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第三章改变材料性能的主要途径第一节金属的塑性变形对材料性能的影响本章基本要求1．理解重要的术语和基本概念：形变强化、滑移、滑移系、临界分切应力、孪生、纤维组织、形变织构、回复、再结晶、晶粒度、起始晶粒度、实际晶粒度、加工硬化、形变强化、热变形、冷变形、固溶强化、过冷度、变质处理、弥散强化、细晶强化、过冷奥氏体、残余奥氏体、索氏体、屈氏体、上贝氏体、下贝氏体、淬火马氏体、回火马氏体、板条状马氏体、针状马氏体、隐晶马氏体、退火、正火、淬火、回火、淬透性、淬硬性、淬透层深度、临界淬透直径等。2．掌握工程材料的基本强化理论和工艺方法。3．能描述碳钢在加热、冷却以及回火过程的组织转变。了解碳钢显微组织变化对其力学性能的影响规律。4．对碳钢的普通热处理能制订工艺参数。1．单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的基本形式有以下两种：。①滑移变形：即在一定的切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（称滑移面，是晶体中原子密度最大的晶面）上的一定的晶向（称滑移方向，是晶体中原子密度排列最大的晶向）发生滑移。原子从一个平衡位置移到另一个平衡位置，应力去除后，原子不能恢复原状，它不破坏晶体中的原子排列规则性和改变晶体晶格类型，其移动距离是原子距离的整倍数，晶体呈现新的平衡状态，滑移变形是金属中最主要的一种塑性变形方式。②孪生变形：即在切应力作用下，晶体的一部分相对另一部分沿一定的晶面（称孪生面）和一定的晶向（称孪生方向）产生切变。孪生面两侧的晶体形成镜面对称，发生孪生部分称孪生带。孪生带中相邻原子面的相对位移为原子距离的分倍数。孪生变形所需的切应力比滑移变形大得多，变形量小，速度快（音速），孪生变形常发生在受冲击载荷或低温和复杂晶格（密排六方晶格）的晶体中。单晶体塑性变形的基本形式滑移变形示意滑移变形——位错的运动滑移变形与位错上述视频和图解表明，滑移变形并不是滑移面两侧晶体的整体移动的刚性滑移，而是通过晶内的位错运动来实现的。当一个位错移动到晶体表面时，就产生一个位移量。滑移变形是位错在切应力作用下运动的结果。晶体在外力作用下的滑移，并不是整个滑移面上全部原子同时移动，而只是在位错中心周围的少数原子作微量的位错运动即可实现，因此，所需的切应力要比刚性滑移小得多。如果晶体内位错很少或无位错，则要产生一定量的塑性变形，所需的切应力就很大，表现出材料的强度很高。随着位错的增加，则变形就比较容易，即材料的强度降低。位错密度与强度关系一般金属晶体中的位错密度在106～108cm/cm3之间。当ρ＞ρo时，切应力τ与位错密度ρ的平方根成正比，即式中：τ0——为ρ0时的切应力；κ——常数。00位错增殖在滑移变形过程中造成位错数量增多的现象称为位错增殖。一般金属材料晶体内部总有一定数量的位错存在，因此金属材料在一定外力作用下，总会发生塑性变形，随着塑性变形量的增加，位错数量不仅不会减少，相反促使位错数量增加（即位错增殖）。位错增殖使得金属变形能继续进行，随着位错的进一步增殖，则材料强度、硬度上升，而塑性迅速下降，使得变形抗力明显增大。滑移系金属材料的塑性变形主要是滑移变形，滑移是沿着晶格中原子密度最大的滑移面和滑移方向进行的。不同的晶格类型的晶体，滑移面与滑移方向的数目是不同的，常将一个滑移面和其上的一个滑移方向合称为一个滑移系。滑移系多的晶体则容易变形，呈现较好的塑性。三种常见金属晶体结构的滑移系多晶体的塑性变形（1）多晶体的塑性变形是每个晶粒变形的总和在变形过程中并不是所有晶粒同时变形，而是逐步进行的。由于与外力作用方向成45o的切应力分力最大，故多晶体的变形首先从滑移面与滑移方向与外力成45o的晶粒开始，这种晶粒称为软位向晶粒。在变形的同时，晶格方位略向外力作用的方向转动，接着滑移面方位略大于或小于45o的次软位向晶粒变形，并同样发生转动。多晶体塑性变形多晶体塑性变形（2）多晶体金属的晶界是位错运动的壁垒即竹节状现象。