6.4合金的塑性變形合金化是提高材料強度的重要方法。合金塑性變形的基本方式仍是滑移和孿生。6.4.1固熔體的塑性變形6.4.1.1固熔強化：隨熔質(zhì)原子含量的增加，單相固熔體合金的強度、硬度不斷增加，塑性、韌性不斷下降，這種現(xiàn)象叫固熔強化(solidsolutionstrengthening

)。熔質(zhì)原子的加入不但能提高材料的屈服強度σs和應(yīng)力水平，而且能提高加工硬化速度(曲線斜率增大)。影響固熔強化的一般規(guī)律：1熔質(zhì)原子不同，強化效果不同；熔質(zhì)原子濃度越高，強化作用越大，低濃度時效果更明顯。2熔質(zhì)原子與基體原子的尺寸相差越大，效果越明顯。3形成間隙固熔體的熔質(zhì)元素比形成置換固熔體的熔質(zhì)元素的強化作用更大。4熔質(zhì)原子與基體原子的價電子數(shù)相差越大，強化作用越大。固熔強化的實質(zhì)是熔質(zhì)原子與位錯的彈性交互作用、電交互作用和化學(xué)交互作用阻礙了位錯的運動，其中彈性交互作用最強。以正刃位錯為例：較大的置換型熔質(zhì)原子容易積聚在位錯下方，較小的容易積聚在位錯上方；而間隙型原子總是積聚在位錯下方。熔質(zhì)原子與位錯彈性交互作用的結(jié)果使熔質(zhì)原子積聚在減小晶格畸變的位置，減低了體系能量，使體系更穩(wěn)定，這種結(jié)構(gòu)稱為“柯氏(Cotrell)氣團”?？率蠚鈭F對位錯有釘扎作用，因此固熔體合金變形抗力要高于純金屬。6.4.1.2屈服和應(yīng)變時效：圖示為低碳鋼的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線，具有明顯的屈服點。試樣在上屈服點發(fā)生明顯塑性變形，應(yīng)力突然下降到下屈服點。然后發(fā)生連續(xù)變形，形成具有微小波動的屈服平臺。曲線后半部分與延性材料的拉伸曲線相同。在延伸階段，試樣的應(yīng)變是不均勻的。開始變形時會在樣品表面出現(xiàn)與拉伸軸呈45o交角的應(yīng)變痕，稱為呂德斯(Lüders)帶，應(yīng)力同時下降到下屈服點。屈服延伸階段，呂德斯帶沿拉伸方向展開。如果有多個呂德斯帶出現(xiàn)，則會有應(yīng)力波動。當(dāng)屈服擴展到整個試樣時，屈服延伸即告結(jié)束。將試樣拉伸到有輕微塑性變形后撤去載荷，稱為預(yù)塑性變形。預(yù)塑性變形后立即加載拉伸，則拉伸曲線沒有屈服點；若放置較長時間或200oC短時加熱后再拉伸，則屈服點又重新出現(xiàn)，且屈服應(yīng)力有所提高。此現(xiàn)象稱為應(yīng)變時效。屈服點的出現(xiàn)與金屬中存在的微量熔質(zhì)有關(guān)。熔質(zhì)原子在位錯處形成的柯氏氣團對位錯有釘扎作用，會導(dǎo)致屈服極限σs提高(上屈服點)，而位錯一旦掙脫氣團的釘扎，便可以在較小的應(yīng)力下繼續(xù)運動，較小應(yīng)力對應(yīng)于拉伸曲線的下曲服點。已經(jīng)屈服的試樣卸載后立即加載拉伸，由于位錯已脫離氣團釘扎，故不在出現(xiàn)上屈服點。卸載后放置較長時間或短時加熱，熔質(zhì)原子又通過擴散重新在位錯處形成柯氏氣團，屈服點又重新出現(xiàn)。屈服點的出現(xiàn)與金屬中存在的微量熔質(zhì)有關(guān)。熔質(zhì)原子在位錯處形成的柯氏氣團對位錯有釘扎作用，會導(dǎo)致屈服極限σs提高(上屈服點)，而位錯一旦掙脫氣團的釘扎，便可以在較小的應(yīng)力下繼續(xù)運動，較小應(yīng)力對應(yīng)于拉伸曲線的下曲服點。已經(jīng)屈服的試樣卸載后立即加載拉伸，由于位錯已脫離氣團釘扎，故不在出現(xiàn)上屈服點。卸載后放置較長時間或短時加熱，熔質(zhì)原子又通過擴散重新在位錯處形成柯氏氣團，屈服點又重新出現(xiàn)。屈服點的出現(xiàn)還與位錯增殖有關(guān)。晶體塑性變形會引發(fā)大量的位錯增殖，如F-R源和雙交滑移等，位錯大量增殖后，晶體內(nèi)能增大，在維持一定的應(yīng)變速率時，所需要的流變應(yīng)力flowstress(維持均勻塑性變形所需的外力)相應(yīng)減小，因此出現(xiàn)下屈服點。屈服現(xiàn)象會使金屬在冷沖壓成型時出現(xiàn)呂德斯帶，造成工件表面粗糙不平。為此可利用應(yīng)變時效原理，在沖壓前作一次微量冷沖，或向材料中加入適量的、能與間隙原子形成化合物的元素，有利于減少柯氏氣團，消除屈服點。6.4.2多相合金的塑性變形：單相合金可借固熔強化提高強度，但提高程度有限。通常使用的金屬材料大多是兩相或多相合金。兩相合金的第二相可通過相變熱處理(沉淀強化precipitationstrength

