第5章金属及合金的强化方法

1、1第5章 金属及合金的强化方法金属及合金的强化方法 2本章内容5.1 强化的概念和途径5.2 晶粒细化强化5.3 固溶强化5.4 第二相强化5.5 加工硬化35.1强化的概念和途径 金属失效方式过量弹性变形；过量塑性变形；断裂 金属塑性变形方式位错滑移 提高位错运动阻力强化金属 金属的强化仅仅是指提高金属的屈服强度。 为什么不去提高金属的断裂强度？4 材料的构成1）基体相2）界面：包括相界面和晶界3）第二相 举例：1）Al4.5Cu合金，基体Al，第二相CuAl2，2）SiC/Al复合材料，基体Al，SiC为外加的第二相5 金属强化途径：内因： 界面（晶界）细晶强化溶质原子固溶强化第二相第二相

2、强化提高位错密度加工硬化外因：温度提高，位错运动容易，s 应变速率提高，s 应力状态: 切应力分量，s 特殊应力状态：平面应力和平面应变状态65.2.1 晶粒细化强化本质 晶粒：正常晶粒和亚晶粒 亚晶粒的形成原因？ 晶界：大角晶界（位向差大于10度）和小角晶界（位向差小于10度） 晶界两侧晶体存在位向差：造成晶界强化的主要原因。晶界是位错运动的障碍。要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。（但高温下晶界为材料中的弱化区域，不起强化作用） 晶界是位错运动的障碍 原因？7 滑移的临界分切应力 =(P/A)coscos 外应力与滑移面法线夹角； 外应力与滑移方向的夹角； = coscos称为取向

3、因子。 因为各晶粒的取向不同，coscos不同8 室温下位错在晶体内的运动过程：位错运动到晶界后消失于晶界，或受到晶界阻碍形成位错塞积晶体再继续变形需要相邻晶粒内位错开动相邻晶粒内位错开动需要更大的应力需要外加应力提高，即屈服强度提高9什么是屈服强度1）在应力1作用下，晶粒A内位错运动到晶界后受阻2）晶粒B内的位错需要开动，需要更大的外加应力3）外加应力增加，达到应力2，使得B晶粒内位错开动4）B晶粒内位错运动到晶界后，在应力2的作用下，相邻的C晶粒内位错也能开动AB104）位错运动能够从晶粒A、B、C。传递下去5）由于晶界的作用，应力从1增大到2，表现为晶界对材料的强化作用6）这种能够使位错

4、在不同晶粒间传递下去的应力（应力2）就是材料的屈服强度屈服强度是位错能够在 晶粒间传递下去所需要的应力！ 举例：复合材料的屈服强度11 按照上面的思路建立晶界与位错运动的模型，如下图AB12 位错塞积群形成的方式（F-R位错源）bS1213受到的阻力为位错在晶体内运动所为外加切应力数为位错塞积群中位错个其中处受到的应力为：位错塞积群顶端in)(ignQAB14晶粒中心的情况？思考：位错塞积群不在为布氏矢量为剪切弹性模量那么，如果塞积群在晶内中心为位错塞积群长度，其中按照位错塞积群理论，b2/LL)(2n2GDGbLiAB15giig2ig)(n)n(QBQA)(处受到的应力为：中位错在晶粒处引

5、起的应力集中在晶界中位错塞积群这是晶粒所以GbD16sc2icgcB)(cosQRB的屈服强度该外加应力就是材料传递到晶粒错滑移从晶粒此时外加应力使得位位错滑移临界应力晶粒塞积群应力集中达到引起位错塞积作用下上式涵义是：外加应力那么，力为方向上位错滑移临界应它在，中位错滑移方向为假设晶粒ABGbDQRs17NoImage2/1siscs2/1cisc2iscKcosGKcosGcos)(QRBDbDbGbDQR，那么设所以此时：，力为方向上位错滑移临界应它在，中位错滑移方向为假设晶粒AB18增大增大；温度降低，高，研究表明，应变速率提示力，可以用派纳力表力，主要包括晶格摩擦表征材料内位错运动阻

6、）讨论：成正比径的材料屈服强度与晶粒直公式，反映这就是得到：如果采用正应力表示，iii2/1sis12/1PetchHallKD2）还包括位错交互作用产生的阻力P-N力： fcc 位错宽度大，位错易运动。bcc 反之。交互产生的阻力： 平行位错间交互作用产生的阻力；运动位错与林位错交互作用产生的阻力。19。原子钉扎会造成较大的、度有关，还与材料内位错钉扎强越小。多，研究发现材料滑移系越定数值也是材料的参数，是固统计平均值确定。因此平均值，材料确定，该的统计多晶体，可以得到一个是一个变化的量。对于取向差别很大，因此差。由于材料内的晶粒是两个相邻晶粒的取向相对固定，）SSSSSccSKNCKK.K

