第六章 金屬塑性變形與再結(jié)晶(11)新

1、一、單晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形 滑移滑移 和和 孿生孿生 單晶體變形的基本形式單晶體變形的基本形式 彈性變形、滑移和孿生彈性變形、滑移和孿生 塑性變形的實質(zhì)塑性變形的實質(zhì) 原子移動到新的穩(wěn)定位置原子移動到新的穩(wěn)定位置。 6-1 6-1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 l1 1滑移滑移 l 在外加切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面在外加切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面 （滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生相對的滑動。（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生相對的滑動。 l 拉伸拉伸時，時，4545方向的滑移面上的外力方向的滑移面上的外力P P分解為正應(yīng)力分解

2、為正應(yīng)力和切應(yīng)力和切應(yīng)力 。 l l 滑移的實現(xiàn)滑移的實現(xiàn) 借助于位錯運動借助于位錯運動 l l 位錯在外加切應(yīng)力的作用下移動至晶體表面位錯在外加切應(yīng)力的作用下移動至晶體表面 l一個原子間距的滑移臺階一個原子間距的滑移臺階 塑性變形塑性變形 l 多多 腳腳 蟲蟲 的的 爬爬 行行 l滑移的機理滑移的機理 l把滑移設(shè)想為剛性整體滑動所需把滑移設(shè)想為剛性整體滑動所需 的理論臨界切應(yīng)力值比實際測量的理論臨界切應(yīng)力值比實際測量 臨界切應(yīng)力值大臨界切應(yīng)力值大3-4個數(shù)量級個數(shù)量級。滑移滑移 是通過滑移面上位錯的運動來實是通過滑移面上位錯的運動來實 現(xiàn)的?，F(xiàn)的。 晶面和晶向分別叫做晶面和晶向分別叫做滑移面

3、滑移面和和滑移方向滑移方向。通常是晶體通常是晶體 中的密排面和密排方向中的密排面和密排方向。 l 滑移線（晶體表面的滑移臺階）滑移線（晶體表面的滑移臺階） 滑移帶（大量滑移線）滑移帶（大量滑移線） l 滑移系滑移系 滑移面和該面上的一個滑移方向滑移面和該面上的一個滑移方向 l 滑移系數(shù)目和滑移方向滑移系數(shù)目和滑移方向 材料塑性材料塑性； lFCCFCC和和BCCBCC的滑移系為的滑移系為1212個，個，HCPHCP為為3 3個，個，F(xiàn)CCFCC的滑移方的滑移方 向多于向多于BCCBCC，金屬塑性如，金屬塑性如: :CuCu（FCCFCC） CrCr（BCCBCC）ZnZn（HCPHCP）。）。

4、 l一個滑移面一個滑移面 和其上的一和其上的一 個滑移方向個滑移方向 構(gòu)成一個構(gòu)成一個滑滑 移系移系。 體心立方晶格體心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格 110111 110 111 晶格晶格 滑移面滑移面 滑移滑移 方向方向 滑移系滑移系 三種典型金屬晶格的滑移系三種典型金屬晶格的滑移系 l滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也 越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I比滑移面更大。越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I比滑移面更大。 l因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格, 體心立方

5、晶格好于密排六方晶格。體心立方晶格好于密排六方晶格。 l2 2孿生孿生 l 在切應(yīng)力作用下，晶體的一切分相對于另在切應(yīng)力作用下，晶體的一切分相對于另 一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）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。發(fā)生切變，產(chǎn)生塑性變形。 l 金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生 面兩側(cè)形成鏡面對稱關(guān)系。面兩側(cè)形成鏡面對稱關(guān)系。 l 孿生帶孿生帶 或或 孿晶孿晶 發(fā)生孿生的部分發(fā)生孿生的部分 （切變部分）（切變部分） l與滑移相比：與滑移相比： l孿生使晶格位向發(fā)生改變孿生使晶格位向發(fā)生改變； l所需切應(yīng)力比