，時效強化ageingstrengthening)或粉末冶金方法(彌散強化dispersionstrengthening)獲得。第二相粒子尺寸與基體晶粒相當(dāng)?shù)姆Q為聚合型合金；第二相很細且彌散分布于基體中的稱彌散型合金。6.4.2.1聚合型兩相合金的變形：如果兩相都具有較好塑性，則合金變形阻力取決于兩相的體積分數(shù)。可按等應(yīng)變理論或等應(yīng)力理論計算的平均流變應(yīng)力或平均應(yīng)變。等應(yīng)變理論假定塑性變形過程中兩相應(yīng)變相等，合金產(chǎn)生一定應(yīng)變的流變應(yīng)力為：

σ=φ1σ1+φ2σ2(6-9)式中φ1和φ2為兩相的體積分數(shù)。當(dāng)?shù)诙嗔髯儜?yīng)力高于基相(σ2=σ1+Δσ)時,σ=φ1σ1+φ2(σ1+Δσ)

=σ1+φ2Δσ,材料得以強化。等應(yīng)力理論假定兩相所受的流變應(yīng)力相等，平均應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ε=ε1φ1+ε2φ2

當(dāng)?shù)诙嗟膽?yīng)變小于基相應(yīng)變(ε2=ε1φ-Δε)時，ε=ε1φ1+(ε1φ-Δε)=ε1-Δε,材料得以強化。如果第二相為硬脆相，則合金性能除與兩相相對含量有關(guān)外，很大程度上取決于硬脆相的形狀與分布。1如果硬脆相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布于基相晶界上，則基相受限不能變形，應(yīng)力過大即沿晶界斷裂。塑性變差，甚至強度也隨之下降。2如果硬脆相成片狀分布于基相，因變形主要集中在基相，而位錯受片層厚度限制，移動距離很短，繼續(xù)變形阻力加大，強度得以提高。片層越薄，強度越高；變形越均勻，塑性也越好，類似于細晶強化。3如果硬脆相呈較粗顆粒分布于基相，則因基體連續(xù)，硬脆相顆粒對基體變形的影響大大減弱，強度下降，塑性、韌性得以提高。6.4.2.2彌散型兩相合金的塑性變形：當(dāng)?shù)诙嘁约毿☆w粒彌散分布于基相時，將產(chǎn)生顯著的強化作用。1不變形微粒的強化作用：當(dāng)移動的位錯與微粒相遇時，將因奧羅萬(Orowan,位錯繞過)機制而產(chǎn)生位錯增殖。位錯繞過時，既要克服第二相粒子的阻礙作用，又要克服位錯環(huán)對位錯源的反向應(yīng)力，而且每一個位錯繞過后都要增加一個位錯環(huán)。因此繼續(xù)變形必須增大外應(yīng)力，從而使流變應(yīng)力迅速提高。此圖為α黃銅中繞Al2O3粒子的位錯環(huán)的透射電鏡像。位錯繞過間距為λ的第二相微粒所需要的切應(yīng)力為：

