工程材料的强化理论

工程材料的强化理论第1页，共48页，2023年，2月20日，星期四5.1形变强化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，这种现象称为形变强化（加工硬化）。YUYLStrainhardening×UTSf第2页，共48页，2023年，2月20日，星期四1.单晶体塑性变形(1)变形基本方式滑移－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，滑移面两侧晶体的结构类型和晶体取向均未有改变，它是金属塑性变形的最基本方式。5.1.1金属的塑性变形第3页，共48页，2023年，2月20日，星期四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，这些线条称为滑移带。第4页，共48页，2023年，2月20日，星期四(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滑移系。滑移系与金属的晶体结构类型有关。滑移面通常是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。第5页，共48页，2023年，2月20日，星期四(3)滑移的临界分切应力(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，称该临界值为滑移的临界分切应力，记为τc。τc=σscosλcosφcosλcosφ称为取向因子。临界分切应力的大小取决于金属的本性，而与外力的大小无关。第6页，共48页，2023年，2月20日，星期四(4)滑移的位错机制整体滑移模型－－开始人们认为晶体的滑移是晶体的一部分相对于另一部分同时作整体的刚性移动，则按此模型计算出的最小滑移切应力是τ=G/2π是试验值的100～1000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。第7页，共48页，2023年，2月20日，星期四第8页，共48页，2023年，2月20日，星期四(5)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成孪晶的方式进行，称为孪生。孪生是一个发生在晶体内部的均匀切变过程，切变的结构是均匀切变区的晶体晶体结构不发生改变，但位向发生变更。第9页，共48页，2023年，2月20日，星期四孪生与滑移有什么不同？第10页，共48页，2023年，2月20日，星期四2.多晶体塑性变形特点多晶体与单晶体有什么不同？存在晶界，各晶粒位向不同。(1)塑变不同时性多晶体由位向不同的许多小晶粒组成，在外加应力作用下，只有处在有利位向（取向因子最大）的晶粒的滑移系才能首先开动，周围取向不利的晶粒中的滑移系上的分切应力还未达到临界值，这些晶粒仍处在弹性变形状态。第11页，共48页，2023年，2月20日，星期四(2)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，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。(3)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。第12页，共48页，2023年，2月20日，星期四课堂思考讨论题：1单晶材料和多晶材料哪个强度高，为什么？2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。第13页，共48页，2023年，2月20日，星期四5.1.2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(1)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，称之为纤维组织。30％50％第14页，共48页，2023年，2月20日，星期四(2)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，这种由于变形而使晶粒具有择优取向的组织叫形变织构。Zn晶体中的滑移第15页，共48页，2023年，2月20日，星期四第16页，共48页，2023年，2月20日，星期四(3)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，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，则形变胞数量越多，尺寸越小。第17页，共48页，2023年，2月20日，星期四(4)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点阵畸变能，位错密度显著升高，由105-6升至1011-12。(5)产生内应力（残余应力）第一类内应力(宏观内应力)，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。第二类内应力(微观内应力)，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。第三类内应力(点阵畸变)，作用范围很小，在一个晶粒内部，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80～90％。第18页，共48页，2023年，2月20日，星期四2.塑性变形对金属力学性能的影响(1)呈现明显的各向异性(图5-11)

主要是由于形成了纤维组织和变形织构(2)产生形变强化？形变强化的主要原因位错密度导致形变胞的形成和不断细化位错滑移金属的变形抗力第19页，共48页，2023年，2月20日，星期四

变形过程中，位错密度升高，导致形变胞的形成和不断细化，对位错的滑移产生巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著升高，这是产生形变强化的主要原因。(a)DislocationmicrostructureinMounder2%tensilestrainalong[110]at77K.(b)DislocationmicrostructureinMounder5.8%tensilestrainat293K第20页，共48页，2023年，2月20日，星期四加工硬化方法举例第21页，共48页，2023年，2月20日，星期四3.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。第22页，共48页，2023年，2月20日，星期四5.1.3变形金属在加热时组织与性能的变化1.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0.5T熔温度附近），冷变形金属的组织和性能就会发生一系列的变化，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。第23页，共48页，2023年，2月20日，星期四(1)回复回复的作用:降低内应力（去应力退火及回复退火）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。回复阶段主要特点：1点缺陷密度降低2位错发生多边化在回复阶段，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，从而使第一内应力得以消除。第24页，共48页，2023年，2月20日，星期四多边化第25页，共48页，2023年，2月20日，星期四(2)再结晶定义:在变形组织的基体上产生新的无畸变的晶核，并迅速长大形成等轴晶粒，逐渐取代全部变形组织结晶？再结晶？(无新相不发生相变)再结晶阶段主要特点：

