第5章金属及合金的强化方法ppt课件.ppt

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1、1,第5章 金属及合金的强化方法,2,本章内容,5.1 强化的概念和途径5.2 晶粒细化强化5.3 固溶强化5.4 第二相强化5.5 加工硬化,3,5.1强化的概念和途径,金属失效方式过量弹性变形；过量塑性变形；断裂金属塑性变形方式位错滑移提高位错运动阻力强化金属金属的强化仅仅是指提高金属的屈服强度。为什么不去提高金属的断裂强度？,4,材料的构成1）基体相2）界面：包括相界面和晶界3）第二相举例：1）Al4.5Cu合金，基体Al，第二相CuAl2，2）SiC/Al复合材料，基体Al，SiC为外加的第二相,5,金属强化途径：内因： 界面（晶界）细晶强化溶质原子固溶强化第二相第二相强化提高位错密度

2、加工硬化外因：温度提高，位错运动容易，s 应变速率提高，s 应力状态: 切应力分量，s 特殊应力状态：平面应力和平面应变状态,6,5.2.1 晶粒细化强化本质,晶粒：正常晶粒和亚晶粒亚晶粒的形成原因？晶界：大角晶界（位向差大于10度）和小角晶界（位向差小于10度）晶界两侧晶体存在位向差：造成晶界强化的主要原因。晶界是位错运动的障碍。要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。（但高温下晶界为材料中的弱化区域，不起强化作用）晶界是位错运动的障碍 原因？,7,滑移的临界分切应力 =(P/A)coscos 外应力与滑移面法线夹角； 外应力与滑移方向的夹角； = coscos称为取向因子。因为各晶粒的

3、取向不同，coscos不同,8,室温下位错在晶体内的运动过程：位错运动到晶界后消失于晶界，或受到晶界阻碍形成位错塞积晶体再继续变形需要相邻晶粒内位错开动相邻晶粒内位错开动需要更大的应力需要外加应力提高，即屈服强度提高,9,什么是屈服强度,1）在应力1作用下，晶粒A内位错运动到晶界后受阻2）晶粒B内的位错需要开动，需要更大的外加应力3）外加应力增加，达到应力2，使得B晶粒内位错开动4）B晶粒内位错运动到晶界后，在应力2的作用下，相邻的C晶粒内位错也能开动,A,B,10,4）位错运动能够从晶粒A、B、C。传递下去5）由于晶界的作用，应力从1增大到2，表现为晶界对材料的强化作用6）这种能够使位错在不

4、同晶粒间传递下去的应力（应力2）就是材料的屈服强度屈服强度是位错能够在 晶粒间传递下去所需要的应力！举例：复合材料的屈服强度,11,按照上面的思路建立晶界与位错运动的模型，如下图,A,B,12,位错塞积群形成的方式（F-R位错源）,1,2,13,A,B,14,A,B,15,16,17,A,B,18,2）还包括位错交互作用产生的阻力P-N力： fcc 位错宽度大，位错易运动。bcc 反之。交互产生的阻力： 平行位错间交互作用产生的阻力；运动位错与林位错交互作用产生的阻力。,19,20,21,HallPetch公式发现过程发现于上世纪50年代，发现人Hall和Petch都是英国剑桥大学研究生，Ha

5、ll在论文中对钢的屈服强度与晶粒尺寸关系进行了试验研究；Petch采用位错塞积群理论进行了理论分析。材料科学中为数不多的定量描述公式之一纳米材料中的HallPetch关系？,22,HallPetch公式本质1）晶界两侧晶体存在取向差位错滑移从晶粒A传递到晶粒B需要额外的应力该应力由晶粒A中形成的位错塞积群提供2）位错塞积群提供的附加应力与塞积群中位错个数有关塞积群中能够容纳的位错个数又决定于晶粒尺寸D3）晶粒尺寸越小，塞积群中位错个数越少需要更大的外加应力造成屈服强度提高,5.2.2细化晶粒方法,晶粒细化是唯一一种不牺牲材料韧性的强化方法，是一种很重要的强化方法。1. 对铸态使用的合金：合理控

