第三章 改变材料性能的主要途径(01 金属的塑性变形)
改善材料性能的主要途径
•组织：回火索氏体，细小均匀，力性优于正火。
•比较： 表3-1
1. 改善热加工后的组织与性能 （预先热处理的应用之一） (1)大型铸、锻件（扩散退火） •共性：成分不均匀（偏析）、组织不均匀、性能低 且不均匀。 •工艺：高温长时均匀化处理（扩散退火），1050℃ ～1150℃ ，10～15h炉冷。 •特点：周期长、耗能，烧损材料，晶粒粗大；用于质 量要求较高的合金钢锭、坯。 (2)改善一般热加工件的不良组织（完全退火） •共性：粗晶、带状组织、魏氏组织等。 •工艺：完全退火 Ac3 +20～50℃ ，亚共析钢得等轴 F + P 。
1）分级淬火 150～200℃保温5分钟，再空冷（A→M） （主要用于合金钢）。 2）等温淬火 250 ～ 400℃ 0.5 ～2 h（A → B下转变） （主要用于合金钢）。 3）冷处理 冷却到室温后→-60 ～-80℃或更低，残A→M （用于精密零件或高耐磨零件）。
•课后思考题: 1.淬透性对零件的尺寸与结构设计或选 材有什么影响？ 2.碳钢能否采用分级淬火与等温淬火， 为什么？
1. 表面改性的目的
• 以下情况表面最易损伤：受弯曲、扭转负荷以及表 面经受磨损和腐蚀等。 • 工件表面往往存在不可避免的表面缺陷：划痕、刀 痕、切口等。 • 因此，破坏最易从表面起源（尤其疲劳破坏），必 须针对性的提高工件的表面性能。
A长大：α-Fe → γ -Fe的晶格改组+Fe3C的溶解。
残余Fe3C溶解：滞后于A的形成。 A 的均匀化：成分的扩散均匀。
•说明： ①非共析钢（F + P 或 Fe3C + P），除 P→A 外，尚有 F 或 Fe3C 溶入 A 。 ②由于 转变滞后 （△T），加热时需达到Ac1 ，Ac3 ， Accm；冷却时Ar1，Ar3，Arcm。 ③加热速度v↑，△T↑，P→A转变越快，孕育期↓，奥氏 体形成所需时间越短。 ④P→A 刚完成时为细小等轴晶，随后逐渐晶粒长大。
改善金属材料性能的主要方法
改善金属材料性能的主要方法金属材料是工程领域中常见的材料之一，其性能的好坏直接影响着产品的质量和使用寿命。
因此，改善金属材料的性能成为了工程领域中的重要课题。
在实际生产和应用中，我们可以通过多种方法来改善金属材料的性能。
首先，合金化是一种常用的方法。
通过向金属中添加其他元素，可以改变金属的晶体结构和化学成分，从而提高金属的硬度、强度、耐腐蚀性等性能。
例如，将铁与碳合金化可以制备出钢，钢比纯铁具有更高的硬度和强度。
此外，还可以通过添加其他合金元素如铬、镍、钛等来改善金属的性能，使其具有更多的特殊性能，如耐高温、耐磨等。
其次，热处理是另一种常用的方法。
金属经过热处理可以改变其晶体结构和内部应力状态，从而提高其硬度、强度和耐磨性。
常见的热处理方法包括退火、正火、淬火、回火等，通过不同的热处理工艺可以得到不同性能的金属材料。
例如，淬火可以使金属具有高硬度和强度，适用于制作刀具、轴承等零部件。
另外，表面处理也是改善金属材料性能的重要手段。
金属材料的表面处理可以改善其耐腐蚀性、耐磨性和外观质量。
常见的表面处理方法包括镀层、喷涂、氮化、氧化等。
例如，对钢铁材料进行镀锌处理可以提高其耐腐蚀性，延长其使用寿命；对铝合金进行阳极氧化处理可以提高其表面硬度和耐磨性。
此外，材料的形状设计也可以影响其性能。
合理的形状设计可以减少材料的应力集中，提高其承载能力和抗疲劳性能。
例如，在零部件设计中，通过合理的结构设计和工艺优化可以减少材料的应力集中，延长零部件的使用寿命。
综上所述，改善金属材料性能的方法包括合金化、热处理、表面处理和形状设计等多种途径。
在实际工程中，可以根据具体的要求和条件选择合适的方法来改善金属材料的性能，从而满足不同领域的需求。
通过不断的研究和实践，我们可以不断提高金属材料的性能，推动工程技术的发展。
提高金属塑性的措施及机理
提高金属塑性的措施及机理引言金属塑性是指金属材料在外力作用下能够发生塑性变形的能力。
提高金属塑性不仅能够改善材料的加工性能，还能够增加其使用范围和寿命。
本文将介绍一些常见的提高金属塑性的措施及其机理。
1. 热处理热处理是通过改变金属的晶体结构和组织来提高其塑性。
常见的热处理方法包括退火、淬火和回火。
这些方法的原理是通过改变金属材料的晶粒结构来改善其塑性。
1.1 退火退火是将金属材料加热至一定温度，然后缓慢冷却到室温的过程。
退火可以有效地消除金属内部的应力，使金属晶粒重新排列，从而提高金属的塑性。
退火可以使金属的晶粒尺寸增大，晶界的移动受到限制，从而提高金属的塑性。
1.2 淬火淬火是将金属材料加热至一定温度，然后迅速冷却至室温的过程。
淬火可以使金属材料的晶体结构变得致密，从而提高金属的硬度和塑性。
淬火通常用于高碳钢等材料，可以显著提高其强度和韧性。
1.3 回火回火是将淬火过的金属材料重新加热至一定温度，然后保温一段时间，最后缓慢冷却到室温的过程。
回火可以降低金属的硬度，增加其塑性，并且使金属具有一定的韧性。
回火可以使金属材料的组织逐渐回复到均匀和稳定的状态。
2. 应变硬化应变硬化是指金属材料在变形过程中，由于晶格的位错运动而引起的硬化现象。
通过增加材料的位错密度和增加位错的移动阻力，可以显著提高金属材料的塑性。
应变硬化的机理主要有以下几个方面：2.1 自脱附当金属材料受到外力作用时，晶体内会产生位错。
位错会阻碍晶体结构的移动，从而增加金属材料的硬度和强度。
自脱附是指晶体中的位错相互抵消或消失的现象，使晶体恢复到无位错状态，从而使金属材料的塑性增加。
2.2 滑移与变形滑移是指晶体中原子或离子相对于晶体的转移运动。
当金属材料受到外力作用时，晶体中的原子会沿着滑移面产生滑移运动，从而引起金属材料的变形。
