形变强化-4
表面形变强化技术
奥赫弗尔特理论
• 奥赫弗尔特认为，喷丸的残余应力的产生 取决于两个方面的机制： • 一方面由于大量弹丸压人产生的切应力造 成了表面塑性延伸； • 另一方面，由于弹丸的冲击产生的表面法 向力引起了赫芝压应力与亚表面应力的结 合。 • 在大多数材料中这两种机制并存。
喷丸产生的残余压应力
• 经喷丸和滚压 后，金属表面产生 的残余压应力的大 小，不但与强化方 法、工艺参数有关， 还与材料的晶体类 型、强度水平以及 材料在单调拉伸时 的硬化率有关。
• 这种表面形貌和表层组织结构产生的变化，有效 地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳 强度。
二、表面形变强化的主要方法及应用
• （一）表面形变强化的 主要方法 • 1．滚压 • 目前，滚压强化用的滚 轮、滚压力大小等尚无 标准。 • 对于圆角、沟槽等可通 过滚压获得表层形变强 化，并能在表面产生约 5mm深的残余压应力， 其分布如图所示。
残余压应力
• 具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁 基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高， 可达材料自身屈服点的2－4倍。
• 材料的硬化率越高，产生的残余压应力越 大。
表面强化方法
有效地提高了金属表面强度、耐应力腐蚀性能和疲劳强度。
• 表面强化方法还可消除切削加工留下的刀痕； • 表面形变强化手段还可能使表面粗糙度略有增 加，但却使切削加工的尖锐刀痕圆滑，因此可减 轻由切削加工留下的尖锐刀痕的不利影响。
喷丸强度
• 当弧高度f达到饱和值，试片表面达到全覆 盖率时，以此弧高度f定义为喷九强度。 • 喷丸强度的表示方法是0.25C或fc=0.25， 字母或脚码代表试片种类，数字表示弧高 度值（单位为mm）。
（2）表面覆盖率试验
• 喷丸强化后表面弹丸坑占有的面积与总面 积的比值称为表面覆盖率。 • 一般认为，喷丸强化零件要求表面覆盖率 达到表面积的100％即全面覆盖时，才能有 效地改善疲劳性能和抗应力腐蚀性能。
比较形变强化,细晶强化,合金强化,热处理强化的异同点。
比较形变强化，细晶强化，合金强化，热处理强化的异同点。
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论述四种强化的强化机理强化规律及强化方法
论述四种强化的强化机理强化规律及强化方法 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 20201、形变强化形变强化：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。
机理：随塑性变形的进行，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Δσ=αbGρ1/2，可知强度与位错密度（ρ）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。
方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）。
形变强化的实际意义（利与弊）：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；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、零件的冲压成形等；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。
另一方面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，给继续变形带来困难，中间需要进行再结晶退火，增加生产成本。
2、固溶强化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称为固溶强化。
强化机理：一是溶质原子的溶入，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；二是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；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。
所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。
固溶强化规律：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差越大，强化效果越显著；③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；④溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。
表面改性技术形变强化
二、表面形变强化的主要方法及应用
（一）表面形变强化的 主要方法 1．滚压 目前，滚压强化用的滚 轮、滚压力大小等尚无 标准。 对于圆角、沟槽等可通 过滚压获得表层形变强 化，并能在表面产生约 5mm深的残余压应力， 其分布如图所示。
2．内挤压
内孔挤压是使孔的内表面获得形变强化 的工艺措施，效果明显
