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第1楼2008/10/21
4.1.2多晶体金属的塑性变形
工程上使用的金属绝大多数是多晶体,其中每个晶粒内部的变形情况与单晶体的变形情况大致相似,但由于晶界的存在及各晶粒的取向不同,使多晶体的塑性变形比单晶体复杂得多。
1. 晶界及晶粒位向差的影响
在多晶体中,晶界原子排列不规则,当位错运动到晶界附近时,受到晶界的阻碍而堆积起来,称为位错的塞积。若要使变形继续进行,则必须增加外力,可见晶界使金属的塑性变形抗力提高。双晶粒试样的拉伸实验表明,试样往往呈竹节状,晶界处较粗,这说明晶界的变形抗力大,变形较小。
由于各相邻晶粒位向不同,当一个晶粒发生塑性变形时,为了保持金属的连续性,周围的晶粒若不发生塑性变形,则必以弹性变形来与之协调。这种弹性形变便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束,使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。
2. 多晶体金属的塑性变形过程
多晶体中首先发生滑移的是那些滑移系与外力夹角等于或接近于45°的晶粒,使位错在晶界附近塞积,当塞积位错前端的应力达到一定程度,加上相邻晶粒的转动,使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动,从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒,当有大量晶粒发生滑移后,金属便显示出明显的塑性变形。
3. 晶粒大小对金属力学性能的影响
金属的晶粒越细,其强度和硬度越高。原因是金属的晶粒越细,晶界总面积越大,位错障碍越多,需要协调的具有不同位向的晶粒越多,金属塑性变形的抗力越高。
金属的晶粒越细,其塑性和韧性也就越好。这是由于晶粒越细,单位体积内晶粒数目越多。同时参与变形的晶粒数目也越多,变形越均匀,推迟了裂纹的形成和扩展,使得在断裂前发生较大的塑性变形。在强度和塑性同时增加的情况下,金属在断裂前消耗的功也大,因而其韧性也比较好。
通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称为细晶强化。细晶强化是金属的重要强化手段之一。
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4.2 合金的塑性变形与强化
1.单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化
单相固溶体合金的组织与纯金属相同,因而其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似;
由于溶质原子的存在,使晶格发生畸变,从而使固溶体的硬度、强度提高,塑性韧性下降,这种现象称为固溶强化。
2.多相合金的塑性变形与弥散强化
当合金的组织由多相混合物组成时,合金的塑性变形除与合金基体的性质有关外,还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。第二相可以是纯金属,也可以是固溶体或化合物,工业合金中的第二相多数是化合物;
当第二相在晶界上呈网状分布时,对合金的强度和塑性都不利;当在晶内呈片状分布时,可提高强度、硬度可显著提高,而且第二相颗粒越细,分布越均匀合金的强度、硬度越高,这种强化方法称为弥散强化或沉淀强化。
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4.3 塑性变形对金属组织和性能的影响
4.3.1 塑性变形对金属组织的影响
金属发生塑性变形,不仅外形发生变化,而且内部的晶粒被拉长或压扁。当变形量很大时,晶粒将被拉长为纤维状,晶界变得模糊不清,如下图所示。塑性变形使晶粒破碎成亚晶粒。
4.3.2 塑性变形对金属性能的影响
金属发生冷塑性变形后,随塑性变形量增加,金属的强度、硬度提高,塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。
冷塑形变形金属产生加工硬化的原因:
位错密度增加;
亚结构细化,亚晶界对位错运动有阻碍作用;
空位密度增加。
由于加工硬化的存在,使已变形部分发生硬化而停止变形,而未变形部分开始变形,因此,没有加工硬化,金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一。尤其对于那些不能通过热处理强化的金属和合金更为重要。
