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第五章工程材料强化理论
第五章 工程材料的强化理论 5.1 形变强化 形变强化(加工硬化):金属材料经塑性变形后,其强度和硬度升高,塑性和韧性下降的现象。 金属制件的压力加工方法:锻造、轧制、拉拔、和冲压等。 压力加工特点 :使金属在外力作用下,发生不能自行恢复的形状和尺寸的变化,即塑性变形。 目的: (1)深入理解各种机械性能指标的本质; (2)充分发挥金属材料的潜力; (3)正确掌握压力加工和退火工艺。 5.1.1金属的塑性变形 单晶体和多晶体的概念 1.单晶体塑性变形 (1) 变形基本方式 单晶体变形基本方式:滑移和孪生(滑移是主要变形方式) 滑移:晶体的一部分相对于另一部分沿着某一晶面和晶向发生相对滑动。 滑移面两侧晶体的结构类型和晶体取向均末有改变。 滑移现象 (2) 滑移系 (3) 滑移的临界分切应力 晶体的滑移是在切应力作用下进行,而且只有当外力在某一滑移系中的应力达到一定的临界值时,在这一滑移系上晶体才发生滑移,称该临界值为滑移的临界分切应力(使晶体开始滑移的切应力),记为τc 。 单晶体的屈服强度将随着取向因子的变化而变化。为什么?外力方向改变,加在滑移系上的取向因子也会发生改变, λ、φ都接近45 o,取向因子取得极大值,?s最低 ,称为软位向,当λ、φ只要有一个接近90 o时,取向因子趋近于零, ?s 趋近于无穷大,为硬位向。 (4) 滑移的位错机制 位错滑移模型--通过位错在切应力作用下沿着滑移面逐步滑动,这样遇到的阻力就很小,按此模型计算的结果与试验结果在数量级上完全吻合。位错在很小的切应力作用下就能滑动的现象称为位错的易动性。 滑移的位错机制示意图 (5) 孪生当金属晶体滑移变形难以进行时,其塑性变形还可能以生成孪晶的方式进行,称为孪生。例如滑移系较少的密排六方晶格金属易以孪生方式进行变形。 2. 多晶体塑性变形特点多晶体的特点:存在晶界,各晶粒位向不同。多晶体塑性变形特点: (1) 塑变不同时性; (2) 塑变不均匀性;(3) 塑变协调性 (1) 塑变不同时性 多晶体由位向不同的许多小晶粒组成,在外加应力作用下,只有处在有利位向(取向因子最大的软位向)的晶粒的滑移系才能首先开动,周围取向不利的晶粒中的滑移系上的分切应力还未达到临界值,这些晶粒仍处在弹性变形状态。 (2)塑变协调性 由于多晶体的每个晶粒都处于其它晶粒的包围之中,因此,它的变形必须要与其邻近晶粒的变形相互协调,否则就不能保持晶粒之间的连续性而导致材料的断裂。这就要求相邻晶粒中取向不利的滑移系也参与变形。多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互协调性。根据理论推算,每个晶粒至少需要有五个独立滑移系。因此,滑移系较多的面心立方和体心立方金属表现出良好的塑性,而密排六方金属的滑移系少,晶粒之间的变形协调性很差,故塑性变形能力低。 (3)塑变不均匀性 由多晶体中各个晶粒之间变形的不同时性可知,每个晶粒的变形量各不相同,而且由于晶界的强度高于晶内,使得每一个晶粒内部的变形也是不均匀的。 5.1.2塑性变形对金属组织与性能的影响 1.塑性变形对金属组织结构的影响 (1) 形成纤维组织 金属经塑性变形时,沿着变形方向晶粒被拉长。当变形量很大时,晶粒难以分辨,而呈现出一片如纤维丝状的条纹,称之为纤维组织。 变形量对显微组织的影响 (2) 形成形变织构 形变织构:在变形量很大时,金属中各晶粒的取向会大致趋于一致,这种由于变形而使晶粒具有择优取向的组织叫形变织构。 随着变形的发生,还伴随着晶粒的转动。在拉伸时晶粒的滑移面转向平行于外力的方向,在压缩时转向垂直于外力方向。 (3)亚结构细化 冷变形会增加晶粒中的位错密度。随着变形量的增加,位错交织缠结,在晶粒内形成胞状亚结构,叫形变胞(或形变亚晶)。 胞内位错密度较低,胞壁是由大量缠结位错组成。变形量越大,则形变胞数量越多,尺寸越小。 经5%冷变形的纯铝的位错网络 (4) 点阵畸变严重金属在塑性变形中,外力所作的功大部分转化为热,尚有一部分(约占10%)以畸变能的形式储存在形变金属内部,这部分能量叫储存能。储存能的具体表现方式为:宏观残余应力(第一类内应力) 微观残余应力(第二类内应力) 晶格畸变(第三类内应力)宏观残余应力:是物体各部分不均匀变形所引起的,在整个物体范
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