金属学热处理部分-第六章全

金属材料及热处理第三篇

金属的塑性变形与再结晶概述1.金属塑性成形的定义3许多毛坯可以由塑性成形方式获得大量的型材以汽车为例车身覆盖件发

零件变速箱零件4型材5车身16Mn或Q235钢板冲压+电阻点焊或激光焊接6覆盖件镀锌低碳钢板冲压+焊接7发

零件连杆毛坯中碳钢锻造后机加工8发

零件曲轴

调质钢锻造后机加工9变速箱零件变速齿轮20nTi钢模锻+机加工10锻压生产——塑性变形轧制模锻拉拔112.一些塑性成形加工工艺方法1213注意：不同的塑性成型工艺——不同的合金组织——不同的合金性能压力加工件组织与铸造件组织15滚压成型后螺纹的纤维分布吊钩型材、锻件的组织示意中的纤维组织锻造曲轴纤维组织16冷轧变形显微组织(a)正火态(c)变形80%(b)变形40%不同的塑性成型工艺——不同的合金组织——不同的合金性能产生差异的原因是什么？——塑性变形的微观机制1718第三篇的主要内容金属与合金的塑性变形行为单晶体-多晶体-单相合金-多相合金回复、再结晶与晶粒长大规律冷变形和热变形冷热塑性加工对金属组织与性能的影响意义：指导塑性加工了解材料强度的本质，设计材料的强化19第六章金属材料的变形主要内容：单晶体塑性变形的方式、特点多晶体塑性变形——晶界强化塑性变形对组织与性能的影响合金强化与位错行为6.1

金属变形的特性1.低碳钢拉伸应力应变曲线变形的阶段特点：弹性变形屈服均匀塑性变形颈缩断裂图6-120低碳钢的应力-应变曲线2.弹性变形弹性模量：晶体中原子间结合力的强弱与材料刚度相联系E2(1

)21

E

GG

6.2

单晶体的塑性变形22加压力，

使

表面产生塑性变形,出现滑移台阶）1.滑移（1）滑移的现象——滑移带与滑移线无结构改变是特定晶面间沿特定晶向上的相对滑动纯铜滑移痕迹图：DIC照明,500X

（振动抛光后用台钳夹紧并稍(2).滑移系滑移面与该面上一个滑移方向的组合23位错运动的点阵阻力（周期性）。派一纳（P-N）力。b为滑移方向上的原子间距，

d为滑移面的面间距，ν为泊松比，W=d/(1-ν)代表位错宽度。2425(3).滑移的临界分切应力只有滑移系上作用的切应力足以克服滑移阻力，才可引起滑移C

S

cos

cos

C

S

cos

cos

临界分切应力是一材料的常数26

C

cos

cos

27Scos

cos

:取向因子

S

与滑移系的取向有关软取向：σs低，易滑移硬取向：σs无穷大，滑移系无法开动(4).滑移时晶体的转动υ

增大，λ减小晶

向变化，取向因子相应变化硬取向←→软取向a）原试样图6-8 晶体在拉伸时的转动b）

滑移变形 c）受夹头限制时的变形28在法向力偶作用下，滑移面将产生转动并逐渐趋于与轴向平行。υ

增大29在τb-τb’力偶作用下，滑移方向向最大分切应力方向旋转。λ减小30(5).多滑移与交滑移多(系)滑移交叉滑移带31(5).多滑移与交滑移交（替）滑移-——两个或多个滑移面沿同一滑移方向滑移波纹状滑移带变形纯铜表面的波纹状交滑移痕迹(6).单晶体的应力应变曲线I

——易滑移阶段

Ⅱ——线性硬化阶段Ⅲ——抛物线型硬化阶段34(7).滑移的位错机制位错运动——晶体滑移的主要方式特点：所需切应力小原因：仅需少量原子的弹性偏移图6-1435晶体通过刃型位错移动造成滑移的示意图(7).滑移的位错机制位错运动——晶体滑移的主要方式特点：所需切应力小原因：仅需少量原子的弹性偏移36图6-15a）正刃型位错b）负刃型位错(7).滑移的位错机制位错增殖-瑞德位错源等一定应力下位错源开动，位错37(7).滑移的位错机制位错交割与塞积是形变强化现象的与位错运动受阻有关-割阶、扭折、平面塞积群38图6-17

两个相互垂直的刃型位错的交割a）交割前

b）交割后LiF单晶体中的位错塞积

750×W.

