金屬材料的塑性變形

1、第3章 金屬材料的塑性變形,31 單晶體和多晶體的塑性變形,3.1.1 單晶體的塑性變形 單晶體的塑性變形主要通過(guò)滑移和孿生兩種方式進(jìn)行。 1滑移： 金屬塑性變形最常見(jiàn)的方式就是滑移。晶體在切應(yīng)力的作用下，一部分沿一定的晶面（亦稱(chēng)滑移面）和晶向（也稱(chēng)滑移方向）相對(duì)于另一部分產(chǎn)生滑移,實(shí)際上，單晶體的滑移變形除了晶體內(nèi)兩部分彼此以剛性的整體相對(duì)滑移外，晶體內(nèi)部的各種缺陷（尤其是位錯(cuò)）的運(yùn)動(dòng)更容易產(chǎn)生滑移，而且位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剛性的整體滑移所需的切應(yīng)力。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶體表面時(shí)，晶體就產(chǎn)生了塑性變形,滑移的實(shí)現(xiàn) 借助于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),金屬晶體的滑移遵循一定的規(guī)律。 當(dāng)金屬晶體發(fā)生滑移時(shí)，原子移動(dòng)

2、的距離是晶格常數(shù)的整數(shù)倍，所以滑移后仍然可以保持晶體結(jié)構(gòu)的完整性，滑移后晶體結(jié)構(gòu)的取向也沒(méi)有發(fā)生變化。 由于金屬晶體中各類(lèi)晶面和晶向的原子密度并不相等，各類(lèi)晶面之間距離和不同晶向的原子之間距離也不相等，所以當(dāng)外應(yīng)力或分切應(yīng)力一定時(shí)，金屬晶體必定會(huì)以晶面間距較大即晶面之間結(jié)合力較小的最密排面作為滑移面進(jìn)行滑移。反之，原子密度小的晶面，由于面間距離小，即晶面之間的結(jié)合力甚強(qiáng)而難于進(jìn)行滑移,同理，滑移方向一般也是金屬晶體中的最密排方向。 將滑移面和滑移方向的組合數(shù)（即兩者的乘積）稱(chēng)為滑移系。 金屬的晶體結(jié)構(gòu)不僅會(huì)影響滑移的臨界分切應(yīng)力的大小，還會(huì)對(duì)滑移系的多少產(chǎn)生影響。這兩個(gè)因素都與金屬的塑性直接有

3、關(guān)。所以常見(jiàn)的金屬中，面心立方金屬塑性較好，體心立方金屬塑性稍差，密排六方金屬塑性更差,2孿生 晶體變形的另一種方式是孿生。孿生變形是在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分對(duì)應(yīng)于一定的晶面（孿晶面）沿一定方向進(jìn)行的相對(duì)移動(dòng)。原子移動(dòng)的距離與原子離開(kāi)孿晶面的距離成正比，每個(gè)相鄰原子間的位移只有一個(gè)原子間距的幾分之一，但許多層晶面累積起來(lái)的位移便可形成比原子間距大許多的變形,孿生,在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變，產(chǎn)生塑性變形,黃銅中的孿晶,3.1.2 多晶體金屬塑性變形的特點(diǎn) 1晶粒取向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊?多晶體中各個(gè)晶粒的取向不同，在大小和方向一定的

4、外力作用下，各個(gè)晶粒中沿一定滑移面和一定滑移方向上的分切應(yīng)力并不相等，因此在某些取向合適的晶粒中，分切應(yīng)力有可能先滿(mǎn)足滑移的臨界應(yīng)力條件而產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這些晶粒的取向稱(chēng)為軟位向,另一些晶粒由于取向的原因可能還不符合發(fā)生滑移的臨界應(yīng)力條件而不會(huì)發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這些晶粒的取向稱(chēng)為硬位向。在外力作用下，金屬中處于軟位向的晶粒中的位錯(cuò)首先發(fā)生滑移運(yùn)動(dòng)，但這些晶粒變形到一定程度后就會(huì)受到處于硬位向、尚未發(fā)生變形的晶粒的阻礙，只有當(dāng)外力進(jìn)一步增加才能使處于硬位向的晶粒也滿(mǎn)足滑移的臨界應(yīng)力條件，產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)從而出現(xiàn)均勻的塑性變形,所以在多晶體金屬中，由于各個(gè)晶粒取向不同，一方面使塑性變形表現(xiàn)出很大的不均勻性，

