第4章金属变形与强化
金属材料的强化和韧化一、金属材料的强化1.1材料强化简介材料强度强
金属材料的强化和韧化一、金属材料的强化1.1材料强化简介材料强度：强度是指材料抵抗变形和断裂的能力。
通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。
随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度；高温条件静态拉伸所测的持久强度。
强化机理主要有：固溶强化、形变强化、细晶强化和第二相弥散强化等四种，以下将分别予以介绍。
1.2 固溶强化即利用金属材料内部点缺陷(间隙原子置换原子)对金属基体(溶剂金属)进行强化。
合金元素的固溶强化效果一般可以表示为：△σs= K i C i n式中，K i为系数；C i n为固溶度。
对于C、N等间隙原子，n=0.33～2.0；对于Mo、Si、Mn等置换原子，n=0.5～1.0。
固溶强化的机理：原子固溶与钢的基体中，一般都会使晶格发生畸变，从而在基体中产生了弹性应力场，弹性应力场与位错的交互作用将增加位错运动的阻力，宏观上即表现为提高了材料的强度。
1.3 形变强化金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错的运动越来越困难—位错强化。
作用是为了提高材料的强度，使变形更均匀，防止材料偶然过载引起破坏。
金属晶体中的位错是由相变和塑性变形引入的，位错密度愈高，位错运动愈困难，金属抵抗塑性变形的能力就愈大，表现在力学性能上，金属强度提高，即当造成金属晶体内部位错大量增殖时，金属表现出强化效果。
理论研究同时也说明：制成无缺陷，几乎不存在“位错”的完整晶体，使金属晶体强度接近理论强度，则会使金属强化效果表现得更为突出。
因此，金属有两种强化途径：一是对有晶体缺陷的实际金属，即存在位错金属，可以通过位错增殖而强化，二是制成无晶体缺陷的理想金属，使晶体中几乎不存在位错，则金属强化效果会更大。
形变强化遵循以下规律:第一，随着变形量增加，强度提高而塑性和韧性逐渐降低，逐渐接近于零。
冶金机械设计理论-4金属矫正原理
理想弹塑性材料
2 M s z
z0
z bz dZ 2 zbz dZ 0 z0
h/2 2
简化的有加工硬化材料
2 M s z0
z0
z
0
2
bz dZ 2
z0
h/2
E1 z 1 1 zb dZ z z E 0
第四章
金属弹塑性弯曲变形及矫正原理
本章主要内容
1.金属弹塑性弯曲变形的基础理论 2.矫正原理及辊式矫正机
3.拉伸弯曲矫正机的矫正原理
第1页
一、金属弹塑性弯曲变形的基本概念 □平截面假设
弯曲前的某一平面在弯曲后仍然保持为一平面， 并总是垂直于中性层。
□材料假设
第2页
弹塑性弯曲变形的过程
□弯曲程度
第28页
拉伸弯曲矫正机的矫正原理
第29页
1 1 / r 0
2
1 3 1 1 w 2 2 w
1 1 / r 0
2
第19页
矫正原理 □具有多值原始同曲率轧件的矫正
由曲率方程的非线性变化规律，不同方向、不同数值的 原始曲率，经过同一个同曲率的弹塑性弯曲后，其残余 曲率有趋向一致的特性，即残余曲率的差值具有收敛性。
1 1 r c w
第13页
弹复阶段的曲率方程
□相对力矩
轧件弹塑性弯曲力矩M与屈服力矩MW 的比值M/M W 称 M 为相对力矩，以 表示。 以相对力矩表示理想弹塑性材料轧件的塑性弯曲力矩
M s（力矩最大值）时
M M s / M w s S / sW S /W e
工程材料与热处理 第4章 金属的塑性变形与再结晶
一、滑移
滑移只能在切应力 作用下才会发生, 不同金属产生滑移 的最小切应力(称 滑移临界切应力) 大小不同。钨、钼、 铁的滑移临界切应 力比铜、铝的要大。
10
一、滑移
由于位错每移出 晶体一次即造成 一个原子间距的 变形量, 因此晶 体发生的总变形 量一定是这个方 向上的原子间距 的整数倍。
滑移带
17
二、位错滑移机制
通过位错的移动实现滑移时： 1、只有位错线附近的少数原子移动； 2、原子移动的距离小于一个原子间距； 所以通过位错实现滑移时，需要的力较小；
18
二、位错滑移机制
金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的， 而滑移又是通过位错的移动实现的。所以， 只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进 行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度 提高。金属材料常用的五种强化手段（固 溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、 淬火强化）都是通过这种机理实现的。
35
链条板的轧制
材料为Q345（16Mn) 1200 钢 的自行车链条经 1000 过五次轧制，厚度由 3.5mm压缩到1.2mm， 800 总变形量为65%，硬 600 度从150HBS提高到 400 275HBS；抗拉强度从 200 510MPa提高到980MPa； 0 使承载能力提高了将近 一倍。
滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大， 所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金 属的塑性更好。 金、银、铜、铝等金属的塑性高于铁、铬 等金属；而铁的塑性又高于锌、镁等金 属。
15
二、位错滑移机制
滑移非刚性滑动，而是由位错的移动实现 的（1934年提出 ）。
16
二、位错滑移机制
滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移 并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动, 而是通 过位错的运动来实现的。 在切应力作用下,一个多余半 原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动 时, 晶体产生滑移。
