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第二篇 工程材料的结构与性能控制,第一章 材料结构与性能 第二章 金属材料组织与性能控制,第二章 金属材料组织与性能控制,金属的结晶 金属的塑性变形 钢的热处理 钢的合金化 表面技术,§2.2 金属的塑性变形,本节要点 塑性变形（滑移变形）的微观机制 金属塑性变形（主要是滑移变形）的特点 塑性变形对金属组织、性能的影响（特别是加工硬化）,学习思路,以：,化学成分→组织结构→性能→应用,加工工艺,为纲，加深理解本章内容,,,,,静载单向静拉伸应力――应变曲线(低碳钢 ),四阶段,简单回顾,,一 、金属材料的塑性变形,变形是工程材料在外力作用下会发生的最基本的‘失效’方式，变形通常包括弹性变形与塑性变形两种 抵抗塑性变形是一般工程构件的基本要求，不希望结构件在承载时产生不可恢复的塑性变形； 塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方法，在材料加工过程中，人们希望它易于加工变形塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能1、单晶体的塑性变形,单晶体变形规律：滑移晶体学,多晶的变形是各个晶粒的变形的总和！,塑性变形方式——滑移和孪生,在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动,１）滑移,滑移的特点： a、只在切应力作用下发生,,切应力τ ：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑动。

外力P在滑移面上的分解,正应力σ：仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，使将晶体拉断；,,,晶体滑移的机制：（How？） 滑移面两侧作整体的相对移动（刚性移动）？？,刚性滑移模型计算出的临界切应力值＞＞实测值,,滑移的位错机制 位错→滑移→塑性变形,滑移的特点： b、晶体的滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的,自然过程的发生总是沿着阻力最小的方式进行！,滑移的实现 → 借助于位错运动,,大量位错移出晶体→→滑移线（1000原子距）→→滑移带,滑移的特点： c、位错移出晶体一次 —— 一个原子间距的变形量，总变形量是该方向上原子间距的整数倍,,,,Why?,自然过程的发生总是沿着阻力最小的方式进行！,滑移的特点： d、滑移总是沿密排面上的密排方向进行,滑移面——最大密排面,滑移方向——最大密排晶向,,原子间距最大——结合力最弱,+,,滑移系,滑移系：滑移面和该面上的一个滑移方向,bcc、fcc和hcp金属的塑性比较： α-Fe、Cu和Zn Cu α-Fe Zn ————Why？,FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个； FCC的滑移方向多于BCC 金属塑性： Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。

原因： ①滑移系多——塑性好， ②滑移方向的作用比滑移面大,滑移面转向与外加应力方向一致,滑移方向转向与最大分切应力方向一致,滑移的特点： e、滑移时伴随晶体转动,,晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变→金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系→发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶2）孪生——塑性变形方式Ⅱ,为什么发生孪生变形？ 何种情况下才易发生？？,特点： 均匀切变，切变部分位向改变，但点阵结构不变；发生孪生时各原子移动的距离是不相等的 临界分切应力滑移分切应力； 形变量很小； 形变速度快，接近声速孪生仅会在滑移不易产生的情况下发生：,ⅰ.滑移系少 →HCP金属较容易发生孪生 ⅱ. 冲击或低温 → FCC金属一般不发生孪生，少数（Cu、Ag、Au）在极低温度下发生 → BCC金属仅在室温或受冲击时发生3）滑移和孪生,滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进行，产生塑性变形——同 孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生 ——异 滑移→原子移动的相对位移是原子间距的整数值→不引起晶格位向的变化；孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值→孪晶晶格位向改变→促进滑移 ——异 孪生产生的塑性变形量小（≤滑移变形量的10％）， 但引起的晶格畸变大。