6、制冶铸工艺，如增大过冷度、加入变质剂、进行搅拌和振动等。2. 对热轧或冷变形后退火态使用的合金：控制变形度、再结晶退火温度和时间。3. 对热处理强化态使用的合金：控制加热和冷却工艺参数, 利用相变重结晶来细化晶粒。,5.3 固溶强化,相指的是一种结构。在一个相中，结构或者原子排列处处相同，化学成分处处相同，相与周围环境或其他相之间一定存在明确的界面。,几个基本概念,固溶体,两种物质之间可以没有限度地相互溶解成为一相，称为无限互溶。,5.3 固溶强化,如果把液态的镍和液态的铜混合在一起，它们能够形成均匀的一种液相。这个均匀的液态镍铜合金冷却成固体时，均匀形成一种固相，称为白铜。,在铜镍合金这样的

7、固相中，成分、结构和性质均处处相同，不存在任何将铜原子和镍原子分割开来的界面。这种固相称为固溶体。,白铜山水墨盒,5.3 固溶强化,无限固溶体,像铜镍合金这样没有溶解度限制、可以无限互溶的固溶体称为无限固溶体。,有限固溶体,有溶解度限制、不可以无限互溶的固溶体称为有限固溶体。,大多数情况，物质之间的相互溶解是有限度的 。,5.3 固溶强化,如果在液态铜中添加少量液态锌，可以得到单相的液态的铜锌合金。液态铜锌合金冷却后，可以得到固态的铜锌合金，就是所谓的黄铜。,如果添加的液态锌的量超过30%，就会有一部分锌无法溶解在铜里。多余的这部分锌会与铜生成化合物CuZn。,5.3 固溶强化,此时，固态的铜

8、锌合金中存在两相。,一个相是含锌为30%的饱和固溶体，另一个相是化合物CuZn。,像锌这样在铜中的溶解度是有限的，就是有限固溶体。,通过形成固溶体合金，可以实现固溶强化的目的。,固溶强化对材料性质的影响,5.3 固溶强化,合金的屈服强度、抗拉强度、硬度都会超过纯金属。,几乎所有合金的塑性都低于纯金属。铜锌合金的强度和塑性都高于纯铜，是个例外。,合金的电导率大大低于纯金属。,固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。,5.3固溶强化,5.3.1 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

9、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。,5.3.2 影响因素,铜中加入不同含量的元素强化效果,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

10、。,33,5.3.4 固溶强化原因及应用,固溶种类：间隙固溶；置换固溶,固溶强化的原因（1）因溶剂和溶质原子的尺寸差异而在固溶体内引起的弹性应力场。它除了增加位错运动的摩擦阻力外，在“稀”的固溶体中突出地表现在对位错的钉扎作用上（溶质原子会在位错周围形成原子气团，这种气团将能产生与屈服现象有关的一系列效应，就象我们在低碳钢变形时常常看到的那样）。,（2）由于溶质原子的溶入，合金的弹性模量会发生变化，特别是在位错的周围形成原子气团之后，弹性常数的变化使位错应力场也发生变化，从而会引起位错和溶质原子间更大的交互作用能；（3）电子浓度因素：电子对应力场同样是敏感的。在有弹性应力场的晶体缺陷区域电子会

11、较多地集中到张应力地段，这样就产生了电偶极子的作用，溶质原子与带电荷的位错区域之间就有电交互作用，从而促使溶质更倾向于在位错的周围偏聚；,ABCABCABABCABCABC堆垛层中抽出一层C，其中ABCABCA B A BCABCABC 均为孪晶界。,ABCABCABACABCABC堆垛层中插入一层A，其中ABCABCABACABCABC 均为孪晶界。,（4）层错能比较低的晶体点阵中存在有堆垛层错，堆垛层错的结构与基体并不相同。异类原子溶入某基体后，除了层错能大小会变化，层错区的宽窄也跟着伸缩，从而使扩张位错的分解或合成所需的外力也要变化外，溶质原子在层错区和基体的溶解度是不一样的。晶体发生塑

