工程材料第四章材料的变形断裂与强化机制

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1、第 四 章 材 料 的 变 形 断 裂 与 强 化 机 制 4.1 材 料 的 塑 性 变 形 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形 4.3 金 属 的 热 塑 性 变 形 4.4 金 属 强 化 理 论 简 介 纳 米 铜 的 室 温 超 塑 性第 四 章 材 料 的 变 形 断 裂 与 强 化 机 制 第 四 章 材 料 的 变 形 断 裂 与 强 化 机 制 优 良 的 塑 性 - 金 属 最 重 要 的 特 性 塑 性 变 形 的 作 用 ： 1） 成 形 （ 外 观 尺 寸 ） ； 2） 内 部 组 织 、 结 构 改 变 ； 3） 性 能 改 变 。 为 消 除 塑 性 变 形

2、可 能 造 成 的 不 良 影 响 ， 必 须 在 加 工过 程 中 及 加 工 后 加 热 。黄 铜 弹 壳 成 形 过 程 flash演 示 金 属 压 力 加 工 方 法 塑 性 加 工 方 法 示 意 图 4.1 材 料 的 塑 性 变 形一 、 单 晶 体 的 塑 性 变 形二 、 多 晶 体 的 塑 性 变 形 4.1 材 料 的 塑 性 变 形一 、 单 晶 体 的 塑 性 变 形 -滑 移 和 孪 生滑 移 ： 在 切 应 力 的 作 用 下 晶 体 的 一 部 分 相 对 于 另 一 部 分 沿 一 定晶 面 和 晶 向 发 生 相 对 滑 动 。 滑 移 面 4.1 材 料

3、 的 塑 性 变 形一 、 单 晶 体 的 塑 性 变 形 -滑 移 和 孪 生 4.1 材 料 的 塑 性 变 形一 、 单 晶 体 的 塑 性 变 形 -滑 移 和 孪 生 4.1 材 料 的 塑 性 变 形一 、 单 晶 体 的 塑 性 变 形位 错 滑 移 flash演 示 1 位 错 滑 移 flash演 示 2 滑 移 时 晶 体 的 转 动 一 、 单 晶 体 的 塑 性 变 形 4.1 材 料 的 塑 性 变 形 4.1 材 料 的 塑 性 变 形一 、 单 晶 体 的 塑 性 变 形 滑 移 变 形 具 有 以 下 特 点 ： （ 1） 滑 移 总 是 沿 着 晶 体 中 原

4、 子 密 度 最 大 的 晶 面 （ 密 排 面 ） 和其 上 密 度 最 大 的 晶 向 （ 密 排 方 向 ） 进 行 。 一 个 滑 移 面 和 该 面 上 的 一 个 滑 移 方 向 结 合 起 来 组 成 一 个 滑移 系 。 （ 滑 移 阻 力 最 小 原 则 ） 4.1 材 料 的 塑 性 变 形一 、 单 晶 体 的 塑 性 变 形 4.1 材 料 的 塑 性 变 形一 、 单 晶 体 的 塑 性 变 形 （ 2） 滑 移 只 能 在 切 应 力 的 作 用 下 发 生 。k实 际 k理 论 ？ 4.1 材 料 的 塑 性 变 形例 ： Cu k理 论 = 1500 MPa k

5、实 际 = 1 MPa一 、 单 晶 体 的 塑 性 变 形滑 移 并 非 原 子 的 刚 性 滑 动 ！ （ 3） 滑 移 是 通 过 位 错 的 运 动 来 实 现 的 。 微 观 上 的 位 错 运 动 与 宏 观 上 的 塑 性 变 形 是 一 对 因 果 关 系 ；变 形 会 产 生 位 错 ， 并 且 温 度 起 作 用 。 4.1 材 料 的 塑 性 变 形一 、 单 晶 体 的 塑 性 变 形 二 、 多 晶 体 的 塑 性 变 形 多 晶 体 的 塑 性 变 形 过 程 ： 与 单 晶 体 基 本 一 样 ， 以 滑 移 为 主 。但 要 考 虑 ： （ 1） 晶 粒 本 身

