第五章

材料的變形第一節(jié)金屬的塑性變形與再結(jié)晶

第二節(jié)高分子材料的變形第三節(jié)陶瓷材料的變形第一節(jié)金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、金屬的塑性變形與強(qiáng)化二、塑性變形對(duì)組織和性能的影響三、變形金屬在加熱過(guò)程中組織和性能的變化四、金屬的熱加工

變形后的金屬材料再加熱時(shí)，其內(nèi)部組織和性能會(huì)發(fā)生很大變化。因此研究金屬材料的塑性變形及變形后不規(guī)則加熱時(shí)的組織與性能的變化，對(duì)于制定零件的加工工藝和保證零件的質(zhì)量是非常重要的。一、金屬的塑性變形與強(qiáng)化1.單晶體金屬的塑性變形2.滑移的機(jī)理3.多晶體金屬的塑性變形與細(xì)晶強(qiáng)化4.合金的塑性變形與強(qiáng)化1.單晶體金屬的塑性變形

單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變形及斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶拉伸照片將表面拋光的純鋅單晶體進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在試樣的表面上出現(xiàn)了許多互相平行的傾斜線條的痕跡，稱為滑移帶。指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)位移的現(xiàn)象?；疲?/p>

晶體滑移后，在其表面上出現(xiàn)滑移痕跡，通常稱為滑移帶。在電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，任何一條滑移帶都是由若干條滑移線組成的?；茙В航饘偎苄宰冃巫罨镜姆绞绞腔啤D5-2滑移帶和滑移系的示意圖滑移面與滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系滑移變形具有以下特點(diǎn)：（1）滑移在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力。（2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。原子排列最密的晶面和晶向最容易發(fā)生滑移。立方晶格塑性比密排立方晶格好，面心立方晶格塑性比體心立方晶格好。（3）滑移時(shí)兩部分晶體的相對(duì)位移是原子間距的整數(shù)倍。（4）滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)。兩種轉(zhuǎn)動(dòng)：一是滑移面向外力軸向轉(zhuǎn)動(dòng)；二是在滑移面上滑移方向向最大切應(yīng)力發(fā)行的轉(zhuǎn)動(dòng)。2.滑移的機(jī)理實(shí)際上晶體內(nèi)部存在著很多位錯(cuò)，滑移是通過(guò)位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

τ上圖左側(cè)有一個(gè)刃型位錯(cuò)，在切應(yīng)力作用下該位錯(cuò)沿滑移面逐步向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)出晶體時(shí)便在右側(cè)表面形成了滑移量為一個(gè)原子間距大小的臺(tái)階。若有大量位錯(cuò)移出，則會(huì)在金屬表面形成一條滑移線。圖5-3晶體中通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而造成滑移的示意圖ττ3.多晶體金屬的塑性變形與細(xì)晶強(qiáng)化晶粒變形的不同時(shí)性晶粒間變形的相互約束性晶界的強(qiáng)化作用

處于有利位向（軟位向）的晶粒先滑移；處于不利位向（硬位向）的晶粒后滑移

先滑移的晶粒必然受到在它周圍晶粒的約束；晶粒間的這種約束使晶體的強(qiáng)度提高。

晶界是滑移的障礙，使得晶界變形抗力較大；即晶界導(dǎo)致強(qiáng)度提高。晶粒越小，晶界越多，其強(qiáng)度和硬度就越高。細(xì)晶強(qiáng)化——

通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度和硬度、塑性和韌性的方法。

細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種重要的強(qiáng)韌化手段，在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

另,晶粒越細(xì),單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多,在同樣的變形量下同時(shí)參與變形的晶粒數(shù)目也越多,變形越均勻,不易造成局部應(yīng)力集中,也不會(huì)導(dǎo)致開裂,所以晶粒越細(xì),其塑性和韌性越好。4.合金的塑性變形與強(qiáng)化

合金中由于含有合金元素而使其晶格發(fā)生了畸變，因而也使它的性能發(fā)生顯著變化。多相合金的塑性變形與彌散強(qiáng)化單相固溶體的塑性變形與固溶強(qiáng)化單相固溶體的塑性變形與固溶強(qiáng)化

