金属材料的强化理论之形变强化

变形强化现象

经过轧制、冲压、弯曲等冷变形后，金属的强度和硬度增加，塑性降低。

单晶的塑性变形2

1.单晶滑移塑性变形的基本模式

2.滑移系

滑动面和该面上的滑动方向构成滑动系统。

一般来说，滑移面通常是原子的密排面，滑移方向是原子排列最紧密的方向。金属中的滑移系越多，其塑性就越好。

3.滑动时晶体的旋转

当晶体在拉力F的作用下滑移时，如果不受夹头的限制，滑移面和方向不变，拉伸时取向不变。当存在卡盘限制时，为了保持拉伸轴的方向不变，单晶的取向必须相对旋转，即滑移面和滑移方向发生变化。

4.多重滑移

当只有一个滑移系开始时(单滑移系)，通常发生在密排六方结构的金属中，滑移系很少。对于具有许多滑移系的晶体，初始滑移首先在最有利取向的滑移系中进行。而晶体旋转的结果是，其他滑移系中的切削应力可能达到一个足以引起滑移的临界值，所以滑移过程会在两个或多个滑移系中同时或交替进行。

3滑移的位错机制

1.位错运动和晶体滑移

铜的理论计算强度为1500MPa，而实测强度仅为0.98MPa，这说明实际的晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分的刚性运动，而是位错在剪切应力作用下逐渐沿滑移面移动的结果。

当位错线移动到晶体表面时，在表面留下原子间距的滑移变形。

2.滑动的机理。

将滑移视为刚性整体滑移所需的理论临界剪应力比实际测量的临界剪应力大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上的位错运动实现的。

刃位错的运动

3.位错增殖

晶体塑性变形时，产生大量的滑移带，需要大量的位错。实际上，晶体中的位错数量没有减少，而是增加了，表明存在位错增殖机制。

4.位错的输送和堵塞

多系统滑移时，不同滑移面上的位错相遇形成切割台阶(新的位错线)，一方面增加了位错线的长度，另一方面可能形成难以移动的固定切割台阶，成为后续位错运动的障碍。

位错在剪切应力下运动时，如果遇到固定位错、杂质颗粒、晶界等障碍。，前导位错会在障碍物前停止，后续位错会被堵塞，形成位错平面堵塞群，在障碍物前端形成高应力集中。

5.剪切和孪晶

它是孪晶的一部分相对于另一部分沿某一晶面(称为孪晶面)产生一定角度的均匀剪切过程。孪晶界两侧的晶体是镜像对称的。

孪晶也是一种塑性变形模式。要改变孪晶的取向，需要剪切应力远大于滑移，变形速度接近音速，相邻原子平面的相对位移小于一个原子距离。

密排六方晶格金属几乎没有滑移系，通常以孪生方式变形。立方晶格金属的孪晶变形只在低温或冲击下发生。面心立方晶格金属一般没有孪晶变形，但经常发现孪晶，这是相变过程中原子的位错造成的，称为退火孪晶。

多晶体的塑性变形特征

1.非同时性

多晶体变形时，只有具有有利取向(取向因子最大)的晶粒的滑移系才能首先开始。

2.协调

多晶体变形时，一个晶粒的变形必须与相邻晶粒的变形相协调，以避免晶粒间的断裂。多晶体的塑性变形是由每个晶粒的多系统滑移来协调的。

3.不均匀性

多晶体变形时，各晶粒的变形量不同，晶界强度高于各晶粒内部，使得各晶粒内部变形不均匀。

5金属结构的塑性变形

和性能影响。

1.塑性变形对金属结构的影响

1)形成纤维组织

金属塑性变形时，晶粒沿变形方向拉长，变形量大时变成纤维状条纹。

2)形成变形织构

随着变形，晶体旋转。当变形较大时，各晶粒的取向趋于一致。这种因变形而使晶粒具有择优取向的织构，称为变形织构。

3)子结构细化

冷变形会增加晶粒中的位错密度。随着变形量的增加，位错相互缠绕，在晶粒中形成胞状亚结构。

4)晶格严重扭曲。

2.塑性变形对金属性能的影响

1)塑性变形对金属机械性能的影响

由于纤维结构和形变织构的形成，金属具有明显的各向异性。

随着位错密度的增加，位错运动过程中的相互传递加剧，产生位错塞积群、切割台阶和缠结网等障碍，阻碍位错的进一步运动，增加变形抗力，提高金属的强度。

2)塑性变形对金属物理化学性质的影响

随着塑性变形量的增加，金属的电导率、电阻温度系数和热导率降低，磁导率和饱和度降低，矫顽力增加，内能和化学活性增加，耐蚀性降低。

冷变形金属的回复和再结晶

1.冷变形金属加热时组织和性能的变化。

冷变形后，金属的显微组织处于不稳定状态，往往会自发恢复到稳定状态。但在室温下，原子扩散能力小，不稳定状态可以维持很长时间。加热可以增加原子扩散能力，金属会依次恢复、再结晶、长大。

回复

当受到冷塑性变形的金属被加热时，在光学显微组织发生变化之前(即再结晶晶粒形成之前)某些亚结构和性能之间的变化过程称为回复。

回复阶段点缺陷和位错迁移引起的一些晶内变化。比如空位与其他缺陷合并，同一滑移面上不同符号的位错相遇合并，减少了缺陷的数量。

由于位错运动，它由冷塑性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界。这个过程称为多边形形成。

在回收过程中，颗粒保持纤维状，机械性能(硬度、强度等。)变化不大，塑性略有提高，宏观内应力基本消除，但某些物理化学性能变化明显，如电导率和抗应力腐蚀能力提高。

3.再结晶

当冷变形金属的加热温度较高时，变形组织的基体上产生新的未畸变的晶核，并迅速长大为等轴晶粒。

再结晶是成核和生长的过程，但没有新相形成。重结晶发生在一个温度范围内。再结晶后，冷变形金属的强度和硬度降低，塑性和韧性提高，微观内应力完全消除，金属性能基本恢复到冷变形前的水平。

4.晶粒生长

当再结晶完成时，通常获得细小的等轴晶粒结构。如果加热温度持续升高或保温时间延长，晶粒将进一步长大。