晶體塑性變形特點(diǎn)多晶體與單晶體有什么不同？多晶體與單晶體有什么不

36、同？存在晶界，各晶粒位向不同。存在晶界，各晶粒位向不同。(1) 塑變不同時(shí)性塑變不同時(shí)性 多晶體由位向不同多晶體由位向不同的許多小晶粒組成，在的許多小晶粒組成，在外加應(yīng)力作用下，只有外加應(yīng)力作用下，只有處在有利位向（取向因處在有利位向（取向因子最大）的晶粒的滑移子最大）的晶粒的滑移系才能首先開動(dòng)，周圍系才能首先開動(dòng)，周圍取向不利的晶粒中的滑取向不利的晶粒中的滑移系上的分切應(yīng)力還未移系上的分切應(yīng)力還未達(dá)到臨界值，這些晶粒達(dá)到臨界值，這些晶粒仍處在彈性變形狀態(tài)。仍處在彈性變形狀態(tài)。(2) 塑變協(xié)調(diào)性塑變協(xié)調(diào)性 由于多晶體的每個(gè)晶粒都處于其它晶粒的包圍之中，因此，由于多晶體的每個(gè)晶粒都處于其它晶粒的

37、包圍之中，因此，它的變形必須要與其鄰近晶粒的變形相互協(xié)調(diào)，否則就不能保它的變形必須要與其鄰近晶粒的變形相互協(xié)調(diào)，否則就不能保持晶粒之間的連續(xù)性而導(dǎo)致材料的斷裂。這就要求相鄰晶粒中持晶粒之間的連續(xù)性而導(dǎo)致材料的斷裂。這就要求相鄰晶粒中取向不利的滑移系也參與變形。多晶體的塑性變形是通過各晶取向不利的滑移系也參與變形。多晶體的塑性變形是通過各晶粒的多系滑移來保證相互協(xié)調(diào)性。根據(jù)理論推算，每個(gè)晶粒至粒的多系滑移來保證相互協(xié)調(diào)性。根據(jù)理論推算，每個(gè)晶粒至少需要有五個(gè)獨(dú)立滑移系。因此，滑移系較多的面心立方和體少需要有五個(gè)獨(dú)立滑移系。因此，滑移系較多的面心立方和體心立方金屬表現(xiàn)出良好的塑性，而密排六方金屬的

38、滑移系少，心立方金屬表現(xiàn)出良好的塑性，而密排六方金屬的滑移系少，晶粒之間的變形協(xié)調(diào)性很差，故塑性變形能力低。晶粒之間的變形協(xié)調(diào)性很差，故塑性變形能力低。(3) 塑變不均勻性塑變不均勻性 由多晶體中各個(gè)晶粒之間變形的不同時(shí)性可知，每個(gè)晶粒由多晶體中各個(gè)晶粒之間變形的不同時(shí)性可知，每個(gè)晶粒的變形量各不相同，而且由于晶界的強(qiáng)度高于晶內(nèi)，使得每一的變形量各不相同，而且由于晶界的強(qiáng)度高于晶內(nèi)，使得每一個(gè)晶粒內(nèi)部的變形也是不均勻的。個(gè)晶粒內(nèi)部的變形也是不均勻的。課堂思考討論題：課堂思考討論題：1 單晶材料和多晶材料哪個(gè)強(qiáng)度高，為什么？單晶材料和多晶材料哪個(gè)強(qiáng)度高，為什么？2 晶粒細(xì)化能使金屬強(qiáng)度提高嗎？晶

39、粒細(xì)化能使金屬強(qiáng)度提高嗎？1 晶界對滑移有阻礙，各晶粒位向不同。5.5.2塑性變形對金屬組織與性能的影響1.塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響(1) 形成纖維組織形成纖維組織 金屬經(jīng)塑性變形時(shí)，沿著變形方向晶粒被拉長。當(dāng)變形金屬經(jīng)塑性變形時(shí)，沿著變形方向晶粒被拉長。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒難以分辨，而呈現(xiàn)出一片如纖維絲狀的條紋，量很大時(shí)，晶粒難以分辨，而呈現(xiàn)出一片如纖維絲狀的條紋，稱之為稱之為纖維組織纖維組織。30 50(2) 形成形變織構(gòu)形成形變織構(gòu) 隨著變形的發(fā)生，還伴隨著晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)。在拉伸時(shí)晶粒隨著變形的發(fā)生，還伴隨著晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)。在拉伸時(shí)晶粒的滑移面轉(zhuǎn)向平行于外力的方向