τ=Gb/λ(6-10)式中G為切變彈性模量；b為柏氏矢量?？梢钥闯觯哼@種強化作用與第二相粒子的間距成反比。λ越小，強化效果越好。因此，減小粒子尺寸(增大粒子數(shù))或提高粒子體積分數(shù)(減小粒子間距)，都能使合金的強度提高。2可變形微粒的強化作用：第二相為可變形微粒時，位錯將切過粒子使其與基相一起變形。在此情況下，強化作用取決于粒子本身的性質(zhì)和與基相的聯(lián)系，主要作用有：1)由于粒子結(jié)構(gòu)與基相不同，當(dāng)位錯切過粒子時，必然造成滑移面上原子錯排，需要補充錯排能。2)如果粒子是有序相，則位錯切過粒子時，會產(chǎn)生反向疇界，需要反向疇界能。3)每個位錯切過粒子時，使其生成寬為b的臺階，需要增加表面能。4)粒子周圍的彈性力場與位錯產(chǎn)生交互作用，產(chǎn)生運動阻力。5)粒子的彈性模量與基相不同，引起位錯能量與線張力變化。上述因素的綜合作用使合金強度得以提高。此外，加大粒子尺寸和增加體積分數(shù)也有利于提高強度。在Ni-Cr-Al合金中位錯切過Ni3Al粒子的透射電鏡像6.5冷變形金屬的組織與性能6.5.1顯微組織的變化：塑性變形后的晶粒呈扁平或纖維狀。變形過程中，位錯在應(yīng)力作用下增殖運動。隨變形量增加，位錯密度大量增加且呈不均勻分布，組織內(nèi)形成許多位錯包，包壁上有大量位錯，包內(nèi)位錯密度較低，也稱為變形亞結(jié)構(gòu)或變形亞晶。位錯包也隨變形量增大而伸長，數(shù)量增多，尺寸減小。6.5.2變形織構(gòu)：隨變形度的增加，多晶材料中的晶粒會趨于一致，形成擇優(yōu)取向，也稱變形織構(gòu)。最主要的織構(gòu)有兩種：1絲織構(gòu)：拉拔時形成。特征是各晶粒同一指數(shù)的晶向與拉力軸平行或接近平行，用與軸線平行的晶向<uvw>表示。2板織構(gòu)：軋制時形成。各晶粒的某一同指數(shù)晶面平行于軋制平面(垂直于壓力軸向)，而某一同指數(shù)晶向平行于滾軋方向。用{hkl}<uvw>表示?？棙?gòu)會造成材料各向異性，而且退火也不能完全消除。用有織構(gòu)的板材冷沖工件時，會因板材的各向異性造成工件邊沿不齊，壁厚不均。這種現(xiàn)象稱為“制耳”。硅鋼片是利用織構(gòu)的一個典范。冷碾軋后的硅鋼片沿晶粒<100>晶向(碾壓方向)的磁化率μm最高。盡可能地使鐵芯中的磁力線與晶粒的<100>取向相同，可節(jié)省材料和降低鐵損。6.5.3殘留應(yīng)力和點陣畸變金屬塑性變形時，外力所做的功除轉(zhuǎn)化為熱外，還有10%的變形功以殘留應(yīng)力和點陣畸變的形式保留于金屬內(nèi)，稱為儲存能。6.5.3.1殘留應(yīng)力：也叫內(nèi)應(yīng)力，由物體變形不均勻而產(chǎn)生。根據(jù)變形區(qū)域大小分為宏觀應(yīng)力和微觀應(yīng)力兩種。1宏觀應(yīng)力：塑性變形時，工件各部分變形不均勻而產(chǎn)生宏觀應(yīng)力。如將一根直棒彎曲后，拉伸的部分殘留壓應(yīng)力，壓縮的部分殘留拉應(yīng)力；金屬拉絲后，外層殘留拉應(yīng)力，內(nèi)層殘留壓應(yīng)力。殘留拉應(yīng)力會降低材料強度，而殘留壓應(yīng)力可顯著提高材料的抗疲勞強度。因此常用滾壓強化或噴丸強化來使工件表面形成壓應(yīng)力，提高其抗疲勞強度。2微觀應(yīng)力：由塑性變形時晶粒或亞晶粒間或其內(nèi)部的變形不均勻造成。微觀應(yīng)力過大可造成顯微裂紋并導(dǎo)致工件破壞。6.5.3.2點陣畸變：金屬或合金塑性變形后，位錯、空位等缺陷大增，使點陣中的一部分原子偏離平衡位置，造成點陣畸變。80~90%的儲存能消耗于點陣畸變。點陣畸變能使金屬處于熱力學(xué)不穩(wěn)狀態(tài)，是金屬回復(fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動力。6.5.4塑性變形對性能的影響6.5.4.1應(yīng)變硬化：也稱加工硬化。