6、滑移大得多所需切應(yīng)力比滑移大得多, 變形速度極快變形速度極快, 接近聲速接近聲速; l孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距。 l二、多晶體的塑性變形二、多晶體的塑性變形 l1 1影響多晶體塑性變形的因素影響多晶體塑性變形的因素 l 晶粒位向晶粒位向 晶粒位向不同，滑移時相互制約、阻晶粒位向不同，滑移時相互制約、阻 礙，使形抗力增加。礙，使形抗力增加。 l 晶界晶界 晶界原子排列較不規(guī)則，缺陷多晶界原子排列較不規(guī)則，缺陷多 滑移阻力大，滑移阻力大， 變形抗力大。變形抗力大。 l 協(xié)調(diào)變形協(xié)調(diào)變形 晶界自身變形，使不同變形量的相晶界自身變形，使不

7、同變形量的相 l 鄰晶粒保持連續(xù)鄰晶粒保持連續(xù)。 l l2 2細晶強化細晶強化 晶粒細化晶粒細化 強度提高、塑性提高、強度提高、塑性提高、 韌性提高，硬度提高。韌性提高，硬度提高。 l 晶粒小晶粒小 晶界面積大晶界面積大 變形抗力大變形抗力大 強度大強度大 l 晶粒小晶粒小 晶界附近位錯密度小晶界附近位錯密度小 應(yīng)力集中小應(yīng)力集中小 滑移由這晶粒到另外一個晶粒機會少滑移由這晶粒到另外一個晶粒機會少 變形困難變形困難 屈服屈服 強度強度 l 晶粒小晶粒小 單位體積晶粒多單位體積晶粒多 變形分散變形分散 減少應(yīng)減少應(yīng) 力集中力集中 塑性高塑性高 l 晶粒小晶粒小 晶界多晶界多 不利于裂紋的傳播不利

8、于裂紋的傳播 斷裂前斷裂前 承受較大的塑性變形承受較大的塑性變形 l3 3多晶體的塑性變形過程多晶體的塑性變形過程 l 加載時，各晶粒的滑移面和滑移方向加載時，各晶粒的滑移面和滑移方向 相對于受力方向是不相同的，那些受最大分切相對于受力方向是不相同的，那些受最大分切 應(yīng)力位向的晶粒處于應(yīng)力位向的晶粒處于 軟位向軟位向 。 l 分批，逐步的進行，從軟位向到硬位向，分批，逐步的進行，從軟位向到硬位向， 從少數(shù)晶粒到多數(shù)晶粒，從不均勻變形到均勻從少數(shù)晶粒到多數(shù)晶粒，從不均勻變形到均勻 變形。變形。 l 6-2 6-2 塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響 l1 1纖維組織纖維

9、組織 l 晶粒拉長，纖維組織晶粒拉長，纖維組織 各同異性各同異性 l塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響 l金屬發(fā)生塑性變形時，不僅外形發(fā)生變化，金屬發(fā)生塑性變形時，不僅外形發(fā)生變化， 而且其而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長或壓扁。內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長或壓扁。 l當(dāng)變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀，當(dāng)變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀， 晶界變得模糊不清。晶界變得模糊不清。 l塑性變形還使塑性變形還使 晶粒破碎為亞晶粒破碎為亞 晶粒。晶粒。 l2 2加工硬化加工硬化（形變硬化、冷作硬化）（形變硬化、冷作硬化） l 加工硬化加工硬化 金屬在冷態(tài)下進行塑性變金屬在冷態(tài)下進行塑性變

10、形時，隨著變形度的增加，其強度、硬度提高，塑性、韌形時，隨著變形度的增加，其強度、硬度提高，塑性、韌 性下降。性下降。 l l 加工硬化的原因加工硬化的原因 l 塑性變形塑性變形 位錯運動位錯運動 位錯大量增殖位錯大量增殖 位位 錯相互作用錯相互作用 位錯運動阻力加大位錯運動阻力加大 變形抗力變形抗力 彈度、彈度、 硬度硬度、塑性、韌性、塑性、韌性 加工硬化的意義加工硬化的意義 l 提高強度，過載能力和使用安全性。提高強度，過載能力和使用安全性。 l 使塑性變形均勻，冷加工成形得以順利進行。使塑性變形均勻，冷加工成形得以順利進行。 l 降低塑性，提高塑性材料的切削性能。降低塑性，提高塑性材料的