5、另一方面也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)化作用。同時(shí)，在多晶體金屬中，當(dāng)各個(gè)取向不同的晶粒都滿(mǎn)足臨界應(yīng)力條件后，每個(gè)晶粒既要沿各自的滑移面和滑移方向滑移，又要保持多晶體金屬的結(jié)構(gòu)連續(xù)性，所以實(shí)際的滑移變形過(guò)程比單晶體金屬?gòu)?fù)雜、困難得多,2晶界對(duì)塑性變形的影響 在多晶體金屬中，晶界原子的排列是不規(guī)則的，局部晶格畸變十分嚴(yán)重，還容易產(chǎn)生雜質(zhì)原子和空位等缺陷的偏聚。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)容易受到晶界的阻礙。在常溫下多晶體金屬受到一定的外力作用時(shí)，首先在各個(gè)晶粒內(nèi)部產(chǎn)生滑移或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，只有當(dāng)外力進(jìn)一步增大后，位錯(cuò)的局部運(yùn)動(dòng)才能通過(guò)晶界運(yùn)動(dòng)，從而出現(xiàn)更大的塑性變形,這表明多晶體金屬的晶界可以起到強(qiáng)化作用，金屬晶粒越細(xì)小，晶界

6、在多晶體中占有的體積百分比越大，它對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻礙也越大，因此細(xì)化晶?？梢詫?duì)多晶體金屬起到明顯強(qiáng)化作用。同時(shí)在一定的外力作用下，當(dāng)總的塑性變形量一定時(shí)，細(xì)化晶粒后可以使位錯(cuò)在更多的晶粒中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，這就會(huì)使塑性變形更均勻，因而不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以細(xì)化晶粒在提高金屬?gòu)?qiáng)度的同時(shí)也改善了金屬材料的韌性,32 金屬的形變強(qiáng)化,3.2.1 形變強(qiáng)化現(xiàn)象 金屬經(jīng)過(guò)冷態(tài)下的塑性變形后其性能發(fā)生很大的變化，最明顯的特點(diǎn)是強(qiáng)度隨變形程度的增加而大為提高，其塑性卻隨之有較大的降低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為形變強(qiáng)化，也稱(chēng)為加工硬化或冷作硬化,加工硬化（形變強(qiáng)化強(qiáng)化材料的手段之一,加工硬化的原因 塑性變形 位錯(cuò)密度增加，相

7、互纏結(jié)(亞晶界)，運(yùn)動(dòng)阻力加大 變形抗力,金屬在冷變形時(shí)，強(qiáng)度、硬度 ，塑性、韌性,利用形變強(qiáng)化現(xiàn)象來(lái)提高金屬材料的強(qiáng)度，在工業(yè)上應(yīng)用甚廣。例如冷拉鋼絲。尤其是對(duì)于純金屬以及不能用熱處理強(qiáng)化的合金，這種方法格外重要。 冷態(tài)壓力加工后位錯(cuò)密度大增，晶格畸變很大，電阻有所增大，抗蝕性降低；冷變形產(chǎn)品尺寸精度高、表面質(zhì)量好，但塑性下降，進(jìn)一步加工困難,3.2.2 塑性變形后金屬的組織結(jié)構(gòu)變化 晶粒碎化，亞結(jié)構(gòu)增多。 晶粒拉長(zhǎng)，出現(xiàn)纖維狀組織。 塑性變形會(huì)使多晶體金屬的晶粒、晶界形狀、晶界上雜質(zhì)元素的分布都出現(xiàn)沿變形方向的延伸。如果塑性變形量很大，晶界會(huì)變得模糊不清，只剩下沿變形方向的一條條纖維狀條紋

