第4讲-金属材料组织和性能控制-1

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1、金属材料组织和性能控制原理和方法•加工（应变）硬化和退火处理•凝固原理及其应用一、加工（应变）硬化和退火处理强化金属和合金的技术较多，如增加位错密度、减小晶粒尺寸、合金化等等。本节将了解以下内容：如何使用冷作加工工艺来提高金属和合金的性能，冷作加工实质上是把金属材料变形和强化同步进行的一种工艺方法。而热作加工则没有强化作用。通过退火热处理工艺可以改善冷作加工工艺引起的塑性降低和硬度增加问题。冷作加工导致的加工硬化机理，是由于位错密度增加而引起的。人们可以通过材料加工工艺和热处理工艺的结合使用，不仅能够把材料加工成有用形状的构件，而且

2、还能够控制和改善其力学性能。本节讨论的问题尤其适于金属及其合金材料。•应变硬化（通过位错增殖实现）首先需要材料具有可延展性。如果把应变硬化作为强化材料的手段，那么也必须同时克服加工过程中因应变硬化而带来的一些问题。例如，我们在拉拔线材或者挤压管材时，就会发生应变硬化，此时我们就必须保证材料具有可接受的塑性。而在轿车和卡车制造中，要使用钢板冲压出外形美观的汽车框架，此时使用的钢板就必须能够在冲压时容易延展并易于弯曲，而冲压后的汽车框架则必须具有足够的强度，能够承受轻微颠簸和大的冲击载荷。此时应变硬化就能够使产品强度提高。此外，为了保证

3、了汽车框架的抗撞击性能，还必须使钢板在发生碰撞时具有迅速的应变硬化能力。•此外，大家关心聚合物、玻璃和陶瓷材料是否具备加工硬化的能力。研究表明，热塑性聚合物在变形时具有应变硬化的能力。但其应变硬化的机理和金属完全不同。大多的脆性材料如玻璃和陶瓷材料的强度则取决于其中的裂纹和裂纹-尺寸分布，因此玻璃和陶瓷加工硬化能力很差。下面我们从金属材料的应力-应变曲线开始来探讨加工硬化问题。1、冷作加工和应力-应变曲线的关系图8-1（a）为塑性金属材料的应力-应变曲线。如果材料的外加应力s1大于屈服强度sy，则材料会发生永久变形或者应变。当外加载

4、荷卸除，就会产生e1的应变。如果对已经预加了s1应力的金属材料重新进行拉力试验，就会得到图8-1（b）的应力-应变曲线。而此时，材料开始变形或者屈服的应力则变为s1。由此，把流动应力（屈服应力）定义为预变形材料开始塑性变形时的应力。因此，s1此时就是材料的流动应力。如果继续对材料施加s2的应力，然后卸载，再重新对该材料进行拉伸试验，则此时材料的流动应力就会变为s2。只要我们每次施加一个更高的应力，材料的流动应力和拉伸强度就会增加，而塑性则下降。最终材料会被强化到流动应力、拉伸强度和断裂强度相等，而塑性为零，如图8-1（c）。此时，金

5、属材料不会再发生塑性变形。图8-1（d）和（e）展示了材料的回弹（弹性后效现象）。因此，通过对金属材料施加超过屈服强度的应力我们就能够使其发生应变硬化；或者说，在对金属材料进行冷作加工时，在材料变形的同时，也使材料发生了加工硬化。这就是许多制造技术如线材拉拔技术的基础。图8-2图示说明了几种冷作加工（也可进行热作加工）的材料制造技术。后面我们会谈及热作加工和冷作加工的区别。许多制造技术实质上就是变形和加工硬化同时进行的冷作加工过程，如图8-2。•可以看到，轧制是生产金属板材、箔材的冷作技术。锻造则是使金属材料在模腔中变形，从而生产出

6、形状比较复杂的承力构件如汽车曲轴、连杆等。拉拔技术则是将金属棒坯从一个模腔中拉出使其形成线材和丝材等。挤压技术则是使材料被推进模腔使其变形为截面均匀的产品如棒材、管材和铝合金门窗用的型材等。此外，深冲压技术则可以用来生产铝合金饮料罐等。总而言之，冷作加工技术是金属材料强化成型技术的有效途径手段，但该技术也存在材料塑性变差的问题。•如果一根线材如电线铝芯，反复弯折，就会使其越来越硬，最终会硬化断裂，这就是加工硬化现象。加工硬化原理被用于制造许多产品，尤其是那些不在非常高的温度下使用的产品。如铝合金饮料罐，它在加工过程中，可以使其强度增

7、加70%。•应变硬化指数n金属材料对冷作加工的响应度（灵敏度）可以用应变硬化指数n来表征。如图8-3，在对数坐标系中，n是真实应力-应变曲线中塑性变形部分的斜率，or(1)式中，K叫做强度系数，它是常数，它是et=1时的应力。对于HCP金属来说，n值较低，而BCC金属则较高，FCC金属则更高。如表8-1所示。应变硬化指数低的金属，则其冷作加工性能就差2、冷作变形程度和性能的关系通过控制材料的塑性变形总量，我们就能控制应变硬化。通常，定义冷作加工变形程度来衡量材料的变形总量，（2）式中，A0是金属的原始截面积，Af是金属变形后的最终截

8、面积。冷作加工对于纯铜力学性能的影响见图8-5。随着冷作加工程度的增加，材料的屈服和拉伸强度增加，但塑性下降直至接近零。如果冷作加工程度太大，则金属会发生断裂。因此，每种金属都有一个最高冷作加工总变形量，超过则会发生脆断。•冷作加工组