11、切削性能。 l 增加塑性變形難度，需中間退火來消除加工硬化，增加塑性變形難度，需中間退火來消除加工硬化， l 以便進一步變形。以便進一步變形。 l3 3織構(gòu)織構(gòu) （ 擇優(yōu)取向）擇優(yōu)取向） l 變形度足夠大時，絕大部分晶粒的某一位向與外力變形度足夠大時，絕大部分晶粒的某一位向與外力 方向趨于一致。方向趨于一致。 l 織構(gòu)使各種性能出現(xiàn)各向異性?？棙?gòu)使各種性能出現(xiàn)各向異性。 l4 4殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力 l 平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力，由金屬內(nèi)部不均勻變形引起。平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力，由金屬內(nèi)部不均勻變形引起。 l 第一類內(nèi)應(yīng)力第一類內(nèi)應(yīng)力 宏觀內(nèi)應(yīng)力，表面和心部塑性變宏觀內(nèi)應(yīng)力，表面和心部塑性變 形不均

12、。形不均。 l 第二類內(nèi)應(yīng)力第二類內(nèi)應(yīng)力 微觀內(nèi)應(yīng)力，晶粒間或晶內(nèi)不同微觀內(nèi)應(yīng)力，晶粒間或晶內(nèi)不同 區(qū)域變形不均。區(qū)域變形不均。 l 第三類內(nèi)應(yīng)力第三類內(nèi)應(yīng)力 晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力，形變晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力，形變 強化的主要原因。強化的主要原因。 l 殘余內(nèi)應(yīng)力的危害殘余內(nèi)應(yīng)力的危害 l 引起零件加工過程變形、開裂。引起零件加工過程變形、開裂。 l 降低耐蝕性降低耐蝕性 l 殘余內(nèi)應(yīng)力的消除或降低殘余內(nèi)應(yīng)力的消除或降低 去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火 l 6-3 6-3 變形金屬在加熱時組織和性能的變化變形金屬在加熱時組織和性能的變化 l一、回復(fù)一、回復(fù) 低溫（去應(yīng)力）退火低溫（去應(yīng)力）退火 加熱加

13、熱 l 物理、化學(xué)性能恢復(fù)，內(nèi)應(yīng)力顯著降低，強度和硬物理、化學(xué)性能恢復(fù)，內(nèi)應(yīng)力顯著降低，強度和硬 度略有降低。度略有降低。 l二、再結(jié)晶二、再結(jié)晶 l 再結(jié)晶再結(jié)晶 新的形核、長大過程，生成新的等軸新的形核、長大過程，生成新的等軸 晶粒，晶格類型不變。晶粒，晶格類型不變。 l 加工硬化消除加工硬化消除 強度、硬度大大下降，塑強度、硬度大大下降，塑 性、韌性回升。性、韌性回升。 l 再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火：消除加工硬化的熱處理工藝：消除加工硬化的熱處理工藝 l 再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度 冷變形金屬發(fā)生再結(jié)晶的最低穩(wěn)定溫度冷變形金屬發(fā)生再結(jié)晶的最低穩(wěn)定溫度 l 純金屬：純金屬： T再 再 = = （0.

14、4 0.4 0.35 0.35 ）Tm ( K ) l 合合 金：金： T再 再 = （ （0. 5 0. 7 ）Tm( K ) l l金屬熔點越高金屬熔點越高, T再 再也越高。 也越高。 T再 再 = (T熔 熔 +273)0.4273， 如如Fe的的T再 再=(1538+273) 0.4273=451 l 影響再結(jié)晶晶粒度的因素影響再結(jié)晶晶粒度的因素 l 加熱溫度加熱溫度 TT和和 加熱時間加熱時間 t t 晶粒直徑晶粒直徑 DD（晶（晶 界遷移、長大）界遷移、長大） l 預(yù)變形度預(yù)變形度（變形（變形 較均勻）較均勻） 晶粒直徑晶粒直徑 D D l 一、熱加工的概念一、熱加工的概念 l

