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1、,第四章 金属材料的强化理论,机械工程材料,主讲人 刘 海哈尔滨工业大学空间材料与环境工程实验室86412462，86418720,第四章 金属材料的强化理论,引论,第四章 金属材料的强化理论,4.1 形变强化,4.2 固溶强化,4.3 第二相强化,4.4 细晶强化,4.1 形变强化,一、形变强化现象,二、单晶体的塑性变形,三、滑移的位错机制,一、形变强化现象,四、多晶体塑性变形特点,五、塑性变形对金属组织和性能影响,六、冷变形金属的回复和再结晶,一、形变强化现象,金属经轧制、冲压、弯曲等冷加工变形后，其强度、硬度上升，塑性降低的现象。,第四章 金属材料的形变强化理论,二、单晶体的塑性变形,二
2、、单晶体的塑性变形,1.单晶体塑性变形基本方式 滑移,二、单晶体的塑性变形,2.滑移系 一个滑移面和在此面上的一个滑移方向构成一个滑移系。一般来说，滑移面通常是原子密排面，滑移方向是原子排列最紧密的方向金属中滑移系越多，其塑性越好。,二、单晶体的塑性变形,称为取向因子，当 时，取向因子有极大值，此时切应力最大，正应力具有最低值。金属在这种条件下容易滑移，并表现出最大塑性。,切应力与正应力关系：,二、单晶体的塑性变形,二、单晶体的塑性变形,4.滑移时晶体的转动 当晶体在拉伸力F作用下发生滑移时，假如不受夹头对滑移的限制，滑移面和滑移方向保持不变，拉伸时的取向不变化。当有夹头限制时，为了保持抗拉伸
3、轴的方向固定不变，单晶体的取向必须相对转动，即滑移面和滑移方向发生变化。,二、单晶体的塑性变形,锌单晶的拉伸照片,二、单晶体的塑性变形,5.多系滑移 只有一个滑移系开动的情况（单系滑移）一般发生在滑移系较少的密排六方结构的金属中。对于滑移系较多的晶体来说，起始滑移首先在取向最有利的滑移系中进行，但由于晶体转动的结果，其他滑移系中的分切应力有可能达到足以引起滑移的临界值，于是滑移过程将在两个或多个滑移系中同时或交替进行。,三、滑移的位错机制,第四章 金属材料的形变强化理论,三、滑移的位错机制,位错运动与晶体滑移 铜晶体的理论计算强度为1500MPa，而其实测强度仅有0.98MPa。这说明实际晶体
4、的滑移不是晶体的一部分相对于另一部分做整体的刚性移动，而是通过位错在切应力作用下沿滑移面逐步移动的结果。当一条位错线移到晶体表面时，便在表面留下一个原子间距的滑移变形。,2、滑移的机理把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。,刃位错的运动,三、滑移的位错机制,2.位错增殖 晶体塑性变形时产生大量滑移带，为此需要极多的位错。实际晶体在变形时位错数目非但不减少，反而增加，说明存在位错增殖机制。,三、滑移的位错机制,3.位错的交割和塞积 在多系滑移时，不同滑移面上的位错相遇，形成割阶（一段新的位错线），一方面增加了位
5、错线的长度，另一方面还可能形成难以运动的固定割阶，成为后续位错运动的障碍。位错在切应力作用下运动过程中，如果遇到固定位错、杂质粒子、晶界等障碍物，领先的位错在障碍物前被阻止，后续位错被塞积起来，形成位错平面塞积群，并在障碍物前端形成高度应力集中。,三、滑移的位错机制,Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积,三、滑移的位错机制,4.切变与孪生 孪生是晶体的一部分相对另一部分沿一定晶面（称为孪生面）产生一定角度的均匀切变过程。孪晶界两侧晶体呈镜面对称分布。孪生也是一种塑性变形方式。,切变与孪生,钛合金六方相中的形变孪晶,切变与孪生,孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多,变形速度接近声速;相邻