6、 大 小 ； （ 2） 晶 粒 相 互 位 向 不 同 （ 有 角 度 ） ； （ 3） 晶 粒 之 间 受 晶 界 影 响 及 共 同 的 影 响 。 4.1 材 料 的 塑 性 变 形 二 、 多 晶 体 的 塑 性 变 形 4.1 材 料 的 塑 性 变 形 1. 晶 界 在 变 形 中 的 作 用 -竹 节 现 象 -“阻 碍 ” -晶 界 强 化 晶 粒 细 小 而 均 匀 ， 不 仅 常 温 下 强 度 较 高 ， 而 且 塑 性 和 韧性 也 较 好 ， 即 强 韧 性 好 。 原 因 是 ： （ 1） 强 度 高 ： 按 H all - Petch公 式 ， 晶 粒 小 ， 大

7、 ； 晶 界 越 多 ， 越 难 滑 移 。 （ 2） 塑 性 好 ： 晶 粒 越 多 ， 变 形 均 匀 而 分 散 ， 减 少 应 力 集 中 。 （ 3） 韧 性 好 ： 晶 粒 越 细 ， 晶 界 越 曲 折 ， 裂 纹 越 不 易 传 播 。 因 此 ， 细 晶 强 化 是 最 佳 强 化 方 法 ,是 一 切 强 化 的 基 础 。二 、 多 晶 体 的 塑 性 变 形 4.1 材 料 的 塑 性 变 形2. 晶 粒 大 小 对 塑 性 变 形 的 影 响 - 细 晶 强 化 12s i yK d H all - Petch公 式 ： s 例 ： 日 本 采 用 高 温 多 轴 加

8、 工 法 ， 在 500750 压 轧 钢 材 ，使 其 强 度 比 现 有 钢 材 高 一 倍 ， 其 晶 粒 数 为 100亿 个 /mm3，在 74kgf/mm2作 用 下 也 不 会 变 形 。因 此 ， 号 称 “ 超 级 钢 ” 。二 、 多 晶 体 的 塑 性 变 形 4.1 材 料 的 塑 性 变 形 多晶体的塑性变形总 结 ：（ 1） 与 单 晶 体 塑 变 的 异 同 ： 同 ： 都 主 要 依 靠 滑 移 ; 异 ： 存 在 不 同 时 性 ， 需 相 互 协 调 。（ 2） 塑 变 过 程 ： 软 取 向 的 晶 粒 先 滑 移 晶 界 处 位 错 塞 积 产 生 应

9、力 集中 相 邻 晶 粒 滑 移 ； 滑 移 系 数 目 多 越 有 利 塑 变 。（ 3） 晶 粒 细 化 ： 强 度 ， 且 塑 韧 性 。 二 、 多 晶 体 的 塑 性 变 形 4.1 材 料 的 塑 性 变 形 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响（ 一 ） 对 金 属 组 织 结 构 的 影 响（ 二 ） 对 金 属 性 能 的 影 响二 、 冷 塑 性 变 形 金 属 在 加 热 时 组 织 和 性 能 的 变 化(一 ) 回 复(二 ) 再 结 晶 一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能

10、 的 影 响1. 显 微 组 织 的 变 化 -纤 维 组 织(一 )对 金 属 组 织 结 构 的 影 响 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形 一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形 2. 亚 结 构 的 细 化 - 位 错 增 殖 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 3. 变 形 织 构 - 择 优 取 向 ， 产 生 各 向 异 性 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响

11、板 织 构 flash动 画丝 织 构 flash动 画 4. 残 余 应 力 - 可 导 致 材 料 变 形 、 开 裂 和 产 生 应 力 腐 蚀 第 一 类 内 应 力 （ 宏 观 内 应 力 ） ， 由 整 个 物 体 变 形 不 均 匀 引 起 。 第 二 类 内 应 力 （ 微 观 内 应 力 ） ， 由 晶 粒 变 形 不 均 匀 引 起 。 第 三 类 内 应 力 （ 点 阵 畸 变 ） ， 由 位 错 、 空 位 等 引 起 。 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响利 ： 预 应 力 处 理 ， 如 提