15、在在 TR TR 以上溫度進行的變形加工，無加工硬化。以上溫度進行的變形加工，無加工硬化。 l二、熱加工對金屬組織和性能的影響二、熱加工對金屬組織和性能的影響 l 消除枝晶偏析，打碎柱狀晶消除枝晶偏析，打碎柱狀晶 ，樹枝晶，形成等軸晶，樹枝晶，形成等軸晶， 機械性能改善。機械性能改善。 l 壓合鑄件在的疏松、氣孔等缺陷，提高組織致密度壓合鑄件在的疏松、氣孔等缺陷，提高組織致密度 和機械性能。和機械性能。 l 產(chǎn)生產(chǎn)生 流線流線 分布分布 非金屬夾雜物沿變形方向分布，非金屬夾雜物沿變形方向分布， 引起各向異性。引起各向異性。 l一、冷加工與熱加工的區(qū)別一、冷加工與熱加工的區(qū)別 l在金屬學(xué)中，冷熱

16、加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃在金屬學(xué)中，冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃 分的。分的。低于再結(jié)晶溫度的加工稱為低于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工，冷加工，而高于而高于 再結(jié)晶溫度的加工稱為再結(jié)晶溫度的加工稱為熱加工熱加工。 軋制軋制模鍛模鍛 拉拔拉拔 l如如 Fe 的再結(jié)晶溫度為的再結(jié)晶溫度為451， W 的再結(jié)晶溫度為的再結(jié)晶溫度為 1200, Fe在在400 以下、以下、 W在在1200 以下的加工以下的加工 仍為冷加工。而仍為冷加工。而 Sn 的再結(jié)晶溫度為的再結(jié)晶溫度為-71， 則其在則其在 室溫下的加工為熱加工。室溫下的加工為熱加工。 l熱加工時產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化熱加工

17、時產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化 所抵消，因而熱加工不會帶來加工硬化效果。所抵消，因而熱加工不會帶來加工硬化效果。 巨型自由鍛件巨型自由鍛件 模鍛模鍛自由鍛自由鍛 軋制軋制 正擠壓正擠壓反擠壓反擠壓拉拔拉拔沖壓沖壓 二、熱加工對金屬組織和性能的影響二、熱加工對金屬組織和性能的影響 l熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合氣孔焊合，使，使粗大粗大 的樹枝晶或柱狀晶破碎，的樹枝晶或柱狀晶破碎，從而從而使組織致密、成分均使組織致密、成分均 勻、晶粒細化，力學(xué)性能提高勻、晶粒細化，力學(xué)性能提高。 鍛壓鍛壓 熱加工動態(tài)再熱加工動態(tài)再 結(jié)晶示意圖結(jié)晶示意圖 l熱加工使鑄態(tài)金屬中的熱加工使鑄態(tài)金屬中的 非金屬夾雜沿變形方向非金屬夾雜沿變形方向 拉長，形成彼此平行的拉長，形成彼此平行的 宏觀條紋，稱作宏觀條紋，稱作流線流線， 由這種流線體現(xiàn)的組織由這種流線體現(xiàn)的組織 稱稱纖維組織纖維組織。它使鋼產(chǎn)。它使鋼產(chǎn) 生各向異性，生各向異性，在制定加在制定加 工工藝時，應(yīng)使流線分工工藝時，應(yīng)使流線分 布合理，盡量與拉應(yīng)力布合理，盡量與拉應(yīng)力 方向一致。方向一致。 滾壓成型后螺紋內(nèi)部的纖維分布滾壓成型后螺紋內(nèi)部的纖維分布 吊鉤中的纖維組織吊鉤中的纖維組織 l在加工亞共析鋼時，在加工亞共析鋼時， 發(fā)現(xiàn)鋼中的發(fā)現(xiàn)鋼中的F與與P呈帶呈帶 狀分布，這種組織稱狀分布，這種組織稱 帶