第6章金属学及热处理

第6章金属及合金的（冷）塑性变形在外力作用下金属首先产生弹性变形。当应力超过材料的弹性极限时，金属将产生塑性变形。它不仅改变金属的外形，而且使内部组织和结构发生变化。经过塑性变形后的金属，在随后的加热过程中，内部组织也发生一系列变化，这些都对性能有明显的影响。细晶强化：对于多晶体的塑性变形，由于晶界和晶粒位向的影响，位错的运动阻力加大，致使细晶粒的金属的强度增大。

6.1应力应变曲线和力学性能指标

6.2单晶体金属的塑性变形

6.3多晶体金属的塑性变形

6.4合金的塑性变形在弹性范围内，E=(/ε)为弹性模量，是材料抵抗弹性变形的能力，表示材料的刚度。E值主要取决于材料的本性。而E／叫做比刚度（为密度），符合虎克定律正应力：σ=Eε；切应力：τ=Gγ6.1应力应变曲线和力学性能指标返回a点以上为塑性变形阶段；cB段为均匀塑性变形阶段；BK段为不均匀塑性变形阶段；应力：应变：l0：光滑圆柱试棒未拉伸时的标距长度；S0：原始横截面积；F：外力或拉伸载荷；l：试棒变形后的标距长度；强度指标：σe、σ0.005

；σs、σ0.2；σb。塑性指标：延伸率δ和断面收缩率ψ6.2单晶体金属的塑性变形（1/2）2/21、滑移：在切应力作用下，晶体两部分沿一定晶面上的一定晶向作相对滑动的塑性变形方式（图2所示）。2、滑移线和滑移带：经抛光塑变分层的相对移动形成高低不平的台阶3、滑移系：滑移面与该面上的一个滑移方向组成一个滑移体系。晶体的滑移系越多，则塑性越好。晶体的滑移面和滑移方向常为晶体的密排面与密排方向。（如表1所示）4、滑移的临界分切应力（计算如图5所示）式中cosλcosφ为取向因子。λ或φ=90°时，取向因子为零，不能滑移；λ=φ=45°时，取向因子=0.5为最大，最易于滑移。当τ>τk时，滑移系开动，晶体开始屈服。临界分切应力τk

：开动滑移系所需的最小分切应力M为最大切应力方向5、滑移时晶体的转动与旋转（图6所示）拉伸时，因夹头的限制滑移面及滑移方向均发生转动取向因子改变分切应力变化注意：1）单系滑移与多系滑移

2）单晶体滑移与多晶体滑移的差异6.2单晶体金属的塑性变形（2/2）返回6、两种塑性变形机制的异同1）孪生：晶体一部分相对于另一部分作均匀切变。滑移：滑移面间的晶体层片并未发生变形，属不均匀变形。2）孪生：相邻晶面相对移动距离只有原子间距的几分之一；滑移：滑移距离为原子间距的整数倍3）孪生：晶体变形部分的位向发生变化，且与未变形部分以孪晶面为对称面形成对称（此两部分晶体就是孪晶）。滑移：晶体位向不发生变化。4）二者均不改变晶体的点阵类型。*滑移的位错机制参见P169-:

位错的动、增殖、交割与塞积孪生的变形量很小，但因可引起滑移系取向变形，可促进滑移的发生。滑移与孪生交替发生可获得较大的变形量。DeformationofpolycrystallinematerialsMakingtheappropriateextensionfromasinglecrystaltopolycrystallinematerials.AgrainwithonlyonecrystallographicorientationNumerousgrainswithrandomcrystallographicorientationOnlyonedirectionofslip(Fig.6.4)ThedirectionofslipvariesfromonegraintoanotherForthegrain,dislocationmotionoccursalongthemostfavorableorientationForeachgrain,dislocationmotionoccursalongthemostfavorableorientation6.3多晶体金属的塑性变形返回