8、。這種組織稱(chēng)為纖維狀組織。多晶體金屬塑性變形時(shí)各個(gè)晶粒的取向還會(huì)發(fā)生一定的變化，即處于軟位向的晶粒會(huì)邊變形邊向硬位向轉(zhuǎn)動(dòng)。所以當(dāng)塑性變形量很大時(shí)還會(huì)使各個(gè)晶粒的取向基本一致而產(chǎn)生織構(gòu)，并造成各向異性,1) 晶粒拉長(zhǎng)，纖維組織 各向異性 (沿纖維方向的強(qiáng)度、塑性最大,變形10% 100,變形40% 100,變形80%纖維組織100,工業(yè)純鐵不同變形度的顯微組織,2）織構(gòu),絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，性能出現(xiàn)各向異性,晶粒拉長(zhǎng)，但未出現(xiàn)織構(gòu),晶粒拉長(zhǎng)，且出現(xiàn)織構(gòu),3.2.3 塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力（內(nèi)應(yīng)力） 由于多晶體的晶粒有各種位向和受晶界的約束，各晶粒的變形先后不一致，有些晶粒的

9、變形較大，有些變形較小，在同一晶粒內(nèi)變形也不一致，因而造成多晶體變形的不均勻性。晶粒內(nèi)部和晶粒之間會(huì)存在不同的內(nèi)應(yīng)力，變形結(jié)束后殘留在晶粒內(nèi)部或晶粒之間形成殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力分為宏觀(guān)殘余應(yīng)力（第一類(lèi)殘余應(yīng)力，是由于金屬材料各部分之間變形不均勻而形成的宏觀(guān)范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力）、微觀(guān)殘余應(yīng)力（第二類(lèi)殘余應(yīng)力，是各晶?；騺喚ЯＶg變形不均勻，在各晶?；騺喚Яｉg產(chǎn)生的殘余應(yīng)力）和晶格畸變殘余應(yīng)力（第三類(lèi)殘余應(yīng)力，是金屬在塑性變形后增加了位錯(cuò)和空位等晶體缺陷，使晶體中一部分原子偏離其平衡位置造成晶格畸變所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力的危害主要有：降低工件的承載能力。使工件尺寸及形狀發(fā)生變化。降低工件的耐腐蝕性

10、。 消除殘余應(yīng)力的方法：去應(yīng)力退火,33 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化,凡是經(jīng)過(guò)塑性變形后的金屬皆具有一種自發(fā)恢復(fù)到原來(lái)組織狀態(tài)的傾向。不過(guò)，在室溫下，由于金屬中的原子擴(kuò)散能力不足，這種不穩(wěn)定狀態(tài)能維持相當(dāng)時(shí)間而不發(fā)生明顯的變化,3.3.1 回復(fù) 加工硬化后的金屬，在加熱到一定溫度后，原子獲得熱能，使原子得以恢復(fù)正常排列，消除了晶格扭曲，可使加工硬化得到部分消除。這一過(guò)程稱(chēng)為回復(fù)。 T回=（0.25-0.3）T熔 T回、T熔以熱力學(xué)溫度表示的金屬回復(fù)溫度和熔化溫度,3.3.2 再結(jié)晶 當(dāng)溫度繼續(xù)升高到該金屬熔點(diǎn)熱力學(xué)溫度的0.4倍時(shí)，金屬原子獲得更多的熱能，則開(kāi)始以某些碎晶或雜質(zhì)為核心

11、結(jié)晶成新晶粒，從而消除了殘余應(yīng)力和加工硬化現(xiàn)象。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為再結(jié)晶。 T再=0.4T熔 T再以熱力學(xué)溫度表示的金屬最低再結(jié)晶溫度。 當(dāng)金屬在高溫下受力變形時(shí)，加工硬化和再結(jié)晶過(guò)程同時(shí)存在。由于變形中的加工硬化隨時(shí)都被再結(jié)晶過(guò)程所消除，所以變形后沒(méi)有加工硬化現(xiàn)象,3.3.3 晶粒長(zhǎng)大 塑性變形的金屬經(jīng)再結(jié)晶后，得到細(xì)小均勻的等軸晶粒。 但如繼續(xù)升高溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，則再結(jié)晶后形成的新晶粒又會(huì)逐漸長(zhǎng)大。 晶粒長(zhǎng)大是一個(gè)自發(fā)過(guò)程，因?yàn)樗墒咕Ы鐪p少，晶界表面能量降低，使組織處于更穩(wěn)定的狀態(tài)。 晶粒長(zhǎng)大實(shí)質(zhì)上是一個(gè)晶粒的邊界向另一個(gè)晶粒中遷移，把另一個(gè)晶粒中晶格的位向逐步改變成為與這個(gè)晶粒相同的位向

