1、1南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics and Astronautics24-0 材料的性能材料的性能4-0拉伸机上拉伸机上, ,低碳钢缓低碳钢缓慢加载单慢加载单向静拉伸向静拉伸曲线相对曲线相对应的应力应的应力- -应变图应变图3断裂后断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象4荷载荷载伸长量伸长量 拉伸图拉伸图 四个阶段：四个阶段：(1)(1)弹性阶段弹性阶段(2)(2)屈服阶段屈服阶段(3)(3)强化阶段强化阶段(4)(4)局部变形阶段局部变形阶段5为了消除掉试件尺寸的影响，将试件拉伸图转变为为了消除掉试件尺寸的影响，将试件拉伸图转变为材料的应
2、力材料的应力应变曲线图。应变曲线图。AFNllA 原始横截面面积原始横截面面积 名义应力名义应力l 原始标距原始标距 名义应变名义应变6789%10000lllk%10000SSSk10适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。或质地轻软的轴承合金。 （1）布氏硬度）布氏硬度应用：淬火钢球用以测定硬度应用：淬火钢球用以测定硬度 体心立方晶格体心立方晶格【滑移系相同，看滑移方向【滑移系相同，看滑移方向】，体心立方晶格，体心立方晶格 密密排六方晶格排六方晶格【看滑移系【看滑移系】。金属塑性：金属塑性：Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。）。塑
3、塑性性脆脆性性铝铝(FCC)镁镁(HCP)32(C)滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线滑移线，若干条滑移线组成一个若干条滑移线组成一个滑移带滑移带。 铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带滑移带和滑移线示意图滑移带和滑移线示意图33(D)滑移的同时伴随着晶体的转动。转动的结果使滑移滑移的同时伴随着晶体的转动。转动的结果使滑移产生转移，使晶体产生大量的塑性变形。产生转移，使晶体产生大量的塑性变形。 34滑移的位错机制滑移的位错机制晶体的滑移是通过位错在滑移面上
4、的运动来实现晶体的滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的，而不需要使晶体的两部分作整体相对移动。的，而不需要使晶体的两部分作整体相对移动。3536单个晶粒变形与单晶体相似，单个晶粒变形与单晶体相似，而多晶体变形是一个而多晶体变形是一个不均匀不均匀的的塑性变形过程。塑性变形过程。(1) 晶界的影响晶界的影响 当位错运动到晶界附近时，由当位错运动到晶界附近时，由于晶界处的原子排列紊乱，缺于晶界处的原子排列紊乱，缺陷和杂质多，能量高，对位错陷和杂质多，能量高，对位错的滑移起的滑移起阻碍阻碍作用。受到晶界作用。受到晶界的阻碍的位错堆积起来，称的阻碍的位错堆积起来，称位位错的错的塞积塞积。要使变形继续进
5、行，。要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属则必须增加外力，从而使金属的塑性变形抗力提高。的塑性变形抗力提高。位错塞积示意图位错塞积示意图4-1-3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形37(2) 晶粒位向的影响晶粒位向的影响由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形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。这就意味着增性变形，则必以弹性变形来与之协调。这就意味着增大了晶粒变形的抗力，阻碍滑移的进行，使得多晶体大了晶粒变形的抗力，阻碍滑移的进行，使得多晶体金属
6、的塑性变形抗力提高。金属的塑性变形抗力提高。 38(3)晶粒大小对金属力学性能的影响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。金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。因金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；因金属晶粒越细，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，使金属塑性需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。变形的抗力越高。金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。因晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形因晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生的晶
7、粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加，金属在断较大的塑性变形。强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。39Hall-Pitch关系：关系：s=0+Kyd-1/2 细晶强化：细晶强化： 晶粒小晶粒小晶界面积大晶界面积大变形抗力大变形抗力大强度大强度大 晶粒小晶粒小单位体积晶粒多单位体积晶粒多变形分散变形分散相邻相邻晶粒不同滑移系相互协调晶粒不同滑移系相互协调 晶粒小晶粒小晶界多晶界多不利于裂纹的传播不利于裂纹的传播断裂断裂前承受较大的塑性变形前承受较大的塑性变形40细晶强化是金属的一种非常重要的
8、细晶强化是金属的一种非常重要的强韧化手段！强韧化手段！L. LU, M.L. SUI, K. LU. Superplastic extensibility of nanocrystalline copper at room temperature. Science, 287 (2000) 1463-1466. 414-2 塑性变形对组织和性能的影响塑性变形对组织和性能的影响 4-2-1 塑性变形对金属组织结构的影响塑性变形对金属组织结构的影响 (1)纤维组织形成纤维组织形成金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被
9、拉长或压扁。增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成所谓夹杂物也被拉长，形成所谓纤维组织纤维组织。 42(a) (a) 正火态正火态(c) 变形变形80%(b) 变形变形40%工业纯铁在塑性变形前后的组织变化工业纯铁在塑性变形前后的组织变化43(2)亚结构形成亚结构形成 金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成
10、许多位的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即向略有差异的小晶块，即亚晶粒亚晶粒。 (3)形变织构的产生形变织构的产生 由于塑性变形过程中晶粒的转动，当变形量达到一定由于塑性变形过程中晶粒的转动，当变形量达到一定程度（程度（70%以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向择优取向。择优取。择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构织构。 44板织构板织构丝织构丝织构形变织构示意图形变织构示意图各向异性导致的各向异性导致的“制
