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金屬材料的強(qiáng)化理論之形變強(qiáng)化

發(fā)布日期:2022-08-19 09:41:52  點(diǎn)擊次數(shù):8874

變形強(qiáng)化現(xiàn)象


經(jīng)過軋制、沖壓、彎曲等冷變形后,金屬的強(qiáng)度和硬度增加,塑性降低。


單晶的塑性變形2


1.單晶滑移塑性變形的基本模式


2.滑移系


滑動(dòng)面和該面上的滑動(dòng)方向構(gòu)成滑動(dòng)系統(tǒng)。


一般來說,滑移面通常是原子的密排面,滑移方向是原子排列最緊密的方向。金屬中的滑移系越多,其塑性就越好。


3.滑動(dòng)時(shí)晶體的旋轉(zhuǎn)


當(dāng)晶體在拉力F的作用下滑移時(shí),如果不受夾頭的限制,滑移面和方向不變,拉伸時(shí)取向不變。當(dāng)存在卡盤限制時(shí),為了保持拉伸軸的方向不變,單晶的取向必須相對(duì)旋轉(zhuǎn),即滑移面和滑移方向發(fā)生變化。


4.多重滑移


當(dāng)只有一個(gè)滑移系開始時(shí)(單滑移系),通常發(fā)生在密排六方結(jié)構(gòu)的金屬中,滑移系很少。對(duì)于具有許多滑移系的晶體,初始滑移首先在最有利取向的滑移系中進(jìn)行。而晶體旋轉(zhuǎn)的結(jié)果是,其他滑移系中的切削應(yīng)力可能達(dá)到一個(gè)足以引起滑移的臨界值,所以滑移過程會(huì)在兩個(gè)或多個(gè)滑移系中同時(shí)或交替進(jìn)行。


3滑移的位錯(cuò)機(jī)制


1.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶體滑移


銅的理論計(jì)算強(qiáng)度為1500MPa,而實(shí)測(cè)強(qiáng)度僅為0.98MPa,這說明實(shí)際的晶體滑移并不是晶體的一部分相對(duì)于另一部分的剛性運(yùn)動(dòng),而是位錯(cuò)在剪切應(yīng)力作用下逐漸沿滑移面移動(dòng)的結(jié)果。


當(dāng)位錯(cuò)線移動(dòng)到晶體表面時(shí),在表面留下原子間距的滑移變形。


2.滑動(dòng)的機(jī)理。


將滑移視為剛性整體滑移所需的理論臨界剪應(yīng)力比實(shí)際測(cè)量的臨界剪應(yīng)力大3-4個(gè)數(shù)量級(jí)?;剖峭ㄟ^滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。


刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)


3.位錯(cuò)增殖


晶體塑性變形時(shí),產(chǎn)生大量的滑移帶,需要大量的位錯(cuò)。實(shí)際上,晶體中的位錯(cuò)數(shù)量沒有減少,而是增加了,表明存在位錯(cuò)增殖機(jī)制。


4.位錯(cuò)的輸送和堵塞


多系統(tǒng)滑移時(shí),不同滑移面上的位錯(cuò)相遇形成切割臺(tái)階(新的位錯(cuò)線),一方面增加了位錯(cuò)線的長度,另一方面可能形成難以移動(dòng)的固定切割臺(tái)階,成為后續(xù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。


位錯(cuò)在剪切應(yīng)力下運(yùn)動(dòng)時(shí),如果遇到固定位錯(cuò)、雜質(zhì)顆粒、晶界等障礙。,前導(dǎo)位錯(cuò)會(huì)在障礙物前停止,后續(xù)位錯(cuò)會(huì)被堵塞,形成位錯(cuò)平面堵塞群,在障礙物前端形成高應(yīng)力集中。


5.剪切和孿晶


它是孿晶的一部分相對(duì)于另一部分沿某一晶面(稱為孿晶面)產(chǎn)生一定角度的均勻剪切過程。孿晶界兩側(cè)的晶體是鏡像對(duì)稱的。


孿晶也是一種塑性變形模式。要改變孿晶的取向,需要剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于滑移,變形速度接近音速,相鄰原子平面的相對(duì)位移小于一個(gè)原子距離。


密排六方晶格金屬幾乎沒有滑移系,通常以孿生方式變形。立方晶格金屬的孿晶變形只在低溫或沖擊下發(fā)生。面心立方晶格金屬一般沒有孿晶變形,但經(jīng)常發(fā)現(xiàn)孿晶,這是相變過程中原子的位錯(cuò)造成的,稱為退火孿晶。