G.

Johnston,

General

Electric

Co396.2

单晶体的塑性变形2.孪生一种特殊的塑性变形晶体中有限宽度的部分产生一个均匀切变切变得到孪晶孪生不改变晶体结构，但改变有限区域内的晶

向404142孪生变形的特点1切应力作用下发生临界切应力远大于滑移时。是一种均匀切变。孪晶有对称关系。在一定范围内改变了晶体的取向。23436.3

多晶体的塑性变形1.多晶体塑性变形的特点各晶粒变形不同时性晶粒间、晶粒内变形的不均匀性相邻晶粒变形的协调性位错在晶界处塞积塞积应力场与外应力场叠加引起相邻晶粒的变形44双晶的变形45晶内与晶界变形不均匀6.3

多晶体的塑性变形2.晶粒大小对塑性变形的影响（1）多晶体的应力应变曲线特点：多个滑移系协调变形起始变形应力高加工硬化率高47同种材料多晶体强度高于单晶体强度*平均晶粒越细小，多晶体强度越高486.3

多晶体的塑性变形2.晶粒大小对塑性变形的影响（2）细晶强化（晶界强化）与Hall-Petch关系图6-23低碳钢的屈服强度与晶粒大小的关系496.3

多晶体的塑性变形0：单晶体的屈服强度，d：晶粒的平均直径K：反映晶界对变形的影响系数。2.晶粒大小对塑性变形的影响（2）细晶强化（晶界强化）与Hall-Petch关系室温下多晶体的强度随其晶粒（亚晶粒）细化而提高。霍尔—佩奇（Hall-Petch）公式：

Kd

12s

0506.3

多晶体的塑性变形2.晶粒大小对塑性变形的影响（3）细晶强化的效果与机理晶粒越细小，屈服强度、硬度越高，塑性与韧性越好机理：位错塞积应力集中程度小，开动相邻晶粒的位错需要更高的外应力变形不均匀程度小晶粒间、晶内与晶界处因变形不均匀导致的应力集中减轻，材料不易断裂，变形能力高单位体积晶界面积大裂纹扩展阻力大，韧性好细晶强化的适用温度51T<TETE:等强温度6.4

合金的塑性变形引言合金中有哪些结构？基本相结构：固溶体、金属化合物理想的合金组织应怎样设计？（1）合适的固溶体基体足够强度、合适的塑性与韧性（2）形态尺寸分布数量合适的第二相作为强化相，进一步提高合金强度WHY526.4

合金的塑性变形单相固溶体合金的塑性变形固溶强化现象由于溶质原子的存在及其固溶度的增加，导致基体金属的变形抗力提高。53固溶强化的表现：54与纯金属相比，固溶体合金的强度硬度提高、塑性韧性下降。强化的效果随溶质原子的加入量增加而增加。固溶强化的原因：复杂。主要同溶质原子在溶剂晶格中的点阵畸变与应力场的作用有关，使位错运动的阻力增加。影响固溶强化的因素（

）与溶质原子的浓度、原子尺寸、在晶格中占据的位置、电子浓度等有关。5556补充：固溶强化机制之一Cottrell气团理论：位错与溶质原子间形成的气团是固溶强化的重要原因。变形抗力的增加是由位错首先必须挣脱Cottrell气团的钉扎作用才能开动。气团是在位错与溶质原子间应力场作用下，间隙型的溶质原子在位错线附近凝聚分布的状态。6.4

