变形后的组织与性能在线视频

同学们

这节课我们学习变形以后的组织和性能

首先我们看一下塑性变形

对于材料组织结构的影响

金属发生塑性变形的时候

不仅仅外形发生了变化

金属材料的内部的晶粒

也相应的被拉长或者压扁

当变形量很大的时候

晶粒将被拉长成为纤维状

晶界变得模糊不清

塑性变形还会使得晶粒破碎为亚晶粒

那这是工业纯铁在塑性变形前后的组织变化

我们可以看到变形量越大

那么晶粒被拉长的程度越大

那么晶界变得越来越模糊

经过塑性变形以后

各晶粒中除了出现大量的滑移带

孪生带

晶粒的形状也发生了变化

随着变形量的增加

晶粒沿变形方向被拉长为扁平晶粒

变形量越大

晶粒伸长的程度也越明显

变形量很大时

各晶粒已经不能分辨

而成为了一片如纤维状的条纹

我们称之为纤维组织

在塑性变形的过程中

位错不断的增殖和运动

随着变形程度增加

位错密度迅速增加

而且呢在金属中的分布不均匀

在纤维状组织内部形成了许多位错胞

胞壁上有大量的位错

胞内位错密度比较低

又称为变形亚结构或者变形亚晶

位错胞也会随着变形量的增加

沿变形方向的伸长

数量增多

尺寸减少

当金属组织不均匀

比如说有枝晶的偏析或者夹杂物的时候

塑性变形会使得这样一些区域伸长

这样在热加工或者随后的热处理过程中

会出现带状组织

由于晶粒的转动

当塑性变形达到一定程度的时候

会使绝大部分的晶粒的某一位向

与变形方向趋于一致

我们把这样一种现象叫做织构

或者是择优取向

那么形变织构

使得金属呈现各向异性

在深冲零件的时候容易产生刺耳现象

使得零件的边缘不齐

厚薄不均

但是呢织构也可以提高硅钢片的导磁率

那什么是织构呢

当塑性变形量不断增加

多晶体中原本取向随机的各个晶粒

由于转动会逐渐调整到某一个取向

那么这样一种经过强烈变形以后

多晶体的材料就会形成了择优取向

或者是形变织构

那么形变结构有两种

一种是丝结构

一种是板织构

在拉拔过程中形成的

我们把它叫做丝织构

主要特征是各晶粒的某一晶向

趋于与拉拔的方向平行

一般呢这种织构也就以相关的方向表示

那么对于板织构主要是在杂质的过程中形成

其主要的特征呢是个晶粒的某一个晶面

和晶向趋向于和轧面和轧向平行

一般这样一种织构

就以相关的晶面和晶向来表示

那么材料经过塑性变形以后

我们说材料的纤维组织发生了很多变化

变形量越大

那么晶粒变得越来越细长

那么晶界变得越来越模糊不清

那么亚结构上位错也会快速增加

那么不同变形量的金属

那么亚结构上位错密度也会不断增加

铜经过不同程度冷轧以后

那么位错密度可以快速提高

那么由于变形以后材料的组织发生了变化

那么它的性能当然也会发生变化

随着冷塑性变形的量的增加

金属的强度硬度提高

塑性韧性下降

我们把这样一种现象呢叫做加工硬化

那么我们可以看到啊

随着这样一个变形量的增加

那么材料的强度硬度都会增加

而塑性韧性会降低

那么产生加工硬化的主要原因有这么几点

一随着变形量的增加

位错密度会增加

由于位错之间相互的交互作用

会使得位错发生堆积

缠结

使得材料的变形抗力增加

二随着变形量的增加

那么材料的亚结构会发生细化

随着变形量的增加

空位密度也会增加

那么随着变形上的增加

由于晶粒转动引起的这样一个取向的变化

原来处于软取向的这样一些滑移系

那么会变到硬取向

那么由于加工硬化

使得已经变形的部分发生硬化而停止变形

而未变形的部分开始变形

没有加工硬化

金属就不会发生均匀的塑性变形

所以我们说加工硬化

是强化金属的重要手段之一

特别是

对于不能通过热处理强化的金属和合金来说

这样一种强化的手段尤为重要

那么对于单晶体的应力应变曲线

我们可以把它分为三个阶段

第一个阶段

就是塑性变形的初始阶段

那么这样一个阶段呢接近于一个直线

斜率很小

也就是说它的加工硬化的速率很小

那么这样一个阶段对应的是我们的易滑移阶段

通常呢是单滑移

只有一组取向最有利的滑移系开始启动

所以呢位错很少受到其他位错的干扰

可以移动相当长的距离

并且可以达到晶体表面

位错元能源源不断的产生新位错

因此呢晶体可以产生较大的应变

加工硬化速率也很低

那么第二阶段应力急剧增加这样一个阶段呢

呈直线

那么这样一个阶段的加工硬化速率会大大提高

我们称之为线性硬化阶段

在这样一个阶段主要发生了多滑移

也就是说位错之间会发生相互作用

产生了大量的位错缠结或者位错塞积

阻止了位错的进一步运动

这些都使得应力急剧增加

加工硬化速率提高

在第三阶段

加工硬化速率随着应变的增加而不断降低

硬化曲线呢呈现抛物线的形状

我们也称为抛物线的硬化阶段

这样一个阶段主要是在足够高的应力下

螺位错可以通过交滑移而绕过障碍