6、原子面的相对位移量小于一个原子间距.,密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。,面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶,体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。,四、多晶体塑性变形特点,第四章 金属材料的形变强化理论,四、多晶体塑性变形特点,1.不同时性,2.协调性,3.不均匀性,在多晶体变形时，只有处在有利取向（取向因子最大）晶粒的滑移系才能首先开动。,多晶体变形时，一个晶粒的变形必须与临近晶粒的变形相互协调，以免晶粒间产生断裂。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的。,多晶体变
7、形时，各晶粒变形量不同，而且由于晶界强度高于晶粒内部，使得每个晶粒内部的变形也是不均匀的。,五、塑性变形对金属组织和性能影响,第四章 金属材料的形变强化理论,五、塑性变形对金属组织和性能影响,1.塑性变形对金属组织的影响,1）形成纤维组织金属塑性变形时，晶粒沿着变形方向被拉长，当变形量很大时，变成纤维状条纹。,2）形成形变织构随着变形的发生，还伴随着晶体的转动。在形变量很大时，各晶粒的取向会趣于一致。这种由于变形而使晶粒具有择优取向的组织叫做形变织构,五、塑性变形对金属组织和性能影响,1.塑性变形对金属组织的影响,1）形成纤维组织金属塑性变形时，晶粒沿着变形方向被拉长，当变形量很大时，变成纤维
8、状条纹。,2）形成形变织构随着变形的发生，还伴随着晶体的转动。在形变量很大时，各晶粒的取向会趣于一致。这种由于变形而使晶粒具有择优取向的组织叫做形变织构,五、塑性变形对金属组织和性能影响,1.塑性变形对金属组织的影响,1）形成纤维组织金属塑性变形时，晶粒沿着变形方向被拉长，当变形量很大时，变成纤维状条纹。,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，在晶粒内部形成胞状亚结构。4）点阵严重畸变,2.塑性变形对金属性能的影响,2）塑性变形对金属物理-化学性能的影响 随着塑性变形的增加，金属的导电性、电阻温度系数和导热性下降，导磁率、磁饱和度下降，矫顽力增加，内能、
9、化学活力增加，耐蚀性下降。,1）塑性变形对金属力学性能的影响由于形成了纤维组织和形变织构，导致金属明显的各向异性由于位错密度升高，位错运动时相互交割加剧，产生位错塞积群、割阶、缠结网等障碍，阻碍位错的进一步运动，引起形变抗力增加，提高了金属的强度。,五、塑性变形对金属组织和性能影响,六、冷变形金属的回复和再结晶,第四章 金属材料的形变强化理论,六、冷变形金属的回复和再结晶,1.冷变形金属在加热时的组织和性能变化 金属经冷变形后,组织处于不稳定状态,有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。,六
10、、冷变形金属的回复和再结晶,经冷塑性变形的金属加热时，在光学显微组织发生改变前（即再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能之间的变化过程叫做回复。,2.回复,六、冷变形金属的回复和再结晶,在回复阶段金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等。,由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，这一过程称多边形化。,六、冷变形金属的回复和再结晶,在回复过程中，晶粒仍然保持纤维状，金属的力学性能（硬度、强度等）变化不大，塑性略有提高，宏观内应力基本消除，但某些物理、化学性能发生明显变化，如导电率升高、
11、应力腐蚀抗力上升。,2.回复,3.再结晶 当冷变形金属的加热温度较高时，在变形组织的基体上产生新的无畸变晶核，并迅速长大成等轴晶粒。再结晶是晶核形成和长大的过程，但没有新相形成，再结晶在一个温度区间内进行。再结晶后，冷变形金属的强度和硬度下降，塑性和韧性升高，微观内应力完全消除，金属性能基本上恢复到冷变形前的水平。,六、冷变形金属的回复和再结晶,3.再结晶,六、冷变形金属的回复和再结晶,再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。,4.晶粒长大 再结晶完成时，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，晶粒将进一步长大。