4.3.3 残余应力
内应力是指平衡于金属内部的应力,它是由于金属在外力作用下,内部变形不均匀而引起的。
内应力分为三类:
宏观内应力:平衡于金属表面与心部之间;
微观内应力:平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间;
畸变应力:由晶格缺陷引起的内应力。
内应力的存在,使金属的耐蚀性降低,引起零件在加工、淬火过程中的变形和开裂。因此,金属在塑性变形后,通常要进行退火处理,以消除或降低内应力。
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4.4 回复与再结晶
4.4.1 冷变形金属在加热时的组织和性能变化
金属经冷塑性变形后,组织处于不稳定状态,有自发恢复到变形前组织状态的倾向。在常温下,原子扩散能力小,不稳定状态可以维持相当长时间,而加热则使原子扩散能力增强,金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。
1.回复
回复是指在加热温度较低时,由于金属中点缺陷及位错的近距离迁移而引起的晶内某些变化。在回复阶段,组织变化不明显,强度、硬度略有下降,塑性略有提高;但内应力、电阻率等显著下降。
在工业中,利用回复现象将冷变形金属低温加热,既稳定组织有保留了加工硬化,这种热处理方法称为去应力退火。
2.再结晶
如下图所示,当冷塑性变形金属被加热到较高温度时,由于原子活动能力增大,晶粒的形状开始发生变化,有破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称为再结晶。
再结晶也是一个晶核形成和长大的过程,但不是相变过程。再结晶前后晶粒的晶格类型和成分完全相同。由于再结晶后组织的复原,金属的强度、硬度下降,韧性提高,加工硬化消失。
3.结晶后的晶粒长大
再结晶完成后,若继续升高加热温度或延长加热时间,将发生晶粒长大,这是一个自发的过程。晶粒的长大是通过晶界迁移进行的,是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒长大会使金属的强度,尤其是塑性和韧性下降。
4.4.2 再结晶温度
再结晶不是一个恒温过程,它是自某一温度开始,在某一温度范围内连续进行的过程,发生再结晶的最低温度称为再结晶温度。影响再结晶温度的因素如下:
金属的预先变形度
金属的纯度
加热速度和保温时间
4.4.3 再结晶退火后的晶粒度
由于晶粒大小对金属的力学性能具有重大影响,因而生产上非常重视再结晶退火后的晶粒度。影响再结晶退火后晶粒大小的因素如下:
1.加热温度和保温时间
加热温度越高,保温时间越长,金属的晶粒越大,加热温度的影响尤为显著。
2.预先变形度
预先变形度的影响实质上是变形均匀程度的影响。
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4.5 金属的热加工
4.5.1 冷加工与热加工的区别
在金属中,冷、热加工的界限是以再结晶温度来划分的,低于再结晶温度的加工为冷加工,而高于再结晶温度的加工为热加工。例如,Fe的再结晶温度为450℃,其在400℃以下的加工变形仍属冷加工。而Pb的再结晶温度为-33℃,则其在室温下的加工变形为热加工。
热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消,因而热加工不会带来加工硬化的效果。
4.5.2 热加工对金属组织和性能的影响
热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合,使粗大的树枝晶破碎,从而使组织致密,成份均匀,晶粒细化,力学性能提高。
热加工使铸态金属中的非金属夹杂物沿变形方向伸长,形成彼此平行的宏观条纹,称为流线,由这种流线体现的组织称为纤维组织。纤维组织使钢产生各向异性,与流线平行的方向强度高,而与其垂直的方向强度低。在制定加工工艺时,应使流线分布合理,尽量与拉应力方向一致。如下图(a)所示的曲轴锻坯流线分布合理,而图(b)中所示的曲轴是由锻钢切削加工而成,其流线分布不合理,易在轴肩处发生断裂。
在热加工亚共析钢时,常发现钢中的铁素体与珠光体呈带状分布,这种组织称为带状组织。带状组织与枝晶偏析被沿加工方向拉长有关,它的存在将降低钢的强度、塑性和冲击韧性,可通过多次正火或退火来消除。
热加工能量消耗小,但钢才表面易氧化,因而热加工一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面粗糙度要求高的工件