晶界处原子排列不规则，并存在一定的应力场，还有杂质原子的偏聚，晶界两侧的晶格方位不同，所以位错通过晶界的阻力要比晶内运动时大得多。塑性变形对金属组织及性能的影响——冷变形纤维组织随着变形的进行，晶粒外形沿作用力的方向被拉长，且发生晶格歪斜。由于大量位错堆积和缠结，在晶粒内部会产生亚晶粒或形成碎晶，使得位错运动阻力增大。当变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，称为冷变形纤维组织。这种纤维组织的性能呈现各向异性，材料内部产生残余应力。塑性变形对金属组织及性能的影响——晶粒胞状化，加工硬化经过塑性变形，金属位错密度急剧增加，大量在不同滑移面上运动的位错由于遇到各种阻碍，或者由于位错彼此作用，产生位错缠结，一种是位错“钉扎”，一种是位错“缠绕”。随着变形增加，大量位错形成了胞状亚结构，胞壁由高密度位错构成，即亚晶界。变形量增加，亚晶粒细化。晶粒亚结构细化以及位错密度的增加，使金属塑性变形抗力增加，塑性韧性下降，产生加工硬化。塑性变形对金属组织及性能的影响——变形织构由于每个晶粒变形过程中，晶格方位会沿外力方向转动，当变形量达到70％～90％，每个晶粒位向趋于大致一致，这种在晶体中某一晶面的取向基本相同的现象称为变形织构，也称“择优取向”。变形织构也使金属材料具有各向异性，在大多数情况下对金属材料的性能是不利的。只有在少数情况下，如为了提高变压器的矽（硅）钢片某一方向的磁导率，在生产上才有意识地形成变形织构，可提高变压器的磁导率。加工硬化金属经塑性变形后，晶粒变长，晶格歪斜，由于亚结构的形成而呈现碎晶，并产生残余内应力，使得金属继续变形困难，这一现象称为加工硬化。即加工硬化后，材料强度、硬度上升，塑性、韧性下降。一般金属的加工硬化随变形的增大而增大。金属的加工硬化不仅使金属的力学性能发生明显变化，还使金属的物理及化学性能也发生明显的改变，并使电阻增大，耐蚀性降低等。二.塑性变形金属的再结晶再结晶过程：金属冷塑性变形使金属内部产生碎晶，晶格畸变，位错密度增加，使得这种组织处于不稳定状态，本身有着向恢复稳定的趋势，随着温度的上升，其原子活动能量提高，最终产生再结晶，即呈现出新的平衡状态。随着加热温度的提高，变形后的金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。塑性变形后的再结晶过程（1）回复金属加热到（0.25～0.3）T熔时，晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过迁移、复合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态，金属内部的显微组织不发生明显的变化。这一过程使得缺陷减少，晶格畸变降低，滑移面上的弹性弯曲现象消失，内应力、电阻率明显降低，应力腐蚀现象基本消失。强度、硬度略有降低，而塑性、韧性略有提高。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火，以降低残余内应力，保持加工硬化效果。（2）再结晶当金属继续加热到（0.35～0.4）T熔时，原子扩散能力增大，在位错密度较高的晶界上，一些未变形的亚晶粒和回复时形成的多边化亚晶粒转变成再结晶晶粒，并进一步长大。此时被拉长的晶粒和碎晶转变为均匀细小的等轴晶粒，但晶格类型不变，这一过程称为再结晶。性能和组织发生急剧变化，即强度、硬度下降，而塑性、韧性明显上升，内应力基本消失。金属的性能基本上恢复到变形前的性能，即加工硬化消失。再结晶的特点：没有一个固定的温度，随着温度和时间的延长，再结晶不断进行，开始的再结晶温度称为最低再结晶温度(T再)，即：T再≈(0.35～0.4)T熔(K°)再结晶温度范围再结晶是在一个温度范围内进行的,并随预变形度的增大而降低,当变形度增大到一定数值时,再结晶温度趋于一个极限温度。再结晶退火：把冷塑性变形后金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶现象，从而消除加工硬化，提高塑性，这种热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度要比再结晶温度高100～200℃。