7、KcosGbK22021 HallPetch公式发现过程发现于上世纪50年代，发现人Hall和Petch都是英国剑桥大学研究生，Hall在论文中对钢的屈服强度与晶粒尺寸关系进行了试验研究；Petch采用位错塞积群理论进行了理论分析。 材料科学中为数不多的定量描述公式之一 纳米材料中的HallPetch关系？22 HallPetch公式本质1）晶界两侧晶体存在取向差位错滑移从晶粒A传递到晶粒B需要额外的应力该应力由晶粒A中形成的位错塞积群提供2）位错塞积群提供的附加应力与塞积群中位错个数有关塞积群中能够容纳的位错个数又决定于晶粒尺寸D3）晶粒尺寸越小，塞积群中位错个数越少需要更大的外加应力造成屈

8、服强度提高)(ignGbD2ig)(5.2.2细化晶粒方法细化晶粒方法 晶粒细化是唯一一种不牺牲材料韧性的强化方晶粒细化是唯一一种不牺牲材料韧性的强化方法，是一种很重要的强化方法。法，是一种很重要的强化方法。1. 对铸态使用的合金：合理控制冶铸工艺，如增对铸态使用的合金：合理控制冶铸工艺，如增大过冷度、加入变质剂、进行搅拌和振动等。大过冷度、加入变质剂、进行搅拌和振动等。2. 对热轧或冷变形后退火态使用的合金：控制变对热轧或冷变形后退火态使用的合金：控制变形度、再结晶退火温度和时间。形度、再结晶退火温度和时间。3. 对热处理强化态使用的合金：控制加热和冷却对热处理强化态使用的合金：控制加热和冷

9、却工艺参数工艺参数, 利用相变重结晶来细化晶粒。利用相变重结晶来细化晶粒。5.3 固溶强化固溶强化 相相指的是一种结构。在一个相中，结构或者原指的是一种结构。在一个相中，结构或者原子排列处处相同，化学成分处处相同，相与周围环子排列处处相同，化学成分处处相同，相与周围环境或其他相之间一定存在明确的界面。境或其他相之间一定存在明确的界面。几个基本概念几个基本概念固溶体固溶体 两种物质之间可以没有限度地相互溶解成为一两种物质之间可以没有限度地相互溶解成为一相，称为相，称为无限互溶无限互溶。 5.3 固溶强化固溶强化 如果把液态的如果把液态的镍镍和液态的和液态的铜铜混合在一起，它们混合在一起，它们能够

10、形成均匀的一种液相。这个均匀的液态镍铜合能够形成均匀的一种液相。这个均匀的液态镍铜合金冷却成固体时，金冷却成固体时，均匀形成一种固相均匀形成一种固相，称为，称为白铜白铜。 在铜镍合金这样的固相中，成分、结构和性质在铜镍合金这样的固相中，成分、结构和性质均处处相同，不存在任何将铜原子和镍原子分割开均处处相同，不存在任何将铜原子和镍原子分割开来的界面。这种固相称为来的界面。这种固相称为固溶体固溶体。白铜山水墨盒白铜山水墨盒5.3 固溶强化固溶强化无限固溶体无限固溶体 像铜镍合金这样没有溶解度限制、可以无限互像铜镍合金这样没有溶解度限制、可以无限互溶的固溶体称为溶的固溶体称为无限固溶体无限固溶体。有

11、限固溶体有限固溶体 有溶解度限制、不可以无限互溶的固溶体称为有溶解度限制、不可以无限互溶的固溶体称为有限固溶体有限固溶体。大多数情况，物质之间的相互溶解是有限度的大多数情况，物质之间的相互溶解是有限度的 。5.3 固溶强化固溶强化 如果在液态如果在液态铜铜中添加中添加少量少量液态液态锌锌，可以得到，可以得到单单相相的液态的铜锌合金。液态铜锌合金冷却后，可以的液态的铜锌合金。液态铜锌合金冷却后，可以得到固态的铜锌合金，就是所谓的得到固态的铜锌合金，就是所谓的黄铜黄铜。 如果添加的液态锌的量超过如果添加的液态锌的量超过30%，就会有一部，就会有一部分锌无法溶解在铜里。多余的这部分锌会与铜生成分锌无

12、法溶解在铜里。多余的这部分锌会与铜生成化合物化合物CuZn。 5.3 固溶强化固溶强化 此时，固态的铜锌合金中存在两相。此时，固态的铜锌合金中存在两相。 一个相是含锌为一个相是含锌为30%的饱和固溶体，另一个相的饱和固溶体，另一个相是化合物是化合物CuZn。 像锌这样在铜中的溶解度是有限的，就是像锌这样在铜中的溶解度是有限的，就是有限有限固溶体固溶体。 通过形成固溶体合金通过形成固溶体合金，可以实现固溶强化的目，可以实现固溶强化的目的的。 固溶强化对材料性质的影响固溶强化对材料性质的影响5.3 固溶强化固溶强化合金的屈服强度、抗拉强度、硬度都会超过纯合金的屈服强度、抗拉强度、硬度都会超过纯金属

