第三章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶

1、第三章第三章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶 金屬塑性變形基本原理 組織與性能的關(guān)系 重要的強(qiáng)化手段 塑性變形對(duì)組織性能的影響 回復(fù)與再結(jié)晶 1. 塑性變形的基本形式 宏觀上：拉壓彎扭 微觀上：滑移和 孿生 第一節(jié)第一節(jié) 金屬塑性變形基本原理金屬塑性變形基本原理 單晶體 彈性變形 塑性變形 滑移 晶粒內(nèi)的劃移帶 滑移已被觀察到的滑移帶證實(shí) 晶體兩部分沿一定晶面和晶向相互滑動(dòng)位移 孿生（孿晶變形） 孿生需要能量大，變形小于一個(gè)原子間距，在滑移困難 的條件下才起作用：Mg, Zn, 低溫Fe 滑移變形為原子間距的整數(shù)倍，是塑性變形的主要形式 晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面產(chǎn)生一

2、定角 度的剪切 2. 滑移變形的特征 滑移發(fā)生在特定的晶面和晶向上滑移發(fā)生在特定的晶面和晶向上 v 滑移面：點(diǎn)陣中原子排 列最密的面 v 滑移方向：滑移面上原 子排列最緊密的方向 一個(gè)滑移面和一個(gè)滑移方 向構(gòu)成一個(gè)滑移系 滑移系越多，金屬的塑性越好 滑移方向比滑移面作用大 why? 三種典型金屬晶格的滑移系 晶格b.c.cf.c.cc.p.h 滑移面641 滑移方向 233 簡(jiǎn)圖 滑移系62=1243=1213=3 鋅單晶體的滑移示意圖 正應(yīng)力只引起彈性變形 切應(yīng)力引起晶面間的滑移 在滑移面的滑移方向上的在滑移面的滑移方向上的 分切應(yīng)力大于臨界值分切應(yīng)力大于臨界值c 滑移時(shí)，晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)滑移時(shí)

3、，晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)， 晶體取向發(fā)生變化 滑移條件 按晶體上下同時(shí)移動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，所需的切應(yīng)力臨計(jì)要 比實(shí)際的切應(yīng)力臨實(shí)大幾百幾千倍 Cu 理6400N/mm2 實(shí) 1.0N/mm2 滑移是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果: 仍然在滑移系上 位錯(cuò)在變形中增殖 位錯(cuò)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 3. 晶體滑移的機(jī)理 移動(dòng)一個(gè)位錯(cuò) 所需要的力p G 2a p = exp(- ) 1- (1-)b G: 彈性模量； : 泊松比； a: 滑移面間距; b: 滑移方向原子間距 位向2 位向1 多晶體金屬的塑性變形過(guò)程 多晶體金屬的塑性變形，就是所有晶粒變形的總和 v 處于軟位向晶粒，在滑移面 上的分切應(yīng)力大，先發(fā)生滑移 v 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在晶界處塞積

4、 v 塞積造成應(yīng)力提高，驅(qū)動(dòng)臨 近晶?；?4. 多晶體金屬的塑性變形 多晶體金屬的塑性變形特點(diǎn)多晶體金屬的塑性變形特點(diǎn) 2 1 鋅的拉伸曲線 1、單晶體 2、多晶體 v多晶金屬的變形抗力大多晶金屬的變形抗力大: 每個(gè)晶粒變形，都受到周圍 晶粒的約束 v 變形不均勻變形不均勻: 位向不同,滑移難易不同,變形不一樣 強(qiáng)烈塑性變形后的金屬，晶粒被拉長(zhǎng)或壓扁成細(xì)條 （纖維）狀纖維組織纖維組織 v 晶粒在變形過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)晶粒在變形過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng) 強(qiáng)烈塑性變形的金屬，晶粒位向趨于一致織構(gòu)織構(gòu) 具有各向異性具有各向異性 2 1 0 dK s d 晶粒直徑 K比例系數(shù) 兩個(gè)晶粒的試樣，拉伸時(shí)的變形 晶粒尺寸大，晶

5、界位錯(cuò)塞積嚴(yán)重， 應(yīng)力提高 容易驅(qū)動(dòng)相鄰晶粒位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 強(qiáng)度下降 應(yīng)力提高，變形不均勻，應(yīng)力集 中：產(chǎn)生裂紋 晶界平直：裂紋擴(kuò)展 塑性降低 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化 why?why? 細(xì)晶強(qiáng)化:提高強(qiáng)度和塑性提高強(qiáng)度和塑性 第二節(jié)第二節(jié) 塑性變形塑性變形 對(duì)金屬組織和性能的影響對(duì)金屬組織和性能的影響 1. 對(duì)組織的影響 晶體缺陷（空位、位錯(cuò)）增加，晶格 畸變能提高 位錯(cuò)位錯(cuò)106 108 提高到 1011 1012，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力 亞結(jié)構(gòu)細(xì)化 位錯(cuò)聚集形成胞壁 晶粒變形 等軸晶 雜質(zhì) 變形金屬 軋制 變形量很大時(shí)，形成纖維組織纖維組織 晶粒轉(zhuǎn)動(dòng) 變形量很大時(shí)，形成 變形織構(gòu)織構(gòu) 變形織構(gòu)變形織構(gòu) 冷沖壓的