滑移可以增加材料的位错密度，从而提高金属材料的塑性。
2.3 固溶体间析固溶体间析是指金属材料中不同元素的固溶体相互分离的现象。
第二专题A改变金属材料性能的主要途径
一.塑性变形
压力加工方法示意图
图2-1 压力加工方法
二.金属单晶体的塑性变形
金属单晶体的塑性变形有“滑移”与“孪晶” 等不同方式，但一般大多数情况下都是以滑移 方式进行的。 下面我们具体看一下单晶体塑性变形的基本方 式——滑移。 1.滑移的表象 2.滑移的机理 3. 晶体的滑移面、滑移方向及滑移系 4. 晶体在滑移过程中的转动
2. 多晶体金属的变形过程
图2-6 多晶体的拉伸实验示意图
四.冷塑性变形对金属组织和性能的影响 经过塑性变形，可使金属的组织和性能发生一系列 重大的变化，这些变化大致可以分为如下四个方面： 晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性 晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化 织构现象的产生 残余内应力
锌单晶体拉伸试验
图2-3 锌单晶体拉伸试验示意图 （a）变形前试样 （b）变形后试样
2.滑移的机理
晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表 现。但晶体内相邻两部分之间的相对滑移，不是 滑移面两侧晶体之间的整体刚性滑动，而是由于 晶体内存在位错，因位错线两侧的原子偏离了平 衡位置，这些原子有力求达到平衡的趋势。 当晶体受外力作用时，位错（刃型位错）将垂直 于受力方向，沿着一定的晶面和一定的晶向一格 一格地逐步移动到晶体的表面，形成一个原子间 距的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错 移动到晶体表面所形成的台阶。
2 .再结晶
再结晶过程同样是通过形核和长大两个过 程进行的。 再结晶结束后，金属中内应力全部消除， 显微组织恢复到变形前的状态，其所有性 能也恢复到变形前的数值，消除了加工硬 化。 所以再结晶退火主要用于金属在变形之后 或在变形的过程中，使其硬度降低，塑性 长高，便于进一步加工。
第三章 改变材料性能的主要途径(02晶粒细化和合金化)
为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。
-Fe
2014年12月28日星期日
-Fe
2014年1在金属中加入某些合金元素，使之具有某 种性能的方法称为金属的合金化。经合金 化后可提高金属的强度、硬度及耐蚀性、 热硬性、淬透性及其他物理性能等，以下 主要讨论提高金属强度、硬度的合金化强 化原理、方法和应用。
To
T1
实际冷却曲线
时间
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过冷现象与过冷度
• 过冷现象 金属的实际结晶温度T1低于理论 结晶温度T0的现象。 • 过冷度 金属实际结晶温度与理论结晶温度 之差称为过冷. • 过冷是结晶的必要条件。 过冷度随金属的本性和纯度的不同，以及 冷却速度的差异可以在很大的范围内变化。 冷却速度越快，结晶温度越低，过冷度 越大,反之冷却速度慢，过冷度则小。
式中，σy为流变应 力，σ0为晶格摩擦 力，d为晶粒直径， ky为与材料有关的 参数，指数n常 取 0.5。
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• 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
前发生较大的塑性变形。 强度和塑性同时增加,金
材
料 σb (Mpa)
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1 固溶强化
固溶强化现象
溶质原子溶入金属基 体而形成固溶体，使 金属的强度、硬度升 高，塑性、韧性有所 下降，这一现象称为 固溶强化。
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固溶强化
置换固溶体
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间隙固溶体
固溶强化
固 溶 强 化 的 影 响 因 素
2014年12月28日星期日
改善金属材料性能的主要方法
改善金属材料性能的主要方法首先，合金化是改善金属材料性能的重要手段之一。
通过向金属中添加一定比例的合金元素，可以改善金属的硬度、强度、耐磨性等性能。
例如，向铁中添加一定比例的碳元素可以制备出高强度的碳钢，向铝中添加一定比例的硅元素可以提高其耐磨性。
因此，合金化是改善金属材料性能的有效途径之一。
其次，热处理也是改善金属材料性能的重要方法之一。
通过对金属材料进行加热、保温和冷却等一系列工艺操作，可以调整金属的组织结构和性能。
例如，淬火可以使钢材获得高硬度和良好的耐磨性，退火可以消除金属材料中的残余应力，提高其塑性和韧性。
因此，热处理是改善金属材料性能的重要手段之一。
另外，表面处理也是改善金属材料性能的有效途径之一。
金属材料的表面处理可以提高其耐腐蚀性能、耐磨性能和装饰性能。
例如，镀层可以在金属表面形成一层保护膜，提高其耐腐蚀性能；喷砂可以在金属表面形成一定的粗糙度，提高其耐磨性能。
因此，表面处理是改善金属材料性能的重要手段之一。
最后，纳米技术也为改善金属材料性能提供了新的途径。
通过纳米技术可以制备出纳米晶金属材料，其具有优异的力学性能和耐磨性能。
此外，纳米技术还可以制备出具有特殊功能的金属材料，如具有自清洁功能的涂层材料、具有自修复功能的金属材料等。
