ch4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,黄铜弹壳成形过程flash,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。,纳米铜的室温超塑性,金属塑性加工方法,为消除塑性变形可能造成的不良影响，必须在加工过程中或加工后加热。,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

2、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,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,晶体的挪动flash,4.1 材料的塑性变形,一、单晶体的塑性变形,滑移时晶体的转动,滑移变形具有以下特点：,（1）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,（2）滑移只能在切应力的作用下发生。

3、,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！,位错滑移flash,4.1 材料的塑性变形,一、单晶体的塑性变形,（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

4、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Hall - Petch公式，晶粒小，s大； 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,Hall - Petch公式：,例：日本采用高温多轴加工法，在500

5、750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,二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化,一、冷塑性变形对

6、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,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,2. 亚结构的细化 - 位错增殖,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，如提高疲劳极限。 弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳腐蚀开裂

7、。 消除: 去应力退火。,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，导致变形抗力增大。 通过再结晶退火可消除加工硬化,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,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,加工硬化的实际意义： 是一种非常重要的强化手段，如喷丸强化。 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

8、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,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半球，无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层。 （2）用小钢丸、不锈钢丸、搪瓷珠或玻璃珠，最常用铸钢丸。 （3）能抗金属疲劳。,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,风电机组表面处理方案： （1）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

9、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,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。,加工硬化状态基本保留。,- 相当于去

10、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,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。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响,各种材料不需中间退火就能完成

11、的拉伸工序次数为： （1）低碳钢 ： 34次 （2）Al ： 45次 （3）黄Cu： 24次 （4）Mg合金、Ti合金：1次,最低再结晶温度： TR (0.4 0.5) Tm,（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？,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

12、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,一、金属热加工的概念,冷加工 T加工 TR,4.3 金属的热塑

13、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,热加工温度 T加工0.6Tm,（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。沿流线方向塑性和韧性提高明显。 （3）形成带状组织 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,曲

14、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,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,二、热加工对金属组织和性能的影响,热加工的优点 （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100200 变形量：适中 锻后冷却：锻后快冷，降低低终锻温度,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,4.4 金属强化理论简介,