喷丸速度对表层残余应力有明显影响试验表明当弹丸粒度和硬度不变提高压缩空气的压力和喷射速度不仅增大了受喷表面压应力而且有利于增加变形层的深度6不同表面处理后的表面残余应力的比较不同表面处理后的表面残余应力及疲劳极限如下表所示
第六章 表面改性技术
采用某种工艺手段使材料表面获得与其基 体材料的组织结构、性能不同的一种技术。
（4）弹丸形状对喷丸表面形貌的影响
球形弹丸高速喷射工件表面后，将留下 直径小于弹丸直径的半球形凹坑，被喷 面的理想外形应是大量球坑的包络面。 这种表面形貌能消除前道工序残留的痕 迹，使外表美观。同时，凹坑起储油作 用，可以减少摩擦，提高耐磨性。
（5）喷丸表层的残余应力
喷丸处理能改善零件表层的应力分布。 喷丸后的残余应力来源于表层不均匀的塑性 变形和金属的相变，其中以不均匀的塑性变 形最重要。
4．旋片喷丸工艺
5．喷丸表面质量及影响因素
(1) 喷丸表层的塑性变形和组织变化。
金属的塑性变形来源于晶面滑移、孪生、 晶界滑动、扩散性蠕变等晶体运动，其 中晶面间滑移最重要。晶面间滑移是通 过晶体内位错运动而实现的。
喷丸表层的组织变化
金属表面经喷丸后，表面产生大量凹坑形式的塑性 变形，表层位错密度大大增加。而且还会出现亚晶 界和晶粒细化现象。 喷丸后的零件如果受到交变载荷或温度的影响，表 层组织结构将产生变化，由喷丸引起的不稳定结构 向稳定态转变。
金属材料的强化方式
金属材料的强化方式，你了解多少？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，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。
形变强化的原理
形变强化的原理嘿，咱今儿就来说说形变强化这档子事儿！你看啊，这形变强化就好比是一个人不断锻炼让自己变得更强壮。
咱平常生活里不也有这样的例子嘛，就说那铁匠打铁，一下又一下地敲打着铁块，铁块不就慢慢变了形状，而且还更坚硬了呢！这和形变强化不是一个道理嘛！材料也是这样呀，给它来点外力，让它发生形变，嘿，它就变得更厉害了。
就好像咱人遇到困难，扛过去了，就变得更牛了一样。
你想想，要是材料不经过这形变强化，那能行吗？那不得软趴趴的，啥都干不了呀！就像一个人不锻炼，弱不禁风的，能有啥出息！这形变强化可是有大学问的呢。
它能让材料的性能蹭蹭往上涨。
比如说，让它更耐磨啦，更抗压啦，就像咱人经过磨练后更能吃苦、更能抗压一样。
咱再打个比方，好比是盖房子。
那房子的大梁要是没经过好的形变强化处理，能撑得住那么重的房顶吗？万一哪天来个大风大雨的，那不就垮了呀！这可不行，咱得要质量过硬的呀！你说这形变强化是不是特别重要？它就像是材料界的秘密武器，能让普普通通的材料一下子变得厉害起来。
而且这过程也挺有意思的，看着材料一点点变化，就像看着自己成长一样，特有成就感！形变强化可不仅仅是让材料变硬变强这么简单哦，它还能让材料的内部结构发生变化呢。
就好像咱人经历了一些事情后，内心也会变得不一样，更成熟、更有深度了。
咱生活中好多东西都用到了形变强化呀，小到一个螺丝钉，大到一架飞机，哪个不需要经过这样的处理来让自己更可靠呢？所以啊，咱可别小瞧了这形变强化，它可是在背后默默为我们的生活保驾护航呢！它让我们使用的东西更耐用、更安全。
没有它，咱的生活还不知道会变成啥样呢！你说是不是这个理儿？这形变强化啊，真的是太神奇、太重要啦！原创不易，请尊重原创，谢谢!。
举例说明变形强化的原理
举例说明变形强化的原理
变形强化是指通过加工和处理材料，使其具有更好的力学性能和物理性能的技术。
它的原理主要包括以下几个方面：
1. 晶粒细化：通过加工和处理，将原本粗大的晶粒变得更加细小。
这样可以提高材料的强度和韧性，因为细小的晶粒之间的界面可以有效阻止位错的运动，从而增强材料的抗变形能力。
例如，在冷加工过程中，材料会经历多次冷变形，使得晶粒逐渐细化，从而提高材料的强度和硬度。
2. 相变强化：通过相变来增强材料的性能。
在材料经历相变过程时，晶格结构发生改变，从而使得材料的性能得到改善。
例如，在钢材中，通过调整碳含量和冷却速度，可以使钢材发生相变，从而得到不同的组织结构，如马氏体、贝氏体等，从而提高钢材的强度和硬度。
3. 化学强化：通过添加合适的元素和化合物来改善材料的性能。
这些添加剂可以与基体材料发生化学反应，形成强化相，从而提高材料的强度和硬度。
例如，在铝合金中添加适量的铜和锌等元素，可以形成强化相，从而提高铝合金的强度和硬度。
4. 热处理强化：通过控制材料的加热和冷却过程，使其发生相变和组织结构改变，从而提高材料的性能。
例如，在钢材中，经过适当的加热和冷却处理，可以使钢材发生奥氏体转变，从而提高钢材的强度和韧性。
通过以上的变形强化原理，可以有效改善材料的性能，提高材料的强度、硬度、韧性等，从而满足不同工程应用的需求。
Lecture8-金属的物理屈服和形变强化
强化方法; (4) 形变强化可降低塑性, 改善低碳钢切削加工性能。
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形变强化的影响因素
金属本性和晶格类型 层错能低的金属材料容易产生比较高的应力集中, 应变 硬化程度高； FCC金属中, 层错能低的扩展位错宽度大, 难以合并为全 位错, 很难交滑移, 所以形变趋势大；层错能高的形变强 化趋势低； 体心立方金属中位错很难扩展， 所以强阶段
形变强化速率大,θII≈G/300, 变形曲线为直线, 多个滑移系 被开动, 产生多系交叉滑移, 形成割阶、固定位错和胞状
结构等障碍, 阻碍位错运动, 表现为形变强化速率升高.
