金属变形及强化机制

金属变形及强化机制知识梳理，包括金属变形机制、金属强化机制、再结晶、晶粒长大、金属的冷热加工、组织应力等等。

金属变形及强化机制

• 1. 金属变形机制
  • 1.1. 金属变形机制
    • 1.1.1. 运用位错及他们在塑性变形过程中的重要作用可以帮助我们来理解用来强化和硬化金属及其合金的基本原理。
    • 1.1.2. 微观角度上看，塑性变形是在外加切应力的作用下的一种大量原子的净运动。在这个过程中原子键被破坏然后重新组合。
    • 1.1.3. 塑性变形通常指位错的运动
      • 1.1.3.1. 金属和合金在塑性变形时所消耗的工，90%转变为热而散发掉，只有10%左右的能量以弹性应变和增加金属中的晶体缺陷@主要是空穴和位错的形式存储起来。
        • 弹性应变存储能量约为3-12%
        • 晶体缺陷存储能量-畸变能
          • 空穴
          • 位错-主要
    • 1.1.4. 形变金属由于储存能的存在，其自由能升高。从热力学角度分析，处于热力学亚稳定状态，有向稳态过程转变的趋势
      • 1.1.4.1. 形变金属由亚稳态向稳定状态转变的趋势
        • 会引起一系列的组织和性能的变化@退火过程
          • 力学性能改变，e.g.残余应力释放，硬度降低，塑性提高
          • 发生重结晶和晶粒长大等
        • 转变的驱动力
          • 储存能
        • 过程
          • 回复
          • 再结晶
          • 晶粒长大
        • 转变机制
          • 通过回复和重结晶降低位错密度，重结晶会显著降低位错密度
  • 1.2. 单晶体塑性变形
    • 1.2.1. 滑移
      • 1. 塑性变形是通过位错的运动产生的，这个运动称为滑移，被位错线横切的晶面为滑移面。
      • 2. 对于一个晶粒来说，位错沿着最优取向（即最高切应力）的滑移系运动；
      • 3. 单晶体的屈服强度取决于临界切应力和最优滑移系所在的取向
      • 4. 位错的运动和毛毛虫的运动模式类似
    • 1.2.2. 孪生
      • 1. 孪晶是由原子错位导致的。
      • 2. 原子错位产生于
        • 2.1. 机械剪切力
          • 1. 机械孪晶
            • 1.1. BCC
            • 1.2. HCP
        • 2.2. 变形后退火热处理过程
          • 1. 退火孪晶
            • 1.1. FCC
      • 3. 孪生对变形过程的直接贡献不大，但是孪生后由于晶体转向新位向，将有利于产生新的滑移变形，因而使得金属的变形能力得到提高。
      • 4. 在金属的塑性变形过程中，滑移和孪生两种变形方式往往交替进行
    • 孪生与滑移的异同点
      • 相同点
        • 孪生是原子的相对切变距离小于孪生方向上一个原子间距，孪生也是通过位错运动来实现的。
      • 不同点
        • 1. 变形距离－滑移的距离是原子间距的整数倍，而孪晶带中相邻原子面的相对位移是原子间距的分数倍。
        • 2. 变形方向－滑移时晶体位向不变，而孪晶位向发生变化，与未变形部分形成镜面对称。
        • 3. 所需临界切应力-孪生比滑移大得多
        • 4. 变形速度－孪生的变形速度比滑移大得多，接近声速
        • 5. 变形量－孪生变形量小
        • 6. 变形种类-面心立方结构一般不发生孪生，而易滑移。密排六方结构易发生孪生变形。
  • 1.3. 多晶体塑性变形
    • 1.3.1. 滑移
    • 1.3.2. 孪生
    • 在多晶体中由于晶界的存在和晶粒取向不同，滑移必须克服较大的阻力，表现出材料的强度增高。金属晶粒越细，晶界面积越大，每个晶粒周围具有不同位向的晶粒数目也越多，金属塑性变形的抵抗力就越高。在多晶体中由于晶界的存在和晶粒取向不同，滑移必须克服较大的阻力，表现出材料的强度增高。金属晶粒越细，晶界面积越大，每个晶粒周围具有不同位向的晶粒数目也越多，金属塑性变形的抵抗力就越高。
