工程材料第五章

工程材料第五章第一頁，共七十一頁，2022年，8月28日第一節(jié)金屬的塑性變形（純金屬）單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。一、單晶體金屬的塑性變形外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片第二頁，共七十一頁，2022年，8月28日韌性斷口脆性解理斷口第三頁，共七十一頁，2022年，8月28日㈠滑移滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。塑性變形的形式：滑移和孿生。金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。

第四頁，共七十一頁，2022年，8月28日1、滑移變形的特點(diǎn)：⑴滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力.

第五頁，共七十一頁，2022年，8月28日⑵滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。

第六頁，共七十一頁，2022年，8月28日一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三種典型金屬晶格的滑移系第七頁，共七十一頁，2022年，8月28日滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移面更大。因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格,體心立方晶格好于密排六方晶格。第八頁，共七十一頁，2022年，8月28日⑶滑移時(shí)，晶體兩部分的相對(duì)位移量是原子間距的整數(shù)倍.滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個(gè)滑移帶。

銅拉伸試樣表面滑移帶第九頁，共七十一頁，2022年，8月28日⑷滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)有兩種：滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移面上滑移方向向最大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。第十頁，共七十一頁，2022年，8月28日切應(yīng)力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉(zhuǎn)動(dòng)第十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)動(dòng)的原因：晶體滑移后使正應(yīng)力分量和切應(yīng)力分量組成了力偶.當(dāng)滑移面、滑移方向與外力方向都呈45°角時(shí)，滑移方向上切應(yīng)力最大，因而最容易發(fā)生滑移.滑移后,滑移面兩側(cè)晶體的位向關(guān)系未發(fā)生變化。A0A1FFA0第十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日韌性斷口第十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日多腳蟲的爬行2、滑移的機(jī)理把滑移設(shè)想為剛性整體滑動(dòng)所需的理論臨界切應(yīng)力值比實(shí)際測(cè)量臨界切應(yīng)力值大3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。滑移是通過滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。第十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日晶體通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，只在位錯(cuò)中心的少數(shù)原子發(fā)生移動(dòng)，它們移動(dòng)的距離遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作位錯(cuò)的易動(dòng)性。第十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)第十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日㈡孿生孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。第十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面。孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱。

孿晶組織孿生示意圖第十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日與滑移相比：孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多,變形速度極快,接近聲速;孿生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距.第十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬，一般不發(fā)生孿生變形，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，這是由于相變過程中原子重新排列時(shí)發(fā)生錯(cuò)排而產(chǎn)生的，稱退火孿晶。奧氏體不銹鋼中退火孿晶鈦合金六方相中的形變孿晶第二十頁，共七十一頁，2022年，8月28日二、多晶體金屬的塑性變形單個(gè)晶粒變形與單晶體相似,多晶體變形比單晶體復(fù)雜。㈠晶界及晶粒位向差的影響1、晶界的影響當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來,稱位錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行,則必須增加外力,從而使金屬的變形抗力提高。第二十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日晶界對(duì)塑性變形的影響Cu-4.5Al合金晶界的位錯(cuò)塞積第二十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日2、晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。

第二十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日㈡多晶體金屬的塑性變形過程多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45°的晶粒。當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開動(dòng)，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。

銅多晶試樣拉伸后形成的滑移帶σσ第二十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日㈢晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。因?yàn)榻饘倬ЯＴ郊?xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。晶粒大小與金屬強(qiáng)度關(guān)系第二十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高。因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加,金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。應(yīng)變應(yīng)力塑性材料脆性材料第二十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日通過細(xì)化晶粒來同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法稱細(xì)晶強(qiáng)化。

第二十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日第一節(jié)金屬的塑性變形與強(qiáng)化（合金）

合金可根據(jù)組織分為單相固溶體和多相混合物兩種.合金元素的存在，使合金的變形與純金屬顯著不同.珠光體奧氏體第二十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日一、單相固溶體合金的塑性變形與固溶強(qiáng)化單相固溶體合金組織與純金屬相同，其塑性變形過程也與多晶體純金屬相似。但隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱固溶強(qiáng)化。

第二十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因，是由于溶質(zhì)原子與位錯(cuò)相互作用的結(jié)果，溶質(zhì)原子不僅使晶格發(fā)生畸變，而且易被吸附在位錯(cuò)附近形成柯氏氣團(tuán)，使位錯(cuò)被釘扎住，位錯(cuò)要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高.

Cu-Ni合金成分與性能關(guān)系第三十頁，共七十一頁，2022年，8月28日二、多相合金的塑性變形與彌散強(qiáng)化當(dāng)合金的組織由多相混合物組成時(shí)，合金的塑性變形除與合金基體的性質(zhì)有關(guān)外，還與第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物。

+鈦合金(固溶體第二相)第三十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日當(dāng)在晶界呈網(wǎng)狀分布時(shí)，對(duì)合金的強(qiáng)度和塑性不利；當(dāng)在晶內(nèi)呈片狀分布時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度，但會(huì)降低塑性和韌性；珠光體第三十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日當(dāng)在晶內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時(shí)，第二相顆粒越細(xì)，分布越均勻，合金的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性略有下降，這種強(qiáng)化方法稱彌散強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化。彌散強(qiáng)化的原因是由于硬的顆粒不易被切變，因而阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了變形抗力。顆粒釘扎作用的電鏡照片第三十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日位錯(cuò)切割第二相粒子示意圖電鏡觀察第三十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日第二節(jié)塑性變形對(duì)組織和性能的影響

一、塑性變形對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長(zhǎng)或壓扁。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀，晶界變得模糊不清。塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。第三十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化5%冷變形純鋁中的位錯(cuò)網(wǎng)(a)正火態(tài)(c)變形80%(b)變形40%第三十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時(shí)，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。板織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖各向異性導(dǎo)致的銅板“制耳”有無第三十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象第三十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日二、加工硬化

隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。冷塑性變形量，%屈服強(qiáng)度，MPa1040鋼(0.4%C)黃銅銅冷塑性變形量，%伸長(zhǎng)率，%1040鋼(0.4%C)黃銅銅第三十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日冷塑性變形與性能關(guān)系第四十頁，共七十一頁，2022年，8月28日產(chǎn)生加工硬化的原因是:1、隨變形量增加,位錯(cuò)密度增加，由于位錯(cuò)之間的交互作用(堆積、纏結(jié))，使變形抗力增加.Si中的位錯(cuò)源晶體中的位錯(cuò)源位錯(cuò)密度與強(qiáng)度關(guān)系第四十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日2.隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化3.隨變形量增加,空位密度增加4.幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)引起由于加工硬化,使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形,而未變形部分開始變形。沒有加工硬化,金屬就不會(huì)發(fā)生均勻塑性變形。加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，對(duì)于不能熱處理強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。變形20%純鐵中的位錯(cuò)未變形純鐵第四十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日三、殘余內(nèi)應(yīng)力

內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力時(shí),內(nèi)部變形不均勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時(shí),外力所做的功只有10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中.內(nèi)應(yīng)力分為三類：第一類內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間(宏觀內(nèi)應(yīng)力)。第二類內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間,(微觀內(nèi)應(yīng)力)。第三類內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。第四十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日第三類內(nèi)應(yīng)力是形變金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力，也是金屬強(qiáng)化的主要原因。而第一、二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬強(qiáng)度降低。內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。晶界位錯(cuò)塞積所引起的應(yīng)力集中第四十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日第三節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶一、冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化

金屬經(jīng)冷變形后,組織處于不穩(wěn)定狀態(tài),有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可長(zhǎng)時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。加熱溫度℃黃銅第四十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日㈠回復(fù)回復(fù)是指在加熱溫度較低時(shí)，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等。由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使其由冷塑性變形時(shí)的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植?，形成亞晶界，這一過程稱多邊形化。第四十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日在回復(fù)階段，金屬組織變化不明顯，其強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降。工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法稱去應(yīng)力退火。第四十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日㈡再結(jié)晶當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，由破碎拉長(zhǎng)的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。這種冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的過程稱再結(jié)晶。鐵素體變形80%670℃加熱650℃加熱第四十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成和長(zhǎng)大的過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。冷變形奧氏體不銹鋼加熱時(shí)的再結(jié)晶形核SEM-再結(jié)晶晶粒在原變形組織晶界上形核TEM-再結(jié)晶晶粒形核于高密度位錯(cuò)基體上第四十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而金屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化冷變形(變形量為38%)黃銅580oC保溫15分后的的再結(jié)晶組織第五十頁，共七十一頁，2022年，8月28日㈢再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，這是一個(gè)自發(fā)的過程。黃銅再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織第五十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日晶粒的長(zhǎng)大是通過晶界遷移進(jìn)行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會(huì)使金屬的強(qiáng)度，尤其是塑性和韌性降低。原子穿過晶界擴(kuò)散晶界遷移方向第五十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日黃銅再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大各個(gè)階段的金相照片冷變形量為38％的組織580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織第五十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日二、再結(jié)晶溫度再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織冷變形(變形量為38%)黃銅的再結(jié)晶第五十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日T再與ε的關(guān)系影響再結(jié)晶溫度的因素為：1、金屬的預(yù)先變形程度：金屬預(yù)先變形程度越大,再結(jié)晶溫度越低。當(dāng)變形度達(dá)到一定值后，再結(jié)晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結(jié)晶溫度。純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)之間的近似關(guān)系:T再≈0.4T熔其中T再、T熔為絕對(duì)溫度.金屬熔點(diǎn)越高,T再也越高.T再℃=(T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃第五十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日2、金屬的純度金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點(diǎn)元素起阻礙擴(kuò)散和晶界遷移作用，使再結(jié)晶溫度顯著提高.第五十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日3、再結(jié)晶加熱速度和加熱時(shí)間提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶推遲到較高溫度發(fā)生,延長(zhǎng)加熱時(shí)間,使原子擴(kuò)散充分,再結(jié)晶溫度降低。生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100~200℃。黃銅580oC保溫8秒后的組織黃銅580oC保溫15分后的組織第五十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日三、影響再結(jié)晶退火后晶粒度的因素

1、加熱溫度和保溫時(shí)間加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。再結(jié)晶退火溫度對(duì)晶粒度的影響第五十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日預(yù)先變形度的影響，實(shí)質(zhì)上是變形均勻程度的影響.當(dāng)變形度很小時(shí)，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶.當(dāng)變形達(dá)到2~10%時(shí)，只有部分晶粒變形，變形極預(yù)先變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒度的影響2、預(yù)先變形度不均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長(zhǎng)大,再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個(gè)變形度稱臨界變形度。第五十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日當(dāng)超過臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再結(jié)晶時(shí)形核量大而均勻，使再結(jié)晶后晶粒細(xì)而均勻，達(dá)到一定變形量之后，晶粒度基本不變。

對(duì)于某些金屬，當(dāng)變形量相當(dāng)大時(shí)(90%)，再結(jié)晶后晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認(rèn)為這與形成織構(gòu)有關(guān).第六十頁，共七十一頁，2022年，8月28日預(yù)先變形程度對(duì)再結(jié)晶晶粒尺寸的影響變形83%變形88%變形93%第六十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日再結(jié)晶圖第六十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日第四節(jié)金屬的熱加工

一、冷加工與熱加工的區(qū)別在金屬學(xué)中，冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃分的。低于再結(jié)晶溫度的加