因此，纳米技术为改善金属材料性能开辟了新的研究方向。
综上所述，改善金属材料性能的主要方法包括合金化、热处理、表面处理和纳米技术。
这些方法各具特点，可以根据具体的应用需求进行选择和组合，以实现金属材料性能的优化和提升。
希望本文所介绍的内容能够为相关领域的研究人员和工程师提供一些帮助和启发。
改善金属材料性能的主要方法
改善金属材料性能的主要方法改善金属材料性能的主要方法包括合金化、热处理、塑性变形、表面处理和纳米材料应用等。
下面详细介绍这些方法及其作用。
首先是合金化。
合金化是通过向金属中添加其他元素，以改善金属的性能。
常见的合金元素有碳、硅、磷、锰、铬、镍、钼等。
合金化可以改变金属的晶体结构和相变温度，提高材料的强度、硬度、耐腐蚀性和热稳定性等性能。
例如，将钢中的碳含量控制在一定范围内，可以得到高强度、高韧性的淬火态钢；将铝中加入适量的铜、锰、镁等元素，可以获得高强度、耐蚀性好的铝合金。
其次是热处理。
热处理是指将金属材料加热至一定温度，然后冷却至室温的工艺。
热处理可以使金属材料的晶粒尺寸、晶界结构以及组织性能发生变化，从而改变材料的力学性能。
常见的热处理方法有退火、固溶处理、时效处理等。
退火可以消除材料内部应力，降低硬度，提高塑性和延展性，改善加工性能。
固溶处理是将合金加热至固溶温度，使合金元素溶解到金属基体中，然后通过快速冷却固化，使合金元素均匀分布在基体中，从而提高强度和硬度。
时效处理是将固溶处理后的合金在一定温度下保持一段时间，使固溶体析出出現析出相的長英，进一步提高强度和硬度。
第三是塑性变形。
塑性变形是通过机械力的作用，使金属材料发生塑性变形并改变组织结构和性能的方法。
常见的塑性变形方法有拉伸、压缩、挤压、弯曲等。
塑性变形可以改善材料的力学性能，提高韧性和塑性，并消除材料内部的缺陷和应力集中。
例如，将金属材料进行冷变形可以细化晶粒尺寸，提高硬度和强度，同时提高材料的延展性。
第四是表面处理。
表面处理是指通过对金属材料表面进行一系列化学或物理处理，改善材料的表面性能。
常见的表面处理方法有电镀、阳极氧化、喷涂、化学处理等。
表面处理可以提高金属材料的耐腐蚀性、耐磨性、耐疲劳性和耐热性等表面性能。
例如，通过电镀镀上一层防腐性能好的金属如镀锌，可以提高金属材料的抗腐蚀能力；通过阳极氧化对铝材进行表面氧化处理，可以得到一层耐磨、耐腐蚀的氧化层。
第三章_金属冷塑性变形解析
在变形过程中，随着变形程度的增加，位错密度 的变化规律如下：
bL
二、储存能的测定方法 储存能的确定是很难的。 其测量的方法有：热量法、X-射线法，还可根据 某些物理或机械性能来间接确定。
采用热量法测定储存能，我们还必须关注材料的 化学成分、晶粒尺寸、变形程度和变形温度。 总体情况是：1）变形程度增加，储存能增大； 2）变形方式不同，剩余功的变化会导致储存能的 变化；如铜，拉伸时是3.2-5.7 J/mol，压缩时是 3.8-8.3J/mol，拉拔时是-95J/mol。 3）低和中应变条件下，细晶的储存能比粗晶大， 但高应变条件下，储存能与晶粒无关。
轧制织构不仅有平行于轧制方向的特殊结晶学 方向，而且在轧制面上还有一个低指数平面。
面心立方晶格金属和合金有相当简单而又显著
的轧制织构，这就是{110}<112>；同时带有各不相
同的大量次级织构，在铜金属中，直到变形很大而
接近{112}<111>时，这些次级织构还都是杂乱的。
次级织构对再结晶织构退火的生长有影响。
图3.2 Stored energies of deformation for different orientations in the α fibre of cold-rolled iron and steel
3.2 金属组织结构的变化
• 金属塑性变形的物理实质基本上就是位错的运动， 位错运动的结果就产生了塑性变形。 • 在位错的运动过程中，位错、溶质原子、间隙位 置原子、空位、第二相质点都会发生相互作用， 引起位错的数量、分布和组态的变化。从微观角 度来看，这就是金属组织结构在塑性变形过程中 或变形后的主要变化。
第三章 金属在冷塑性变形中的组织结构与性 能变化
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塑性加工
2020年4月7日星期二
金属的塑性变形及再结晶
第一 金属的塑性变形 第二 冷塑性变形对金属组织与性能的影响 第三 冷变形金属在加热时的变化 第四 金属的热塑性变形（热变形加工）
2020年4月7日星期二
金属的塑性变形
1. 单晶体的塑性变形 2. 多晶体的塑性变形
2020年4月7日星期二
2020年4月7日星期二
16
2010年
• 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°时，滑移
方向上切应力最 大，因而最容易 发生滑移.
F A0
A1
（5）滑移后, 滑 移面两侧晶体的 位向关系未发生 变化。
F 2020年4月7日星期二
韧性断口
σ
σ
铜多晶试样拉伸后形成的滑移带
2020年4月7日星期二
18
2010年
• 2、滑移的机理 • 把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论
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
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19
2010年
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。
向相对于另一部分发生滑动位移的现象。
2020年4月7日星期二