13、。金属。 几乎所有合金的塑性都低于纯金属。几乎所有合金的塑性都低于纯金属。铜锌合铜锌合金金的强度和塑性都高于纯铜，是个例外。的强度和塑性都高于纯铜，是个例外。 合金的电导率大大低于纯金属。合金的电导率大大低于纯金属。 固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。 5.3固溶强化固溶强化5.3.1 固溶强化现象固溶强化现象 定义：定义：溶质原子溶入金属基体而形成固溶体，使金属的溶质原子溶入金属基体而形成固溶体，使金属的强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降，这一现象称为固溶强强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降，这一现象称为固溶强化。例如单相的黄铜、单相锡青铜和铝青铜都是以固溶

14、强化为化。例如单相的黄铜、单相锡青铜和铝青铜都是以固溶强化为主来提高合金强度和硬度的。主来提高合金强度和硬度的。 原因原因：由于溶质原子造成了点阵畸变，其应力场将与位由于溶质原子造成了点阵畸变，其应力场将与位错应力场发生弹性交互作用并阻碍位错运动，这是产生固溶错应力场发生弹性交互作用并阻碍位错运动，这是产生固溶强化的主要原因。强化的主要原因。Cu Cu Cu Cu Cu CuCuCuCuCu Cu Cu CuZnZn5.3.2 影响因素铜中加入不同含量的元素强化效果1. 溶质原子浓度溶质原子浓度 理论和实验表明，溶质原子浓度越高，强化作用理论和实验表明，溶质原子浓度越高，强化作用也越大。也越大

15、。2. 溶质溶剂原子尺寸差溶质溶剂原子尺寸差溶质溶剂原子尺寸相差越大，强化效果越显著。溶质溶剂原子尺寸相差越大，强化效果越显著。3. 溶质原子类型溶质原子类型 一种是溶质原子造成球对称的点阵畸变，其强一种是溶质原子造成球对称的点阵畸变，其强化效果较弱，约为化效果较弱，约为G/10，G为弹性模量，如置换型溶为弹性模量，如置换型溶质原子或面心立方晶体中的间隙型溶质原子；另一质原子或面心立方晶体中的间隙型溶质原子；另一种是溶质原子造成非球对称的点阵畸变，其强化效种是溶质原子造成非球对称的点阵畸变，其强化效果极强，约为果极强，约为G的几倍，如体心立方晶体中的间隙型的几倍，如体心立方晶体中的间隙型溶质原

16、子。溶质原子。335.3.4 固溶强化原因及应用固溶种类：间隙固溶；置换固溶l 固溶强化的原因固溶强化的原因（1）因溶剂和溶质原子的尺寸差异而在固溶体内引起的弹性应力场。它除了增加位错运动的摩擦阻力外，在“稀”的固溶体中突出地表现在对位错的钉扎作用上（溶质原子会在位错周围形成原子气团，这种气团将能产生与屈服现象有关的一系列效应，就象我们在低碳钢变形时常常看到的那样）。（2）由于溶质原子的溶入，合金的弹性模量会发生变化，特别是在位错的周围形成原子气团之后，弹性常数的变化使位错应力场也发生变化，从而会引起位错和溶质原子间更大的交互作用能；（3）电子浓度因素：电子浓度因素：电子对应力场同样是敏感的。

17、在有弹性应力场的晶体缺陷区域电子会较多地集中到张应力地段，这样就产生了电偶极子的作用，溶质原子与带电荷的位错区域之间就有电交互作用，从而促使溶质更倾向于在位错的周围偏聚； （4）层错能比较低的晶体点阵中存在有堆垛层错，堆垛层错的结构与基体并不相同。异类原子溶入某基体后，除了层错能大小会变化，层错区的宽窄也跟着伸缩，从而使扩张位错的分解或合成所需的外力也要变化外，溶质原子在层错区和基体的溶解度是不一样的。晶体发生塑性变形时，当扩张位错沿滑移面平移的时候，以及它分解、合成、交集的时候，上述浓度的差异并不能和扩张位错的运动作同步的变化。由于塑性变形破坏了这种热力学的平衡，所以位错的运动同样要求外界提

18、供更大的能量。 5）结构因素：）结构因素：无论是短程有序的还是偏聚状态的固溶体，在塑性变形的同时，其有序区域或偏聚区域将遭到破坏。引起这种稳定状态破坏的塑性变形是要付出更多的能量作为代价的。思考题: 何谓何谓“屈服现象屈服现象”？为什么低碳钢在变形时？为什么低碳钢在变形时会产生这种现象？会产生这种现象？l 低碳钢经过退火后，位错受到强烈钉扎，位错密度也比较少；l 为了以一定的速度实现变形（变形速率），就需要位错有较高的运动速率，这就要求运动位错受 较大的外力来保证。（运动位错的速度与所受力有一关系式）；l外力作用下位错大量脱钉和增殖时，位错密度就陡然增加；l若变形d/dt恒定，外应力将不得不减

