工程材料第四章材料的變形與強(qiáng)化2007

第四章

材料的變形與強(qiáng)化

塑性變形加工是提高材料性能和改變其尺寸與形狀的重要途徑。

金屬重要特性:

良好的塑性。

工程上對(duì)金屬塑性變形加工的方法：軋制、鍛造、擠壓、拉拔、沖壓等。金屬高溫鐓粗變形擠壓變形低熔金屬、高分子、復(fù)合材料加工滾壓（軋制）變形金屬板材、棒（線）材加工模鍛變形：由簡(jiǎn)單形狀加工為復(fù)雜形狀復(fù)雜零件制造沖壓（冷塑性變形）鍛件：軸、環(huán)、盤、塊等前橋鍛坯件最后一道工序前橋斷面汽車前橋鍛造生產(chǎn)線汽車前軸總成采用熱擠壓變形的方法制造無(wú)縫鋼管原料頂桿采用熱擠壓變形的方法制造無(wú)縫鋼管

對(duì)金屬進(jìn)行塑性變形，可改變其外觀形狀、力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)。改變金屬的組織結(jié)構(gòu)，可改變其塑變能力，達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸形狀要求。

研究金屬（合金）塑性變形特性，需要了解其塑變機(jī)理。第一節(jié)金屬的塑性變形一、單晶體的塑性變形（滑移和孿生）（1）滑移形式：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)。

單晶體的變形過(guò)程—?jiǎng)傂藻e(cuò)開模型單晶體的變形過(guò)程

單晶體在切應(yīng)力的作用下,先發(fā)生彈性變形,然后在某一晶面上發(fā)生滑動(dòng)?；剖侨绾芜M(jìn)行的？如果滑移是晶體的一部分相對(duì)于另一部分作整體的剛性移，就必須同時(shí)破壞滑移面上所有原子間的結(jié)合。金屬理論計(jì)算值實(shí)際測(cè)定值Fe2300MPa29MPaCu1540MPa0.98MPa顯然，滑移并不是在晶體的滑移面上作整體的剛性移動(dòng)。研究證明：滑移是滑移面上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)中依次破壞原來(lái)原子間的正常結(jié)合。刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)畫刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)畫螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)畫滑移面與滑移方向滑移面：滑移最容易在兩個(gè)密度最大的晶面之間發(fā)生（這兩個(gè)面之間的間距最大）?；品较颍夯朴肿钊菀自谧蠲芫嫔系脑幼蠲芘帕械姆较蜻M(jìn)行?；谱钊菀装l(fā)生在兩個(gè)密度最大的晶面之間；最容易在這個(gè)晶面上的原子最密排列的方向進(jìn)行?；葡担夯泼婧驮撁嫔系囊粋€(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。

滑移系數(shù)目↑，材料塑性↑；滑移面↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。

滑移方向?qū)Σ牧纤苄缘呢暙I(xiàn)大于滑移面。

體心立方晶體的最密排面和密排方向。有6個(gè)滑移面，每個(gè)滑移面有2個(gè)滑移方向?；葡担?/p>

6×2＝

12個(gè)面心立方晶體的最密排面和密排方向。

有4個(gè)滑移面，每個(gè)滑移面有3個(gè)滑移方向?；葡担?×3＝12個(gè)非密排面（非滑移面）上也存在著密排方向，卻不能構(gòu)成滑移系。在三種典型金屬晶格中：體心立方晶格的滑移系6(滑移面)×2(滑移方向)＝12面心立方晶格的滑移系4(滑移面)×3(滑移方向)＝12密排六方晶格的滑移系1(滑移面)×3(滑移方向)＝3滑移系多、滑移面上的滑移方向多,晶體變形能力強(qiáng)。金屬塑性如Cu、γ-Fe（面心立方）＞α-Fe（體心立方）＞Zn（密排六方）。

受力滑移過(guò)程中的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)

作用于晶體的外力可分解為切應(yīng)力τ和正應(yīng)力σ。τ使晶體發(fā)生滑移，σ則組成一對(duì)力偶使晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）孿生晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變。易發(fā)生孿生變形晶體：密排六方晶體（Zn、Mg等）；體心、面心晶體（低溫、高速載荷時(shí)）。二、多晶體的塑性變形

大多使用的金屬是多晶體。多晶體中各晶粒（單晶體）位向不同，存在相互制約的晶界，變形復(fù)雜。（一）多晶體的塑性變形過(guò)程

多晶體加載時(shí)，各晶粒的滑移面和滑移方向與受力方向不同。受到最大分切應(yīng)力位向（45o）的晶粒處于軟位向，先變形，并轉(zhuǎn)為硬位向。從少數(shù)晶粒變形逐步到越來(lái)越多的位向相同（近）的晶粒變形，從不均勻變形到均勻變形。

影響多晶體塑性變形的因素：

1．晶粒位向：晶粒位向不一致2．晶界

1)滑移障礙：晶界原子排列不規(guī)則，位錯(cuò)在晶界難以運(yùn)動(dòng)，滑移阻力↑，變形抗力↑。2)協(xié)調(diào)變形：晶界變形與相鄰不同變形量的晶粒保持連續(xù)。