40、，在壓縮時(shí)轉(zhuǎn)向垂直于外力方的滑移面轉(zhuǎn)向平行于外力的方向，在壓縮時(shí)轉(zhuǎn)向垂直于外力方向。故在變形量很大時(shí)，金屬中各晶粒的取向會(huì)大致趨于一致，向。故在變形量很大時(shí)，金屬中各晶粒的取向會(huì)大致趨于一致，這種由于變形而使晶粒具有這種由于變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向的組織叫的組織叫形變織構(gòu)形變織構(gòu)。Zn晶體中的滑移(3) 亞結(jié)構(gòu)細(xì)化亞結(jié)構(gòu)細(xì)化 冷變形會(huì)增加晶粒中的位錯(cuò)密度。隨著變形量的增加，冷變形會(huì)增加晶粒中的位錯(cuò)密度。隨著變形量的增加，位錯(cuò)交織纏結(jié)，在晶粒內(nèi)形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，叫形變胞。胞內(nèi)位錯(cuò)交織纏結(jié)，在晶粒內(nèi)形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，叫形變胞。胞內(nèi)位錯(cuò)密度較低，胞壁是由大量纏結(jié)位錯(cuò)組成。變形量越大，位錯(cuò)密度較低

41、，胞壁是由大量纏結(jié)位錯(cuò)組成。變形量越大，則形變胞數(shù)量越多，尺寸越小。則形變胞數(shù)量越多，尺寸越小。(4) 點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重 金屬在塑性變形中產(chǎn)生大量點(diǎn)陣缺陷（空位、間隙原金屬在塑性變形中產(chǎn)生大量點(diǎn)陣缺陷（空位、間隙原子、位錯(cuò)等），使點(diǎn)陣中的一部分原子偏離其平衡位置，而子、位錯(cuò)等），使點(diǎn)陣中的一部分原子偏離其平衡位置，而造成的晶格畸變。在變形金屬吸收的能量中絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樵斐傻木Ц窕?。在變形金屬吸收的能量中絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)陣畸變能，位錯(cuò)密度顯著升高，點(diǎn)陣畸變能，位錯(cuò)密度顯著升高，由由105-6升至升至1011-12。(5) 產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（殘余應(yīng)力）產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（殘余應(yīng)力）第一類內(nèi)應(yīng)力第一類內(nèi)

42、應(yīng)力(宏觀內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力)，金屬工件各部分間的變形不均金屬工件各部分間的變形不均勻而引起的，作用于整個(gè)工件。勻而引起的，作用于整個(gè)工件。 第二類內(nèi)應(yīng)力第二類內(nèi)應(yīng)力(微觀內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力)，各晶粒之間的塑性變形不均勻，各晶粒之間的塑性變形不均勻而引起的內(nèi)應(yīng)力，其作用范圍一般不超過幾個(gè)晶粒。而引起的內(nèi)應(yīng)力，其作用范圍一般不超過幾個(gè)晶粒。 第三類內(nèi)應(yīng)力第三類內(nèi)應(yīng)力(點(diǎn)陣畸變點(diǎn)陣畸變)，作用范圍很小，在一個(gè)晶粒內(nèi)部，作用范圍很小，在一個(gè)晶粒內(nèi)部，一般為幾十至幾百納米。一般為幾十至幾百納米。 殘余應(yīng)力又叫儲(chǔ)存能，第一類內(nèi)應(yīng)力占0.1%，第二類內(nèi)應(yīng)力占10，第三類內(nèi)應(yīng)力占8090。2.塑性變形對金屬力學(xué)

43、性能的影響 (1) 呈現(xiàn)明顯的各向異性呈現(xiàn)明顯的各向異性(圖圖5-11)主要是由于形成了纖維組織和變形織構(gòu)主要是由于形成了纖維組織和變形織構(gòu) (2) 產(chǎn)生形變強(qiáng)化產(chǎn)生形變強(qiáng)化？形變強(qiáng)化的主要原因？形變強(qiáng)化的主要原因位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度導(dǎo)致形變胞的形成導(dǎo)致形變胞的形成和不斷細(xì)化和不斷細(xì)化位錯(cuò)滑移位錯(cuò)滑移金屬的變形抗力金屬的變形抗力 變形過程中，位錯(cuò)密度變形過程中，位錯(cuò)密度升高，導(dǎo)致形變胞的形成和升高，導(dǎo)致形變胞的形成和不斷細(xì)化，對位錯(cuò)的滑移產(chǎn)不斷細(xì)化，對位錯(cuò)的滑移產(chǎn)生巨大的阻礙作用，可使金生巨大的阻礙作用，可使金屬的變形抗力顯著升高，這屬的變形抗力顯著升高，這是產(chǎn)生形變強(qiáng)化的主要原因。是產(chǎn)生形變強(qiáng)化