  • 1.4. 合金的塑性变形
    • 1.4.1. 合金的组织结构可以分为：单相固溶体和多相混合物
    • 1.4.2. 单相固溶体
      • 1.4.2.1. 该变形过程与纯金属大致相同，但是随着合金元素（溶质）原子的溶入，固溶体（溶剂）的晶格发生畸变，大大增加了固溶体的变形抗力，使固溶体得到强化，而且晶格畸变越大，固溶强化的效果也就越显著。
    • 1.4.3. 多相合金
      • 1.4.3.1. 子主题 1
  • 1.5. 塑性变形对组织和性能的影响
    • 1.5.1. 对组织的影响
    • 1.5.2. 对性能的影响
  • 1.6. 金属的断裂
    • 1.6.1. 塑性断裂
    • 1.6.2. 脆性断裂
      • 1.6.2.1. 沿晶断裂
      • 1.6.2.2. 穿晶断裂
        • 解理
        • 准解理
• 2. 金属强化机制
  • 2.1. 细晶强化
    • 2.1.1. 唯一不以牺牲塑性为代价的强化方法
      • 2.1.1.1. 原理
        • 晶界两侧晶粒取向不同，晶界附近杂质原子较多
          • 晶界附近滑移阻力增大，滑移带无法直接进入另一晶粒
        • 晶界上形变的协调需要多个滑移系统同时动作
          • 位移不易穿过晶界，而是塞积在晶界处。
    • 2.1.2. 强化方法
      • 2.1.2.1. 增加过冷度
        • 采用冷却能力强的铸模
        • 提高液体金属的过冷能力
      • 2.1.2.2. 进行变质处理
        • 增加形核率
        • 降低长大速度
      • 2.1.2.3. 附加震动
        • 机械振动
        • 超声波振动
        • 电磁振动
  • 2.2. （固溶强化+时效强化）-沉淀硬化
    • 2.2.1. 机理：溶质原子使溶剂晶格发生扭曲，从而使合金抵抗塑性变形的能力增加
    • 2.2.2. 人工时效
      • 2.2.2.1. 加热到一定温度、保温，加速其沉淀析出
    • 2.2.3. 自然时效
      • 2.2.3.1. 强化相随时间延长而析出
  • 2.3. 弥散强化
    • 2.3.1. 机理：金属化合物@Fe3C呈细小的颗粒状弥散分布在固溶体基体上，能显著提高合金的强度、硬度和耐磨性
      • 2.3.1.1. 认为的将硬的颗粒（如陶瓷颗粒）加入到软的金属基体中，而不通过沉淀过程析出
        • 第二相颗粒通过粉末冶金的方法加入并起强化作用。
  • 2.4. 应变强化/加工硬化
    • 2.4.1. 机理：位错密度增加，阻碍增加，强度增高
• 3. 回复
  • 3.1. 回复是经冷塑性变形的金属在随后较低温度加热时冷变形的基体尚未发生变化时的退火过程
    • 3.1.1. 低温退火
      • 3.1.1.1. 消除内应力，但保留加工硬化
    • 3.1.2. 中温退火
      • 3.1.2.1. 消除加工硬化，提高塑性，以便进行后续加工
    • 3.1.3. 高温退火
      • 3.1.3.1. 控制产品的组织和性能
  • 3.2. 金属加热到某一温度时，原子获得热能，消除晶格缺陷从而降低内应力但组织性能变化不大。
  • 3.3. 由于位错运动储存了一部分应变能量被释放出来（无外部应力作用），结果促进了原子在高温下的的扩散。在这个回复过程中，位错数量降低，并且具有低应变能的位错形态发生变化。
    • 3.3.1. 回复机制
      • 3.3.1.1. 回复是空位和位错在退火过程中发生运动，从而改变了它们的数量和组态的过程
      • 3.3.1.2. 低温回复
        • 主要涉及空位的运动，空位运动至表面、晶界和位错处消失，也可以聚合起来形成空位对和空位群，还可以与间隙原子相互作用而消失。
        • 空位运动的结果使空位密度大大减少
          • 电阻率对空位比较敏感，所以电阻率数值会有很大变化