19、小，以使位错运动速度降低；l这就是屈服现象产生的理由。40 固溶强化的应用：提高金属材料强度的主要途径受到溶解度限制：1）一种元素有特定的最大溶解量，受到相图控制2）一种元素的溶解不影响其它元素的溶解量可以采用多加入几种合金元素，从而提高金属的强度，比如低合金高强度钢提高金属材料的淬透性，如40钢中加入Ni、Cr提高钢的热处理特性，如抗回火特性LSiAlSi5.4 第二相强化第二相强化定义：定义：第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，使合第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，使合金强度、硬度升高的现象。金强度、硬度升高的现象。原因：原因：第二相阻碍位错运动，使位错滑动阻力增大。第二

20、相阻碍位错运动，使位错滑动阻力增大。分类：分类：如果第二相微粒是通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀如果第二相微粒是通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化，则称为析出并产生强化，则称为沉淀强化或时效强化沉淀强化或时效强化；如果第二相微；如果第二相微粒是通过粉末冶金方法加入并起强化作用，则称为粒是通过粉末冶金方法加入并起强化作用，则称为弥散强化弥散强化。5.4.1沉淀强化（时效强化）沉淀强化（时效强化）2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used here

21、in under license.第二相微粒通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生第二相微粒通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生强化，称之为强化，称之为沉淀强化或时效强化沉淀强化或时效强化。1. 固溶处理固溶处理 具有时效强化现象合金的最基本条件是在其相图上有固具有时效强化现象合金的最基本条件是在其相图上有固溶度变化，并且固溶度随温度降低而显著减小。如图溶度变化，并且固溶度随温度降低而显著减小。如图5-21所所示。当组元示。当组元B含量大于含量大于Bo的合金加热到略低于固相线的温度，的合金加热到略低于固相线的温度，保温一定时间，使保温一定时间，使B组元充分溶解后，取出快速冷却，则组元

22、充分溶解后，取出快速冷却，则B组组元来不及沿元来不及沿CD线析出，而形成亚稳定的过饱和固溶体，这种线析出，而形成亚稳定的过饱和固溶体，这种处理称为处理称为固溶处理固溶处理。2.时效时效 经固溶处理的合金在室温或一定温度下加热保持一定时经固溶处理的合金在室温或一定温度下加热保持一定时间，使过饱和固溶体趋于某种程度的分解，这种处理称为间，使过饱和固溶体趋于某种程度的分解，这种处理称为时时效效。在室温下放置产生的时效称为自然时效，加热到室温以。在室温下放置产生的时效称为自然时效，加热到室温以上某一温度进行的时效称为人工时效。上某一温度进行的时效称为人工时效。2003 Brooks/Cole, a d

23、ivision of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.3. 时效过程与性能变化时效过程与性能变化 时效过程中，新相并不是一步从过饱和固溶体中析出，而是通过一系列的中间相逐步析出，最终转变成稳定相。LC4超硬铝合金540时效硬化曲线 随着时效时间的延长，合金的强度不断升高，当细小的平衡相刚好均匀析出时强度达到最高，为峰时效态。进一步延长时效时间由于平衡相长大粗化，合金的强度又逐渐下降，称为过时效态。5.4.2弥散强化弥散强化1.弥散型合金弥散型合金 利用弥散强化是提高

24、金属材料力学性能的有效方法，尤利用弥散强化是提高金属材料力学性能的有效方法，尤其对耐热材料有更大的应用价值。例如常用的弥散型合金是其对耐热材料有更大的应用价值。例如常用的弥散型合金是以金属为基体，弥散相为稳定性高、熔点高的各种化合物粉以金属为基体，弥散相为稳定性高、熔点高的各种化合物粉末，粉末颗粒直径约为末，粉末颗粒直径约为0.10.01m，间距为间距为0.010.03m。2. 粉末冶金原理与工艺粉末冶金原理与工艺 粉末冶金法与金属熔铸法不同，它是利用金属粉末或粉末冶金法与金属熔铸法不同，它是利用金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作原料，经过压制成型和烧金属粉末与非金属粉末的混合物作原料，

25、经过压制成型和烧结两个主要工序来生产各种金属制品的方法。粉末冶金生产结两个主要工序来生产各种金属制品的方法。粉末冶金生产的主要工艺过程有粉末的制备、压制成型、烧结及后处理。的主要工艺过程有粉末的制备、压制成型、烧结及后处理。定义：定义：第二相微粒通过粉末冶金法加入并起强化作用，第二相微粒通过粉末冶金法加入并起强化作用，称之为弥散强化。称之为弥散强化。 粉末冶金工艺流程图卫星用颗粒增强铝基复卫星用颗粒增强铝基复合材料零件合材料零件粒子增强粒子增强SiC陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶碳黑增强橡胶505.4.3 第二相强化效果 第二相相：特定

26、成分、特定晶体结构组织：几种相构成如珠光体组织 形成途径：凝固；共析转变；时效；复合材料AlSiLSiFe3C珠光体组织51 第二相分类1）弥散分布和大块聚集2）不可变形和可变形不可变形的第二相，位错只能绕过它运动。“硬相”可变形的第二相，位错可以切过。“软相”第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。52 弥散质点强化1）切过型第二相基体界面增大；第二相有序结构破坏；第二相变形需要能量强化效果：Tsd1Ni-19% Cr-6% Al合金中位错切合金中位错切过过Ni3Al粒子的透射电子显微像粒子的透射电子显微像 532）绕过型位错线弯曲成半圆时需