多晶體的塑性變形特征


1.非同時(shí)性


多晶體變形時(shí),只有具有有利取向(取向因子最大)的晶粒的滑移系才能首先開始。


2.協(xié)調(diào)


多晶體變形時(shí),一個(gè)晶粒的變形必須與相鄰晶粒的變形相協(xié)調(diào),以避免晶粒間的斷裂。多晶體的塑性變形是由每個(gè)晶粒的多系統(tǒng)滑移來協(xié)調(diào)的。


3.不均勻性


多晶體變形時(shí),各晶粒的變形量不同,晶界強(qiáng)度高于各晶粒內(nèi)部,使得各晶粒內(nèi)部變形不均勻。


5金屬結(jié)構(gòu)的塑性變形


和性能影響。


1.塑性變形對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的影響


1)形成纖維組織


金屬塑性變形時(shí),晶粒沿變形方向拉長,變形量大時(shí)變成纖維狀條紋。


2)形成變形織構(gòu)


隨著變形,晶體旋轉(zhuǎn)。當(dāng)變形較大時(shí),各晶粒的取向趨于一致。這種因變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的織構(gòu),稱為變形織構(gòu)。


3)子結(jié)構(gòu)細(xì)化


冷變形會(huì)增加晶粒中的位錯(cuò)密度。隨著變形量的增加,位錯(cuò)相互纏繞,在晶粒中形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。


4)晶格嚴(yán)重扭曲。


2.塑性變形對(duì)金屬性能的影響


1)塑性變形對(duì)金屬機(jī)械性能的影響


由于纖維結(jié)構(gòu)和形變織構(gòu)的形成,金屬具有明顯的各向異性。


隨著位錯(cuò)密度的增加,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過程中的相互傳遞加劇,產(chǎn)生位錯(cuò)塞積群、切割臺(tái)階和纏結(jié)網(wǎng)等障礙,阻礙位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng),增加變形抗力,提高金屬的強(qiáng)度。


2)塑性變形對(duì)金屬物理化學(xué)性質(zhì)的影響


隨著塑性變形量的增加,金屬的電導(dǎo)率、電阻溫度系數(shù)和熱導(dǎo)率降低,磁導(dǎo)率和飽和度降低,矯頑力增加,內(nèi)能和化學(xué)活性增加,耐蝕性降低。


冷變形金屬的回復(fù)和再結(jié)晶


1.冷變形金屬加熱時(shí)組織和性能的變化。


冷變形后,金屬的顯微組織處于不穩(wěn)定狀態(tài),往往會(huì)自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。但在室溫下,原子擴(kuò)散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可以維持很長時(shí)間。加熱可以增加原子擴(kuò)散能力,金屬會(huì)依次恢復(fù)、再結(jié)晶、長大。


回復(fù)


當(dāng)受到冷塑性變形的金屬被加熱時(shí),在光學(xué)顯微組織發(fā)生變化之前(即再結(jié)晶晶粒形成之前)某些亞結(jié)構(gòu)和性能之間的變化過程稱為回復(fù)。


回復(fù)階段點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)遷移引起的一些晶內(nèi)變化。比如空位與其他缺陷合并,同一滑移面上不同符號(hào)的位錯(cuò)相遇合并,減少了缺陷的數(shù)量。


由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),它由冷塑性變形時(shí)的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植?,形成亞晶界。這個(gè)過程稱為多邊形形成。


在回收過程中,顆粒保持纖維狀,機(jī)械性能(硬度、強(qiáng)度等。)變化不大,塑性略有提高,宏觀內(nèi)應(yīng)力基本消除,但某些物理化學(xué)性能變化明顯,如電導(dǎo)率和抗應(yīng)力腐蝕能力提高。


3.再結(jié)晶


當(dāng)冷變形金屬的加熱溫度較高時(shí),變形組織的基體上產(chǎn)生新的未畸變的晶核,并迅速長大為等軸晶粒。


再結(jié)晶是成核和生長的過程,但沒有新相形成。重結(jié)晶發(fā)生在一個(gè)溫度范圍內(nèi)。再結(jié)晶后,冷變形金屬的強(qiáng)度和硬度降低,塑性和韌性提高,微觀內(nèi)應(yīng)力完全消除,金屬性能基本恢復(fù)到冷變形前的水平。


4.晶粒生長


當(dāng)再結(jié)晶完成時(shí),通常獲得細(xì)小的等軸晶粒結(jié)構(gòu)。如果加熱溫度持續(xù)升高或保溫時(shí)間延長,晶粒將進(jìn)一步長大。

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