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金屬材料的強(qiáng)化理論之形變強(qiáng)化

2022-08-15 16:36:54 作者：理化檢驗(yàn)物理分冊來源：理化檢驗(yàn)物理分冊分享至：

1 形變強(qiáng)化現(xiàn)象

金屬經(jīng)軋制、沖壓、彎曲等冷加工變形后，其強(qiáng)度、硬度上升，塑性降低的現(xiàn)象。

2 單晶體的塑性變形

1.單晶體塑性變形基本方式——滑移

2.滑移系

一個(gè)滑移面和在此面上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。

一般來說，滑移面通常是原子密排面，滑移方向是原子排列最緊密的方向金屬中滑移系越多，其塑性越好。

3. 滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)

當(dāng)晶體在拉伸力F作用下發(fā)生滑移時(shí)，假如不受夾頭對滑移的限制，滑移面和滑移方向保持不變，拉伸時(shí)的取向不變化。當(dāng)有夾頭限制時(shí)，為了保持抗拉伸軸的方向固定不變，單晶體的取向必須相對轉(zhuǎn)動(dòng)，即滑移面和滑移方向發(fā)生變化。

4. 多系滑移

只有一個(gè)滑移系開動(dòng)的情況（單系滑移）一般發(fā)生在滑移系較少的密排六方結(jié)構(gòu)的金屬中。對于滑移系較多的晶體來說，起始滑移首先在取向最有利的滑移系中進(jìn)行，但由于晶體轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，其他滑移系中的分切應(yīng)力有可能達(dá)到足以引起滑移的臨界值，于是滑移過程將在兩個(gè)或多個(gè)滑移系中同時(shí)或交替進(jìn)行。

3 滑移的位錯(cuò)機(jī)制

1.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與晶體滑移

銅晶體的理論計(jì)算強(qiáng)度為1500MPa，而其實(shí)測強(qiáng)度僅有0.98MPa。這說明實(shí)際晶體的滑移不是晶體的一部分相對于另一部分做整體的剛性移動(dòng)，而是通過位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下沿滑移面逐步移動(dòng)的結(jié)果。

當(dāng)一條位錯(cuò)線移到晶體表面時(shí)，便在表面留下一個(gè)原子間距的滑移變形。

2.滑移的機(jī)理

把滑移設(shè)想為剛性整體滑動(dòng)所需的理論臨界切應(yīng)力值比實(shí)際測量臨界切應(yīng)力值大3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。滑移是通過滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。

刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)

3. 位錯(cuò)增殖

晶體塑性變形時(shí)產(chǎn)生大量滑移帶，為此需要極多的位錯(cuò)。實(shí)際晶體在變形時(shí)位錯(cuò)數(shù)目非但不減少，反而增加，說明存在位錯(cuò)增殖機(jī)制。

4. 位錯(cuò)的交割和塞積

在多系滑移時(shí)，不同滑移面上的位錯(cuò)相遇，形成割階（一段新的位錯(cuò)線），一方面增加了位錯(cuò)線的長度，另一方面還可能形成難以運(yùn)動(dòng)的固定割階，成為后續(xù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。

位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)過程中，如果遇到固定位錯(cuò)、雜質(zhì)粒子、晶界等障礙物，領(lǐng)先的位錯(cuò)在障礙物前被阻止，后續(xù)位錯(cuò)被塞積起來，形成位錯(cuò)平面塞積群，并在障礙物前端形成高度應(yīng)力集中。

5. 切變與孿生

孿生是晶體的一部分相對另一部分沿一定晶面（稱為孿生面）產(chǎn)生一定角度的均勻切變過程。孿晶界兩側(cè)晶體呈鏡面對稱分布。

孿生也是一種塑性變形方式。孿生使晶格位向發(fā)生改變，所需切應(yīng)力比滑移大得多, 變形速度接近聲速，相鄰原子面的相對位移量小于一個(gè)原子間距。

密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬，一般不發(fā)生孿生變形，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，這是由于相變過程中原子重新排列時(shí)發(fā)生錯(cuò)排而產(chǎn)生的，稱退火孿晶。

4 多晶體塑性變形特點(diǎn)

1.不同時(shí)性

在多晶體變形時(shí)，只有處在有利取向（取向因子最大）晶粒的滑移系才能首先開動(dòng)。

2.協(xié)調(diào)性

多晶體變形時(shí)，一個(gè)晶粒的變形必須與臨近晶粒的變形相互協(xié)調(diào)，以免晶粒間產(chǎn)生斷裂。多晶體的塑性變形是通過各晶粒的多系滑移來保證相互協(xié)調(diào)的。

3.不均勻性

多晶體變形時(shí)，各晶粒變形量不同，而且由于晶界強(qiáng)度高于晶粒內(nèi)部，使得每個(gè)晶粒內(nèi)部的變形也是不均勻的。

5 塑性變形對金屬組織和性能影響

1.塑性變形對金屬組織的影響

1）形成纖維組織

金屬塑性變形時(shí)，晶粒沿著變形方向被拉長，當(dāng)變形量很大時(shí)，變成纖維狀條紋。

2）形成形變織構(gòu)

隨著變形的發(fā)生，還伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)。在形變量很大時(shí)，各晶粒的取向會(huì)趨于一致。這種由于變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫做形變織構(gòu)。

3）亞結(jié)構(gòu)細(xì)化

冷變形會(huì)增加晶粒中的位錯(cuò)密度，隨著變形量的增加，位錯(cuò)交織纏結(jié)，在晶粒內(nèi)部形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。

4）點(diǎn)陣嚴(yán)重畸變

2.塑性變形對金屬性能的影響

1）塑性變形對金屬力學(xué)性能的影響

由于形成了纖維組織和形變織構(gòu)，導(dǎo)致金屬明顯的各向異性。

由于位錯(cuò)密度升高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)相互交割加劇，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積群、割階、纏結(jié)網(wǎng)等障礙，阻礙位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，引起形變抗力增加，提高了金屬的強(qiáng)度。

2）塑性變形對金屬物理-化學(xué)性能的影響

隨著塑性變形的增加，金屬的導(dǎo)電性、電阻溫度系數(shù)和導(dǎo)熱性下降，導(dǎo)磁率、磁飽和度下降，矯頑力增加，內(nèi)能、化學(xué)活力增加，耐蝕性下降。

6 冷變形金屬的回復(fù)和再結(jié)晶

1.冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化

金屬經(jīng)冷變形后, 組織處于不穩(wěn)定狀態(tài), 有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可長時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。

2.回復(fù)

經(jīng)冷塑性變形的金屬加熱時(shí)，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前（即再結(jié)晶晶粒形成前）所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能之間的變化過程叫做回復(fù)。

在回復(fù)階段金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等。

由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使其由冷塑性變形時(shí)的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植迹纬蓙喚Ы纾@一過程稱多邊形化。