廣石化工程材料五材料的變形

第五章

材料的變形第一節(jié)金屬的塑性變形與再結(jié)晶

第二節(jié)高分子材料的變形第三節(jié)陶瓷材料的變形第一節(jié)金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、金屬的塑性變形與強化二、塑性變形對組織和性能的影響三、變形金屬在加熱過程中組織和性能的變化四、金屬的熱加工

變形后的金屬材料再加熱時，其內(nèi)部組織和性能會發(fā)生很大變化。因此研究金屬材料的塑性變形及變形后不規(guī)則加熱時的組織與性能的變化，對于制定零件的加工工藝和保證零件的質(zhì)量是非常重要的。一、金屬的塑性變形與強化1.單晶體金屬的塑性變形2.滑移的機理3.多晶體金屬的塑性變形與細晶強化4.合金的塑性變形與強化1.單晶體金屬的塑性變形

單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變形及斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶拉伸照片將表面拋光的純鋅單晶體進行拉伸試驗，在試樣的表面上出現(xiàn)了許多互相平行的傾斜線條的痕跡，稱為滑移帶。指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生相對滑動位移的現(xiàn)象。滑移：

晶體滑移后，在其表面上出現(xiàn)滑移痕跡，通常稱為滑移帶。在電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，任何一條滑移帶都是由若干條滑移線組成的?；茙В航饘偎苄宰冃巫罨镜姆绞绞腔?。圖5-2滑移帶和滑移系的示意圖滑移面與滑移方向構(gòu)成一個滑移系滑移變形具有以下特點：（1）滑移在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力。（2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。原子排列最密的晶面和晶向最容易發(fā)生滑移。立方晶格塑性比密排立方晶格好，面心立方晶格塑性比體心立方晶格好。（3）滑移時兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數(shù)倍。（4）滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動。兩種轉(zhuǎn)動：一是滑移面向外力軸向轉(zhuǎn)動；二是在滑移面上滑移方向向最大切應(yīng)力發(fā)行的轉(zhuǎn)動。2.滑移的機理實際上晶體內(nèi)部存在著很多位錯，滑移是通過位錯在滑移面上的運動來實現(xiàn)的。

τ上圖左側(cè)有一個刃型位錯，在切應(yīng)力作用下該位錯沿滑移面逐步向右運動，當(dāng)其運動出晶體時便在右側(cè)表面形成了滑移量為一個原子間距大小的臺階。若有大量位錯移出，則會在金屬表面形成一條滑移線。圖5-3晶體中通過位錯運動而造成滑移的示意圖ττ3.多晶體金屬的塑性變形與細晶強化晶粒變形的不同時性晶粒間變形的相互約束性晶界的強化作用

處于有利位向（軟位向）的晶粒先滑移；處于不利位向（硬位向）的晶粒后滑移

先滑移的晶粒必然受到在它周圍晶粒的約束；晶粒間的這種約束使晶體的強度提高。

晶界是滑移的障礙，使得晶界變形抗力較大；即晶界導(dǎo)致強度提高。晶粒越小，晶界越多，其強度和硬度就越高。細晶強化——

通過細化晶粒來同時提高金屬的強度和硬度、塑性和韌性的方法。

細晶強化是金屬的一種重要的強韌化手段，在實際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

另,晶粒越細,單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多,在同樣的變形量下同時參與變形的晶粒數(shù)目也越多,變形越均勻,不易造成局部應(yīng)力集中,也不會導(dǎo)致開裂,所以晶粒越細,其塑性和韌性越好。4.合金的塑性變形與強化

合金中由于含有合金元素而使其晶格發(fā)生了畸變，因而也使它的性能發(fā)生顯著變化。多相合金的塑性變形與彌散強化單相固溶體的塑性變形與固溶強化單相固溶體的塑性變形與固溶強化

單相固溶體合金的塑性變形過程與多晶體純金屬相似。但由于固溶體存在著溶質(zhì)原子，有固溶強化現(xiàn)象。

固溶強化是提高金屬材料性能的一個重要途徑。固溶強化原因：

溶質(zhì)原子使固溶體的晶格發(fā)生畸變，阻礙了位錯的移動；并且在位錯線上偏聚的溶質(zhì)原子對位錯的釘扎作用，使運動位錯受阻；這兩方面的原因，提高了固溶體的變形抗力。多相合金的塑性變形與彌散強化

多相合金也是多晶體，但其中有些晶粒是另一相，有些界面是相界面。

當(dāng)?shù)诙嘣诰Ы缟铣示W(wǎng)狀分布時，對強度和塑性都不利；當(dāng)在晶內(nèi)呈層片狀分布時，可提高強度和硬度，但會降低塑性和韌性；當(dāng)在晶內(nèi)呈彌散質(zhì)點分布時，塑性、韌性會稍降低，但可顯著提高強度和硬度，且質(zhì)點越細、越多，合金的強度、硬度越高。