單相固溶體合金的塑性變形過(guò)程與多晶體純金屬相似。但由于固溶體存在著溶質(zhì)原子，有固溶強(qiáng)化現(xiàn)象。

固溶強(qiáng)化是提高金屬材料性能的一個(gè)重要途徑。固溶強(qiáng)化原因：

溶質(zhì)原子使固溶體的晶格發(fā)生畸變，阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng)；并且在位錯(cuò)線上偏聚的溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，使運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)受阻；這兩方面的原因，提高了固溶體的變形抗力。多相合金的塑性變形與彌散強(qiáng)化

多相合金也是多晶體，但其中有些晶粒是另一相，有些界面是相界面。

當(dāng)?shù)诙嘣诰Ы缟铣示W(wǎng)狀分布時(shí)，對(duì)強(qiáng)度和塑性都不利；當(dāng)在晶內(nèi)呈層片狀分布時(shí)，可提高強(qiáng)度和硬度，但會(huì)降低塑性和韌性；當(dāng)在晶內(nèi)呈彌散質(zhì)點(diǎn)分布時(shí)，塑性、韌性會(huì)稍降低，但可顯著提高強(qiáng)度和硬度，且質(zhì)點(diǎn)越細(xì)、越多，合金的強(qiáng)度、硬度越高。

彌散強(qiáng)化是合金的主要強(qiáng)化方法之一。二、塑性變形對(duì)組織和性能的影響2.形變織構(gòu)的產(chǎn)生3.塑性變形對(duì)金屬性能的影響4.殘余內(nèi)應(yīng)力1.塑性變形對(duì)金屬顯微組織的影響1.塑性變形對(duì)金屬顯微組織的影響晶粒會(huì)沿著變形方向伸長(zhǎng)成為長(zhǎng)條形或扁平形晶粒。形成纖維組織

塑性變形也會(huì)使晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使晶粒破碎成亞晶粒。2.形變織構(gòu)的產(chǎn)生

當(dāng)金屬的變形量很大時(shí)，由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時(shí)，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。板織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖各向異性導(dǎo)致的“制耳”變形前變形后3.塑性變形對(duì)金屬性能的影響

在塑性變形的過(guò)程中，隨著金屬內(nèi)部組織的變化，金屬的性能也將產(chǎn)生變化。隨著變形程度的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這一現(xiàn)象稱為“加工硬化”或“形變強(qiáng)化”。

在塑性變形過(guò)程中晶體內(nèi)位錯(cuò)、空位等缺陷的密度逐步增加，造成位錯(cuò)間相互纏結(jié)，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，從而提高了強(qiáng)度。加工硬化產(chǎn)生的原因：

由于加工硬化現(xiàn)象使金屬的塑性下降，會(huì)給材料的進(jìn)一步加工帶來(lái)困難，不得不增加中間退火工序，降低了生產(chǎn)率，增加了生產(chǎn)成本。

加工硬化也是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，尤其對(duì)于那些不能以熱處理強(qiáng)化的金屬和合金更為重要。

但由于加工硬化的存在，使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形，而未變形部分開始變形，即加工硬化促使金屬變形更加均勻。4.殘余內(nèi)應(yīng)力

金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，外力所做的功大部分轉(zhuǎn)化為熱能，只有10%留在金屬內(nèi)，形成殘余內(nèi)應(yīng)力。第一類內(nèi)應(yīng)力（宏觀內(nèi)應(yīng)力）：

存在于金屬表層與心部之間；由于金屬材料各個(gè)部分變形不一致而形成的。第二類內(nèi)應(yīng)力（微觀內(nèi)應(yīng)力）：

存在于晶粒之間；由于晶粒之間變形不均勻造成的。第三類內(nèi)應(yīng)力（點(diǎn)陣畸變）

殘余內(nèi)應(yīng)力的存在，還會(huì)使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火過(guò)程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。

存在于晶體缺陷中；由于晶體缺陷增加引起點(diǎn)陣畸變而造成的內(nèi)應(yīng)力。第三類內(nèi)應(yīng)力是形變金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力（占90%以上），是金屬?gòu)?qiáng)化的主要原因。而第一、二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬?gòu)?qiáng)度降低。第三類內(nèi)應(yīng)力（點(diǎn)陣畸變）：三、變形金屬在加熱過(guò)程中組織和性能的變化

