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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 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
2、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 滑移变形具有以下特点： 滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面（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 滑移只能在切应力的作用下发
3、生。 k实际 k理论 ？ 4.1 材料的塑性变形 例：Cu k理论 = 1500 MPa k实际 = 1 MPa 一、单晶体的塑性变形 滑移并非原子的刚性滑动！ 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
4、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：晶界越多，越难滑移; Hall - Petch公式。 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 Hall - Petch公式： 例：日本采用高温多轴加工法，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
5、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 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
6、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 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 ） 第二类内应力（微观内应力 ） 第三类内应力（点阵畸变） 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） 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，位错运动的阻力增大， 导致变形抗力增
7、大。 加工硬化的实际意义： 是一种非常重要的强化手段。 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 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
8、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 冷塑性变形金属在加热时 组织和性能的变化 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 (二) 再结晶 TR (0.4 0.5) Tm最低再结晶温度 ： 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 金属的冷塑性变形 二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的
9、变化 材料TR /材料TR / Al 黄铜 Au Fe Pb Mg Ni 150 375 200 450 0 150 620 Pt Ag 20钢 Ta Sn W Zn 450 200 460 1020 0 1210 15 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：碳素弹簧钢的再结晶退火温度为何空缺？ 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 二、热加工对金属组织和性能的影响 (一) 改善铸锭和钢坯
10、的组织和性能 (二) 形成纤维组织（加工流线） (三) 形成带状组织 (四) 影响晶粒大小 金属材料T加工: 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 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 4.3 金属的热塑性变形 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） 4.4 金属强化理论简介 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 硬币的设计D机械072 周进 第五套人民币硬币 1元硬币 钢芯镀镍 5角硬币 钢芯镀铜合金 1角硬币 不锈钢 第五套人民币5角硬币色泽为金黄色，直径20.5 毫米，材质为钢芯镀铜合金。第五套人民币，一角硬 币铝合金改为不锈钢，色泽为钢白色，与现行流通的 一元硬币材质相同。