12、性变形时，当扩张位错沿滑移面平移的时候，以及它分解、合成、交集的时候，上述浓度的差异并不能和扩张位错的运动作同步的变化。由于塑性变形破坏了这种热力学的平衡，所以位错的运动同样要求外界提供更大的能量。,5）结构因素：无论是短程有序的还是偏聚状态的固溶体，在塑性变形的同时，其有序区域或偏聚区域将遭到破坏。引起这种稳定状态破坏的塑性变形是要付出更多的能量作为代价的。思考题: 何谓“屈服现象”？为什么低碳钢在变形时会产生这种现象？低碳钢经过退火后，位错受到强烈钉扎，位错密度也比较少；为了以一定的速度实现变形（变形速率），就需要位错有较高的运动速率，这就要求运动位错受,较大的外力来保证。（运动位错的速度

13、与所受力有一关系式）；外力作用下位错大量脱钉和增殖时，位错密度就陡然增加；若变形d/dt恒定，外应力将不得不减小，以使位错运动速度降低；这就是屈服现象产生的理由。,40,固溶强化的应用：提高金属材料强度的主要途径受到溶解度限制：1）一种元素有特定的最大溶解量，受到相图控制2）一种元素的溶解不影响其它元素的溶解量可以采用多加入几种合金元素，从而提高金属的强度，比如低合金高强度钢提高金属材料的淬透性，如40钢中加入Ni、Cr提高钢的热处理特性，如抗回火特性,L,Si,Al,Si,5.4 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

14、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。,5.4.1沉淀强化（时效强化）,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,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。,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

15、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。,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a tradem

16、ark used herein under license.,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。,5.4.2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

17、为0.10.01m，间距为0.010.03m。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。,粉末冶金工艺流程图,卫星用颗粒增强铝基复合材料零件,粒子增强SiC陶瓷基复合材料,颗粒增强铝基泡沫复合材料,碳黑增强橡胶,50,5.4.3 第二相强化效果,第二相相：特定成分、特定晶体结构组织：几种相构成如珠光体组织形成途径：凝固；共析转变；时效；复合材料,

18、珠光体组织,51,第二相分类1）弥散分布和大块聚集2）不可变形和可变形不可变形的第二相，位错只能绕过它运动。“硬相”可变形的第二相，位错可以切过。“软相”第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。,52,弥散质点强化1）切过型第二相基体界面增大；第二相有序结构破坏；第二相变形需要能量强化效果：,Ni-19% Cr-6% Al合金中位错切过Ni3Al粒子的透射电子显微像,53,2）绕过型位错线弯曲成半圆时需要的应力最大，强化效应：质点周围位错增多后，有效dT减小形成的位错塞积对后续的位错产生阻碍,54,弥散强化的效果都与质点间距成反比弥散度提高强化

19、效果增大Al4.5Cu合金欠时效：GP区（ ”）Cu在Al中的“丛聚”状态；共格；纳米尺寸；弥散分布；“软相”，可以切过峰时效： ” Cu与Al的原子比趋向于1：2，半共格；尺寸增大；弥散度稍微降低；根据尺寸介于“硬相”和“软相”之间。过时效：成为CuAl2化合物；非共格；尺寸长大；弥散度低；属于“硬相”,55,大块聚集型强化11：等应变状态22：等应力状态面积为S；基体含量为f1，第二相含量为f2假设处于弹性状态,f1,f2,56,f1,f2,f2,f2,57,等应力条件下（11方向）比等应变条件下（22方向）更能发挥第二相的强化效果！,第二相粒子强化的最佳粒子半径,综合考虑切过、绕过两种机

20、制，估算出第二相粒子强化的最佳粒子半径rc=(Gb2)/(2s),5.5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）。,加工硬化,加工硬化又称为应变硬化。,如果所加的应力 大于屈服强度 ，材料将发生永久应变 。即使撤去应力 ，应变 仍然存在。,如果用已经发生过应变 的材料再次进行拉伸试验，材料的屈服强度不再是 ，而是 。,加工硬化,如果用已经发生过应变 的材料再次进行拉伸试验，材料的屈服强度不再是 ，而是 。,如果此时将应力增加到 后，再次移去应力，材料的屈服强度又会增加到 。,在每次拉伸试验中增加一点应力，可以使材料的屈服强度逐渐增加，而

21、延展性却越来越差。,加工硬化,加工硬化,加工硬化,能够产生加工硬化的材料必须是位错能够滑移的塑性材料。,通过这样使金属发生塑性变形的方式，可以使其屈服强度增高。这就是加工硬化。,加工硬化指数n是表现材料加工硬化性能的参数。,晶体结构对加工硬化指数有很大的影响。,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。,5.5.1金属的塑性变形,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。,(2) 滑移系,一个滑移面和此