1等轴晶粒取代变形组织

2加工硬化状态消除再结晶的作用:1细化晶粒

2各向同性

影响因素：变形度和退火温度第26页，共48页，2023年，2月20日，星期四

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。如果继续提高加热温度或延长保温时间，将引起晶粒进一步长大，它能减少晶界的总面积，从而降低总的界面能，使组织变得更稳定。晶粒长大的驱动力来自界面能的降低。第27页，共48页，2023年，2月20日，星期四2.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度。能发生再结晶的最小变形度通常在2%~8%范围内，但再结晶晶粒特别粗大，这样的变形度称为临界变形度。这是因为此时的变形量较小，形成的再结晶核心较少。当变形度大于临界变形度后,则随着变形度的增大晶粒逐渐细化。当变形度和退火保温时间一定时，再结晶退火温度越高，再结晶后的晶粒越粗大。第28页，共48页，2023年，2月20日，星期四5.1.4金属的热加工

压力加工是利用塑性变形的方法使金属成形并改性的工艺方法。由于在常温下进行塑性变形会引起金属的加工硬化，这使得对某些尺寸较大或塑性低的金属在常温下难以进行塑性变形。生产上通常采用在加热条件下进行塑性变形。1.热加工与冷加工在再结晶温度以上进行的压力加工称为热加工，在再结晶温度以下回复温度以上进行的压力加工称为温加工，在回复温度以下进行的压力加工称为冷加工，或产生加工硬化的压力加工称为冷加工。例如钨的再结晶温度约为1200℃，因此，即使在1000℃进行变形加工也属于冷加工。第29页，共48页，2023年，2月20日，星期四2.热加工特点在热加工过程中，金属同时进行着两个过程：形变强化和再结晶软化。塑性变形使金属产生形变强化，而同时发生的再结晶(称为动态再结晶)过程又将形变强化现象予以消除。因此，热加工时一般不产生明显加工硬化现象。第30页，共48页，2023年，2月20日，星期四3.热加工对金属组织与性能的影响(1)改善铸态组织缺陷使铸态组织中的气孔、疏松及微裂纹焊合，提高金属致密度，还可以使铸态的粗大树枝晶通过变形和再结晶的过程而变成较细的晶粒，某些高合金钢中的莱氏体和大块初生碳化物可被打碎并使其分布均匀等。这些组织缺陷的消除会使材料的性能得到明显改善。(2)出现纤维组织在热加工过程中铸态金属的偏析、夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变形方向延展，在宏观工件上勾画出一个个线条，这种组织也称为纤维组织。纤维组织的出现使金属呈现各向异性，顺着纤维方向强度高，而在垂直于纤维的方向上强度较低。在制订热加工工艺时，要尽可能使纤维流线方向与零件工作时所受的最大拉应力的方向一致。第31页，共48页，2023年，2月20日，星期四合理不合理第32页，共48页，2023年，2月20日，星期四5.2固溶强化5.2.1固溶强化现象

定义：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。原因：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，这是产生固溶强化的主要原因。CuCuCuCuCuCuCuCuCuCuCuCuCuZnZn第33页，共48页，2023年，2月20日，星期四5.2.2影响因素铜中加入不同含量的元素强化效果第34页，共48页，2023年，2月20日，星期四1.溶质原子浓度理论和实验表明，溶质原子浓度越高，强化作用也越大。2.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。3.溶质原子类型一种是溶质原子造成球对称的点阵畸变，其强化效果较弱，约为G/10，G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G的几倍，如体心立方晶体中的间隙型溶质原子。第35页，共48页，2023年，2月20日，星期四5.3第二相强化定义：第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，使合金强度、硬度升高的现象。原因：第二相阻碍位错运动，使位错滑动阻力增大。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析出并产生强化，则称为沉淀强化或时效强化；如果第二相微粒是通过粉末冶金方法加入并起强化作用，则称为弥散强化。第36页，共48页，2023年，2月20日，星期四第37页，共48页，2023年，2月20日，星期四5.3.1沉淀强化（时效强化）©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.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，称之为沉淀强化或时效强化。第38页，共48页，2023年，2月20日，星期四1.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溶度变化，并且固溶度随温度降低而显著减小。如图5-21所示。当组元B含量大于Bo的合金加热到略低于固相线的温度，保温一定时间，使B组元充分溶解后，取出快速冷却，则B组元来不及沿CD线析出，而形成亚稳定的过饱和固溶体，这种处理称为固溶处理。2.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间，使过饱和固溶体趋于某种程度的分解，这种处理称为时效。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。第39页，共48页，2023年，2月20日，星期四©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.第40页，共48页，2023年，2月20日，星期四3.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。第41页，共48页，2023年，2月20日，星期四5.3.2弥散强化1.弥散型合金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0.1~0.01μm，间距为0.01~0.03μm。2.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。定义：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。

第42页，共48页，2023年，2月20日，星期四粉末冶金工艺流程图第43页，共48页，2023年，2月20日，星期四5.4细晶强化定义：晶粒尺寸减小使材料强度升高的现象。原因：1晶界强度明显高于晶内。材料在外力作用下发生塑性变形时，通常晶粒中心区域变形量较大，晶界及其附近区域变形量较小。多晶体的金属细丝在拉伸变形时在晶界附近出现竹节状就反映了常温下晶界的强化作用。第44页，共48页，2023年，2月20日，星期四2晶界对滑移有阻碍。晶粒越细小，晶界面积越大，对位错滑移的阻碍就越强烈，位错就越不容易越过晶界传播。第45页，共48页，2023年，2月20日，星期四5.4.2细化晶粒方法