合金的塑性变形2.多相合金的塑性变形各相的性能、形态、分布、大小影响合金变形a.共析钢P57(F+Fe3C)b.过共析钢P+Fe3CII(F+Fe3C)d.时效Al合金(α+θ)c.PbSn共晶体(α+β)6.4

合金的塑性变形多相合金的塑性变形两相均有一定塑性合金的变形能力取决于两相的体积分数，视为两相性能的混合。实际只有当第二相较强，且体积分数φ大于30％时，才能起明显的强化作用。PbSn共晶体(片层状α+β)586.4

合金的塑性变形2.多相合金的塑性变形塑性相+硬脆相合金变形能力取决于硬脆相的形态、大小、分布、数量。a.共析钢P√(F+片状3Fe

C)b.

过共析钢P+Fe

C3

II3×(F+Fe

C)+网络状Fe

C3

II√59(F+颗粒状3Fe

C)c.过共析钢粒状P60片状塑性相+片状脆性相减小片层尺寸，减小位错塞积，可使强度与塑性均提高共析钢P(F+片状Fe3C)261Hall-Petch关系适用

1si

Ks0等轴状塑性相+颗粒状脆性相按脆性相性质可分为不可变形第二相、可变形第二相，强化机制不同过共析钢粒状P(F+颗粒状Fe3C)时效Al合金(α+θ)6263等轴状塑性相+颗粒状脆性相脆性第二相不可变形时不可变形粒子（间距λ）对位错运动的阻碍作用受阻——弯曲——绕过——位错环——反作用粒子间距越小，变形抗力越大等轴状塑性相+颗粒状脆性相脆性第二相可变形时可变形微粒对位错运动的阻碍作用颗粒尺寸小，与基体有共格或半共格界面，位错将切过粒子使之随同基体一起变形。应用：沉淀硬化不锈钢，超硬铝合金64超硬铝的应用飞机主起落架50μ

mab50μ

mMicrostructure

of

wrought

aluminum

alloy

7A09

after

solutiontreatment

and

aging

processafter

solution

treatment(468℃,

50min)after

solution

treatment

and

aging

process(468℃,50min

and135℃,14h)65小结：多相合金变形的难易程度决定其强度的高低欲得到高强度的材料，可增加其组织中阻碍变形的因素：合金化——形成固溶体，第二相合理分布第二相——形态、数量、尺寸、间距等反之亦然666.5

塑性变形对金属组织与性能的影响1．显微组织与亚结构的变化组织：晶粒沿着变形方向伸长或压扁，变形量很大时形成纤维组织。压缩变形率自左向右30%，50%，70%6768亚结构细化：随变形量增大，位错胞变多、变小，并逐渐成为细长的变形胞。位错密度提高，相互缠结在晶粒内形成胞状亚结构；压缩变形率自左向右30%，50%，70%6.5

塑性变形对金属组织与性能的影响2．形变织构是指随塑性变形进行，各个晶粒在空间取向上逐渐趋于一致的组织状态。69不同的晶体结构，有不同的形变织构取向70织构的利与弊：各向异性的避免或利用制耳716.5

塑性变形对金属组织与性能的影响3．性能的变化a.力学性能——加工硬化强度（硬度）显著提高，而塑性韧性下降。硬化机制：运动位错间交互作用运动位错相互交截，形成扭折或者割阶，增加位错的运动阻力。变形量越大，位错密度越大，抵抗变形的能力越强。材料变形的能力越差。7374加工硬化的利与弊强化金属实现金属成形工艺增加冷成形加工过程的变形抗力退火消除75b.其他性能的变化电阻率增高，电阻温度系数下降；磁导率下降，热导率降低，磁滞损耗及矫顽力增大。扩散过程加速，化学活性增大，腐蚀速度加快。6.5

塑性变形对金属组织与性能的影响4.残余应力变形功一部分转变为

能，以各类残余应