12、高 疲 劳 极 限 。弊 ： 引 起 变 形 、 开 裂 ， 如 黄 铜 弹 壳 腐 蚀 开 裂 。 消 除 : 去 应 力 退 火 。 （ 二 ） 对 金 属 性 能 的 影 响1. 对 金 属 力 学 性 能 的 影 响 -加 工 硬 化 （ 形 变 强 化 ） 在 冷 塑 性 变 形 过 程 中 随 着 变 形 程 度 的 增 加 ， 金 属 的 强 度 、 硬 度 显 著升 高 ， 而 塑 性 、 韧 性 显 著 下 降 。 原 因 一 是 位 错 越 来 越 多 ， 位 错 间 距 越 来越 小 ， 晶 格 畸 变 增 大 ； 二 是 位 错 交 互 作 用 加 剧 ， 位 错 运

13、动 的 阻 力 增 大 ，导 致 变 形 抗 力 增 大 。 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 （ 二 ） 对 金 属 性 能 的 影 响1. 对 金 属 力 学 性 能 的 影 响 -加 工 硬 化 （ 形 变 强 化 ） 加 工 硬 化 的 实 际 意 义 ： 是 一 种 非 常 重 要 的 强 化

14、 手 段 。 是 某 些 工 件 或 半 成 品 能 拉 伸 或 冷 冲 加 工 成 形 的 重 要 基 础 ， 有 利 于 均 匀 变 形 。 可 提 高 零 件 在 使 用 过 程 中 的 安 全 性 。 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 - 通 过 再 结 晶 退 火 可 消 除 加 工 硬 化 喷 丸 强 化 （ 1） 敲 击 小 压 痕 /凹 陷 金 属 表 层 拉 伸 表 层 下 压 缩 的 晶 粒 试图 将 表 层 恢 复 到 原 来 形 状 ， 从 而 产 生 一 个 高 度 压 缩 力 作 用 下 的

15、半 球 ， 无 数 凹 陷 重 叠 形 成 均 匀 的 残 余 压 应 力 层 。 （ 2） 小 钢 丸 、 不 锈 钢 丸 、 搪 瓷 珠 或 玻 璃 珠 ， 最 常 用 铸 钢 丸 。 （ 3） 抗 金 属 疲 劳 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 风 电 设 备 表 面 处 理 方 案 ：（ 1）

16、 风 机 叶 片 喷 丸 强 化（ 2） 风 电 齿 轮 箱 低 Ra超 精 研 磨（ 3） 风 机 轮 毂 抛 丸 处 理（ 4） 风 机 塔 架 抛 丸 /喷 砂 除 锈 等 涂 防 腐 涂 层 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 2. 对 金 属 的 物 理 、 化 学 性 能 的 影 响 经 冷 塑 性 变 形 后 ， 金 属 的 磁 导 率 、 电 导 率 、 电 阻 温 度系 数 等 下 降 ； 磁 矫 顽 力 增 加 ； 提 高 化 学 活 性 ， 耐 蚀 性 下 降 。 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变

17、 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 二 、 冷 塑 性 变 形 金 属 在 加 热 时 组 织 和 性 能 的 变 化 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形畸 变 增 加 ； 冷 塑 性 变 形 加热晶粒长大 稳 定温 度 升 高 回复再结晶 回 复 与 再 结 晶 flash演 示金 属 内 能 升 高 ； 热 力 学 上 不 稳 定 (一 ) 回 复 点 缺 陷 减 少 ， 位 错 重 新排 列 ， 晶 格 畸 变 减 弱 。 显 微 组 织 尚 无 变 化 ， 电阻 率 和 残 余 内 应 力 显 著 下 降 ，耐 蚀 性 得 到 改 善 。 加