27、要的应力最大，强化效应： 质点周围位错增多后，有效dT减小 形成的位错塞积对后续的位错产生阻碍TdGb54 弥散强化的效果都与质点间距成反比 弥散度提高强化效果增大 Al4.5Cu合金欠时效：GP区（ ”）Cu在Al中的“丛聚”状态；共格；纳米尺寸；弥散分布；“软相”，可以切过峰时效： ” Cu与Al的原子比趋向于1：2，半共格；尺寸增大；弥散度稍微降低；根据尺寸介于“硬相”和“软相”之间。过时效：成为CuAl2化合物；非共格；尺寸长大；弥散度低；属于“硬相”欠欠过过峰峰时间时间硬度硬度55 大块聚集型强化11：等应变状态22：等应力状态 面积为S； 基体含量为f1，第二相含量为f2 假设处于

28、弹性状态1122f1f256EEEE)(1122112211221122112211混合法则这是所以：等应变方向总总总总总sssffffEffEffSfSfFE1E201E1 2011122f1f2f2f257E1E201E1 201)()(111)(221222112112212211222111221121如果如果所以：等应力方向总总总总总总总总ssEEEfEfEEfEfEEfEfEff等应力条件下（11方向）比等应变条件下（22方向）更能发挥第二相的强化效果！1122第二相粒子强化的最佳粒子半径 综合考虑切过、绕过两种机制，估算出第二相粒子强化的最佳粒子半径rc=(Gb2)/(2s)5.

29、5形变强化 金属材料经塑性变形后，其强度和硬度升高，塑性金属材料经塑性变形后，其强度和硬度升高，塑性和韧性下降，这种现象称为和韧性下降，这种现象称为形变强化（加工硬化）形变强化（加工硬化）。YUYLStrain hardeningUTSf加工硬化加工硬化加工硬化加工硬化又称为又称为应变硬化应变硬化。 应力应力y11应变应变 如果所加的应力如果所加的应力 大于屈服强大于屈服强度度 ，材料将发生永久应变，材料将发生永久应变 。即使。即使撤去应力撤去应力 ，应变，应变 仍然存在。仍然存在。 1y111 如果用已经发生过应变如果用已经发生过应变 的材料再次进行拉伸试验，的材料再次进行拉伸试验，材料的屈

30、服强度不再是材料的屈服强度不再是 ，而是，而是 。 1y1加工硬化加工硬化应力应力212应变应变 如果用已经发生过应变如果用已经发生过应变 的材料再次进行拉伸试验，的材料再次进行拉伸试验，材料的屈服强度不再是材料的屈服强度不再是 ，而是，而是 。 1y1 如果此时将应力增加到如果此时将应力增加到 后，再后，再次移去应力，材料的屈服强度又会增加次移去应力，材料的屈服强度又会增加到到 。 22 在每次拉伸试验中增加一点应力，在每次拉伸试验中增加一点应力，可以使材料的屈服强度逐渐增加，而延可以使材料的屈服强度逐渐增加，而延展性却越来越差。展性却越来越差。加工硬化加工硬化 加工硬化加工硬化 加工硬化加

31、工硬化能够产生加工硬化的材料必须是位错能够滑移能够产生加工硬化的材料必须是位错能够滑移的塑性材料。的塑性材料。 通过这样使金属发生塑性变形的方式，可以使通过这样使金属发生塑性变形的方式，可以使其屈服强度增高。这就是其屈服强度增高。这就是加工硬化加工硬化。加工硬化指数加工硬化指数n是表现材料加工硬化性能的参数。是表现材料加工硬化性能的参数。 晶体结构对加工硬化指数有很大的影响。晶体结构对加工硬化指数有很大的影响。 1.单晶体塑性变形单晶体塑性变形 (1) 变形基本方式变形基本方式 滑移滑移一部分晶体相对于另一部分沿着某一晶面和晶向一部分晶体相对于另一部分沿着某一晶面和晶向发生相对滑动，滑移面两侧

32、发生相对滑动，滑移面两侧晶体的结构类型和晶体取向均未晶体的结构类型和晶体取向均未有改变有改变，它是金属塑性变形的最基本方式。，它是金属塑性变形的最基本方式。5.5.1金属的塑性变形 如果将表面抛光的单晶体金属试样进行拉伸，在试样的如果将表面抛光的单晶体金属试样进行拉伸，在试样的表面上会出现许多相互平行的线条，这些线条称为表面上会出现许多相互平行的线条，这些线条称为滑移带滑移带。(2) 滑移系 一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系滑移系。滑移系与金属的晶体结构类型有关。滑移系与金属的晶体结构类型有关。滑移面通常是滑移面通常是晶体中

