第6章金屬學(xué)及熱處理

第6章金屬及合金的（冷）塑性變形在外力作用下金屬首先產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)應(yīng)力超過材料的彈性極限時(shí)，金屬將產(chǎn)生塑性變形。它不僅改變金屬的外形，而且使內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。經(jīng)過塑性變形后的金屬，在隨后的加熱過程中，內(nèi)部組織也發(fā)生一系列變化，這些都對性能有明顯的影響。細(xì)晶強(qiáng)化：對于多晶體的塑性變形，由于晶界和晶粒位向的影響，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力加大，致使細(xì)晶粒的金屬的強(qiáng)度增大。

6.1應(yīng)力應(yīng)變曲線和力學(xué)性能指標(biāo)

6.2單晶體金屬的塑性變形

6.3多晶體金屬的塑性變形

6.4合金的塑性變形在彈性范圍內(nèi)，E=(/ε)為彈性模量，是材料抵抗彈性變形的能力，表示材料的剛度。E值主要取決于材料的本性。而E／叫做比剛度（為密度），符合虎克定律正應(yīng)力：σ=Eε；切應(yīng)力：τ=Gγ6.1應(yīng)力應(yīng)變曲線和力學(xué)性能指標(biāo)返回a點(diǎn)以上為塑性變形階段；cB段為均勻塑性變形階段；BK段為不均勻塑性變形階段；應(yīng)力：應(yīng)變：l0：光滑圓柱試棒未拉伸時(shí)的標(biāo)距長度；S0：原始橫截面積；F：外力或拉伸載荷；l：試棒變形后的標(biāo)距長度；強(qiáng)度指標(biāo)：σe、σ0.005

；σs、σ0.2；σb。塑性指標(biāo)：延伸率δ和斷面收縮率ψ6.2單晶體金屬的塑性變形（1/2）2/21、滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體兩部分沿一定晶面上的一定晶向作相對滑動(dòng)的塑性變形方式（圖2所示）。2、滑移線和滑移帶：經(jīng)拋光塑變分層的相對移動(dòng)形成高低不平的臺(tái)階3、滑移系：滑移面與該面上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移體系。晶體的滑移系越多，則塑性越好。晶體的滑移面和滑移方向常為晶體的密排面與密排方向。（如表1所示）4、滑移的臨界分切應(yīng)力（計(jì)算如圖5所示）式中cosλcosφ為取向因子。λ或φ=90°時(shí)，取向因子為零，不能滑移；λ=φ=45°時(shí)，取向因子=0.5為最大，最易于滑移。當(dāng)τ>τk時(shí)，滑移系開動(dòng)，晶體開始屈服。臨界分切應(yīng)力τk

：開動(dòng)滑移系所需的最小分切應(yīng)力M為最大切應(yīng)力方向5、滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)（圖6所示）拉伸時(shí)，因夾頭的限制滑移面及滑移方向均發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)取向因子改變分切應(yīng)力變化注意：1）單系滑移與多系滑移

2）單晶體滑移與多晶體滑移的差異6.2單晶體金屬的塑性變形（2/2）返回6、兩種塑性變形機(jī)制的異同1）孿生：晶體一部分相對于另一部分作均勻切變?；疲夯泼骈g的晶體層片并未發(fā)生變形，屬不均勻變形。2）孿生：相鄰晶面相對移動(dòng)距離只有原子間距的幾分之一；滑移：滑移距離為原子間距的整數(shù)倍3）孿生：晶體變形部分的位向發(fā)生變化，且與未變形部分以孿晶面為對稱面形成對稱（此兩部分晶體就是孿晶）?；疲壕w位向不發(fā)生變化。4）二者均不改變晶體的點(diǎn)陣類型。*滑移的位錯(cuò)機(jī)制參見P169-:

位錯(cuò)的動(dòng)、增殖、交割與塞積孿生的變形量很小，但因可引起滑移系取向變形，可促進(jìn)滑移的發(fā)生?；婆c孿生交替發(fā)生可獲得較大的變形量。DeformationofpolycrystallinematerialsMakingtheappropriateextensionfromasinglecrystaltopolycrystallinematerials.AgrainwithonlyonecrystallographicorientationNumerousgrainswithrandomcrystallographicorientationOnlyonedirectionofslip(Fig.6.4)ThedirectionofslipvariesfromonegraintoanotherForthegrain,dislocationmotionoccursalongthemostfavorableorientationForeachgrain,dislocationmotionoccursalongthemostfavorableorientation6.3多晶體金屬的塑性變形返回

變形方式仍為滑移或?qū)\生。與單晶體不同，多晶體中涉及不同位向的相鄰晶粒和晶界。要點(diǎn)1：位錯(cuò)塞積、應(yīng)力集中、相鄰晶?；葡档拈_動(dòng)變形從一個(gè)晶粒傳到另個(gè)晶粒；要點(diǎn)2：外力及應(yīng)力集中下，晶粒及相鄰晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)、利于滑移晶粒變?yōu)椴焕Я?、不利晶粒變?yōu)橛欣凭Я?；一、兩個(gè)特點(diǎn)：1、各晶粒變形的不同時(shí)性。在外力作用下，多晶體金屬中的晶粒是分批地、逐步地發(fā)生塑性變形。2、各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性。二、晶粒大小對塑性變形的影響（Hall-Petch公式）請解釋為什么晶粒越小，材料的塑性越好，強(qiáng)度越高。σs——屈服強(qiáng)度；d——晶粒平均直徑；σi——反映位錯(cuò)在晶粒內(nèi)滑移的阻力；ky——反映晶界阻礙相鄰晶粒傳播的程度。晶粒越細(xì)、塑性越好，強(qiáng)度越高，原因在于：晶粒越細(xì)，則晶界越曲折，越不利于裂紋的傳播；晶粒越細(xì)，變形可以分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，且變形均勻，減少應(yīng)力集中，從而可以在斷裂之前承受更大的塑性變形。（晶界是多晶體比單晶體有較高塑性變形抗力的主要原因）。6.4合金的塑性變形返回1、單相固溶體合金的塑性變形請用位錯(cuò)理論來解釋固溶強(qiáng)化的原因：1）固溶體內(nèi)溶質(zhì)與溶劑原子半徑差彈性變形畸變，與位錯(cuò)存在彈性交互作用阻礙滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)；2）溶質(zhì)原子易在位錯(cuò)線上聚集，形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)，利于減小位錯(cuò)附近的晶格畸變，降低了合金系統(tǒng)的能量，起到“釘扎”位錯(cuò)的作用。要使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)就需要更大的外力，表現(xiàn)為合金的強(qiáng)化。2、兩相（基本相與第二相）合金的塑性變形很大程度上取決于第二相（往往是脆性相）的分布、形狀、大小：1）在塑性相晶界上呈網(wǎng)狀分布：如過共析鋼緩冷時(shí)的二次滲碳體網(wǎng)；2）在塑性相基體上呈片層狀分布：如P組織；（P178）3）在塑性相基體上呈彌散質(zhì)點(diǎn)分布：解釋兩種強(qiáng)化機(jī)制（彌散強(qiáng)化現(xiàn)象和沉淀強(qiáng)化）（注：從對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用考慮）及彌散質(zhì)點(diǎn)的來源（外部加入或過飽和析出如三次滲碳體）。6.5塑性變形對金屬組織和性能的影響返回

