金属材料的晶界塑性变形机制

金属材料的晶界塑性变形机制

程国强,宿青民,李振

身份证：371482198301051117身份证：371482198202084554身份证：371482198106290331 山东德州 251200

摘要：在金属工业发展中，金属材料热处理是一种非常重要的制作手段，其能够改变金属材料的物理性质和化学性质，对工业生产有很重要的作用。对金属材料进行热处理，主要是将金属材料通过高温加热、保温和冷却等流程制成各种金属产品。基于此，以下对金属材料的晶界塑性变形机制进行了探讨，以供参考。

关键词：金属材料；晶界塑性；变形机制

引言

随着我国工业的高速发展，企业也对机械的整体性能有了更大的需求，特别是金属材料的热处理过程，需采用先进的技术来优化性能，改善结构变化，进一步促使整体材料的质量大大提高，避免影响因素的发生，有效控制热处理过程，使金属加工操作过程顺利开展。

1金属材料热处理变形的种类

（1）内应力塑性变形是指金属材料的化学性质改变造成的变形。在不同条件下加工金属材料时，金属材料的内部结构和组织会发生改变，出现体积不均的情况，进而引发变形，这是一种不可能自己恢复的变形类型。同时，对金属材料进行热处理过程中，由于温度在不断变化，金属材料内部结构出现受热不均、冷却速度不等的情况，导致内部结构改变，进而出现不定向的形变，而在这个形变过程中，金属材料内部会产生内应力，出现内应力塑性变形。（2）比容形变是一种物理性质的形变，在一定单位质量内，金属材料所占有的容积称为单位质量内的比容。由于金属材料内含有多种结构，内部组织的比容完全不同。当对金属材料进行高温加热时，金属材料内部结构会出现不同方向的反应，由于比容不同，金属材料会出现不同程度的变形。

2晶界及其结构

理论上，一个晶界的完整几何特征可由5个宏观几何自由度描述。相邻晶粒间的位相关系可由旋转轴u(x,y,z)和旋转角θ唯一确定，其中u包含2个独立变量，θ是第3个独立变量；晶界平面的空间取向可通过晶界平面的法向n(x,y,z)唯一确定，n同样包含2个独立变量。由此，可依据晶界的宏观几何自由度及其两侧的晶格结构将其分为不同类别。例如，依据u与n的关系，可将晶界划分为倾转晶界、扭转晶界和混合晶界；依据θ，可将晶界分为小角晶界和大角晶界；也可根据晶界两侧的晶格对称性，将其分为对称晶界和非对称晶界，其中孪晶界为典型的对称晶界。基于晶界的几何特征，学术界对晶界的结构模型开展了大量研究，并提出了若干构型。1934年，率先提出了晶界的位错模型，将晶界简化为由晶格中刃位错规则排列形成的位错墙；1956年，首次在透射电子显微镜(TEM)下观察到了变形态Al中的位错型界面。

3金属材料的晶界塑性变形机制分析

3.1做好预处理

预处理过程通常包括正火和退火。对金属材料的切削性能来说，热处理的正火和退火过程对其影响很大。在正火过程中，由于温度的相对差异，金属的内部变形将大大增加，因此，在开始热处理之前，必须控制温度。在实践中，在正火热处理完成后，可采用等温淬火，以保证金属内的结构均匀平整，对变形进行有效控制。此外，为保证预处理效果好，符合材料的结构特性，还需要我们能够科学合理地选择退火工艺，通过控制温度梯度，有效控制金属材料在热处理过程中的变形情况，有效提高整体的质量和水平。

3.2选择合适的加工方式

在金属材料加工过程中，不仅需要加热、冷却，还需要采取夹装等加工方式。在夹装过程中，需要对金属材料部件的形状进行控制。因此，合适的夹装方式能够改善热力不均造成的金属材料变形。在加工过程中，热处理为最后的工艺手段，需要在材料加工过程中预留出加工余量，可以根据不同的材料变形情况，结合反变形的加工方式，对其余材料进行反加工，尽最大的可能恢复变形的金属材料，进而提升变形材料的合格率，提高金属材料的质量。同时，材料加工装置的合理应用，能够对材料的厚度进行控制，设计出合格的零部件，以免材料变形导致零件变形、产生棱角或沟槽等情况，提高金属材料的使用效率。