44、的主要原因。(a) Dislocation microstructure in Mo under 2% tensile strain along 110 at 77K. (b) Dislocation microstructure in Mo under 5.8% tensile strain at 293K 利用加工硬化，可以在獲得所需的金屬材料形利用加工硬化，可以在獲得所需的金屬材料形狀的同時(shí)，提高材料的強(qiáng)度，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)狀的同時(shí)，提高材料的強(qiáng)度，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度等。度和硬度等。除了除了冷加工冷加工外，還可以通過外，還可以通過軋制軋制、鍛造鍛造、沖壓沖壓、拉拔拉拔、擠壓擠壓

45、等加工技術(shù)來達(dá)到利用加工硬化提高材等加工技術(shù)來達(dá)到利用加工硬化提高材料強(qiáng)度的目的。料強(qiáng)度的目的。冷加工冷加工是實(shí)現(xiàn)加工硬化的最常用的一種加工技是實(shí)現(xiàn)加工硬化的最常用的一種加工技術(shù)。術(shù)。 加工硬化方法舉例3. 塑性變形對金屬物理、化學(xué)性能的影響塑性變形對金屬物理、化學(xué)性能的影響 經(jīng)過冷塑性變形后，金屬的物理性能和化學(xué)性能經(jīng)過冷塑性變形后，金屬的物理性能和化學(xué)性能也將發(fā)生明顯的變化。通常使金屬的導(dǎo)電性、電阻溫也將發(fā)生明顯的變化。通常使金屬的導(dǎo)電性、電阻溫度系數(shù)和導(dǎo)熱性下降。塑性變形還使導(dǎo)磁率、磁飽和度系數(shù)和導(dǎo)熱性下降。塑性變形還使導(dǎo)磁率、磁飽和度下降，但矯頑力增加。塑性變形提高金屬的內(nèi)能，度下降，

46、但矯頑力增加。塑性變形提高金屬的內(nèi)能，使化學(xué)活性提高，耐腐蝕性下降。使化學(xué)活性提高，耐腐蝕性下降。85形變強(qiáng)化小結(jié)形變強(qiáng)化或稱形變硬化，加工硬化 1、意義（1）形變強(qiáng)化和塑性變形適當(dāng)配合，可使金屬進(jìn)行均勻塑性形變。（2）使構(gòu)件具有一定的抗偶然過載能力。（3）強(qiáng)化金屬，提高力學(xué)性能。（4）提高低碳鋼的切削加工性能。 862、形變強(qiáng)化機(jī)理 （1）三種單晶體金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線面心立方（銅）體心立方（鈮）密排六方（鎂） 單晶金屬加工硬化曲線單晶金屬加工硬化曲線aedcbfg1、面心立方金屬形變強(qiáng)化能力遠(yuǎn)大于其它金屬2、隨應(yīng)變增大，面心立方金屬經(jīng)歷弱的形變強(qiáng)化階段后，發(fā)生強(qiáng)的形變強(qiáng)化，隨后形變強(qiáng)化能力減

47、弱3、體心立方金屬和密排六方金屬初始弱形變強(qiáng)化階段長度大于面心立方金屬87（2）形變強(qiáng)化機(jī)理（單晶體） a）易滑移階段：單系滑移 hcp金屬（Mg、Zn）不能產(chǎn)生多系滑移，易滑移段長。 b）線性硬化階段：多系滑移 位借交互作用，形成割階、面角位錯(cuò)、胞狀結(jié)構(gòu)等；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大。（fcc，bcc，hcp） c） 拋物線硬化階段：交滑移，或雙交滑移（刃型位錯(cuò)不能產(chǎn)生交滑移） 多晶體，一開動(dòng)便是多系滑移，無易滑移階段。面心立方金屬典型加工硬化曲線強(qiáng)弱88 3、形變強(qiáng)化指數(shù) Hollomon關(guān)系式： S=ken （真應(yīng)力與真應(yīng)變之間的關(guān)系） n形變強(qiáng)化指數(shù)；k硬化系數(shù)形變強(qiáng)化指數(shù)n反映了金屬材料抵抗