12、,六、冷变形金属的回复和再结晶,黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片,5.再结晶晶粒大小的控制 形变量越大，再结晶形核率就越高，晶粒越细小。再结晶温度越高或保温时间越长，则晶粒越粗大。形变强化和吸晶强化不适用于高温下使用的合金。对于冷变形金属焊接时也会出现晶粒长大的问题。,六、冷变形金属的回复和再结晶,6.金属热加工 热加工是指于再结晶温度以上进行的压力加工，其特点如下：1）在热加工过程中，同时进行形变强化和再结晶软化两个过程，一般不发生明显加工硬化现象。2）热加工可改善铸态组织缺陷，形成纤维组织，使金属呈现各向异性。,六、冷变形金属的回复和再结晶,六、冷变形金属的回复和再结晶,自由锻,六、
13、冷变形金属的回复和再结晶,六、冷变形金属的回复和再结晶,改善铸态组织缺陷,出现纤维组织,可使铸态组织中的气孔、疏松及微裂纹焊合，提高金属致密度，某些高合金钢中的莱氏体和大块初生碳化物可被打碎并使其分布均匀等。,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。,金属的热加工特点,(1)合金具有非常细小的等轴晶粒的两相组织(晶粒的平均直径通常小于10m)。(2)变形温度通常接近于该合金绝对熔点温度的0.5至0.65倍。(3)通常需要较低的应变速度率。,7.超塑性,第四章 金属材料的强化理论,4.1 形变强化,4.2 固溶
14、强化,4.3 第二相强化,4.4 细晶强化,4.2 固溶强化,4.2 固溶强化,一、固溶强化现象,二、固溶强化的影响因素,三、固溶强化机理,4.2 固溶强化,1.固溶强化现象,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。,4.2 固溶强化,2固溶强化的影响因素,溶质原子浓度,溶质溶剂原子尺寸差,溶质原子类型,溶质原子浓度越高，强化作用也越大,溶质溶剂原子尺寸相差越大，强化效果越显著,1 溶质原子造成球对称的点阵畸变，其强化约为G/102溶质原子造成非球对称的点阵畸变，其强化约为G的几倍。,3.固溶强化机理,Cu-Ni合金成分与性能关系,溶
15、质原子造成点阵畸变，其应力场与位错应力场发生弹性交互作用并阻碍位错运动,使变形抗力提高。溶质原子吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，从而使变形抗力提高。,第四章 金属材料的强化理论,4.1 形变强化,4.2 固溶强化,4.3 第二相强化,4.4 细晶强化,4.3 第二相强化,概念,当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将阻碍位错运动,产生显著的强化作用,4.3 第二相强化,颗粒钉扎作用的电镜照片,沉淀强化或时效强化,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,弥散强化,第二相微粒是通过粉末冶金方法加入并起强化作用,4.3 第二相强化,1.时效强化（或沉淀强化
16、）,固溶度随温度降低而显著减少。,时效强化合金,当含量大于B0的合金加热到略低于固相线的温度，使B组元充分溶解后，快速冷却，而形成亚稳定的过饱和固溶体,4.3 第二相强化,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,时效的一般过程,过饱和固溶体饱和1固溶体溶质富集区 饱和2固溶体亚稳相 饱和固溶体平衡相,4.3 第二相强化,时效状态与性能,4.3 第二相强化,4.3 第二相强化,概念,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,粉末的制备、压制成型、烧结及后处理,工艺过程,4.3 第二相强化,2.弥散强化,粉末冶金原理与工艺,4.1形变强化,4.2固溶强化,4.3 第二相强化,5.4 细晶强化,4.4 细晶强化,第四章 金属材料的强化理论,4.4 细晶强化,5.4 细晶强化,5.4 细晶强化,细化晶粒方法,1.对铸态使用的合金：合理控制冶铸工艺，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。,5.4 细晶强化,