彌散強化是合金的主要強化方法之一。二、塑性變形對組織和性能的影響2.形變織構(gòu)的產(chǎn)生3.塑性變形對金屬性能的影響4.殘余內(nèi)應(yīng)力1.塑性變形對金屬顯微組織的影響1.塑性變形對金屬顯微組織的影響晶粒會沿著變形方向伸長成為長條形或扁平形晶粒。形成纖維組織

塑性變形也會使晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使晶粒破碎成亞晶粒。2.形變織構(gòu)的產(chǎn)生

當(dāng)金屬的變形量很大時，由于晶粒的轉(zhuǎn)動，會使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。板織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖各向異性導(dǎo)致的“制耳”變形前變形后3.塑性變形對金屬性能的影響

在塑性變形的過程中，隨著金屬內(nèi)部組織的變化，金屬的性能也將產(chǎn)生變化。隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這一現(xiàn)象稱為“加工硬化”或“形變強化”。

在塑性變形過程中晶體內(nèi)位錯、空位等缺陷的密度逐步增加，造成位錯間相互纏結(jié)，使位錯運動困難，從而提高了強度。加工硬化產(chǎn)生的原因：

由于加工硬化現(xiàn)象使金屬的塑性下降，會給材料的進一步加工帶來困難，不得不增加中間退火工序，降低了生產(chǎn)率，增加了生產(chǎn)成本。

加工硬化也是強化金屬的重要手段之一，尤其對于那些不能以熱處理強化的金屬和合金更為重要。

但由于加工硬化的存在，使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形，而未變形部分開始變形，即加工硬化促使金屬變形更加均勻。4.殘余內(nèi)應(yīng)力

金屬發(fā)生塑性變形時，外力所做的功大部分轉(zhuǎn)化為熱能，只有10%留在金屬內(nèi)，形成殘余內(nèi)應(yīng)力。第一類內(nèi)應(yīng)力（宏觀內(nèi)應(yīng)力）：

存在于金屬表層與心部之間；由于金屬材料各個部分變形不一致而形成的。第二類內(nèi)應(yīng)力（微觀內(nèi)應(yīng)力）：

存在于晶粒之間；由于晶粒之間變形不均勻造成的。第三類內(nèi)應(yīng)力（點陣畸變）

殘余內(nèi)應(yīng)力的存在，還會使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。

存在于晶體缺陷中；由于晶體缺陷增加引起點陣畸變而造成的內(nèi)應(yīng)力。第三類內(nèi)應(yīng)力是形變金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力（占90%以上），是金屬強化的主要原因。而第一、二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬強度降低。第三類內(nèi)應(yīng)力（點陣畸變）：三、變形金屬在加熱過程中組織和性能的變化

金屬材料在冷變形加工后，為了消除殘余應(yīng)力或恢復(fù)其某些性能（如提高塑性、韌性，降低硬度等），一般要對金屬材料進行加熱處理。而加工硬化雖然使塑性變形比較均勻，但卻給進一步的冷成形加工帶來困難，所以常常需要將金屬加熱進行退火處理，以使其性能向塑性變形前的狀態(tài)轉(zhuǎn)化。

對冷變形金屬加熱，會使原子擴散能力增加，金屬將依次發(fā)生：圖5-4變形金屬在不同加熱溫度時晶粒大小和性能的變化示意圖3.晶粒長大1.回復(fù)2.再結(jié)晶回復(fù)時組織和性能的變化：

組織沒有明顯變化，晶粒保持纖維狀；強度、硬度、塑性、韌性變化不大；殘余應(yīng)力顯著降低。應(yīng)用：

對加工硬化的金屬進行低溫退火，使其內(nèi)應(yīng)力基本消除，但同時保持強化了的力學(xué)性能。如冷卷彈簧在卷制之后都要進行一次250～300℃的低溫退火（或稱去應(yīng)力回火）。

指在加熱溫度較低時，由于金屬中的點缺陷及位錯的近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。晶格畸變減輕，殘余應(yīng)力顯著下降。1.回復(fù)特點:☆組織發(fā)生變化；☆加工硬化現(xiàn)象得到消除，即強度硬度顯著降低，塑性韌性明顯提高；☆內(nèi)應(yīng)力完全消除。如果將變形金屬加熱到更高溫度，使原子具有更強的擴散能力，就會以滑移面上的碎晶塊為晶核，結(jié)晶為細小均勻的無變形的等軸晶粒，這個過程稱為再結(jié)晶。2.再結(jié)晶

鐵素體變形后，加熱時所發(fā)生的顯微組織變化，變形后為破碎拉長的晶粒，經(jīng)過再結(jié)晶，得到了新的等軸晶粒。鐵素體變形80%650℃加熱670℃加熱

再結(jié)晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)進行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。其中T再、T熔為絕對溫度，單位為K。金屬的熔點越高，T再也越高。T再≈0.4T熔

再結(jié)晶也是一個晶核（以碎晶或雜質(zhì)為核心）形成和長大的過程，但不是相變過程，它沒有新相產(chǎn)生。再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。

