工程材料第五章

工程材料第五章第1頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四第一節(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2頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四韌性斷口脆性解理斷口第3頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四㈠滑移滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動位移的現(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4頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四1、滑移變形的特點：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5頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四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6頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四一個滑移面和其上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系。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7頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四滑移系越多，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8頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四⑶滑移時，晶體兩部分的相對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階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。

銅拉伸試樣表面滑移帶第9頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四⑷滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動有兩種：滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動和滑移面上滑移方向向最大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動。第10頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四切應(yīng)力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉(zhuǎn)動第11頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)動的原因：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，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12頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四韌性斷口第13頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四多腳蟲的爬行2、滑移的機(jī)理把滑移設(shè)想為剛性整體滑動所需的理論臨界切應(yīng)力值比實際測量臨界切應(yīng)力值大3-4個數(shù)量級?；剖峭ㄟ^滑移面上位錯的運動來實現(xiàn)的。第14頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四晶體通過位錯運動產(chǎn)生滑移時，只在位錯中心的少數(shù)原子發(fā)生移動，它們移動的距離遠(yuǎn)小于一個原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作位錯的易動性。第15頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四刃位錯的運動第16頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四㈡孿生孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的切變。第17頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四發(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)的晶體呈鏡面對稱。

孿晶組織孿生示意圖第18頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四與滑移相比：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;孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距.第19頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四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發(fā)生錯排而產(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20頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四二、多晶體金屬的塑性變形單個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)位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來,稱位錯的塞積。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21頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四晶界對塑性變形的影響Cu-4.5Al合金晶界的位錯塞積第22頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四2、晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個晶粒發(fā)生塑性變形時，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23頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四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)塞積位錯前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯開動，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24頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四㈢晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。因為金屬晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，位錯障礙越多；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25頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高。因為晶粒越細(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26頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四通過細(xì)化晶粒來同時提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法稱細(xì)晶強(qiáng)化。

第27頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四第一節(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28頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四一、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29頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因，是由于溶質(zhì)原子與位錯相互作用的結(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附近形成柯氏氣團(tuán)，使位錯被釘扎住，位錯要脫釘，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30頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四二、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，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31頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)在晶界呈網(wǎng)狀分布時，對合金的強(qiáng)度和塑性不利；當(dāng)在晶內(nèi)呈片狀分布時，可提高強(qiáng)度、硬度，但會降低塑性和韌性；珠光體第32頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四當(dāng)在晶內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時，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，因而阻礙了位錯的運動，提高了變形抗力。顆粒釘扎作用的電鏡照片第33頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四位錯切割第二相粒子示意圖電鏡觀察第34頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)塑性變形對組織和性能的影響

一、塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響金屬發(fā)生塑性變形時，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長或壓扁。當(dāng)變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變得模糊不清。塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。第35頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四工業(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網(wǎng)(a)正火態(tài)(c)變形80%(b)變形40%第36頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四由于晶粒的轉(zhuǎn)動，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時，會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，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37頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象第38頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四二、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，%伸長率，%1040鋼(0.4%C)黃銅銅第39頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四冷塑性變形與性能關(guān)系第40頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四產(chǎn)生加工硬化的原因是:1、隨變形量增加,位錯密度增加，由于位錯之間的交互作用(堆積、纏結(jié))，使變形抗力增加.Si中的位錯源晶體中的位錯源位錯密度與強(qiáng)度關(guān)系第41頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四2.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%純鐵中的位錯未變形純鐵第42頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四三、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,內(nèi)部變形不均勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時,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43頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四第三類內(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。晶界位錯塞積所引起的應(yīng)力集中第44頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶一、冷變形金屬在加熱時的組織和性能變化

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)可長時間維持。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)晶和晶粒長大。加熱溫度℃黃銅第45頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四㈠回復(fù)回復(fù)是指在加熱溫度較低時，由于金屬中的點缺陷及位錯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位錯相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等。由于位錯運動使其由冷塑性變形時的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植?，形成亞晶界，這一過程稱多邊形化。第46頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四在回復(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47頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四㈡再結(jié)晶當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，由破碎拉長的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。這種冷變形組織在加熱時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48頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四再結(jié)晶也是一個晶核形成和長大的過程，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基體上第49頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四由于再結(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50頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四㈢再結(jié)晶后的晶粒長大再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個自發(fā)的過程。黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大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51頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四晶粒的長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52頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四黃銅再結(jié)晶和晶粒長大各個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53頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四二、再結(jié)晶溫度再結(jié)晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個溫度范圍內(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54頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四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)晶溫度與其熔點之間的近似關(guān)系:T再≈0.4T熔其中T再、T熔為絕對溫度.金屬熔點越高,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55頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四2、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56頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四3、再結(jié)晶加熱速度和加熱時間提高加熱速度會使再結(jié)晶推遲到較高溫度發(fā)生,延長加熱時間,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57頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四三、影響再結(jié)晶退火后晶粒度的因素

1、加熱溫度和保溫時間加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響第58頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四預(yù)先變形度的影響，實質(zhì)上是變形均勻程度的影響.當(dāng)變形度很小時，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶.當(dāng)變形達(dá)到2~10%時，只有部分晶粒變形，變形極預(yù)先變形度對再結(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，易互相吞并和長大,再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個變形度稱臨界變形度。第59頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四當(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。

對于某些金屬，當(dāng)變形量相當(dāng)大時(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60頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四預(yù)先變形程度對再結(jié)晶晶粒尺寸的影響變形83%變形88%變形93%第61頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四再結(jié)晶圖第62頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四第四節(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)晶溫度的加工稱