12、，于是另一個(gè)晶粒便逐步被這個(gè)晶粒吞并而成一個(gè)大晶粒,晶粒長(zhǎng)大,變形80,工業(yè)純鐵再結(jié)晶退火 顯微照片 100,變形80% 600退火8小時(shí),變形80% 400退火8小時(shí),加熱溫度 T 和 加熱時(shí)間 t 晶界遷移、晶粒合并長(zhǎng)大,3.3.4 冷變形和熱變形 在再結(jié)晶溫度以下的變形叫冷變形。冷變形后金屬產(chǎn)生形變強(qiáng)化。 在再結(jié)晶溫度以上的變形叫熱變形。熱變形后金屬具有再結(jié)晶組織，而無(wú)形變強(qiáng)化。 金屬塑性加工最原始的坯料是鑄錠，其內(nèi)部組織很不均勻，晶粒較粗大，并存在氣孔、縮松、非金屬夾雜物等缺陷。鑄錠經(jīng)熱塑性加工后，獲得細(xì)化的再結(jié)晶組織，氣孔、縮松壓合在一起，金屬更加致密，力學(xué)性能有很大提高,3.3.5

13、 金屬纖維組織及其應(yīng)用 鑄錠在塑性加工中產(chǎn)生塑性變形時(shí)，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)形狀都發(fā)生了改變，它們將沿著變形方向被拉長(zhǎng)，呈纖維形狀，這種結(jié)構(gòu)叫纖維組織。 纖維組織使金屬在性能上具有了方向性，金屬在縱向（平行纖維方向）上的強(qiáng)度尤其是塑性和韌性均比在橫向（垂直纖維方向）上的高。 纖維組織的明顯程度與金屬的變形程度有關(guān)。變形程度越大，纖維組織越明顯。常用鍛造比y鍛來(lái)表示變形程度,拔長(zhǎng)時(shí)：y鍛=A0/A（變形前后的橫截面積之比） 鐓粗時(shí)：y鍛=H0/H（變形前后的高度之比） 纖維組織的穩(wěn)定性很高，不能用熱處理方法加以消除，只有經(jīng)過(guò)鍛壓使金屬變形，才能改變其方向和形狀。因此，為了獲得具有

14、最好力學(xué)性能的零件，在設(shè)計(jì)和制造零件時(shí)，都應(yīng)使零件在工作中產(chǎn)生的最大正應(yīng)力方向與纖維方向一致，最大切應(yīng)力方向與纖維方向垂直，并使纖維分布與零件的輪廓相符合，盡量使纖維組織不被切斷,鍛造曲軸,切削加工曲軸,34 塑性加工性能及影響因素,3.4.1 塑性加工性能及其指標(biāo) 金屬的塑性加工性能是指衡量金屬材料通過(guò)塑性加工獲得優(yōu)質(zhì)零件的難易程度。塑性加工性能常用金屬的塑性和變形抗力來(lái)綜合衡量。 金屬的塑性指金屬材料在外力作用下發(fā)生永久性變形而又不破壞其完整性的能力。常用截面收縮率、延伸率和沖擊韌度等指標(biāo)表示。變形抗力指變形過(guò)程中金屬抵抗外力的能力,3.4.2 塑性加工性能的影響因素 1金屬的本質(zhì) 化學(xué)成分：純金屬的塑性加工性能比合金好。 金屬組織：純金屬及固溶體（如奧氏體）的塑性加工性能好，而碳化物（如滲碳體）的塑性加工性能差。鑄態(tài)柱狀組織和粗晶粒結(jié)構(gòu)不如細(xì)小而又均勻組織的塑性加工性能好,2加工條件 變形溫度：隨溫度升高，金屬的塑性上升，變形抗力下降，即金屬的塑性加工性能提高。 鍛造溫度指始鍛溫度（開(kāi)始鍛造的溫度）和終鍛溫度（停止鍛造的溫度）間的溫度范圍。始鍛溫度比AE線(xiàn)低200左右，終鍛溫度約為800左右,變形速度：一方面由于變形速度的增大，回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程來(lái)不及進(jìn)行，不能及時(shí)克服形變強(qiáng)化現(xiàn)象，金屬則表現(xiàn)出塑性下降、變形抗力增大，塑性加工性能變壞