金屬材料在冷變形加工后，為了消除殘余應(yīng)力或恢復(fù)其某些性能（如提高塑性、韌性，降低硬度等），一般要對(duì)金屬材料進(jìn)行加熱處理。而加工硬化雖然使塑性變形比較均勻，但卻給進(jìn)一步的冷成形加工帶來(lái)困難，所以常常需要將金屬加熱進(jìn)行退火處理，以使其性能向塑性變形前的狀態(tài)轉(zhuǎn)化。

對(duì)冷變形金屬加熱，會(huì)使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生：圖5-4變形金屬在不同加熱溫度時(shí)晶粒大小和性能的變化示意圖3.晶粒長(zhǎng)大1.回復(fù)2.再結(jié)晶回復(fù)時(shí)組織和性能的變化：

組織沒有明顯變化，晶粒保持纖維狀；強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性變化不大；殘余應(yīng)力顯著降低。應(yīng)用：

對(duì)加工硬化的金屬進(jìn)行低溫退火，使其內(nèi)應(yīng)力基本消除，但同時(shí)保持強(qiáng)化了的力學(xué)性能。如冷卷彈簧在卷制之后都要進(jìn)行一次250～300℃的低溫退火（或稱去應(yīng)力回火）。

指在加熱溫度較低時(shí)，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)的近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。晶格畸變減輕，殘余應(yīng)力顯著下降。1.回復(fù)特點(diǎn):☆組織發(fā)生變化；☆加工硬化現(xiàn)象得到消除，即強(qiáng)度硬度顯著降低，塑性韌性明顯提高；☆內(nèi)應(yīng)力完全消除。如果將變形金屬加熱到更高溫度，使原子具有更強(qiáng)的擴(kuò)散能力，就會(huì)以滑移面上的碎晶塊為晶核，結(jié)晶為細(xì)小均勻的無(wú)變形的等軸晶粒，這個(gè)過(guò)程稱為再結(jié)晶。2.再結(jié)晶

鐵素體變形后，加熱時(shí)所發(fā)生的顯微組織變化，變形后為破碎拉長(zhǎng)的晶粒，經(jīng)過(guò)再結(jié)晶，得到了新的等軸晶粒。鐵素體變形80%650℃加熱670℃加熱

再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過(guò)程，它是自某一溫度開始，在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過(guò)程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。其中T再、T熔為絕對(duì)溫度，單位為K。金屬的熔點(diǎn)越高，T再也越高。T再≈0.4T熔

再結(jié)晶也是一個(gè)晶核（以碎晶或雜質(zhì)為核心）形成和長(zhǎng)大的過(guò)程，但不是相變過(guò)程，它沒有新相產(chǎn)生。再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。

再結(jié)晶剛剛完成后的晶粒是無(wú)畸變的等軸晶粒，如果繼續(xù)升高溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶粒之間就會(huì)相互吞并而長(zhǎng)大。使金屬的強(qiáng)度顯著降低。3.晶粒長(zhǎng)大580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織黃銅再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大冷變形量為38％的組織580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織黃銅再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大各個(gè)階段的金相照片4.影響再結(jié)晶后晶粒度的因素（1）加熱溫度與保溫時(shí)間的影響再結(jié)晶退火溫度對(duì)晶粒度的影響

加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。這是由于加熱溫度升高，原子擴(kuò)散能力和晶界遷移能力增強(qiáng)，有利于晶粒長(zhǎng)大。（2）預(yù)先變形程度的影響大于臨界變形度時(shí)，變形度越大，退火后晶粒尺寸越小。臨界變形度:

金屬冷變形后再結(jié)晶時(shí)晶粒極易長(zhǎng)得粗大，這時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量，稱為臨界變形度。金屬材料的臨界變形度一般為（2%～10％）。圖5-6預(yù)先變形程度對(duì)晶粒度的影響60%變形純鐵不同退火溫度對(duì)再結(jié)晶后晶粒大小的影響（純鐵經(jīng)60%變形）60%變形后450℃退火60%變形后500℃退火60%變形后700℃退火60%變形后600℃退火60%變形后800℃退火3%變形后經(jīng)550℃退火6%變形后經(jīng)550℃退火9%變形后經(jīng)550℃退火12%變形后經(jīng)550℃退火15%變形后經(jīng)550℃退火冷加工變形度對(duì)再結(jié)晶后晶粒大小的影響（純鋁片試樣）四、金屬的熱加工熱加工——在再結(jié)晶溫度以上的加工過(guò)程；冷加工——在再結(jié)晶溫度以下的加工過(guò)程。1.熱加工與冷加工的區(qū)別