指塑性變形時，隨內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化，金屬的強度、硬度上升，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化是強化金屬的重要方法，固態(tài)無相變材料不能用熱處理強化，便可用冷軋之類的應(yīng)變強化工藝提高強度。加工硬化過程是一個應(yīng)力和應(yīng)變均勻分布的過程，結(jié)果使塑性變形能均勻分布于整個工件。但是，變形抗力也會不斷加大，增加動力及設(shè)備消耗。而且，隨冷變形量的增加，材料屈服強度往往比抗拉強度增加更快，導(dǎo)致兩者的差值減小，塑性變形階段縮短，材料超載容易斷裂。因此深度冷加工必須嚴格控制載荷，或者增加中間退火工序。圖6-48是金屬單晶體的典型加工硬化曲線?？煞譃槿齻€階段：1當(dāng)ττc時開始進入塑性變形的初始階段，此階段曲線接近于直線，斜率(稱為加工硬化速率)θ1=dτ/dγ或θ=dσ/dε很小，約10~4G(切變模量)，稱為易滑移階段。2應(yīng)力急劇增加，θ2在G/100~G/300之間，幾乎為一恒定值，稱為線性硬化階段。3加工硬化速率隨應(yīng)變增加而不斷下降，曲線呈拋物線狀，稱為拋物線硬化階段。第一階段應(yīng)力較低，只有一組取向有利的滑移系開動，所以滑移位錯很少受到其他位錯干擾，可以移動很長距離并可能達到表面，因此晶體可以產(chǎn)生較大應(yīng)變，加工硬化率也低。第二階段發(fā)生了多滑移，位錯之間相互作用，產(chǎn)生大量位錯纏結(jié)或位錯塞積，使位錯難以進一步運動，造成應(yīng)力急劇上升，加工硬化速率提高。第三階段，在足夠高的應(yīng)力下，螺位錯可以通過交滑移繞過障礙，異號位錯還可以相互抵消，降低位錯密度，加工硬化趨勢減緩。金屬的流變應(yīng)力與位錯密度ρ的關(guān)系為：σb=αGbρ(6-11)式中α為常數(shù)，在0.1~1.0之間；G為切變模量；實際的晶體加工硬化曲線因晶體結(jié)構(gòu)類型、晶體位向、雜質(zhì)含量及實驗溫度不同而有所變化。面心立方有明顯的三階段加工特征；密排六方的滑移系少，位錯交割機會少，因此1階段很長而二階段未充分發(fā)展就發(fā)生試樣斷裂；高純體心立方的曲線與面心立方相似，但如果有微量雜質(zhì)就可產(chǎn)生屈服現(xiàn)象使曲線變化。對多晶體材料而言，因變形中晶界的阻礙和晶粒之間的協(xié)調(diào)配合要求，各晶粒不可能有共同的單一滑移系開動，而只能是多組滑移系同時開動。因此多晶材料的加工硬化曲線沒有單晶體硬化曲線的第一階段，而且加工硬化曲線通常更陡，加工硬化速率更高，晶粒越細，硬化效果越明顯。6.5.4.2其他物理、化學(xué)性能的變化：除力學(xué)性能外，凡與結(jié)構(gòu)相關(guān)的物理、化學(xué)性能也都隨變形發(fā)生比較明顯的變化。如導(dǎo)磁率、導(dǎo)電率和溫度系數(shù)都有一定程度的下降。由于塑性變形增加了結(jié)構(gòu)缺陷，金屬自由能升高，有助于金屬中的擴散過程，使其化學(xué)活性增加，腐蝕速度加快。6.6聚合物的變形聚合物由大分子鏈構(gòu)成，一般都具有柔性，變形時除了整個分子的相對運動外，還可以實現(xiàn)分子不同鏈段之間的相對運動。這種運動強烈依賴于溫度和時間，具有明顯的松弛特性。*三個應(yīng)力指標：σL：比例極限proportionallimit；σy：屈服強度yieldstrength；σb：斷裂強度breakingstrength。注意與金屬材料相關(guān)參數(shù)的區(qū)別。6.6.1熱塑性聚合物的變形6.6.1.1熱塑性聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：圖6-51為熱塑性聚合物的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