变形方式仍为滑移或孪生。与单晶体不同，多晶体中涉及不同位向的相邻晶粒和晶界。要点1：位错塞积、应力集中、相邻晶粒滑移系的开动变形从一个晶粒传到另个晶粒；要点2：外力及应力集中下，晶粒及相邻晶粒发生转动、利于滑移晶粒变为不利晶粒、不利晶粒变为有利滑移晶粒；一、两个特点：1、各晶粒变形的不同时性。在外力作用下，多晶体金属中的晶粒是分批地、逐步地发生塑性变形。2、各晶粒变形的相互协调性。二、晶粒大小对塑性变形的影响（Hall-Petch公式）请解释为什么晶粒越小，材料的塑性越好，强度越高。σs——屈服强度；d——晶粒平均直径；σi——反映位错在晶粒内滑移的阻力；ky——反映晶界阻碍相邻晶粒传播的程度。晶粒越细、塑性越好，强度越高，原因在于：晶粒越细，则晶界越曲折，越不利于裂纹的传播；晶粒越细，变形可以分散在更多的晶粒内进行，且变形均匀，减少应力集中，从而可以在断裂之前承受更大的塑性变形。（晶界是多晶体比单晶体有较高塑性变形抗力的主要原因）。6.4合金的塑性变形返回1、单相固溶体合金的塑性变形请用位错理论来解释固溶强化的原因：1）固溶体内溶质与溶剂原子半径差弹性变形畸变，与位错存在弹性交互作用阻碍滑移面上位错的运动；2）溶质原子易在位错线上聚集，形成溶质原子气团，利于减小位错附近的晶格畸变，降低了合金系统的能量，起到“钉扎”位错的作用。要使位错运动就需要更大的外力，表现为合金的强化。2、两相（基本相与第二相）合金的塑性变形很大程度上取决于第二相（往往是脆性相）的分布、形状、大小：1）在塑性相晶界上呈网状分布：如过共析钢缓冷时的二次渗碳体网；2）在塑性相基体上呈片层状分布：如P组织；（P178）3）在塑性相基体上呈弥散质点分布：解释两种强化机制（弥散强化现象和沉淀强化）（注：从对位错运动的阻碍作用考虑）及弥散质点的来源（外部加入或过饱和析出如三次渗碳体）。6.5塑性变形对金属组织和性能的影响返回

一、组织结构的变化：＊＊补充1、形成纤维组织：由原来的等轴晶粒沿变形方向延伸的畸变晶粒——冷加工纤维组织2、亚结构细化亚晶界增多，原子排列的规则性被破坏，晶体缺陷密度增加。3、出现择优取向：原来取向各不相同的各个晶粒会塑变过程转动，从而取得接近一致的位向的现象。冷塑性变形：指在室温或较低的温度下发生的金属塑性变形。塑性以FCC金属最好BCC金属次之；密排六方金属最差。作用：可形成一定的形状和尺寸，还可提高材料的强度和硬度。二、对金属性能的影响：1、加工硬化：材料随变形程度的增加，使位错密度增加，亚结构细化等引起金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象。详见附页。2、产生残余应力：指变形外力去除后,残留且平衡存在于金属内部的应力。是由于金属内部变形程度不同而造成的。详见附页。3、各向异性：材料的性能在各个方向上不一致的现象。详见附页。4、其它性能变化：降低材料的抗腐蚀能力，提高电阻率等。对金属组织的影响＊＊补充返回金属在外力作用下产生了塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒形状也相应地被拉长或压偏。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。（P180图29）塑性变形使晶粒内部的亚结构形成。又由于塑性变形过程中晶粒的转动，当变形量达到一定程度（70％－90％）以上时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成织构。（P182图31）加工硬化现象的附页返回

1、机理：金属变形过程主要是通过位错沿着一定的晶面滑移实现的。在滑移过程中，位错密度大大增加，位错在运动过程中的相互交割加剧，产生固定割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，变形抗力增加，从而出现加工硬化现象。2、不利影响：加工硬化加大了金属进一步变形的抗力，甚至使金属开裂，对压力加工产生不利的影响。因此需要采取措施加以软化，恢复其塑性，以利于继续形变加工。3、有利方面：对于某些用途的材料，如起重用的冷拔钢丝绳、用高锰钢制的拖拉机履带板和推土机铲齿，以及形变铝合金不能用热处理方法强化的合金，加工硬化又是一种提高强度的有效的强化手段，如对于塑性好但强度较低的铝合金、铜、某些不锈钢等。残余应力的附页返回

产生原因：（变形的不等时性和不均匀性造成）1、宏观残余应力（第一类内应力）：在工件各部位间由于变形的先后和变形程度的不同而产生的应力。2、微观残余应力（第二类内应力）：金属中各个晶粒间的不均匀变形也会产生应力，局部微观残余应力过高，会使工件受力时产生显微裂纹，导致开裂。3、点阵畸变（第三类内应力）：指塑性变形时，晶体中的缺陷大大增加，在晶格中造成晶格畸变，形成原子间的相互引力或斥力，并在外力去除后保留下来的内应力

残余应力对材料性能的影响：1、降低材料的承载能力工件在加工或使用中发生变形或裂纹，2、降低材料的耐蚀性。3、电阻增加等。有利面：利用表面压应力提高材料的疲劳极限，延长寿命。各向异性的附页返回各向异性：变形量大的形变金属中会出现形变织构——即晶体的位向趋于一致的现象，导致材料的性能在各个方向上性能不一致的现象。有利方面：如用具有易磁化方向的形变织构的材料来制造变压器铁心的硅钢片，可明显增加铁心的导磁率，降低磁滞损耗，提高变压器的效率。不利方面：在冲压薄板零件时，由于织构的存在，各个方向的变形程度不同，在工件各部位造成不均匀塑性变形，导致冲压件易于报废。6.6金属的断裂断裂：

金属材料在外力的作用下丧失连续性的过程，包括裂纹的萌生和裂纹的扩展两个基本过程。影响因素：

内因