18、 工 硬 化 状 态 基 本 保 留 。 - 相 当 于 去 应 力 退 火二 、 冷 塑 性 变 形 金 属 在 加 热 时 组 织 和 性 能 的 变 化 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形 季 裂加 工 过 程 （ 铸 、 锻 、 焊 、切 削 ） 产 生 的 内 应 力如 何 消 除 加 工 过 程 中 产 生 的 内 应 力 ？二 、 冷 塑 性 变 形 金 属 在 加 热 时 组 织 和 性 能 的 变 化 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形 金 属 拉 伸 时 ， 除 Pb、 Sn， 都 会 产 生 加 工 硬 化 ， 需 要 去 应力 退 火 ， 尽 量 低 温 退 火

19、 ， 也 可 高 温 退 火 。 退 火 后 工 件 表 面 有氧 化 皮 、 污 物 ， 必 须 酸 洗 。 酸 洗 前 用 苏 打 水 去 油 ， 酸 洗 后 冷水 冲 洗 ， 再 用 热 水 洗 涤 ， 以 免 酸 液 残 留 。 对 于 普 通 硬 化 金 属 ， 如 08、 10、 15、 黄 Cu、 退 火 Al等 ，一 般 可 免 于 中 间 退 火 。 对 于 高 硬 化 金 属 ， 如 不 锈 钢 、 耐 热 钢 ， 一 般 在 两 次 拉 伸后 需 中 间 退 火 。 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影

20、响 各 种 材 料 不 需 中 间 退 火 就 能 完 成 的 拉 伸 工 序 次 数 为 ： 低 碳 钢 3 4次 Al 4 5次 黄 Cu 2 4次 Mg合 金 、 Ti合 金 1次 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 TR (0.4 0.5) Tm最 低 再 结 晶 温 度 ： (二) 再结晶 再 结 晶 后 ， 加 工 硬 化 消 失 ， 内 应 力 基 本 消 除 （ “ 恢 复 ” ） 。 此 时 新 晶 粒 位 向 不 同 于 塑 性 变 形 前 ， 但 晶 格 类 型 相 同 。 4.2 金 属 的 冷

21、塑 性 变 形二 、 冷 塑 性 变 形 金 属 在 加 热 时 组 织 和 性 能 的 变 化 材 料 TR / 材 料 TR /Al黄 铜AuFePbMgNi 1503752004500150620 PtAg20钢TaSnWZn 45020046010200121015金 属 材 料 的 最 低 再 结 晶 温 度 （ 保 温 1h） 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形二 、 冷 塑 性 变 形 金 属 在 加 热 时 组 织 和 性 能 的 变 化 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形二 、 冷 塑 性 变 形 金 属 在 加 热 时 组 织 和 性 能 的 变 化问 ： 碳 素

22、弹 簧 钢 的 再 结 晶 退 火 温 度 为 何 空 缺 ？ 铜 棒 24 mm 如 何 消 除 拉 拔 过 程 中 的 硬 化 现 象 ？ 电 缆 线 0.15 mm 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形二 、 冷 塑 性 变 形 金 属 在 加 热 时 组 织 和 性 能 的 变 化 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响再 结 晶 退 火 （ 1） 消 除 加 工 硬 化，将 金 属 件 加 热 保 温 缓 冷 至 室 温，保 温 温度 高 于 再 结 晶 温 度 （ TR ） 100200K ； （ 2） 对 于

23、 没 有 同 素 异 构 转 变 的 金 属 （ 如 铜 、 铝 ） ，冷 变 形 +再 结 晶 退 火 是 细 化 晶 粒 的 重 要 手 段 。 3%变形后经550退火6%变形后经550退火9%变形后经550退火12%变形后经550退火15%变形后经550退火冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响（纯铝片试样） 4.2 金 属 的 冷 塑 性 变 形一 、 冷 塑 性 变 形 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 4.3 金 属 的 热 塑 性 变 形 一 、 金 属 热 加 工 的 概 念冷 加 工 T加 工 TR 热 加 工 温 度 T 加 工 0.6Tm 金 属 材 料 T加 工