33、原子排列最密的晶面，而滑移方向则是原子排列最密晶体中原子排列最密的晶面，而滑移方向则是原子排列最密的晶向。的晶向。(3) 滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力(滑移需要条件滑移需要条件) 晶体的滑移是在切应力作用下进行，而且只有当外力在某晶体的滑移是在切应力作用下进行，而且只有当外力在某一滑移系中的应力达到一定的临界值时，在这一滑移系上晶体一滑移系中的应力达到一定的临界值时，在这一滑移系上晶体才发生滑移，称该临界值为才发生滑移，称该临界值为滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力，记为，记为c 。c = s coscos coscos称为称为取向因子取向因子。 临界分切应力的大小临界分切应力的大小

34、取决于金属的本性，而与外取决于金属的本性，而与外力的大小无关。力的大小无关。(4) 滑移的位错机制整体滑移模型开始人整体滑移模型开始人们认为晶体的滑移是晶体们认为晶体的滑移是晶体的一部分相对于另一部分的一部分相对于另一部分同时作整体的刚性移动，同时作整体的刚性移动，则按此模型计算出的最小则按此模型计算出的最小滑移切应力是滑移切应力是 = G/2是试验值的是试验值的1001000倍。倍。位错滑移模型通过位错在切应力作用下沿着滑移面逐步位错滑移模型通过位错在切应力作用下沿着滑移面逐步滑动，这样遇到的阻力就很小，按此模型计算的结果与试验滑动，这样遇到的阻力就很小，按此模型计算的结果与试验结果在数量级

35、上完全吻合。位错在很小的切应力作用下就能结果在数量级上完全吻合。位错在很小的切应力作用下就能滑动的现象称为位错的易动性。滑动的现象称为位错的易动性。(5) 孪生孪生 当金属晶体滑移变形难以进行时，其塑性变形还可能以生当金属晶体滑移变形难以进行时，其塑性变形还可能以生成孪晶的方式进行，称为成孪晶的方式进行，称为孪生孪生。孪生是一个发生在晶体内部的均匀切变过程，切变的结构是孪生是一个发生在晶体内部的均匀切变过程，切变的结构是均匀切变区的晶体结构不发生改变，但位向发生变更。均匀切变区的晶体结构不发生改变，但位向发生变更。孪生与滑移有什么不同？2. 多晶体塑性变形特点多晶体与单晶体有什么不同？多晶体与

36、单晶体有什么不同？存在晶界，各晶粒位向不同。存在晶界，各晶粒位向不同。(1) 塑变不同时性塑变不同时性 多晶体由位向不同多晶体由位向不同的许多小晶粒组成，在的许多小晶粒组成，在外加应力作用下，只有外加应力作用下，只有处在有利位向（取向因处在有利位向（取向因子最大）的晶粒的滑移子最大）的晶粒的滑移系才能首先开动，周围系才能首先开动，周围取向不利的晶粒中的滑取向不利的晶粒中的滑移系上的分切应力还未移系上的分切应力还未达到临界值，这些晶粒达到临界值，这些晶粒仍处在弹性变形状态。仍处在弹性变形状态。(2) 塑变协调性塑变协调性 由于多晶体的每个晶粒都处于其它晶粒的包围之中，因此，由于多晶体的每个晶粒都

37、处于其它晶粒的包围之中，因此，它的变形必须要与其邻近晶粒的变形相互协调，否则就不能保它的变形必须要与其邻近晶粒的变形相互协调，否则就不能保持晶粒之间的连续性而导致材料的断裂。这就要求相邻晶粒中持晶粒之间的连续性而导致材料的断裂。这就要求相邻晶粒中取向不利的滑移系也参与变形。多晶体的塑性变形是通过各晶取向不利的滑移系也参与变形。多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互协调性。根据理论推算，每个晶粒至粒的多系滑移来保证相互协调性。根据理论推算，每个晶粒至少需要有五个独立滑移系。因此，滑移系较多的面心立方和体少需要有五个独立滑移系。因此，滑移系较多的面心立方和体心立方金属表现出良好的塑性，而

38、密排六方金属的滑移系少，心立方金属表现出良好的塑性，而密排六方金属的滑移系少，晶粒之间的变形协调性很差，故塑性变形能力低。晶粒之间的变形协调性很差，故塑性变形能力低。(3) 塑变不均匀性塑变不均匀性 由多晶体中各个晶粒之间变形的不同时性可知，每个晶粒由多晶体中各个晶粒之间变形的不同时性可知，每个晶粒的变形量各不相同，而且由于晶界的强度高于晶内，使得每一的变形量各不相同，而且由于晶界的强度高于晶内，使得每一个晶粒内部的变形也是不均匀的。个晶粒内部的变形也是不均匀的。课堂思考讨论题：课堂思考讨论题：1 单晶材料和多晶材料哪个强度高，为什么？单晶材料和多晶材料哪个强度高，为什么？2 晶粒细化能使金属