再結(jié)晶剛剛完成后的晶粒是無畸變的等軸晶粒，如果繼續(xù)升高溫度或延長保溫時間，晶粒之間就會相互吞并而長大。使金屬的強度顯著降低。3.晶粒長大580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大冷變形量為38％的組織580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織黃銅再結(jié)晶和晶粒長大各個階段的金相照片4.影響再結(jié)晶后晶粒度的因素（1）加熱溫度與保溫時間的影響再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響

加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。這是由于加熱溫度升高，原子擴散能力和晶界遷移能力增強，有利于晶粒長大。（2）預(yù)先變形程度的影響大于臨界變形度時，變形度越大，退火后晶粒尺寸越小。臨界變形度:

金屬冷變形后再結(jié)晶時晶粒極易長得粗大，這時所對應(yīng)的應(yīng)變量，稱為臨界變形度。金屬材料的臨界變形度一般為（2%～10％）。圖5-6預(yù)先變形程度對晶粒度的影響60%變形純鐵不同退火溫度對再結(jié)晶后晶粒大小的影響（純鐵經(jīng)60%變形）60%變形后450℃退火60%變形后500℃退火60%變形后700℃退火60%變形后600℃退火60%變形后800℃退火3%變形后經(jīng)550℃退火6%變形后經(jīng)550℃退火9%變形后經(jīng)550℃退火12%變形后經(jīng)550℃退火15%變形后經(jīng)550℃退火冷加工變形度對再結(jié)晶后晶粒大小的影響（純鋁片試樣）四、金屬的熱加工熱加工——在再結(jié)晶溫度以上的加工過程；冷加工——在再結(jié)晶溫度以下的加工過程。1.熱加工與冷加工的區(qū)別

如Fe的最低再結(jié)晶溫度為450℃，故即使它在400℃進行加工變形仍應(yīng)屬于冷變形；而Pb的再結(jié)晶溫度為-33℃，則其在室溫下的加工也是熱加工。

熱變形加工在變形的同時進行著動態(tài)再結(jié)晶；即熱加工時產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消，因而熱加工不會帶來加工硬化效果。熱加工動態(tài)再結(jié)晶示意圖2.熱加工對金屬組織和性能的影響（1）改善鑄錠組織

可消除鋼錠中的某些缺陷，如將疏松和氣泡焊合，粗大柱狀晶打碎，提高鋼的性能。（2）帶狀組織

復(fù)相合金中的各個相，在熱加工時沿著變形方向交替地呈帶狀分布，這種組織稱為帶狀組織。帶狀組織

帶狀組織會降低金屬的強度、塑性和沖擊韌性，對性能極為不利。輕微的帶狀組織可以通過正火來消除。（3）熱加工流線

在熱加工過程中鋼中夾雜物會沿變形方向分布形成“流線”，使鋼的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性。在制定熱加工工藝時，應(yīng)盡量使流線與工件所受的最大拉應(yīng)力方向一致，而與外剪切應(yīng)力或沖擊應(yīng)力的方向垂直。曲軸中的流線分布（a）鍛造變形；（b）切削加工

左圖所示鍛造而成曲軸流線分布合理，而右圖曲軸是由切削加工而成，其流線分布不合理，在軸肩處容易斷裂。第二節(jié)高分子材料的變形一、高聚物的物理狀態(tài)二、高聚物的變形特點一、高聚物的物理狀態(tài)1.線型非晶態(tài)高聚物的物理狀態(tài)玻璃在玻璃化溫度Tg以下只發(fā)生彈性形變，在Tg以上產(chǎn)生粘性流動。（1）玻璃態(tài)高聚物處于線彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，外力去除，變形立即消失，變形量很小。（2）粘彈態(tài)與高彈態(tài)高彈態(tài)高聚物的重要特征：可回復(fù)的彈性變形量高達100％～1000％；彈性模量比普通彈性材料小三個數(shù)量級；高彈態(tài)高聚物變形時生熱，回彈時放熱。（3）粘流態(tài)2.結(jié)晶高聚物的物理狀態(tài)如果高聚物是完全結(jié)晶的，和低分子晶體材料類似；部分結(jié)晶時，未結(jié)晶區(qū)域?qū)⒈３志€型非晶態(tài)高聚物的特性。部分結(jié)晶的高聚物存在有一種既韌又硬的皮革態(tài)。隨著結(jié)晶度的增加，熔點提高，高彈態(tài)縮小，至完全結(jié)晶時高彈態(tài)消失。3.高聚物的交聯(lián)結(jié)構(gòu)對其物理狀態(tài)的影響不同組成、相對分子質(zhì)量大小、結(jié)晶度和交聯(lián)密度的高分子材料，對各種外部條件的反應(yīng)特性不同，其敏感性及變化幅度都比金屬材料大。二、高聚物的變形特點1.高聚物的彈性變形高聚物具有高彈性的必要條件是要有柔性鏈，但是柔性好的鏈容易引起鏈間滑動而造成粘性流動。所以必須采用分子鏈間的適當(dāng)交聯(lián)防止鏈間的滑動。2.高聚物的粘彈性變形皮革態(tài)的變形是粘彈性變形。理想的彈性固體材料受力時產(chǎn)生彈性變形與時間無關(guān)，即變形與外力同步。高聚物受力后產(chǎn)