11、耳制耳”变形前变形前变形后变形后45Equal channel angle pressing (ECAP)【图片来源【图片来源】E.A. El-Danaf, Mechanical properties and microstructure evolution of 1050 aluminum severely deformed by ECAP to 16 passes. Mater. Sci. Eng. A 487 (2008) 189-20046【图片来源【图片来源】 C.X. Huang, et al., Influence of processing temperature on the
12、 microstructures and tensile properties of 304L stainless steel by ECAP, Mater. Sci. Eng. A 485 (2008) 643-650474-2-2 塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属性能的影响(1)产生加工硬化现象产生加工硬化现象随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高，随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化加工硬化，也称，也称形变强化形变强化。 塑性变形塑性变形 位错移动位错移动 位错大量增殖位错大量增殖 相互作用相互作用运动阻力
13、加大运动阻力加大 变形抗力变形抗力强度强度、硬度、硬度、塑性、韧性、塑性、韧性48(2)产生残余应力产生残余应力去除外力后残留于且平衡于金属内部的应力。去除外力后残留于且平衡于金属内部的应力。第一类内应力第一类内应力宏观，表面和心部塑性变形不均宏观，表面和心部塑性变形不均匀造成；匀造成；第二类内应力第二类内应力微观，晶粒间或晶内不同区域变微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均；形不均；第三类内应力第三类内应力超微观，晶格畸变，增加位错运超微观，晶格畸变，增加位错运动阻力动阻力（材料产生强化的主要原因）（材料产生强化的主要原因）。494-3 回复与再结晶回复与再结晶(1)回复回复 工业上，常利用回复
14、现象将冷变形金属低温加热工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热进行去应力退火，以降低残余应力，又保留加工进行去应力退火，以降低残余应力，又保留加工硬化效果。这种热处理方法称硬化效果。这种热处理方法称去应力退火去应力退火。 在在回复阶段回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率内应力、电阻率等显著下降等显著下降。50(2)再结晶再结晶 当变形金属被加热到较高温当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的
15、晶粒变为化，由破碎拉长的晶粒变为新的均匀、细小、完整的等新的均匀、细小、完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程加热时重新彻底改组的过程称称再结晶再结晶。发生再结晶的最。发生再结晶的最低温度称低温度称再结晶温度再结晶温度。纯金属：纯金属：TR=0.4-0.35Tm(K) 合金：合金：TR=0.5-0.7Tm(K)铁素体变形铁素体变形80%650加热加热670加热加热51变形金属发生再结晶后，其强度和硬度明显降低，塑性和韧性变形金属发生再结晶后，其强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除。工业生产中，把消除加工硬大大提高，加工硬化现象被消
16、除。工业生产中，把消除加工硬化的热处理称为化的热处理称为再结晶退火再结晶退火。再结晶退火温度常比再结晶温度。再结晶退火温度常比再结晶温度高高100 200。 再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。580C保温保温3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织580C保温保温8秒后的组织秒后的组织冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜的再结晶黄铜的再结晶52(3)再结晶后的晶粒长大再结晶后的晶粒长大l再结晶完成后，若继续再结晶完
17、成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生升高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒长大晶粒长大，这是一个自发的过程。，这是一个自发的过程。晶粒的长大是通过晶界迁移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进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低度，尤其是塑性和韧性降低 。580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580C保温保温15分后的组织分后的组织700C保温保温10分后的组织分后的组织黄铜再结晶后晶粒的长大黄铜再结晶后晶粒的长大53回复、再结晶及晶粒长大引起的材料性能变化回复、再结晶及晶粒长大引起的材料性能变化544
18、.4 金属材料的热加工金属材料的热加工(1)冷加工与热加工的区别冷加工与热加工的区别在金属学中，冷热加工的界限是以在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度再结晶温度来划分的。来划分的。低于再结晶温度的加工为冷加工，而高于再结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。晶温度的加工为热加工。55(2)热加工对金属组织与性能的影响热加工对金属组织与性能的影响1）热加工）热加工( (热轧、锻造热轧、锻造) )可使铸态金属与合金中的气孔可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致组织致密、成分均匀、晶粒细化密、成分均
19、匀、晶粒细化，力学性能提高，力学性能提高。2）热加工可获得）热加工可获得细小均匀、等轴的再结晶晶粒细小均匀、等轴的再结晶晶粒，从而，从而使金属的力学性能全面提高。使金属的力学性能全面提高。3）热加工可使各种可变形的夹杂物会沿变形方向拉长）热加工可使各种可变形的夹杂物会沿变形方向拉长呈流线分布，也称呈流线分布，也称纤维组织纤维组织。热加工时应力求使流线合。热加工时应力求使流线合理分布。理分布。4）热加工常会使复相合金中的各个相沿着加工变形方）热加工常会使复相合金中的各个相沿着加工变形方向交替地呈带状分布，称为向交替地呈带状分布，称为带状组织带状组织。带状组织会使金。带状组织会使金属材料的力学性能产生方向性，特别是横向塑性和韧性属材料的力学性能产生方向性，特别是横向塑性和韧性明显降低。一般带状组织可以通过明显降低。一般带状组织可以通过正火正火来消除。来消除。 56吊钩中的纤维组织吊钩中的纤维组织带状组织带状组织57l热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般用于热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。l冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。表面光洁度要求高的工件。
