金屬材料的強化理論之形變強化

1 形變強化現象

金屬經軋製、衝壓、彎曲等冷加工變形後，其強度、硬度上升，塑性降低的現象。

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

一個滑移面和在此面上的一個滑移方向構成一個滑移系。

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. 滑移時晶體的轉動

當晶體在拉伸力F作用下發生滑移時，假如不受夾頭對滑移的限制，滑移面和滑移方向保持不變，拉伸時的取向不變化。當有夾頭限制時，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動，即滑移面和滑移方向發生變化。

4. 多系滑移

只有一個滑移系開動的情況（單系滑移）一般發生在滑移系較少的密排六方結構的金屬中。對於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行，但由於晶體轉動的結果，其他滑移系中的分切應力有可能達到足以引起滑移的臨界值，於是滑移過程將在兩個或多個滑移系中同時或交替進行。

3 滑移的位錯機制

1.位錯運動與晶體滑移

銅晶體的理論計算強度為1500MPa，而其實測強度僅有0。98MPa。這說明實際晶體的滑移不是晶體的一部分相對於另一部分做整體的剛性移動，而是透過位錯在切應力作用下沿滑移面逐步移動的結果。

當一條位錯線移到晶體表面時，便在表面留下一個原子間距的滑移變形。

2.滑移的機理

把滑移設想為剛性整體滑動所需的理論臨界切應力值比實際測量臨界切應力值大3-4個數量級。滑移是透過滑移面上位錯的運動來實現的。

刃位錯的運動

3. 位錯增殖

晶體塑性變形時產生大量滑移帶，為此需要極多的位錯。實際晶體在變形時位錯數目非但不減少，反而增加，說明存在位錯增殖機制。

4. 位錯的交割和塞積

在多系滑移時，不同滑移面上的位錯相遇，形成割階（一段新的位錯線），一方面增加了位錯線的長度，另一方面還可能形成難以運動的固定割階，成為後續位錯運動的障礙。

位錯在切應力作用下運動過程中，如果遇到固定位錯、雜質粒子、晶界等障礙物，領先的位錯在障礙物前被阻止，後續位錯被塞積起來，形成位錯平面塞積群，並在障礙物前端形成高度應力集中。

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）產生一定角度的均勻切變過程。孿晶界兩側晶體呈鏡面對稱分佈。

孿生也是一種塑性變形方式。孿生使晶格位向發生改變，所需切應力比滑移大得多， 變形速度接近聲速，相鄰原子面的相對位移量小於一個原子間距。

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衝擊作用下才發生孿生變形。面心立方晶格金屬，一般不發生孿生變形，但常發現有孿晶存在，這是由於相變過程中原子重新排列時發生錯排而產生的，稱退火孿晶。

4 多晶體塑性變形特點

1.不同時性

在多晶體變形時，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。

2.協調性

多晶體變形時，一個晶粒的變形必須與臨近晶粒的變形相互協調，以免晶粒間產生斷裂。多晶體的塑性變形是透過各晶粒的多系滑移來保證相互協調的。

3.不均勻性

多晶體變形時，各晶粒變形量不同，而且由於晶界強度高於晶粒內部，使得每個晶粒內部的變形也是不均勻的。

5 塑性變形對金屬組織

和效能影響

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，晶粒沿著變形方向被拉長，當變形量很大時，變成纖維狀條紋。

2）形成形變織構

隨著變形的發生，還伴隨著晶體的轉動。在形變數很大時，各晶粒的取向會趨於一致。這種由於變形而使晶粒具有擇優取向的組織叫做形變織構。

3）亞結構細化

冷變形會增加晶粒中的位錯密度，隨著變形量的增加，位錯交織纏結，在晶粒內部形成胞狀亞結構。

4）點陣嚴重畸變

2.塑性變形對金屬效能的影響

1）塑性變形對金屬力學效能的影響

由於形成了纖維組織和形變織構，導致金屬明顯的各向異性。

由於位錯密度升高，位錯運動時相互交割加劇，產生位錯塞積群、割階、纏結網等障礙，阻礙位錯的進一步運動，引起形變抗力增加，提高了金屬的強度。

2）塑性變形對金屬物理-化學效能的影響

隨著塑性變形的增加，金屬的導電性、電阻溫度係數和導熱性下降，導磁率、磁飽和度下降，矯頑力增加，內能、化學活力增加，耐蝕性下降。

6 冷變形金屬的回覆和再結晶

1.冷變形金屬在加熱時的組織和效能變化

金屬經冷變形後， 組織處於不穩定狀態， 有自發恢復到穩定狀態的傾向。但在常溫下，原子擴散能力小，不穩定狀態可長時間維持。加熱可使原子擴散能力增加，金屬將依次發生回覆、再結晶和晶粒長大。

2.回覆

經冷塑性變形的金屬加熱時，在光學顯微組織發生改變前（即再結晶晶粒形成前）所產生的某些亞結構和效能之間的變化過程叫做回覆。

在回覆階段金屬中的點缺陷及位錯近距離遷移而引起的晶內某些變化。如空位與其他缺陷合併、同一滑移面上的異號位錯相遇合並而使缺陷數量減少等。

由於位錯運動使其由冷塑性變形時的無序狀態變為垂直分佈，形成亞晶界，這一過程稱多邊形化。

在回覆過程中，晶粒仍然保持纖維狀，金屬的力學效能（硬度、強度等）變化不大，塑性略有提高，宏觀內應力基本消除，但某些物理、化學效能發生明顯變化，如導電率升高、應力腐蝕抗力上升。

3.再結晶

當冷變形金屬的加熱溫度較高時，在變形組織的基體上產生新的無畸變晶核，並迅速長大成等軸晶粒。

再結晶是晶核形成和長大的過程，但沒有新相形成，再結晶在一個溫度區間內進行。再結晶後，冷變形金屬的強度和硬度下降，塑性和韌性升高，微觀內應力完全消除，金屬效能基本上恢復到冷變形前的水平。

4.晶粒長大

再結晶完成時，一般得到細小的等軸晶粒組織。如果繼續提高加熱溫度，或延長保溫時間，晶粒將進一步長大。

黃銅再結晶和晶粒長大各個階段的金相照片

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