σ<

σL時，主要由鍵長和鍵角變化引起彈性變形；σL<σ<σy時，鏈段發(fā)生可恢復(fù)變形；同時曲線偏離線性關(guān)系；σ>σy時，聚合物屈服軟化，隨后出現(xiàn)應(yīng)力平臺，最后因應(yīng)變強化導(dǎo)材料斷裂。由于聚合物具有粘彈性，應(yīng)力-應(yīng)變行為受溫度、應(yīng)變速率的影響很大。如有機玻璃在4oC時為典型的硬脆材料，而在60oC時變?yōu)榈湫偷膭偠g的材料了。一般的說，熱塑性材料在玻璃化溫度Tg以下只發(fā)生彈性變形，而在Tg以上產(chǎn)生粘性流動。應(yīng)變速率過大會使聚合物自身升溫。對應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響相當(dāng)于改變溫度。*應(yīng)變速率又稱剪切速率或者速度梯度。該值對聚合物的變形過程影響甚大。應(yīng)變速率過大將使物體過熱，導(dǎo)致聚合物降解或產(chǎn)生材料破裂等弊病。應(yīng)變速率分布不均勻會使材料各處分子產(chǎn)生不同程度的取向差異，因而收縮率不同，導(dǎo)致制品翹曲。6.6.1.2屈服與冷拉：聚合物與金屬材料相比有以下特點：1聚合物的模量和強度比金屬材料低得多，屈服應(yīng)變和斷裂伸長比金屬高得多；2聚合物屈服以后會出現(xiàn)應(yīng)變軟化；3聚合物的屈服應(yīng)力強烈依賴于溫度和應(yīng)變速率。聚合物塑性變形的本質(zhì)與金屬也不相同。在脆韌轉(zhuǎn)化點Tb與Tg溫度之間，玻璃態(tài)高聚物拉伸初始階段，試樣工作段被均勻拉伸，到達屈服點時，出現(xiàn)縮頸。然后試樣整個工作段被均勻拉細，然后才發(fā)生斷裂。如果試樣在被拉斷前卸載，或者被拉斷而自動卸載，則大部分變形將保留下來，這種拉伸過程叫冷拉。玻璃態(tài)聚合物冷拉后殘留的變形被加熱到玻璃化溫度Tg以上基本上能完全恢復(fù)，這說明冷拉變形是高彈性的，這種在外力作用下被迫產(chǎn)生的高彈性稱為強迫高彈性。原因是原本被固定了的大分子鏈段在外力作用下發(fā)生了高度的取向運動而形成大變形。結(jié)晶性高聚物的冷拉變形往往要升溫到熔點Tm以上才能恢復(fù)。這是因為結(jié)晶性聚合物的冷拉過程伴隨有晶粒的取向、破裂和再結(jié)晶等過程。晶粒取向?qū)е碌挠不箍s頸能沿試樣擴展而不斷裂。取向改變的晶粒在熔點Tm以下是穩(wěn)定的。聚合物冷拉縮頸過程的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線見圖6-54。冷拉變形是制備高模量和高強度纖維的重要工藝。6.6.1.3剪切帶與銀紋：聚合物屈服時的塑性變形是以剪切滑移的方式進行的，當(dāng)滑移發(fā)生在一小范圍內(nèi)時則形成剪切帶。圖示為聚對苯二甲酸乙二脂試樣中的剪切帶，帶內(nèi)的分子鏈取向高度平行。剪切帶通常形成于材料的缺陷或裂縫等應(yīng)力集中區(qū)域。孿生和馬氏體轉(zhuǎn)變Martensitictransformation