如Fe的最低再結(jié)晶溫度為450℃，故即使它在400℃進(jìn)行加工變形仍應(yīng)屬于冷變形；而Pb的再結(jié)晶溫度為-33℃，則其在室溫下的加工也是熱加工。

熱變形加工在變形的同時(shí)進(jìn)行著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；即熱加工時(shí)產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消，因而熱加工不會(huì)帶來(lái)加工硬化效果。熱加工動(dòng)態(tài)再結(jié)晶示意圖2.熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響（1）改善鑄錠組織

可消除鋼錠中的某些缺陷，如將疏松和氣泡焊合，粗大柱狀晶打碎，提高鋼的性能。（2）帶狀組織

復(fù)相合金中的各個(gè)相，在熱加工時(shí)沿著變形方向交替地呈帶狀分布，這種組織稱為帶狀組織。帶狀組織

帶狀組織會(huì)降低金屬的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，對(duì)性能極為不利。輕微的帶狀組織可以通過(guò)正火來(lái)消除。（3）熱加工流線

在熱加工過(guò)程中鋼中夾雜物會(huì)沿變形方向分布形成“流線”，使鋼的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性。在制定熱加工工藝時(shí)，應(yīng)盡量使流線與工件所受的最大拉應(yīng)力方向一致，而與外剪切應(yīng)力或沖擊應(yīng)力的方向垂直。曲軸中的流線分布（a）鍛造變形；（b）切削加工

左圖所示鍛造而成曲軸流線分布合理，而右圖曲軸是由切削加工而成，其流線分布不合理，在軸肩處容易斷裂。第二節(jié)高分子材料的變形一、高聚物的物理狀態(tài)二、高聚物的變形特點(diǎn)一、高聚物的物理狀態(tài)1.線型非晶態(tài)高聚物的物理狀態(tài)玻璃在玻璃化溫度Tg以下只發(fā)生彈性形變，在Tg以上產(chǎn)生粘性流動(dòng)。（1）玻璃態(tài)高聚物處于線彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，外力去除，變形立即消失，變形量很小。（2）粘彈態(tài)與高彈態(tài)高彈態(tài)高聚物的重要特征：可回復(fù)的彈性變形量高達(dá)100％～1000％；彈性模量比普通彈性材料小三個(gè)數(shù)量級(jí)；高彈態(tài)高聚物變形時(shí)生熱，回彈時(shí)放熱。（3）粘流態(tài)2.結(jié)晶高聚物的物理狀態(tài)如果高聚物是完全結(jié)晶的，和低分子晶體材料類似；部分結(jié)晶時(shí)，未結(jié)晶區(qū)域?qū)⒈３志€型非晶態(tài)高聚物的特性。部分結(jié)晶的高聚物存在有一種既韌又硬的皮革態(tài)。隨著結(jié)晶度的增加，熔點(diǎn)提高，高彈態(tài)縮小，至完全結(jié)晶時(shí)高彈態(tài)消失。3.高聚物的交聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)其物理狀態(tài)的影響不同組成、相對(duì)分子質(zhì)量大小、結(jié)晶度和交聯(lián)密度的高分子材料，對(duì)各種外部條件的反應(yīng)特性不同，其敏感性及變化幅度都比金屬材料大。二、高聚物的變形特點(diǎn)1.高聚物的彈性變形高聚物具有高彈性的必要條件是要有柔性鏈，但是柔性好的鏈容易引起鏈間滑動(dòng)而造成粘性流動(dòng)。所以必須采用分子鏈間的適當(dāng)交聯(lián)防止鏈間的滑動(dòng)。2.高聚物的粘彈性變形皮革態(tài)的變形是粘彈性變形。理想的彈性固體材料受力時(shí)產(chǎn)生彈性變形與時(shí)間無(wú)關(guān)，即變形與外力同步。高聚物受力后產(chǎn)