39、强度提高吗？晶粒细化能使金属强度提高吗？1 晶界对滑移有阻碍，各晶粒位向不同。5.5.2塑性变形对金属组织与性能的影响1.塑性变形对金属组织结构的影响塑性变形对金属组织结构的影响(1) 形成纤维组织形成纤维组织 金属经塑性变形时，沿着变形方向晶粒被拉长。当变形金属经塑性变形时，沿着变形方向晶粒被拉长。当变形量很大时，晶粒难以分辨，而呈现出一片如纤维丝状的条纹，量很大时，晶粒难以分辨，而呈现出一片如纤维丝状的条纹，称之为称之为纤维组织纤维组织。30 50(2) 形成形变织构形成形变织构 随着变形的发生，还伴随着晶粒的转动。在拉伸时晶粒随着变形的发生，还伴随着晶粒的转动。在拉伸时晶粒的滑移面转向平

40、行于外力的方向，在压缩时转向垂直于外力方的滑移面转向平行于外力的方向，在压缩时转向垂直于外力方向。故在变形量很大时，金属中各晶粒的取向会大致趋于一致，向。故在变形量很大时，金属中各晶粒的取向会大致趋于一致，这种由于变形而使晶粒具有这种由于变形而使晶粒具有择优取向择优取向的组织叫的组织叫形变织构形变织构。Zn晶体中的滑移(3) 亚结构细化亚结构细化 冷变形会增加晶粒中的位错密度。随着变形量的增加，冷变形会增加晶粒中的位错密度。随着变形量的增加，位错交织缠结，在晶粒内形成胞状亚结构，叫形变胞。胞内位错交织缠结，在晶粒内形成胞状亚结构，叫形变胞。胞内位错密度较低，胞壁是由大量缠结位错组成。变形量越大

41、，位错密度较低，胞壁是由大量缠结位错组成。变形量越大，则形变胞数量越多，尺寸越小。则形变胞数量越多，尺寸越小。(4) 点阵畸变严重点阵畸变严重 金属在塑性变形中产生大量点阵缺陷（空位、间隙原金属在塑性变形中产生大量点阵缺陷（空位、间隙原子、位错等），使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，而子、位错等），使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，而造成的晶格畸变。在变形金属吸收的能量中绝大部分转变为造成的晶格畸变。在变形金属吸收的能量中绝大部分转变为点阵畸变能，位错密度显著升高，点阵畸变能，位错密度显著升高，由由105-6升至升至1011-12。(5) 产生内应力（残余应力）产生内应力（残余应力）第一类

42、内应力第一类内应力(宏观内应力宏观内应力)，金属工件各部分间的变形不均金属工件各部分间的变形不均匀而引起的，作用于整个工件。匀而引起的，作用于整个工件。 第二类内应力第二类内应力(微观内应力微观内应力)，各晶粒之间的塑性变形不均匀，各晶粒之间的塑性变形不均匀而引起的内应力，其作用范围一般不超过几个晶粒。而引起的内应力，其作用范围一般不超过几个晶粒。 第三类内应力第三类内应力(点阵畸变点阵畸变)，作用范围很小，在一个晶粒内部，作用范围很小，在一个晶粒内部，一般为几十至几百纳米。一般为几十至几百纳米。 残余应力又叫储存能，第一类内应力占0.1%，第二类内应力占10，第三类内应力占8090。2.塑性

43、变形对金属力学性能的影响 (1) 呈现明显的各向异性呈现明显的各向异性(图图5-11)主要是由于形成了纤维组织和变形织构主要是由于形成了纤维组织和变形织构 (2) 产生形变强化产生形变强化？形变强化的主要原因？形变强化的主要原因位错密度位错密度导致形变胞的形成导致形变胞的形成和不断细化和不断细化位错滑移位错滑移金属的变形抗力金属的变形抗力 变形过程中，位错密度变形过程中，位错密度升高，导致形变胞的形成和升高，导致形变胞的形成和不断细化，对位错的滑移产不断细化，对位错的滑移产生巨大的阻碍作用，可使金生巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著升高，这属的变形抗力显著升高，这是产生形变强化的主要原因。

44、是产生形变强化的主要原因。(a) Dislocation microstructure in Mo under 2% tensile strain along 110 at 77K. (b) Dislocation microstructure in Mo under 5.8% tensile strain at 293K 利用加工硬化，可以在获得所需的金属材料形利用加工硬化，可以在获得所需的金属材料形状的同时，提高材料的强度，如屈服强度、抗拉强状的同时，提高材料的强度，如屈服强度、抗拉强度和硬度等。度和硬度等。除了除了冷加工冷加工外，还可以通过外，还可以通过轧制轧制、锻造锻造、冲压冲压、拉拔