• 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.
2020年4月7日星期二
10
• 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。
工程材料及热加工
Mechanical Engineering Materials & Hot Working Technology
刘红华
机械工程学院
第三章 改变材料性能的主要途径
一. 金属塑性变形对材料性能的影响 二. 金属的晶粒度对材料性能的影响 三. 金属的合金化 四. 金属的热处理 五. 高分子材料的增强与改性
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Cu-4.5Al合金 晶界的位错塞
积
28
2010年
• 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
便成为塑性体金属的塑 性变形抗力提高。
• 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。
铜拉伸试样表面滑 移带
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• ⑷ 滑移的同时伴随着晶体的转动——几何硬化 • 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。
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2010年
切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动
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2010年
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刃位错的运动示意图
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• 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 生的剪切变形。
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2010年
• 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。
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金属的塑性变形对 材料性能的影响
引言
塑性变形
1. 压力加工 得到预期外形的工件 改善金属内部组织，提供金属的强度和韧性
2. 材料在使用中发生变形 • 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.
12
密排六方晶格 2010年
• 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。
2020年4月7日星期二
• ⑶滑移是由滑移面上的位错运动造成的。 滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子 间距的整数倍.
孪生示意图
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孪晶组织
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2010年
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.
2020年4月7日星期二
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二、 多晶体的塑性变形
2020年4月7日星期二
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• 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，金属便显示 出明显的塑性变形。
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。
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• 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
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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。
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晶界对塑性变形的影响
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。正应力只能引起弹 性变形及解理断裂。只有在 切应力的作用下金属晶体才 能产生塑性变形。
外
切
锌
力
应
单
在
力
晶
晶
作
的
面
用
拉
上
下
伸
的
的
照
分
变
片
解
形
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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面和晶