金属材料强化方式
一、形变强化（或应变强化，加工硬化）01定义材料屈服以后，随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。
02机理随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式图片，可知强度与位错密度ρ的二分之一次方成正比，位错的伯氏矢量b越大，强化效果越显著。
03方法冷变形，比如冷压、滚压、喷丸等。
04例子冷拔钢丝可使其强度成倍增加。
05形变强化的实际意义(利与弊)（1）利：①形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料，可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加。
②是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形。
③形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。
（2）弊：①形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，始继续变形带来困难，需要消耗更多的功率。
②为了能让材料继续变形，中间需要进行再结晶退火，使材料可以继续变形而不至开裂，增加了生产成本。
二、固溶强化01定义随溶质原子含量的增加，固溶体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫固溶强化。
02机理(1) 溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用。
(2) 位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力。
(3) 溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。
所有阻碍位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。
03规律①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大②溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，强化效果越显著。
金属的塑性变形与强化
密排六方金属滑移系少，在晶体取向不利于滑移时常以孪生方式
进行塑性变形；
体心立方金属只有在室温以下和受到冲击时才发生孪生； 面心立方的金属很少发生孪生变形。 （2）孪生变形速度极快，常产生冲击波，并伴随声响。 （3）孪生本身对晶体塑性变形的直接贡献不大。
这种取向称为硬取向。
滑移时晶体的转动
当晶体在 F力的作用下 发生滑移时，假如滑移面和 滑移方向保持不变，拉伸轴 的取向必然不断发生变化。
实际上由于夹头固定不
动，为了保持拉伸轴的方向
固定不动，因此单晶体的取
向必须相应地转动。
拉伸前
自由滑移变形
受夹头限制时的变形
如果金属在单纯的切应力作用下产生滑移，则晶体的取向不会改 变。但当任意一个力作用在晶体上时，总是可以分解为沿滑移方向的
临界分切应力的计算方法：
设圆柱形金属单晶体试样的横截面积 为A，受到轴向拉力F的作用。F与滑移方向 的夹角为λ，则F在滑移方向上的分力为 Fcosλ；F与滑移面法线的夹角为φ，则滑 移面的面积为A/cosφ。所以，外力F在滑 移方向上的分切应力为
A F/ccoossF Acoscos
式中，F/A为试样拉伸时横截面上的正应力，
金属的塑性变形与强化
１、面心立方金属的滑移面为{111}，共有四个，滑移方向为〈110〉，
每个滑移面上有三个滑移方向，故面心立方金属共具有12个滑移系。
２、体心立方金属不是密堆积结构，没有最密排的晶面，因此滑移是在
几组较密排的面上进行，但滑移方向总是〈111〉。最基本的滑移面为 {110}，共有六个，滑移方向为〈111〉，每个滑移面上有两个滑移方向， 因此体心立方金属共具有12个滑移系。体心立方结构也可以在其它包含 〈111〉方向的{121}和{123}两组滑移面上进行，滑移系共48个。
第四章 金属的塑性变形与回复再结晶
第四章金属的塑性变形与回复再结晶第一节金属的塑性变形金属的一项重要特性是具有塑性，能够在外力作用下进行塑性变形。
外力除去后，永久残留的变形，称为塑性变形。
塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种，最常见的是滑移。
下面我们就讨论：一、光学金相显微镜下滑移带、变形孪晶与退火孪晶的特征滑移：所谓滑移即在切应力作用下晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑动。
所沿晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。
1．滑移带经表面抛光的金属单晶体或晶粒粗大的多晶体试样，在拉伸（或压缩）塑性变形后放在光学显微镜下观察，在抛光的晶体表面上可见到许多互相平行的线条，称为滑移带，如图4一1所示。
ａ黄铜的滑移带600⨯b 纯铁的滑移带 400⨯图4-1 滑移带的光学显微形貌由图可见，纯铁的滑移带特征与黄铜的略有不同，往往呈波纹状。
这主要由于纯铁本身层错能较高，其扩展位错容易束集，加之体心立方晶体可进行滑移的晶面多，因而产生大量交滑移的缘故。
如果用电子显微镜作高倍观察，会发现每条滑移带（光学显微镜下的每根线条）是由许多密集在一起的滑移线群所组成。