48、繼續(xù)塑性變形的能力。n=1，理想彈性體;n=0，材料無硬化能力。 層錯(cuò)能低的材料形變硬化程度大；如高M(jìn)n鋼 （Mn13），層錯(cuò)能力低 n大形變強(qiáng)化指數(shù)，用直線作圖法求得：logSlogknloge89 形變強(qiáng)化與頸縮產(chǎn)生頸縮應(yīng)變集中到頸縮區(qū)域頸縮區(qū)域由于形變強(qiáng)化，屈服強(qiáng)度提 高（而沒有頸縮區(qū)域屈服強(qiáng)度不變）變形轉(zhuǎn)移到頸縮區(qū)域以外頸縮受到抑制 形變強(qiáng)化指數(shù)越大，材料越不容易發(fā)生頸縮，此時(shí)容易發(fā)生“超塑性” 超塑性：塑性應(yīng)變超過100904形變強(qiáng)化的幾個(gè)途徑位錯(cuò)密度提高是形變強(qiáng)化的前提1）變形協(xié)調(diào)位錯(cuò)912）FR位錯(cuò)源bS12923）位錯(cuò)之間的相互作用 位錯(cuò)與同號(hào)位錯(cuò)之間的斥力作用 位錯(cuò)之間的交互

49、作用形成割階 平行/垂直位錯(cuò)之間的交互作用：作用力正比于位錯(cuò)密度的1/2位錯(cuò)密度增大，位錯(cuò)交互作用增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大強(qiáng)化5.5.3變形金屬在加熱時(shí)組織與性能的變化變形金屬在加熱時(shí)組織與性能的變化1. 回復(fù)和再結(jié)晶回復(fù)和再結(jié)晶 經(jīng)冷變形后的金屬吸收了部分變形功，內(nèi)能升高，處于經(jīng)冷變形后的金屬吸收了部分變形功，內(nèi)能升高，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有自發(fā)恢復(fù)到變形前狀態(tài)的趨勢。一旦受熱不穩(wěn)定狀態(tài)，具有自發(fā)恢復(fù)到變形前狀態(tài)的趨勢。一旦受熱（加熱到（加熱到0.5T熔熔溫度附近），冷變形金屬的組織和性能就會(huì)發(fā)溫度附近），冷變形金屬的組織和性能就會(huì)發(fā)生一系列的變化，可分為生一系列的變化，可分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長

50、大回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個(gè)階段。三個(gè)階段。(1) 回復(fù)回復(fù) 在生產(chǎn)中對冷加工的零件，為了保持加工硬化狀態(tài)，降低內(nèi)應(yīng)力，以減輕變形和翹曲，通常采用去應(yīng)力退火即回復(fù)退火。 在回復(fù)階段，由于溫度升高，金屬的屈服強(qiáng)度下降，在回復(fù)階段，由于溫度升高，金屬的屈服強(qiáng)度下降，在內(nèi)應(yīng)力的作用下將發(fā)生局部塑性變形，從而使第一內(nèi)應(yīng)在內(nèi)應(yīng)力的作用下將發(fā)生局部塑性變形，從而使第一內(nèi)應(yīng)力得以消除。力得以消除。多邊化(2)再結(jié)晶再結(jié)晶 再結(jié)晶與回復(fù)的不同之處在于機(jī)械性能能完全恢復(fù)到冷變形前的狀態(tài)，加工硬化得以消除。生產(chǎn)中利用這一點(diǎn)來消除加工硬化，使塑性加工能夠順利進(jìn)行下去，這種工藝稱為再結(jié)晶退火。(3)晶粒長大 冷變形金屬在再結(jié)晶剛完成時(shí)，一般得到細(xì)小的等軸晶粒組織。如果繼續(xù)提高如果繼續(xù)提高加熱溫度或延長保溫時(shí)間，加熱溫度或延長保溫時(shí)間，將引起晶粒進(jìn)一步長大，它將引起晶粒進(jìn)一步長大，它能減少晶界的總面積，從而能減少晶界的總面積，從而降低總的界面能，使組織變降低總的界面能，使組織變得更穩(wěn)定。得更穩(wěn)定。晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力來自界面能的降低。2. 再結(jié)晶晶粒大小的控制再結(jié)晶晶粒大小的控制 影響再結(jié)晶晶粒大小的主要因素是變形度和退火溫影響再結(jié)晶晶粒大小的主要因