22、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。,(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c 。,c = s coscos,coscos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。,(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

23、应力是 = G/2是试验值的1001000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。,(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结构不发生改变，但位向发生变更。,孪生与滑移有什么不同？,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

24、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。,(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

25、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。,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。,5.5.2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,(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

26、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,(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。,(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)

27、 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8090。,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,变形过

28、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) Dislocation microstructure in Mo under 2% tensile strain along 110 at 77K. (b) Dislocation microstructure in Mo under 5.8% tensile strain at 293K,利用加工硬化，可以在获得所需的金属材料形状的同时，提高材料的强度，如屈服强度、抗拉强度和硬度等。,除了冷加工外，还可以通过轧制、锻造、冲压、拉拔、挤压等加工技术来

29、达到利用加工硬化提高材料强度的目的。,冷加工是实现加工硬化的最常用的一种加工技术。,加工硬化方法举例,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。,85,形变强化小结,形变强化或称形变硬化，加工硬化 1、意义（1）形变强化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。（2）使构件具有一定的抗偶然过载能力。（3）强化金属，提高力学性能。（4）提高低碳钢的切削加工性能。,86,2、形变强化机理

30、 （1）三种单晶体金属的应力应变曲线,面心立方（铜）,体心立方（铌）,密排六方（镁）,单晶金属加工硬化曲线,a,e,d,c,b,f,g,1、面心立方金属形变强化能力远大于其它金属2、随应变增大，面心立方金属经历弱的形变强化阶段后，发生强的形变强化，随后形变强化能力减弱3、体心立方金属和密排六方金属初始弱形变强化阶段长度大于面心立方金属,87,（2）形变强化机理（单晶体） a）易滑移阶段：单系滑移 hcp金属（Mg、Zn）不能产生多系滑移，易滑移段长。 b）线性硬化阶段：多系滑移 位借交互作用，形成割阶、面角位错、胞状结构等；位错运动的阻力增大。（fcc，bcc，hcp） c） 抛物线硬化阶段：

31、交滑移，或双交滑移（刃型位错不能产生交滑移） 多晶体，一开动便是多系滑移，无易滑移阶段。,面心立方金属典型加工硬化曲线,强,弱,88,3、形变强化指数 Hollomon关系式： S=ken （真应力与真应变之间的关系） n形变强化指数；k硬化系数形变强化指数n反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。n=1，理想弹性体;n=0，材料无硬化能力。 层错能低的材料形变硬化程度大；如高Mn钢 （Mn13），层错能力低 n大形变强化指数，用直线作图法求得：logSlogknloge,89,形变强化与颈缩产生颈缩应变集中到颈缩区域颈缩区域由于形变强化，屈服强度提 高（而没有颈缩区域屈服强度不变）变形转移到颈

32、缩区域以外颈缩受到抑制形变强化指数越大，材料越不容易发生颈缩，此时容易发生“超塑性”超塑性：塑性应变超过100,90,形变强化的几个途径位错密度提高是形变强化的前提1）变形协调位错,91,2）FR位错源,1,2,92,3）位错之间的相互作用位错与同号位错之间的斥力作用位错之间的交互作用形成割阶平行/垂直位错之间的交互作用：作用力正比于位错密度的1/2位错密度增大，位错交互作用增大位错运动阻力增大强化,5.5.3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

33、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。,(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。,多边化,(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

34、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,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。,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

35、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。,5.5.4 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

36、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。,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。,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

37、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。,合理,不合理,103,本章要点,了解HallPetch公式及其意义，固溶强化的机制和方法，第二相强化和形变强化的机制和方法运用位错理论分析金属的强化本质,104,本章思考题,1）决定金属屈服强度的因素有哪些?2) 说明一种提高金属屈服强度而不降低其塑性的方法。3）写出HallPetch公式并说明金属细晶强化的本质。4）说明第二相强化的基本原理。5）说明Al4.5Cu固溶态、欠时效态、峰时效态和过时效态的强化方式，并说明屈服强度和加工硬化行为差别的原因。,