——异,2、实际金属（多晶体）的塑性变形,主要影响因素：晶粒——晶界和位向,1）晶界： ⅰ.滑移的主要障碍：原子混乱排列区，较不规则→缺陷、杂质集中滑移不能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒中去ⅱ.协调变形：晶界自身变形→以维持相邻晶粒变形保持连续Hall-Pitch关系：σs=σ0+Kyd-1/2 ——细晶强化,位错塞积——位错运动到晶界附近，受到晶界阻碍而堆积起来2）位向： ⅰ.软位向：晶粒的滑移面和滑移方向接近最大切应力方向——先开始滑移 ii.硬位向：晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大多晶体塑性变形：晶粒分批逐步进行，,,晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大 晶粒小→单位体积晶粒多→变形分散→相邻晶粒不同滑移系相互协调 晶粒小→晶界多→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形,细晶强化是金属的一种非常重要的强韧化手段！,细晶强化：晶粒细化→强度硬度提高、塑性提高、韧性提高,二、塑性变形对金属组织与性能的影响,1、冷塑性变形对金属组织性能的影响,１）晶粒形貌及结构变化,晶粒拉长，纤维组织→各同异性,a.纤维组织（组织）,b. 亚结构形成（晶内结构变化）,形变↑ → 位错密度↑（１０６ → １０１１-１２）→位错缠结→ 胞壁→亚晶,钢的纤维组织（变形度80%）,２）织构——择优取向（组织）,择优取向——变形量足够大时，原来处于不同位向的晶粒在空间位向上会呈现出一定程度的一致。

形变织构——金属塑性变形到很大程度（70%）时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋于一致，形成特殊的择优取向，这种有序化的结构叫做形变织构３）加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）（性能）,加工硬化——金属在冷态下进行塑性变形时，随着变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降,加工硬化机理,1）一种重要的强化手段，对不能用热处理方法强化的合金尤其重要； 2）冷加工成形得以顺利进行； 3）金属具有较好的变形强化能力，具有防止短时超载断裂能力，保证构件安全性； 4）↓塑性，↑切削性能 不利：塑性变形困难→中间退火→消除,塑性变形→位错移动→位错大量增殖→相互作用→运动阻力加大→变形抗力↑→弹度↑、硬度↑、塑性、韧性↓,本质——位错强化：位错密度↑→强度、硬度↑,意义,5）残余内应力（性能）,第一类内应力：表面和心部，塑性变形不均匀造成——宏观 第二类内应力：晶粒间或晶内不同区域变形不均——微观 第三类内应力：晶粒畸变（90%）——超微观,——去除外力后残留于且平衡于金属内部的应力4）物理、化学性能变化（性能）,电阻增大 耐腐蚀性能,三、塑性变形金属在加热时组织性能变化,,,,1、回复 原子扩散能力较小，物理化学性能恢复，内应力显著降低，强度和硬度略有降低——去应力退火。

驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能） T回复=（0.25~0.3） T熔点 去应力退火——降低残余内应力，保留加工硬化效果,2、再结晶,组织变化： 新的形核一长大过程 变形晶粒——细小等轴晶 无新相生成（晶格类型无变化） 性能变化： 加工硬化消除，力学性能恢复，强度、硬度↓↓；塑性韧性↑↑ 物理、化学性能恢复到变形前的水平 内应力消除 驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能） 再结晶退火：消除加工硬化的热处理工艺,影响再结晶晶粒度的因素,①温度T↑—D↑—↑晶界迁移—长大↑ ②预变形度,纯金属： TR=（0.4~0.35）Tm(K) 合金：TR=（0.5~0.7）Tm(K) 影响因素： 预变形度↑—— TR↓ 金属熔点Tm ↑—— TR ↑ 杂质和合金元素（高熔点） —— TR ↑ 加热速度与保温时间,再结晶温度：,,,,,,TR以上加工，不引起加工硬化 提高金属致密度、消除枝晶偏析，打碎柱状晶 ，树枝晶，流线分布,4、热加工对金属组织性能的影响,3、晶粒长大,温度过高或保温时间过长——晶粒明显长大——粗大晶粒 性能恶化，特别是塑性明显下降在工艺处理应注意防止产生二次再结晶——少数优势晶粒优先长大，获得异常粗大的晶粒的过程,塑性变形对金属组织和性能的影响,重点掌握,金属的变形及其本质； 塑性变形对金属材料的的组织和性能的影响； 经冷变形的金属，在加热时的组织和性能的变化； 内应力的产生及危害。

作业,1、 再结晶温度和哪些因素有关如何控制再结晶晶粒度？再结晶后有哪些情况回出现异常粗大的晶粒？ 2、 未进行冷变形的金属加热时，能否发生回复和再结晶，为什么？ 3、 试总结金属单晶体和多晶体塑性变形时的规律 4、 在热加工过程中，金属能否产生加工硬化？试分析原因 5、 请分析金属铁和锡①经室温下塑性变形、②再经600℃退火前后的性能变化 6、请分析图中所示强度与位错密度关系的原因,。