          • 力学性能对空位的变化不敏感，所以变化不大。
      • 3.3.1.3. 高温回复
        • 主要是位错的运动
  • 3.4. 回复会使金属位错密度下降，电导率/热导率回复到加工之前的状态
  • 3.5. 回复温度T=（0.25-0.3）T熔
  • 3.6. 回复退火的应用
    • 3.6.1. 回复退火在工程上称之为去应力退火
      • 3.6.1.1. 主要作用
        • 使冷加工的金属件在基本上保持加工硬化状态的条件下降低其内应力@主要是第一类内应力。低温退火主要消除部分内应力，但是会保留加工硬化。
        • 减轻工件的翘曲和变形，降低电阻率，提高材料的耐蚀性并改善其塑性和韧性，提高工件使用时的安全性；
      • 3.6.1.2. 案例
        • 第一次世界大战，经深冲成形的黄铜弹壳放置一段时间出现晶间开裂
          • 原因
            • 冷加工残留内应力和外界的腐蚀性气氛的联合作用而造成的应力腐蚀开裂
          • 措施
            • 在深冲加工之后在260℃的温度下进行去应力退火。
        • 冷拉钢丝卷制弹簧，在卷成之后要在250-300℃范围内进行去应力退火，以降低内应力并使之定形，而硬度和强度则保持不变。
        • 对于焊接件和铸件都要及时进行去应力退火，以防止其变形和开裂；
        • 对于精密零件，如机床厂制造机床丝杠时，在每次的车削加工之后，都要进行去应力退火，防止其变形和翘曲，从而保持尺寸精度。
    • 黄铜再结晶的阶段和晶粒长大的显微照片
  • 退火温度（退火时间1h）对黄铜合金抗拉强度和韧性的影响以及晶粒尺寸与退火温度的关系
• 4. 再结晶
  • 4.1. 金属在回复完成后，晶粒仍处于一种相对高应变能的状态，再结晶就是新的无应变、具有低位错密度的等轴晶粒（即在所有的方向上的尺寸大致相同）的形成过程，这些晶粒具有冷加工状态之前的特征；产生这种新晶粒的驱动力是有畸变和无畸变晶粒之间的内能差。
    • 4.1.1. 再结晶和同素异构转变的异同点
      • 4.1.1.1. 异
        • 再结晶前后晶粒的晶格不发生改变（没有发生相变），成分不变；而同素异构转变则发生了晶格类型的转变
      • 4.1.1.2. 同
        • 都有形核+长大的过程
  • 4.2. 再结晶就是回复过程温度继续升高，原子获得更多的内能，开始以某些杂质和碎晶为晶核，并继续长大，旧的晶核解体，生成正常晶格的晶粒，从而消除加工硬化组织。
    • 4.2.1. 再结晶不属于相变@晶格类型不改变
      • 4.2.1.1. 对金属零件进行冷加工会导致起晶粒破碎，而在随后的加热阶段，晶粒又恢复到了冷变形之前的状态，称之为再结晶。
      • 4.2.1.2. 现在，再结晶被定义为在整个多晶试样中，冷变形所造成试样的晶粒取向（分布）发生改变，同时冷变形产生的储存应变能也得以释放的过程，即出现了新的纤维组织形貌。再结晶过程可以使性能恢复到冷变形之前的水平。
  • 4.3. 再结晶过程是晶粒成核和长大过程；
  • 4.4. 再结晶温度 @Tm:熔点/℃
    • 4.4.1. 纯金属@0.4Tm
    • 4.4.2. 合金@0.7Tm
    • 4.4.3. 注
      • 4.4.3.1. 为了消除冷加工金属的加工硬化现象，再结晶退火温度通常要比其最低再结晶温度高100-200℃
        • 中间退火为了消除加工硬化，提高塑性，以便继续加工
      • 4.4.3.2. 影响再结晶温度的因素
        • 金属的变形度越大，金属中储能越多，再结晶的驱动力越大，所以金属的再结晶温度就会越低，但是当变形度增加到一定数值后，再结晶温度趋于一定稳定值。
        • 金属的纯度越高，则其再结晶温度越低。
          • 杂质溶于金属基体后，趋向于向位错和晶界处偏聚，阻碍位错的运动和晶界的迁移，同时杂质及合金元素还阻碍原子的扩散，因此会显著提高再结晶温度。
        • 形变金属的晶粒越细小，再结晶温度越低。