那么异号位错还可以相互抵消

降低位错密度

使得加工硬化速率呈现了下降的趋势

那么对于面心立方

体心立方

密排六方三种结构的纯金属的单晶体

它的应力应变曲线的形状

我们也可以看到

那么这是面心立方

体心立方

密排六方3种常见结构的纯金属的

单晶体的应力应变曲线

基本都符合我们上面的规律

可以分为三个阶段

那么对于多晶体来说

因为晶界对变形的阻碍作用

和晶粒之间的协调配合的要求

各晶粒呢不可能以单一的滑移系动作

而必然有多组滑移系同时作用

所以多晶体的加工硬化曲线

不会出现单晶体硬化曲线的第一阶段

而且呢加工硬化曲线通常更陡

加工硬化速率更高

晶粒越细

硬化效果越明显

那么通过材料发生了这样一个塑性变形以后

会在材料的内部有很多残余应力

那么内应力是指平衡于金属内部的应力

是由于金属受力时

内部变形不均匀而引起的一些应力

金属在发生塑性变形的时候

外力所做的功只有10%会转化成

内应力残留于金属中

那么这样一种内应力呢可以分为三类

第一类是平衡于表面

与心部之间的宏观内应力

那么当残留的应力为拉应力时

会降低材料的强度

如果残余的应力为压应力

那么可以显著提高材料的强度

因此呢我们通常往往也通过滚压强化

或者喷丸强化来使材料表面形成压应力

从而提高整个材料的强度

第二类内应力是平衡于晶粒之间

或者晶粒内不同区域之间的微观内应力

那么第三类应力呢

是由于晶格缺陷引起的畸变应力

那么在上述三类内应力中

第三类内应力是形变金属中的主要内应力

也是金属强化的主要原因

而第一第二类内应力

都使得金属的强度会降低

内应力的存在使得金属的耐蚀性会下降

引起零件加工淬火过程中的变形和开裂

因此金属在塑性变形后

往往需要通过退火处理

以消除或者降低这样一种内应力

金属或者合金经过塑性变形以后

位错 空位等晶体缺陷大大增加

使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置

造成了点阵畸变

产生了存在于更小范围内的残余应力

那么变形金属中的储存能

绝大部分消耗于点阵畸变中

这样一部分能量呢

使金属处于热力学的不稳定状态

具有自发的向稳定状态转变的趋势

这就是我们后面学的

回复和再结晶的驱动力

也就是变形金属的储存能

那么对于储存能

由于我们冷变形引起点阵畸变

形成大量的结构缺陷

因此晶体内部就残留着相应的能量

实验证明

冷变形所消耗能量的百分之几

到百分之十几

就以各种不同的形式存在于晶体内部

我们把它称为储存能

每种结构缺陷对总储存能的贡献

取决于缺陷本身具有的能量

和该缺陷的浓度

在空位位错两种结构缺陷中

空位能仅占储存能的一小部分

而位错所产生的能量占储存能的80%左右

那么什么样的因素会影响储存能呢

那么储存能会随着形变量的增加而增加

但增速逐渐会变缓

最后呢趋于饱和

那么加工温度越低

形变速度越大

材料的加工硬化速率越大

经受相同变形以后的储存能也就越高

那么加工方式的应力状态越复杂

加工时的摩擦力越大

应力应变分布越不均匀

消耗的总能量越高

储存能也就越大

金属的熔点越高

变形越难

经过同等程度的变形

所耗的功就越大

储存能也越高

固溶体中的溶质因其对变形的阻碍作用

会使得整个储存能增加

那么今在其他条件相同的时候

细晶粒中的储存能高于粗晶粒

主要原因是细晶粒的金属材料

那么在塑性变形的时候

它需要跨越晶界

为了保持整个材料的连续性

必须要求多个滑移系同时启动

这样一种复杂的滑移

消耗的功就会越多

储存能也就越高

那么合金中的弥散第二相对储存能的影响

我们可以根据第二相的性质而定

如果第二相本身是可以变形的

那么它只提高合金的流变和屈服强度

不改变加工硬化速率

所以呢对储存能的影响不大

如果第二相是不可变形的

并且可以阻碍基体的变形

那么使得位错密度会大大增加

那么储存能也会增加

无论是残余应力还是储存能

都会使得晶体处于不稳定的高能状态

特别是当晶体中残余的应力是拉应力的时候

对于材料来说是很危险的

内应力若叠加在工作应力上

会使材料的表面疲劳强度降低

那么甚至材料在低于许用应力的条件下

就会发生断裂

造成了严重的危害

那么我们在生产上常常利用残余应力

来改善材料的性能

比如说我们汽车的弹簧钢板表面

我们应要经过喷丸滚压处理

让它在表面会产生残余的压应力

从而能够抵消工作载荷下的部分拉应力

大大改善钢板的疲劳强度

那么消除有害的内应力的有效方法就是退火

在退火温度下

相当于激活了高能量的冷变形金属

使点阵缺陷减少

或者重新排列成低能的状态

从而使冷变形的组织

产生了我们的回复和再结晶

好

这就是我们这节课的全部内容

谢谢大家