第III阶段：抛物线强化阶段
强化曲线呈抛物线状, θIII随变形增 加而减少。对于那些容易交滑移 的晶体, 如BCC金属和层错能高的 FCC等, 其第II阶段很短, 位错滑移 快速进入第III阶段。
部分金属的层错能和应变硬化指数n
金属
晶体结构 层错能/mJ﹒m-2 应变硬化指数n
奥氏体不锈钢 FCC
＜10
≈0.45
铜
FCC
≈90
≈0.40
铝
FCC
≈250
≈0.25
铁素体(α-Fe) BCC
≈259
≈0.20
14
ln S ln K nln e
e与S之间对数呈线性关系, 常用这 lg s
金属的物理屈服现象与机理 金属的形变强化 影响形变强化的因素 金属的颈缩现象和抗拉强度
2
金属的物理屈服
金属的物理屈服现象
在应力-应变曲线上出现应力不增加, 时而有所降低, 而 变形仍在继续进行的现象, 称为物理屈服现象。
3
金属的应变时效
对于出现物理屈服的金属，在 均匀塑性变形阶段卸载后，把 试件在100-200℃下回火2h， 再加载，则屈服强度升高，且 又出现物理屈服现象，称之为 应变时效。
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5.2 塑性变形加工及强化
在变形过程中稳定（不长大）
实际产业化应用有一定难度。
交滑移（螺位错）、位错的交截（割阶）、固定位错
、位错的塞积
1.3 孪生：
当晶体难以进行滑移时所采用的一种变形方式， 常发生在hcp结构金属Zn、Mg、Cd等或低温下 变形的金属中。
1.4 晶体的扭折 当晶体不能进行滑移或孪生变形时，所作的不均 匀局部塑性变形。
2 多晶体塑性变形特点
各晶粒变形的不同时性（与各晶粒的位向有关）；
A：铝合金板材：轧制硬化＋固溶软化
B：铜合金管材：挤压硬化＋退火软化
C：高合金电阻丝：拉丝＋中间退火
D：高温塑性变形：动态回复与动态再结晶
E：应变时效：应变导致沉淀析出 F：应变诱发马氏体：耐磨高锰钢、奥氏体不锈 钢、无磁高锰钢 G：喷丸（沙）表面强化
6 超塑性
材料延伸率大于100％的特性。必须满足以下条件： A：在Tm 大于0.5Tm 的高温下出现 B：要求变形速度小（形变速率小于0.001/s） C：微观组织为细小等轴晶（10微米以下），且晶 粒
形变强化
《材料强度学》课程内容之四
2008年5月25日
1 单晶体塑性变形基础
1.1 外力应力作用下的滑移现象： 滑移面（密排面）、滑移方向（密排方向）、滑移系 滑移线、滑移带； 滑移的临界分切应力： = (cos cos) F/A cos cos－Schmid 取向因子
滑移时晶面的转动、多滑移（由于晶面转动）
= 0 ＋ Gb 1/2
1 交滑移产生 使位错运动 阻力减小； 2 位错缠结所 形成的位错 胞减小的位 错运动自由 程，使位错 运动阻力增 大。 切应变
3.2 多晶体的加工硬化
拉 应 力 晶粒尺寸 0.11mm
0.53mm
切应变
无单系滑移阶段，且与晶粒尺寸有很大关系。
4 塑性变形后的残余应力和点阵畸变
各晶粒系上滑移，才能避免产生空隙而导致材料破坏）。
3 塑性变形后金属性能的变化
强度、硬度提高，塑性、韧性下降 导电性、导磁性下降，化学活性增加（能量 增高）、腐蚀速度加快（应力腐蚀）。
3.1 单晶体的加工硬化
切 应 力 易滑移（单 系滑移）阶 段，仅取向 有利的滑移 系开动。故 加工硬化率 低。 屈服点 单系滑移发 展到晶体转 动，多个滑 移系开动， 固定位错、 位错割阶产 生，位错运 动阻力加大， 故加工硬化 率急剧增加。
1.2 滑移的位错机制： 位错运动的点阵阻力派－纳力（Peierls－Nabarro） ＝ 2G/(1- )exp[-2a/(1- )b] = 2G/(1- )exp[-2W/(1- )b] W= a/(1- ), 称为位错宽度，a－滑移面间距 可以看出密排面和密排方向的阻力最小。
宏观残余应力（第一类残余应力）：大范围 微观残余应力（第二类残余应力）：晶粒间 点阵畸变（第三类残余应力）：点阵缺陷（占金属 变形储存能的80－90％，总变形储存能又占塑性变 形能的约10％，其余为热量散发）。 热力学不稳定状态，是变形金属回复与再结晶的驱 动力。
5 形变强化的应用
5.1 冷拉高强度钢丝