          • 形变金属的晶粒越细，单位体积内的晶界总面积越大，位错在晶界附近塞积导致晶格扭曲也越多，提供了较多的再结晶形核场所。
  • 4.5. 再结晶是否发生通常与材料的变形度、温度和保温时间有关
  • 4.6. 某些情况下，再结晶过程需要被限制：定向和单晶涡轮叶片由于消除了横向晶界或完全消除了晶界，因而力学性能大幅度增加，但在叶片制造或使用过程中会承受塑性变形，如吹砂、打磨、校形等，在随后的热处理或超温使用状态下会出现再结晶，产生新的晶界，从而降低零件的力学性能，这种情况应当避免
• 5. 晶粒长大
  • 5.1. 再结晶完成之后，如果金属试样继续处于高温下，那么无应变的晶粒将继续生长，称为晶粒长大。
  • 5.2. 晶粒长大的推动力：当晶粒尺寸增加时，晶界的总面积减小，使晶界的表面能相应降低，这就是晶粒长大的推动力
    • 5.2.1. 细晶粒晶界多，界面能高；粗晶粒的晶界少，界面能低；
  • 5.3. 对于多晶材料，晶粒生长时，晶粒尺寸与时间的关系：
  • 5.4. 再结晶退火
    • 5.4.1. 再结晶退火是指将冷变形金属加热到规定温度，并保温一段时间，然后缓慢冷却到室温的一种热处理工艺
      • 5.4.1.1. 最终退火则要控制产品的组织和性能。
    • 5.4.2. 目的
      • 5.4.2.1. 降低硬度，提高塑性，恢复并改善材料的性能。
    • 5.4.3. 过程
      • 5.4.3.1. 再结晶退火是“回复-再结晶-晶粒长大”交错重叠进行。
• 6. 金属的冷热加工
  • 6.1. 热加工：发生在再结晶温度以上的塑性变形加工
  • 6.2. 冷加工：发生在温度相对于金属熔点低的温度范围内
  • 区别
    • 热加工
      • 有加工硬化也有再结晶软化
    • 冷加工
      • 只有加工硬化而无再结晶软化
• 7. 组织应力
  • 7.1. 按应力分布的区域
    • 7.1.1. 第一类内应力
      • 7.1.1.1. 宏观内应力
        • 主要是由于金属工件或材料各部分不均匀变形所引起的。
          • 造成淬火畸变和开裂的主要原因
    • 7.1.2. 第二类内应力
      • 7.1.2.1. 微观内应力
        • 金属经冷塑性变形后，由于晶粒或亚晶粒变形不均匀引起的，它主要是在晶粒或亚晶粒范围内处于平衡的力。
    • 7.1.3. 第三类内应力
      • 7.1.3.1. 点阵畸变
        • 塑性变形使金属内部产生大量的位错和空位，使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，造成点阵畸变。
          • 点阵畸变会使金属的硬度、强度升高，而塑性和耐腐蚀性能力下降。@使金属强化的主要原因，也是变形金属中的主要内应力
  • 7.2. 按成因分类
    • 7.2.1. 热应力
      • 7.2.1.1. 热胀冷缩不同引起的
        • 冷却前期
          • 表层表现为拉应力
          • 心部为压应力
        • 冷却后期
          • 表层受压
          • 心部受拉
      • 7.2.1.2. 影响大小
        • 冷却速度越大，热应力越大
        • 在相同的冷速下，工件加热温度越高，截面尺寸越大，钢材热导率越小，残余热应力越大。
    • 7.2.2. 组织应力
      • 7.2.2.1. 淬火前期，表层先冷却到Ms点以下，心部冷却较慢
        • 表层受压，心部受拉
      • 7.2.2.2. 淬火后期，心部温度降到Ms点以下
        • 表层受拉，心部受压
    • 7.2.3. 综合作用
      • 7.2.3.1. 热应力占主导
        • 工件心部受拉，表面受压
      • 7.2.3.2. 组织应力占主导
        • 工件心部受压，表面受拉
  • 7.3. 按应力状态
    • 7.3.1. 拉应力（-）
    • 7.3.2. 压应力（+）
  • 7.4. 残余应力产生的不同重要影响因素
    • 7.4.1.