一、組織結(jié)構(gòu)的變化：＊＊補(bǔ)充1、形成纖維組織：由原來的等軸晶粒沿變形方向延伸的畸變晶?！浼庸だw維組織2、亞結(jié)構(gòu)細(xì)化亞晶界增多，原子排列的規(guī)則性被破壞，晶體缺陷密度增加。3、出現(xiàn)擇優(yōu)取向：原來取向各不相同的各個(gè)晶粒會(huì)塑變過程轉(zhuǎn)動(dòng)，從而取得接近一致的位向的現(xiàn)象。冷塑性變形：指在室溫或較低的溫度下發(fā)生的金屬塑性變形。塑性以FCC金屬最好BCC金屬次之；密排六方金屬最差。作用：可形成一定的形狀和尺寸，還可提高材料的強(qiáng)度和硬度。二、對金屬性能的影響：1、加工硬化：材料隨變形程度的增加，使位錯(cuò)密度增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化等引起金屬的強(qiáng)度、硬度上升，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。詳見附頁。2、產(chǎn)生殘余應(yīng)力：指變形外力去除后,殘留且平衡存在于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬內(nèi)部變形程度不同而造成的。詳見附頁。3、各向異性：材料的性能在各個(gè)方向上不一致的現(xiàn)象。詳見附頁。4、其它性能變化：降低材料的抗腐蝕能力，提高電阻率等。對金屬組織的影響＊＊補(bǔ)充返回金屬在外力作用下產(chǎn)生了塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒形狀也相應(yīng)地被拉長或壓偏。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變得模糊不清。（P180圖29）塑性變形使晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)形成。又由于塑性變形過程中晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度（70％－90％）以上時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，形成織構(gòu)。（P182圖31）加工硬化現(xiàn)象的附頁返回

1、機(jī)理：金屬變形過程主要是通過位錯(cuò)沿著一定的晶面滑移實(shí)現(xiàn)的。在滑移過程中，位錯(cuò)密度大大增加，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中的相互交割加劇，產(chǎn)生固定割階、位錯(cuò)纏結(jié)等障礙，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，變形抗力增加，從而出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。2、不利影響：加工硬化加大了金屬進(jìn)一步變形的抗力，甚至使金屬開裂，對壓力加工產(chǎn)生不利的影響。因此需要采取措施加以軟化，恢復(fù)其塑性，以利于繼續(xù)形變加工。3、有利方面：對于某些用途的材料，如起重用的冷拔鋼絲繩、用高錳鋼制的拖拉機(jī)履帶板和推土機(jī)鏟齒，以及形變鋁合金不能用熱處理方法強(qiáng)化的合金，加工硬化又是一種提高強(qiáng)度的有效的強(qiáng)化手段，如對于塑性好但強(qiáng)度較低的鋁合金、銅、某些不銹鋼等。殘余應(yīng)力的附頁返回

產(chǎn)生原因：（變形的不等時(shí)性和不均勻性造成）1、宏觀殘余應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）：在工件各部位間由于變形的先后和變形程度的不同而產(chǎn)生的應(yīng)力。2、微觀殘余應(yīng)力（第二類內(nèi)應(yīng)力）：金屬中各個(gè)晶粒間的不均勻變形也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，局部微觀殘余應(yīng)力過高，會(huì)使工件受力時(shí)產(chǎn)生顯微裂紋，導(dǎo)致開裂。3、點(diǎn)陣畸變（第三類內(nèi)應(yīng)力）：指塑性變形時(shí)，晶體中的缺陷大大增加，在晶格中造成晶格畸變，形成原子間的相互引力或斥力，并在外力去除后保留下來的內(nèi)應(yīng)力

殘余應(yīng)力對材料性能的影響：1、降低材料的承載能力工件在加工或使用中發(fā)生變形或裂紋，2、降低材料的耐蝕性。3、電阻增加等。有利面：利用表面壓應(yīng)力提高材料的疲勞極限，延長壽命。各向異性的附頁返回各向異性：變形量大的形變金屬中會(huì)出現(xiàn)形變織構(gòu)——即晶體的位向趨于一致的現(xiàn)象，導(dǎo)致材料的性能在各個(gè)方向上性能不一致的現(xiàn)象。有利方面：如用具有易磁化方向的形變織構(gòu)的材料來制造變壓器鐵心的硅鋼片，可明顯增加鐵心的導(dǎo)磁率，降低磁滯損耗，提高變壓器的效率。不利方面：在沖壓薄板零件時(shí)，由于織構(gòu)的存在，各個(gè)方向的變形程度不同，在工件各部位造成不均勻塑性變形，導(dǎo)致沖壓件易于報(bào)廢。6.6金屬的斷裂斷裂：

金屬材料在外力的作用下喪失連續(xù)性的過程，包括裂紋的萌生和裂紋的擴(kuò)展兩個(gè)基本過程。影響因素：

內(nèi)因