3.3保证零件结构配置的合理性

金属零件的结构也影响其在热处理和冷却时的变形。由于金属的厚度较高，部分冷却速度较慢，厚度较低的部分冷却速度更快，因此在实际生产中，应尽可能减少薄厚之间的差距。为了有效控制变形和裂纹，由于在过渡区会集中产生的应力，所以零件接口必须是均匀的。除此以外，还需要对不均匀的冷却速度造成的变形加以控制，为了使零件的结构与材料的成本相适应，在零件设计时应尽量避免形成角和槽。此外，在零件的精细边界上必须在门廊上安装圆角，可以起到过渡的效果，并且对于一些不均匀程度比较大的零件来说，可以通过保留处理量来进行有效处理。

3.4表面机器碾压技术

该工艺主要是球形滚动头，将待制备的金属材料样品压入表面层，并在预定深度范围内完成金属材料表面层上的轧制过程，从而实现一定厚度样品表面层结构的较大剪切变形。然后，通过对金属材料样品表面层的微观结构进行清洗过程，我们保证了金属原料的制备工作采用纳米结构，并形成梯度纳米结构，形成塑性变形技术。根据该方法颗粒微米化程度计算标准的定义，该方法主要通过调整剪切变形厚度和变形层等两个指标来实现。变形变形的实际速度效率随样品球形滚动头的旋转速度而变化。同时，根据这种塑性技术制造纳米结构金属原料的效果也与滚动半径范围有关。

3.5塑性及加工硬化

对于粗颗粒金属材料，固化工作的主要原因是电位传递、增殖和电位反应。但是，对于纳米金属材料，粒子边界的体积比例增加，成为防止电位运动的主要因素。随着粒径的减小，谷物中被困电位的数量减少，结果应力浓度消失。这使得相邻谷物的电位来源难以启动，因此产量后指数和凝固速度更高。塑性变形过程中，由于位错塞，颗粒边界处应力浓度严重，采用SPD技术制造的纳米结构具有高内应力和大量缺陷，释放后材料立即崩溃，劳动阻力下降，塑性低。

3.6确定温度变化范围

温差范围对金属材料的加工过程有一定的影响。如果整个加工过程的温度测量不准确，得到的温度变化将不准确，从而影响膨胀系数的计算结果。金属在加工过程之前被预热，并且预热温度非常高。预热温度通常设定在200 C和400 C之间，处理过程既受高温影响，也受低温影响。第二，热身后的第二步也很重要。热处理温度设定在700℃至800℃之间，然后温度自然下降，最后温度冷却。当热处理温度降至550复时，将其冷却。因此，在预热、加热和冷却三个环节，温度控制非常严格，保持合理的温度可以有效提高加工过程的质量。

3.7加强对预处理变形的控制

在预处理过程中，要想降低金属材料变形的概率，需要结合等温正火的冷却方式处理材料。这样不仅能够改善金属材料内部结构不均匀的现象，还可以减少材料变形的现象。在热处理过程中，由于金属材料的内部结构大有不同，需要根据材料内部结构特点进行处理，通过在预处理过程中的变形控制，可以选择合适的材料加工手段和冷却方式，提高金属材料的质量。当然，在预处理过程中，要想达到较好的成形效果，成本就会增加，金属材料处理的时间会延长，所以需要根据实际需求，合理安排预处理方式。

结束语

对于单相合金来说,晶粒尺寸应该也会影响它们的退火强化机制,那么,在亚微米或纳米晶单相合金中,它们的退火强化机制又会是什么样的呢?各种强化机制占的比重又是多少呢?因此,需要研究退火强化的效果与溶质的含量及晶体缺陷的种类和数量之间存在的定量关系的表达。

参考文献

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