（3）晶粒长大冷变形金属在再结晶刚完成时，一般可得到细小的等轴晶粒组织。如果继续提高加热温度和保温时间，则晶粒会进一步长大，最后得到粗大晶粒的组织，使得金属的强度、硬度、塑性、韧性等力学性能都显著降低。晶粒长大，实质上是一个晶界位移的过程。当金属变形较大，产生织构，含有较多的杂质时，晶界的迁移将受到阻碍，因而只会有少数处于优越条件的晶粒（例如：尺寸较大，取向有利等）优先长大，并迅速合并周围大量小晶粒，最后获得异常粗大晶粒的组织。这种不均匀的长大过程类似于再结晶的生核（较大稳定亚晶粒生成）和长大（吞并周围的小亚晶粒）的过程，所以称为二次再结晶。它将显著降低金属的力学性能。2．再结晶后的晶粒度影响再结晶退火后晶粒度的主要因素：再结晶退火温度预先冷变形度1）加热温度加工硬化金属刚完成再结晶转变时，晶粒细小，具有较好的力学性能。随着再结晶时的加热温度升高，原子扩散能力强，则晶界愈易迁移，则得到的晶粒度就愈大。此外，加热温度一定时，而保温时间延长，同样也会使晶粒长大。(2)预先变形①变形度很小时，再结晶退火后，因不足以引起再结晶，晶粒大小基本不变。变形度在2％～10％时，因变形不均匀，再结晶时容易发生吞并而呈现晶粒特别粗大，这一范围的预先变形度称为临界变形度。②生产中应尽可能避开在临界变形度范围内变形。③各种金属的临界变形度一般在2～10％之间，如纯铁约为2～10％、钢约为５～10％、铜约为５％、铝约为2～４％。④当超过临界变形度范围变形时，晶粒大小随预先变形度增大而减少。但超过90％时，可能产生变形结构而使晶粒变大。三.金属的热变形主要用来加工强度较高和尺寸大而无法进行冷变形的金属材料。金属随温度的上升，而强度、硬度降低，塑性、韧性提高。因此金属变形抗力小，塑性大，而且不会产生加工硬化现象，可以进行大量的加工变形。热变形金属的组织和性能变化①可使铸态金属中的气孔、缩松等缺陷被压合，提高金属致密度、性能。②破碎粗大树枝晶、大晶块和碳化物，并通过再结晶获得等轴细晶粒，提高力学性能。③变形拉长金属中的杂质、晶粒，而拉长的晶粒再结晶后恢复为等轴细晶，而杂质仍为条状，使金属呈现纤维形态，称为热变形纤维组织。④由于纤维组织的出现，使得金属材料具有方向性。一般垂直于纤维方向具有较高的弯曲强度、抗剪强度，而平行纤维方向具有较好的抗拉强度和塑性。⑤热变形后的金属并没有提高其强度和硬度，只是使金属具有明显的方向性。所以只有当零件某种载荷的方向与纤维方向一致时，才显示出提高材料的性能。热变形纤维组织的应用①热轧：是生产各种型材的主要方法，通常在再结晶温度以上进行，热轧后型材沿轴线形成热变形纤维组织。②锻造：通过选用型材作为坯料，一般也是在再结晶温度以上进行。锻造一方面可以获得所需零件的毛坯形状，另一方面可使坯料的纤维方向重新分布。在设计零件时，应尽可能使纤维组织沿零件的轮廓线分布而不被切断，最大正应力与纤维方向平行，最大切应力与纤维方向垂直，从而达到较高的力学性能。热塑性纤维组织的应用热变形组织的利用四.形变强化的应用①金属材料经冷塑性变形后，提高强度和硬度的方法，称为形变强化。是室温时呈单相组织，加热时又不发生相变的金属和合金的主要强化方法；也是以单相固溶体为主要组成物，包含少量第二相的合金的重要强化方法。②形变强化主要用于不能采用热处理强化或强化效果不显著的，室温时又具有良好的塑性，并能进行适当程度的冷塑性变形的金属和合金。③常用的形变强化方法有冷挤、拉、轧、镦、压、滚压和喷丸等。挤、拉、轧用于原材料生产；冷镦用于标准件的生产；冷压、滚压和喷丸用于零件表面强化，提零件表面硬度、疲劳强度和表面质量。④形变强化在生产上已得到了广泛地应用，如各类钢丝、铝丝、铁丝和小直径弹簧钢丝等；薄钢板的冷轧；冷镦螺栓；大弹簧和大齿轮表面的喷丸处理；滑动摩擦轴颈的滚压；精密锻件的精压等。⑤形变强化时，材料的截面尺寸不宜过大，否则表面变形不均匀，不能达到预期的强化效果。塑性差、形状复杂的零件也不能进行形变强化处理。第三章改变材料性能的主要途径第二节金属的晶粒度对材料性能的影响金属晶粒度与材料性能的关系晶粒粗细决定了晶界面积的大小。晶粒细小，金属材料总晶界面积增加。晶粒愈细，晶界愈多，位错运动困难，则金属材料的强