45、拉拔、挤压挤压等加工技术来达到利用加工硬化提高材等加工技术来达到利用加工硬化提高材料强度的目的。料强度的目的。冷加工冷加工是实现加工硬化的最常用的一种加工技是实现加工硬化的最常用的一种加工技术。术。 加工硬化方法举例3. 塑性变形对金属物理、化学性能的影响塑性变形对金属物理、化学性能的影响 经过冷塑性变形后，金属的物理性能和化学性能经过冷塑性变形后，金属的物理性能和化学性能也将发生明显的变化。通常使金属的导电性、电阻温也将发生明显的变化。通常使金属的导电性、电阻温度系数和导热性下降。塑性变形还使导磁率、磁饱和度系数和导热性下降。塑性变形还使导磁率、磁饱和度下降，但矫顽力增加。塑性变形提高金属的

46、内能，度下降，但矫顽力增加。塑性变形提高金属的内能，使化学活性提高，耐腐蚀性下降。使化学活性提高，耐腐蚀性下降。85形变强化小结形变强化或称形变硬化，加工硬化 1、意义（1）形变强化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。（2）使构件具有一定的抗偶然过载能力。（3）强化金属，提高力学性能。（4）提高低碳钢的切削加工性能。 862、形变强化机理 （1）三种单晶体金属的应力应变曲线面心立方（铜）体心立方（铌）密排六方（镁） 单晶金属加工硬化曲线单晶金属加工硬化曲线aedcbfg1、面心立方金属形变强化能力远大于其它金属2、随应变增大，面心立方金属经历弱的形变强化阶段后，发生强的形变强化，随后

47、形变强化能力减弱3、体心立方金属和密排六方金属初始弱形变强化阶段长度大于面心立方金属87（2）形变强化机理（单晶体） a）易滑移阶段：单系滑移 hcp金属（Mg、Zn）不能产生多系滑移，易滑移段长。 b）线性硬化阶段：多系滑移 位借交互作用，形成割阶、面角位错、胞状结构等；位错运动的阻力增大。（fcc，bcc，hcp） c） 抛物线硬化阶段：交滑移，或双交滑移（刃型位错不能产生交滑移） 多晶体，一开动便是多系滑移，无易滑移阶段。面心立方金属典型加工硬化曲线强弱88 3、形变强化指数 Hollomon关系式： S=ken （真应力与真应变之间的关系） n形变强化指数；k硬化系数形变强化指数n反映

48、了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。n=1，理想弹性体;n=0，材料无硬化能力。 层错能低的材料形变硬化程度大；如高Mn钢 （Mn13），层错能力低 n大形变强化指数，用直线作图法求得：logSlogknloge89 形变强化与颈缩产生颈缩应变集中到颈缩区域颈缩区域由于形变强化，屈服强度提 高（而没有颈缩区域屈服强度不变）变形转移到颈缩区域以外颈缩受到抑制 形变强化指数越大，材料越不容易发生颈缩，此时容易发生“超塑性” 超塑性：塑性应变超过10090形变强化的几个途径位错密度提高是形变强化的前提1）变形协调位错912）FR位错源bS12923）位错之间的相互作用 位错与同号位错之间的斥力作用 位

49、错之间的交互作用形成割阶 平行/垂直位错之间的交互作用：作用力正比于位错密度的1/2位错密度增大，位错交互作用增大位错运动阻力增大强化5.5.3变形金属在加热时组织与性能的变化变形金属在加热时组织与性能的变化1. 回复和再结晶回复和再结晶 经冷变形后的金属吸收了部分变形功，内能升高，处于经冷变形后的金属吸收了部分变形功，内能升高，处于不稳定状态，具有自发恢复到变形前状态的趋势。一旦受热不稳定状态，具有自发恢复到变形前状态的趋势。一旦受热（加热到（加热到0.5T熔熔温度附近），冷变形金属的组织和性能就会发温度附近），冷变形金属的组织和性能就会发生一系列的变化，可分为生一系列的变化，可分为回复、再

50、结晶和晶粒长大回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。三个阶段。(1) 回复回复 在生产中对冷加工的零件，为了保持加工硬化状态，降低内应力，以减轻变形和翘曲，通常采用去应力退火即回复退火。 在回复阶段，由于温度升高，金属的屈服强度下降，在回复阶段，由于温度升高，金属的屈服强度下降，在内应力的作用下将发生局部塑性变形，从而使第一内应在内应力的作用下将发生局部塑性变形，从而使第一内应力得以消除。力得以消除。多边化(2)再结晶再结晶 再结晶与回复的不同之处在于机械性能能完全恢复到冷变形前的状态，加工硬化得以消除。生产中利用这一点来消除加工硬化，使塑性加工能够顺利进行下去，这种工艺称为再结晶退火。(3)晶粒长大 冷变形金属在再结晶刚完成时，一般得到细小的等轴晶粒组织。如果继续提高如果继续提高加热温度或延长保温时间，加热温度或延长保温时间，将引起晶粒进一步长大，它将引起晶粒进一步长大，它能减少晶界的总面积，从而能减少晶界的总面积，从而降低总的界面能，使组织变降低总的界面能，使组织变得更稳定。得更稳定。晶粒长大的驱动力来自界面能的降低。2. 再结晶晶粒大小的控制再结晶晶粒大小的控制 影响再结晶晶粒大小的主要因素是变形度和退火温影响再结晶晶粒大小的主要