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縫鋼管原料頂桿采用熱擠壓變形的方法制造無縫鋼管

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)。

單晶體的變形過程—?jiǎng)傂藻e(cuò)開模型單晶體的變形過程

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)中依次破壞原來原子間的正常結(jié)合。刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程動(dòng)畫刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程動(dòng)畫螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程動(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。滑移最容易發(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)大過程加工硬化消除，力學(xué)性能恢復(fù)，長(zhǎng)晶粒→等軸晶粒，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)過多次冷拔-再結(jié)晶過程

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?？梢栽跐茶T時(shí)加入第二相顆粒，也可以從過飽和合金固溶體