实际上，每条滑移线表示晶体表面上因滑移而产生的一个小台阶，而滑移带是小台阶累积的大台阶。
正因为晶体表面有这些台阶的出现才显示出上述的微观形貌。
如果将这些小台阶磨掉，即使重新抛光并浸蚀也看不出滑移带，因为滑移面两侧的晶体位向不随滑移而改变，故只能借助晶体表面出现的小台阶来观察。
1．变形孪晶孪生通常是晶体难以进行滑移时而发生的另一种塑性变形方式。
以孪生方式形变的结果将产生孪晶组织，在面心立方晶体中一般难以见到变形孪晶，而在密排六方晶体中比较容易见到。
因为密排六方晶体的滑移系少，塑性变形经常以孪生方式进行。
图4一2a为锌的变形孪晶，其形貌特征为薄透镜状。
纯铁在低温下受到冲击时也容易产生变形孪晶，其形貌如图4一2b所示，在这种条件下萌生孪晶并长大的速度大大超过了滑移速度。
a 锌的变形孪晶100⨯b 铁的变形孪晶 100⨯图4—2 变形孪晶光学显微形貌如果将变形孪晶试样重新磨制、抛光、浸蚀，是否如同滑移带那样也会消失呢？并不是这样的。
金属材料的四种强化方式
金属材料的四种强化方式一．细晶强化通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。
通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。
实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。
这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。
故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。
晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。
细化晶粒的方法1，增加过冷度；2，变质处理；3，振动与搅拌；4，对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒。
二．固溶强化定义：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。
原理：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。
在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。
影响因素（1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。
（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
（4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。
金属材料的强化方法_细晶强化_沉淀强化_固溶强化_第二相强化_形变强化
金属的五种强化机制及实例1 固溶强化(1)纯金属加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。
（2）固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。
合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。
畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。
位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。
（3）实例：表1 列出了几种普通黄铜的强度值, 它们的显微组织都是单相固溶体, 但含锌量不同, 强度有很大差异。
在以固溶强化作为主要强化方法时, 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素, 例如在铝合金中加入铜、镁; 在镁合金中加入铝、锌; 在铜合金中加入锌、铝、锡、镍; 在钛合金中加入铝、钒等。
表1 几种普通黄铜的强度(退火状态)对同一种固溶体, 强度随浓度增加呈曲线关系升高, 见图1。
在浓度较低时, 强度升高较快, 以后渐趋平缓,大约在原子分数为50 %时达到极大值。
以普通黄铜为例: H96 的含锌量为4 % , σb 为240MPa , 与纯铜相比其强度增加911 %;H90 的含锌量为10 % , σb 为260MPa , 与H96 相比强度仅提高813 %。
2 细晶强化(1) 晶界上原子排列紊乱, 杂质富集,晶体缺陷的密度较大, 且晶界两侧晶粒的位向也不同, 所有这些因素都对位错滑移产生很大的阻碍作用, 从而使强度升高。
晶粒越细小, 晶界总面积就越大, 强度越高, 这一现象称为细晶强化。
(2) 细晶强化机制：通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。
实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。
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脆性 材料
使在断裂前发生较
塑性材料
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
应变
韧性也比较好。
第4章金属变形与强化
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 法称细晶强化。
多晶体金属的屈服点 与其晶粒直径的关系 符合霍尔-佩奇公式
d——晶粒的平均直径，单位为cm
第四章 金属的变形与强化
塑性变形及随后的加热对金 属材料组织和性能有显著的 影响. 了解塑性变形的本质, 塑性变形及加热时组织的变 化，有助于发挥金属的性能 潜力，正确确定加工工艺.