（二）晶粒大小對(duì)塑性變形的影響

晶粒越細(xì)，晶界越多，變形抗力(阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng))↑，金屬的強(qiáng)度↑。晶粒越細(xì)，變形越分散，減少了應(yīng)力集中，推遲裂紋的形成和發(fā)展，使塑性提高。第二節(jié)金屬的冷塑性變形一、冷塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響①金屬發(fā)生塑性變形后,晶粒發(fā)生變形,沿形變方向被拉長(zhǎng)或壓扁，成細(xì)條狀，晶界上夾雜物也被拉長(zhǎng),形成纖維組織。②亞結(jié)構(gòu)形成塑變時(shí),大量位錯(cuò)在局部堆積、纏結(jié),晶粒被分成一些位向略有差別的小晶塊,形成亞晶粒。

③形變織構(gòu)產(chǎn)生

變形很大(70%以上),晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),各位向趨于一致,形成擇優(yōu)取向,形成形變織構(gòu)。

纖維組織和形變織構(gòu)使金屬的性能出現(xiàn)各向異性。沿纖維方向的強(qiáng)度和塑性明顯高于垂直方向。有織構(gòu)的板材沖制零件會(huì)出現(xiàn)“制耳”。④產(chǎn)生加工硬化：金屬發(fā)生塑性變形,隨變形度的增大,金屬的強(qiáng)度和硬度顯著提高,塑性和韌性明顯下降。（位錯(cuò)密度增加,交互作用，運(yùn)動(dòng)阻力增大）。二、加熱消除金屬冷變形產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)與性能變化

金屬經(jīng)冷塑性變形后，強(qiáng)度↑硬度↑塑性↓內(nèi)應(yīng)力↑（加工硬化）繼續(xù)冷變形困難。加熱可使變形金屬的組織和性能發(fā)生改變。隨著加熱溫度的提高，變形金屬發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大過(guò)程。（一）回復(fù)

較低溫度加熱，發(fā)生回復(fù)?；貜?fù)使位錯(cuò)、空位、間隙原子大大減少，組織形貌無(wú)變化。內(nèi)應(yīng)力大大降低，強(qiáng)度、硬度、塑性變化不大。去應(yīng)力退火，利用回復(fù)過(guò)程降低內(nèi)應(yīng)力而又保留加工硬化效果。（二）再結(jié)晶新形核－長(zhǎng)大過(guò)程加工硬化消除，力學(xué)性能恢復(fù)，長(zhǎng)晶?！容S晶粒，強(qiáng)度↓。利用再結(jié)晶退火消除加工硬化，使金屬能夠繼續(xù)變形加工。

線材生產(chǎn)中，需要將粗鋼絲經(jīng)過(guò)多次冷拔-再結(jié)晶過(guò)程

預(yù)變形度影響

幾種金屬變形后的最低再結(jié)晶溫度

Al150℃

低碳鋼450℃

W1210℃

Zn15℃

Sn0℃

Pb0℃（三）晶粒長(zhǎng)大

再結(jié)晶完成后繼續(xù)提高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶粒會(huì)明顯長(zhǎng)大,最后得到粗大晶粒組織,使金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等機(jī)械性能都顯著降低。第三節(jié)金屬的熱加工變形

金屬在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工。在再結(jié)晶溫度塑性變形后，隨即發(fā)生再結(jié)晶過(guò)程。加工硬化隨即被消除，使金屬保持良好的塑性狀態(tài)。

熱加工能使金屬中殘存的枝晶偏析、可變形相、夾雜物沿金屬流動(dòng)方向被拉長(zhǎng)，形成纖維組織(流線)。使金屬的塑性和韌性具有明顯的方向性。工件流線分布合理，可提高使用性能。

鍛造曲軸的流線合理分布，可保證工作時(shí)最大拉應(yīng)力與流線一致，剪切應(yīng)力或沖擊力與流線垂直，使曲軸軸肩不易斷裂。大型艦船用曲軸鍛壓50噸重的曲拐計(jì)算機(jī)模擬鍛造50噸重的曲拐

曲拐毛坯精加工后的曲拐1、位錯(cuò)強(qiáng)化

位錯(cuò)直接影響金屬的強(qiáng)度與塑性。一切阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的因素都會(huì)使位錯(cuò)密度提高(可高達(dá)1010-1012/cm2),從而使強(qiáng)度提高，出現(xiàn)加工硬化。第四節(jié)金屬?gòu)?qiáng)化理論簡(jiǎn)介

2、固溶強(qiáng)化溶質(zhì)原子溶于溶劑金屬中形成固溶體,晶格發(fā)生畸變，增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力,使金屬的滑移變形困難,從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。

3、細(xì)晶強(qiáng)化：

晶界有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),使金屬?gòu)?qiáng)化。晶粒越細(xì),晶界越多,強(qiáng)化越顯著。鋼中細(xì)化晶粒元素：鈮、釩、鋁、鈦等。經(jīng)細(xì)晶強(qiáng)化后的ZGMn13鋼破碎機(jī)軋臼壁使用壽命由180h提高到260h4、沉淀強(qiáng)化：基體中分布細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生強(qiáng)化。第二相質(zhì)點(diǎn)彌散度越高,強(qiáng)化效果也越明顯。可以在澆鑄時(shí)加入第二相顆粒，也可以從過(guò)飽和合金固溶體