工程材料的强化理论.docx

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工程材料的强化理论

第4章

金属的塑性变形

教学基本内容：

1、单晶体、多晶体的塑性变形；

2、塑性变形对材料组织和性能的影响；

3、冷变形金属的回复与再结晶；

4、热加工对材料组织和性能的影响。

教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：

1、掌握冷、热加工对材料组织和性能的影响；

2、熟悉冷变形金属的回复与再结晶过程、特点与应用；

3、了解金属塑性变形的微观机制。

教学重点及难点：

1、重点：

1）单晶体的塑性变形，多晶体的塑性变形；

2）塑性变形对材料组织和性质的影响；

3）热加工对材料组织和性能的影响。

2、难点：

1）塑性变形的微观机制；

2）晶界对变形和强度地影响；

3）回复、再结晶的微观机制。

教学方法及手段：

1、PPT讲解；

2、录象；

3、课堂讨论。

作业、讨论题、思考题：

1、论述冷变形金属的回复与再结晶过程、特点与应用？

2、分析与讨论冷、热加工对材料组织和性能的影响？

第四章金属的塑性变形

产生的现象：

弹性变形、塑性变形和断裂。

目的：

1）制造零件毛坯、型材；2）改善材料组织和性能。

第一节金属的塑性变形与强化

一、单晶体塑性变形

1、基本方式：

滑移为主，孪生为辅。

2、滑移

1）定义

2）滑移系

一个滑移面（原子排列最密的晶面）+此面上的一个滑移方向（原子排列最密的晶向）。

在其它条件相同时，金属晶体中滑移系愈多，该金属的塑性愈好。

3）滑移的条件

（1）必要条件：

切应力，即晶体的滑移是在切应力作用下进行。

（2）充分条件：

大于临界分切应力，即只有当外力在某一滑移系中的切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，c=σscosλ*cosφ

式中，λ--拉力F与滑移方向的夹角；φ--拉力F与滑移面的夹角。

4）滑移时的旋转与转动

5）滑移的位错机制：

位错运动。

二、多晶体塑性变形

实质与单晶体相同，但过程复杂：

1）塑变不同时性；2）塑变协调性；3）塑变不均匀性。

三、细晶强化

由上图可知，晶界阻碍塑性变形，因此，金属晶粒愈细小，晶界面积愈大，抵抗塑性变形的能力愈强，即金属的强度和硬度愈高，同时塑性和韧性愈好，称为细晶强化。

第二节塑性变形对金属组织与性能的影响

一、塑性变形对显微组织的影响

1、形成纤维组织：

晶粒被拉长或压扁。

2、形成形变织构：

在变形量很大时，各晶粒的取向趋于一致的现象。

3、晶粒碎化：

晶粒尺寸10-2→10-4或10-6cm。

4、位错密度增加：

10（6-8）→10（11-12）cm-2。

二、塑性变形对性能的影响

1、呈现明显的各向异性：

由于形成了纤维组织和变形织构。

2、产生加工硬化：

随着变形量的增加，位错密度升高，导致位错缠结和定轧，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。

3、金属的导电性、电阻温度系数和导热性下降。

4、耐腐蚀性下降。

5、产生大量残余应力

造成零件变形、晶间腐蚀和晶格畸变。

第三节变形金属在加热时组织与性能的变化

冷变形金属受热后，其的组织和性能将发生一系列的变化，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。

组织的变化性能的变化

一、回复

1、定义：

是指冷变形后的金属在加热温度较低时，发生组织和性能变化的过程。

2、特点

（1）加热温度较低，T回复=（0.2—0.3）T熔点；

（2）低倍显微组织没有变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状；

（3）点缺陷的密度显著下降，而位错密度变化不大；

（4）机械性能：

硬度、强度变化不大，加工硬化保留，塑性略有提高；

（5）宏观内应力基本消除；

（6）电导率显著增大，应力腐蚀抗力提高。

3、应用：

低温度退火和去应力退火；

目的：

保持加工硬化状态，降低内应力，以减轻变形和翘曲。

例、冷拉钢丝卷制弹簧时，在卷成之后要在260℃左右进行退火，以降低内应力并使之定型，而硬度、强度基本保持不变。

二、再结晶

1、定义

是指冷变形后的金属在加热温度较高时，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的过程。

2、特点（与回复比较）

（1）加热温度较高，T再结晶=（0.35—0.4）T熔点；

（2）无畸变等轴晶粒取代有畸变拉长晶粒，纤维状组织消除；

（3）位错密度大大下降，亚结构和织构消失；

（4）机械性能，如硬度、强度下降，加工硬化消除，塑性明显提高；

（5）内应力完全消除；

（6）电导率显著增大，应力腐蚀抗力提高。

3、应用

中间退火：

消除加工硬化，恢复或提高塑性、韧性，以便进一步压力加工和切削。

三、晶粒长大

温度与晶粒大小的关系变形量与晶粒大小的关系

再结晶晶粒大小的控制：

冷轧板的变形度严格控制在30%—60%内。

变形度（%）

晶粒长大趋势（大小）

注备

2%—10%

晶粒长大趋势严重、晶粒粗大

第一次异常长大

30%—60%

晶粒长大均匀、细等轴晶

压力加工采用

大于90%

晶粒长大趋势严重、晶粒粗大

第二次异常长大

第四节金属的热加工

一、热加工与冷加工比较

1）变形温度不同

再结晶温度以上进行的压力加工称为热加工，而将再结晶温度以下进行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。

2）过程不同

冷加工：

只经历加工硬化过程；

热加工：

同时经历加工硬化、回复和再结晶过程，最后终止在再结晶状态。

3）特点不同

内容

冷加工

热加工

能量

大

小

变形量

小

大

变形抗力

大

小

工具耗损

大

小

零件尺寸

中、小薄板和型材

中、大型零件、毛坯

精度/表面质量

高/好

低/差

组织

冷变形的组织

再结晶组织

力学性能

加工硬化

不产生明显加工硬化

二、热加工对金属组织与性能的影响

1、改善铸态组织缺陷：

可使铸态组织中的气孔、疏松及微裂纹焊合，提高金属致密度。

2、细化晶粒：

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；

一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。

3、力学性能提高

材料

状态

бb/MPa

бs/MPa

δ/%

aK/J/cm2

Q245

铸造

490

245

15

0.34

热加工

519

304

20

0.69

工业上凡是受复杂、较大负荷作用的重要零件都需经过热加工方式制成。

4、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。

材料

纤维方向

бb/MPa

бs/MPa

δ/%

aK/J/cm2

45钢

顺纤维方向

900

460

17．5

0.61

横纤维方向

700

430

10

0.29