第4章金属变形与强化
5万吨水压机
第一节 纯金属的塑性变形
一、单晶体金属的塑性变形
单晶体受力后，外力在 任何晶面上都可分解为 正应力和切应力。
面和晶向相对于另一部分发生相对 滑动的现象。
1、滑移变形的特点 ： ⑴ 滑移只能在切应力的作
用下发生。产生滑移的最 小切应力称临界切应力.
⑵ 滑移常沿晶体中原子密 度最大的晶面和晶向发生。
因原子密度最大的晶面和 晶向之间原子间距最大， 结合力最弱，产生滑移所 需切应力最小（如右图）
沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移 方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。
第二节 合金的塑性变形与强化 机制
合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种. 合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.
第4章金奥属氏变体形与强化珠光体
实际工程材料中，一切阻碍位错运动的因素 都会使金属的强度提高，造成强化。
阻碍位错运动的障碍有四种： 溶质原子——固溶强化 第二相粒子——沉淀强化 晶界————晶界强化 位错本身——位错强化
理论临界切应力值比实际测量临界 切应力值大3-4个数量级。滑移是通 过滑移面上位错的运动来实现的。
多脚 虫 的 爬 行
晶体通过位错运动产生滑移 时，只在位错中心的少数原 子发生移动，它们移动的距 离远小于一个原子间距，因 而所需临界切应力小，这种 现象称作位错的易动性。
刃位错的运动
㈡ 孪生 孪生是指晶体的一
部分沿一定晶面和 晶向相对于另一部 分所发生的切变。
发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的 晶面称孪生面。
孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。
孪生示意图
孪晶组织
与滑移相比： 孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.
2、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
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。这种弹性变形 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。
第4章金属变形与强化
㈡ 多晶体金属的塑性变形过程 多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于
或接近于45°的晶粒。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 σ
σ
示出明显的塑性变形。
铜多晶试样拉伸后形成的滑移带
第4章金属变形与强化
㈢ 晶粒大小对金属力学性能的影响
第4章金属变形与强化
密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。 体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生 孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变 形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原 子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。
钛合金六方相中的第形4章变金孪属晶变形与强化 奥氏体不锈钢中退火孪晶
切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动
转动的原因：晶体滑移后使正应
力分量和切应力分量组成了力偶.
A0
当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45°角时，滑移
方向上切应力 最大，因而最
F A0
容易发生滑移.
A1
滑移后, 滑移
面两侧晶体的
位向关系未发
生变化。
F
第4章金属变形与强化
韧性断口
2、滑移的机理 把滑移设想为刚性整体滑动所需的
二、多晶体金属的塑性变形 单个晶粒变形与单晶体相似,
多晶体变形比单晶体复杂。 ㈠晶界及晶粒位向差的影响 1、晶界的影响 当位错运动到晶界附近时，
受到晶界的阻碍而堆积起来, 称位错的塞积。要使变形继 续进行, 则必须增加外力, 从 而使金属的变形抗力提高。
晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
第4章金属变形与强化
⑶滑移时，晶体两部分的相对 位移量是原子间距的整数倍.
滑移的结果在晶体表面形成台 阶，称滑移线，若干条滑移线 组成一个滑移带。
第4章金属变形与强化
铜拉伸试样表面滑移带
⑷ 滑移的同时伴随着晶体的转动 转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上
滑移方向向最大切应力方向转动。
金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。
因为金属晶粒越
度晶
细，晶界总面积
关粒 系大
越大，位错障碍
小
与
越多；需要协调
金
属
的具有不同位向
强
的晶粒越多，使
金属塑性变形的
抗力越高。
第4章金属变形与强化
金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。
因为晶粒越细，单位体积内晶粒目越多，参与变
形的晶粒数目也越
多，变形越均匀，
正应力只能引起弹性变
外
的 分 解
力 在 晶 面
上
切
应
变 形
力 作 用
下
的
锌 单 照晶 片的 拉 伸
形及解理断裂。只有在
切应力的作用下金属晶
体才能产生塑性第变4章形金属。变形与强化
韧性断口
第4章金属变形与强化
脆性解理断口
塑性变形的形式：滑移和孪生。 金属常以滑移方式发生塑性变形。 ㈠ 滑移 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶
第4章金属变形与强化
一个滑移面
和其上的一
个滑移方向
构成一个滑
移系。
三种典型金属晶格的滑移系
晶格
体心立方晶格
面心立方晶格
滑移面 {110}
滑移 方向
{111} {110}
{111}
滑移系
密排六方晶格
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也 越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。
因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。