也可形成剪切帶。*馬氏體martensite

鋼中過冷奧氏體在低溫轉(zhuǎn)變時晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了改組，新相的成分與原奧氏體成分相同。鋼中馬氏體就其本質(zhì)而言，是碳與合金元素在α-Fe中的過飽和固溶體，由于間隙固溶元素的過飽和固溶，使α-Fe的晶格發(fā)生一定程度的畸變，因而馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)一般為體心正方點陣且正方度隨間隙固溶原子量的增加而增大。由于間隙原子的過飽和固溶，因而馬氏體是一種亞穩(wěn)組織，有變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)組織的傾向。馬氏體是淬火鋼的基本組織，其最主要的特點是具有高硬度和高強度。馬氏體的硬度主要取決于過飽和固溶的碳含量，隨碳含量的增加而顯著增加，但當(dāng)碳含量超過0.6％以后硬度增長的趨勢明顯變緩。根據(jù)其微觀組織形貌，馬氏體主要分為板條馬氏體和孿晶馬氏體。一般以M表示。某些玻璃態(tài)聚合物在拉伸時會在表面產(chǎn)生與拉伸軸垂直的微細凹槽，其成因是材料在張應(yīng)力的作用下局部屈服變形，類似于縮頸過程。因它能反射光線而顯得銀光閃閃，故稱之為銀紋。銀紋不同于裂紋，裂紋的兩個張開面之間是空的，而銀紋是由高度取向的纖維束和空穴組成，仍有一定的強度。6.6.2熱固性塑料的變形：熱固性塑料為三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，分子移動困難，拉伸時顯示出脆性金屬或陶瓷一樣的變形特性，但在壓縮時卻可以發(fā)生大量的塑性變形。環(huán)氧樹脂為一種強交聯(lián)聚合物，其Tg為100oC，在室溫下呈剛硬的玻璃態(tài)，但在壓縮時容易剪切屈服并出現(xiàn)應(yīng)變軟化。剪切屈服的過程是均勻的，試樣不出現(xiàn)任何局部變形現(xiàn)象。6.7陶瓷材料的塑性變形陶瓷的強度高、重量輕、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕，用途極廣。但塑性和韌性都差，限制了其應(yīng)用范圍。6.7.1陶瓷晶體的塑性變形：陶瓷晶體通常為共價鍵或離子鍵結(jié)構(gòu)，在室溫下一般都沒有塑性，彈性變形階段結(jié)束后立即發(fā)生脆性斷裂。與金屬材料相比，陶瓷晶體有以下特點：1彈性模量比金屬大得多，常高出幾倍。2陶瓷晶體的彈性模量不僅與鍵結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與相結(jié)構(gòu)及其分布，以及氣孔率相關(guān)，而金屬材料的彈性模量對組織不敏感。3陶瓷的抗壓強度高于抗拉強度越一個數(shù)量級，而金屬的兩者相當(dāng)，這是由于陶瓷中存在裂紋的緣故。4陶瓷的實際斷裂強度低于理論強度約1~3個數(shù)量級，其原因是生產(chǎn)工藝缺陷導(dǎo)致的微裂紋引起應(yīng)力集中。5與金屬材料相比，陶瓷晶體具有良好的高溫抗蠕變性能，而且在高溫下也有一定塑性。*蠕變creep

固體材料在保持應(yīng)力(小于彈性極限)不變的情況下，應(yīng)變隨時間緩慢增長的現(xiàn)象。金屬、高分子材料和巖石等在一定條件下都具有蠕變性質(zhì)。蠕變材料的瞬時應(yīng)力狀態(tài)不僅與瞬時變形有關(guān)，而且與該瞬時以前