工程材料第四章材料的變形與強化2007

第四章

材料的變形與強化

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：由簡單形狀加工為復雜形狀復雜零件制造沖壓（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

對金屬進行塑性變形，可改變其外觀形狀、力學性能、組織結構。改變金屬的組織結構，可改變其塑變能力，達到設計尺寸形狀要求。

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：在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生相對的滑動。

單晶體的變形過程—剛性錯開模型單晶體的變形過程

單晶體在切應力的作用下,先發(fā)生彈性變形,然后在某一晶面上發(fā)生滑動?；剖侨绾芜M行的？如果滑移是晶體的一部分相對于另一部分作整體的剛性移，就必須同時破壞滑移面上所有原子間的結合。金屬理論計算值實際測定值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。研究證明：滑移是滑移面上位錯運動的結果，位錯在運動中依次破壞原來原子間的正常結合。刃型位錯運動過程刃型位錯運動過程動畫刃型位錯運動過程動畫螺型位錯運動過程動畫滑移面與滑移方向滑移面：滑移最容易在兩個密度最大的晶面之間發(fā)生（這兩個面之間的間距最大）?；品较颍夯朴肿钊菀自谧蠲芫嫔系脑幼蠲芘帕械姆较蜻M行?；谱钊菀装l(fā)生在兩個密度最大的晶面之間；最容易在這個晶面上的原子最密排列的方向進行?；葡担夯泼婧驮撁嫔系囊粋€滑移方向構成一個滑移系。

滑移系數目↑，材料塑性↑；滑移面↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。

滑移方向對材料塑性的貢獻大于滑移面。

體心立方晶體的最密排面和密排方向。有6個滑移面，每個滑移面有2個滑移方向。滑移系＝

6×2＝

12個面心立方晶體的最密排面和密排方向。

有4個滑移面，每個滑移面有3個滑移方向?；葡担?×3＝12個非密排面（非滑移面）上也存在著密排方向，卻不能構成滑移系。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。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伴隨著晶體的轉動

作用于晶體的外力可分解為切應力τ和正應力σ。τ使晶體發(fā)生滑移，σ則組成一對力偶使晶體發(fā)生轉動。

（2）孿生晶體的一部分相對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）。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，變形復雜。（一）多晶體的塑性變形過程

多晶體加載時，各晶粒的滑移面和滑移方向與受力方向不同。受到最大分切應力位向（45o）的晶粒處于軟位向，先變形，并轉為硬位向。從少數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，位錯在晶界難以運動，滑移阻力↑，變形抗力↑。2)協調變形：晶界變形與相鄰不同變形量的晶粒保持連續(xù)。

（二）晶粒大小對塑性變形的影響

晶粒越細，晶界越多，變形抗力(阻礙位錯運動)↑，金屬的強度↑。晶粒越細，變形越分散，減少了應力集中，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,沿形變方向被拉長或壓扁，成細條狀，晶界上夾雜物也被拉長,形成纖維組織。②亞結構形成塑變時,大量位錯在局部堆積、纏結,晶粒被分成一些位向略有差別的小晶塊,形成亞晶粒。

③形變織構產生

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

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

金屬經冷塑性變形后，強度↑硬度↑塑性↓內應力↑（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、再結晶和晶粒長大過程。（一）回復

較低溫度加熱，發(fā)生回復?；貜褪刮诲e、空位、間隙原子大大減少，組織形貌無變化。內應力大大降低，強度、硬度、塑性變化不大。去應力退火，利用回復過程降低內應力而又保留加工硬化效果。（二）再結晶新形核－長大過程加工硬化消除，力學性能恢復，長晶粒→等軸晶粒，強度↓。利用再結晶退火消除加工硬化，使金屬能夠繼續(xù)變形加工。

線材生產中，需要將粗鋼絲經過多次冷拔-再結晶過程

預變形度影響

幾種金屬變形后的最低再結晶溫度

Al150℃

低碳鋼450℃

W1210℃

Zn15℃

Sn0℃

Pb0℃（三）晶粒長大

再結晶完成后繼續(xù)提高加熱溫度或延長保溫時間，晶粒會明顯長大,最后得到粗大晶粒組織,使金屬的強度、硬度、塑性、韌性等機械性能都顯著降低。第三節(jié)金屬的熱加工變形

金屬在再結晶溫度以上的塑性變形加工。在再結晶溫度塑性變形后，隨即發(fā)生再結晶過程。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、夾雜物沿金屬流動方向被拉長，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，可保證工作時最大拉應力與流線一致，剪切應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噸重的曲拐計算機模擬鍛造50噸重的曲拐

曲拐毛坯精加工后的曲拐1、位錯強化

位錯直接影響金屬的強度與塑性。一切阻礙位錯運動的因素都會使位錯密度提高(可高達1010-1012/cm2),從而使強度提高，出現加工硬化。第四節(jié)金屬強化理論簡介

2、固溶強化溶質原子溶于溶劑金屬中形成固溶體,晶格發(fā)生畸變，增大了位錯運動的阻力,使金屬的滑移變形困難,從而提高合金的強度和硬度。

3、細晶強化：

晶界有效阻礙位錯運動,使金屬強化。晶粒越細,晶界越多,強化越顯著。鋼中細化晶粒元素：鈮、釩、鋁、鈦等。經細晶強化后的ZGMn13鋼破碎機軋臼壁使用壽命由180h提高到260h4、沉淀強化：基體中分布細小彌散的第二相質點產生強化。第二相質點彌散度越高,強化效果也越明顯。可以在澆鑄時加入第二相顆粒，也可以從過飽和合金固溶體