6、制耳現(xiàn)象 在大變形量的條件下，金 屬中各晶粒的某一位向都 趨于轉(zhuǎn)向外力方向 織構(gòu)使金屬產(chǎn)生各向異性 很難消除 對(duì)加工性能極為不利 某些情況下可以利用，例如，變壓器鐵芯的硅鋼片 比較纖維組織與織構(gòu) 2. 對(duì)性能的影響對(duì)性能的影響 產(chǎn)生加工硬化（冷變形強(qiáng)化）加工硬化（冷變形強(qiáng)化） 隨著變形程度提高，金屬?gòu)?qiáng)度和硬度提高，塑性和 韌性下降的現(xiàn)象 純銅的冷加工硬化現(xiàn)象 原因：位錯(cuò)密度增加 亞結(jié)構(gòu)細(xì)化 有什么好處和壞處？ 應(yīng)用：強(qiáng)化金屬 低碳鋼、有色金屬 噴丸處理 加工性能變差，變形開(kāi)裂 如何消除？ 第三節(jié)第三節(jié) 變形金屬在加熱時(shí)變形金屬在加熱時(shí) 組織和性能的變化組織和性能的變化 可能產(chǎn)生各向異性 電阻提

7、高：空位、位錯(cuò)增加 產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力：變形開(kāi)裂，抗腐蝕性降低 晶格嚴(yán)重畸變，為再結(jié)晶提供了驅(qū)動(dòng)力 金屬經(jīng)塑性變形晶格畸變內(nèi)能 加熱原子活力 晶格重構(gòu)內(nèi)能 溫度低時(shí), 亞結(jié)構(gòu)變化, 物理性能變化,內(nèi)應(yīng)力下降:回復(fù) 溫度升高，晶粒變化，力學(xué)性能變化：再結(jié)晶 一、回復(fù) 1. 加熱溫度較低時(shí) 點(diǎn)缺陷密度 電阻，內(nèi)應(yīng)力 力學(xué)性能變化很小 2. 加熱溫度較高時(shí) 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)重組 構(gòu)成亞晶界 內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力 位錯(cuò)密度變化不大，位錯(cuò)密度變化不大， 力學(xué)性能變化不大力學(xué)性能變化不大 變形金屬加熱時(shí)的變化規(guī)律 回復(fù)：冷變形金屬加熱時(shí)，顯微組織變化之前，亞 結(jié)構(gòu)和性能變化過(guò)程 二、再結(jié)晶 大大降低變形開(kāi)裂傾向，提高抗

8、腐蝕性能 例1：65Mn鋼冷拉成絲卷繞成彈簧產(chǎn)生加工硬化，內(nèi)應(yīng)力 較大進(jìn)行250300的退火，消除內(nèi)應(yīng)力 例2：冷沖壓黃銅260 退火，可防止季裂 3. 回復(fù)的應(yīng)用冷變形金屬的去應(yīng)力退火 再結(jié)晶：冷變形金屬在足夠高的溫度下，通過(guò)形核 與長(zhǎng)大，以無(wú)畸變新晶粒取代變形晶粒的過(guò)程 1. 再結(jié)晶概述 再結(jié)晶組織的相結(jié)構(gòu)（晶格）與變形晶粒一致 無(wú)畸變、無(wú)內(nèi)應(yīng)力、無(wú)加工硬化、位錯(cuò)密度 再結(jié)晶過(guò)程：形核與長(zhǎng)大； 動(dòng)力：畸變能 性能：再結(jié)晶組織的性能 2. 再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度 金屬熔點(diǎn)（）T再（）退火T （） Fe1535450600700 Cu1083269400450 Al660100250300 影響

9、再結(jié)晶過(guò)程的因素 變形程度、加熱溫度、微量溶質(zhì)原子和分散相粒子 再結(jié)晶溫度 經(jīng)大變形度（7080%）的變形后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi) (1hour)能完成再結(jié)晶的最低溫度。 計(jì)算公式（對(duì)純金屬）： T再=0.4T 熔 （T K氏溫度） 幾種純金屬的再結(jié)晶溫度與退火溫度 三、再結(jié)晶應(yīng)用 再結(jié)晶之后， 溫度繼續(xù)升高，晶粒長(zhǎng)大 長(zhǎng)大結(jié)果：強(qiáng)度、塑性都下降 1. 再結(jié)晶退火 改善組織，提高塑性，去除內(nèi)應(yīng)力 冷拔鋼絲、型材等中間工藝 冷加工后，淬火前，零件的預(yù)處理 2. 再結(jié)晶晶粒度的控制 增加在結(jié)晶晶粒數(shù)量、控制晶粒長(zhǎng)大 提高變形程度、降低變形溫度、原始組織細(xì)化 加熱溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng)晶粒越粗大 臨界變形度

10、臨界變形度 原因：在臨界變形度變形，金屬 中只有少部分晶粒發(fā)生塑性變形， 再結(jié)晶時(shí)只有這部分金屬發(fā)生形 核，數(shù)目很少，故長(zhǎng)成粗晶 細(xì)晶粗晶細(xì)晶 晶粒異常長(zhǎng)大 當(dāng)金屬經(jīng)某一變形度變形，經(jīng)過(guò)再結(jié)晶后晶粒會(huì)出現(xiàn) 異常長(zhǎng)大，這一變形度就稱為臨界變形度 純鐵的再結(jié)晶全圖 定義：再結(jié)晶以上的變形過(guò)程；動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 熱加工金屬的組織與性能（再結(jié)晶組織與鑄錠相比） 晶粒細(xì)化，缺陷壓和，致密度提高，性能提高 可能形成纖維組織，具有各向異性Anisotropy 平行于纖維組織的方向，抗拉強(qiáng)度提高，剪切強(qiáng)度很低 垂直于纖維組織的方向，抗拉強(qiáng)度很低，剪切強(qiáng)度高 問(wèn)：為什么重要受力零件都采用熱加工制造？設(shè)計(jì)時(shí) 應(yīng)該注意什么問(wèn)題