24、 : 上 限一 般 控 制 在 固 相 线 以下 100 200 范 围 内 4.3 金 属 的 热 塑 性 变 形 概 念 ： 再 结 晶 温 度 以 上 的 加 工 过 程 。 现 象 ： 同 时 存 在 硬 化 与 软 化 ， 动 态 回 复 与 动 态 再 结 晶 。特 点 ： 反 复 形 核 ， 有 限 长 大 ， 晶 粒 较 细 。 包 含 亚 晶 粒 ， 位 错 密 度 较 高 ,强 度 硬 度 高 。温 度 ： T再 T热 加 工 T固 100 200 。再 结 晶 温 度 以 下 的 加 工 过 程 称 为 冷 加 工一 、 金 属 热 加 工 的 概 念 4.3 金 属 的

25、 热 塑 性 变 形 碳 钢 ： 始 锻 温 度 保 证 无 过 烧 ； 终 锻 温 度 高 于 T再 ， 保 证 再 结 晶 完 全 。一 、 金 属 热 加 工 的 概 念 4.3 金 属 的 热 塑 性 变 形 （ 1） 改 善 铸 锭 组 织 。 气 泡 焊 合 、 破 碎 碳 化 物 、 细 化 晶 粒 、 降 低 偏 析 。提 高 强 度 、 塑 性 、 韧 性 。 （ 2） 形 成 纤 维 组 织 （ 加 工 流 线 ） 。 组 织 ： 枝 晶 、 偏 析 、 夹 杂 物 沿 变 形 方 向 呈 纤 维 状 分 布 。 性 能 ： 各 向 异 性 。 沿 流 线 方 向 塑 性

26、和 韧 性 提 高 明 显 。 （ 3） 形 成 带 状 组 织 形 成 ： 两 相 合 金 变 形 或 带 状 偏 析 被 拉 长 。 影 响 ： 各 向 异 性 。 类 似 于 流 线 组 织 。 消 除 ： 避 免 在 两 相 区 变 形 、 减 少 夹 杂 元 素 含 量 、 采 用 高 温 扩 散 退 火 或 正 火 。 （ 4） 影 响 晶 粒 大 小 二 、 热 加 工 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 4.3 金 属 的 热 塑 性 变 形 4.3 金 属 的 热 塑 性 变 形二 、 热 加 工 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 热 加 工 的 优 点 （

27、 1） 可 持 续 大 变 形 量 加 工 ； （ 2） 动 力 消 耗 小 ； （ 3） 提 高 材 料 质 量 和 性 能 。热 加 工 金 属 晶 粒 组 织 控 制 温 度 ： T再 T热 加 工 T固 100 200 变 形 量 ： 适 中 锻 后 冷 却 ： 锻 后 快 冷 ， 降 低 低 终 锻 温 度 返 回 4.3 金 属 的 热 塑 性 变 形二 、 热 加 工 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 钢 在 热 轧 时 奥 氏 体 的 变 形 和 再 结 晶 4.3 金 属 的 热 塑 性 变 形二 、 热 加 工 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 钢 在

28、热 轧 时 奥 氏 体 的 变 形 和 再 结 晶 4.3 金 属 的 热 塑 性 变 形二 、 热 加 工 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 4.3 金 属 的 热 塑 性 变 形曲轴的流线 a. 锻 造 曲 轴 b. 切 削 加 工 曲 轴吊钩的流线二 、 热 加 工 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 4.3 金 属 的 热 塑 性 变 形二 、 热 加 工 对 金 属 组 织 和 性 能 的 影 响 4.4 金 属 强 化 理 论 简 介 位 错 密 度 加 工 硬 化 态理 论 值金 属 晶 须退 火 态金 属 的 强 度 与 其 中 位 错 密 度 之 间 的 关 系 曲 线一 、 位 错 强 化 理 论强度 s 右 侧 曲 线 ： 变 形 困 难 （ 位 错 太 挤 ） 左 侧 曲 线 ： 变 形 困 难 （ 位 错 越 来 越 少 ） 二 、 金 属 强 化 机 制1. 固 溶 强 化2. 细 晶 强 化3. 沉 淀 强 化4. 位 错 强 化位 错 绕 过 机 制 flash演 示 4.4 金 属 强 化 理 论 简 介