1675塑性變形

1、5 金屬的塑性變形和再結(jié)晶金屬的塑性變形和再結(jié)晶 材料在外力作用下會(huì)產(chǎn)生變形，首先產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)應(yīng)力超過材料的彈性極限時(shí)，金屬將產(chǎn)生塑性變形。 當(dāng)外載荷在材料內(nèi)部所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度以后，即使去掉外載荷，變形也不能完全消失的變形稱為塑性變形。它不僅改金屬的外形，而且使內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。經(jīng)過塑性變形后的金屬，在隨后的加熱過程中，內(nèi)部組織也發(fā)生一系列變化，這些都對(duì)性能有明顯的影響。 塑性變形和再結(jié)晶是金屬材料生產(chǎn)和研究中的一個(gè)重要問題，下面依次介紹金屬的塑性變形、合金的塑性變形、塑性變形對(duì)組織和性能的影響、回復(fù)與再結(jié)晶、金屬的熱加工。 5.1 金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)金屬塑性變形的

2、實(shí)質(zhì) 單晶體的塑性變形的主要方式塑性變形的主要方式是滑移和孿生。其中滑移是最基本、最普遍的塑性變形方式，孿生只是在滑移難以進(jìn)行的情況下出現(xiàn)。一一.滑移變形的概念滑移變形的概念 1.滑移滑移 是晶體在切應(yīng)力作用下，一部分晶體相對(duì)于另一部分沿一定晶面和晶向產(chǎn)生的相對(duì)移動(dòng)。 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生，產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力。 觀察產(chǎn)生滑移后的金屬表面痕跡，觀察產(chǎn)生滑移后的金屬表面痕跡，滑移帶滑移帶和和滑移線滑移線。5.1.1 單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形2.滑移面與滑移方向滑移面與滑移方向 滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。這一晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向。一個(gè)滑移面和其

3、面上任一滑移方向組成一個(gè)滑移系。 表表16列出了三種典型金屬的滑移系。列出了三種典型金屬的滑移系。 3.滑移與切應(yīng)力滑移與切應(yīng)力 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生，產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力。 圖中作用于滑移上滑移方向的切應(yīng)力分量c為： c=（ pa ）coscos coscos取向因子。 要產(chǎn)生滑移必需等于或大于材料的臨界切應(yīng)力k： k=s coscos 或 s= k（coscos） 當(dāng)、為90時(shí)， s ，處于硬位向?；静划a(chǎn)生變形。 、為45時(shí)，s 最小。處于軟位向。最容易產(chǎn)生變形。 滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)有兩種，一種是滑移面向外力軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)；另一種是滑移面上滑移方向向最大切

4、應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 4.晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)5.滑移與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)滑移與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 剛性滑移 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（滑移機(jī)理） 孿生晶體的一部分沿一定晶面的晶向，相對(duì)于加一部分所產(chǎn)生切變。 主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)： 孿生通過切變使晶格位向改變，使變形部分與未變形部分呈鏡面對(duì)稱。 孿生時(shí)，相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距。 孿生所需的切應(yīng)力比滑移大得多，變形速度極快。二二.孿生孿生 所以孿生常在滑移系較少的密排六方晶格的金屬中產(chǎn)生。 體心立方晶格的金屬只在低溫或受到?jīng)_擊時(shí)才發(fā)生孿生變形。 面心立方晶格的金屬一般不發(fā)生孿生變形 。 對(duì)于多晶體的塑性變形，在塑性變形過程中，金屬的晶粒內(nèi)部也是滑移為主要方式，晶粒間也

5、產(chǎn)生了滑移并轉(zhuǎn)動(dòng)（多晶體的晶間變形）。由于晶界和晶粒位向的影響，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力加大，致使細(xì)晶粒的金屬的強(qiáng)度增大，即細(xì)晶強(qiáng)化。 晶粒越細(xì)、塑性越好。 其原因在于：晶粒越細(xì)，則晶界越曲折，越不利于裂紋的傳播；晶粒越細(xì)，則晶界越曲折，越不利于裂紋的傳播；晶粒越細(xì)，變形可以分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，且變形均勻，減少應(yīng)力集中，從而可以在斷裂之前承受更大的塑性變形。 5.1.2 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形1.不均勻（均一）的塑性變形不均勻（均一）的塑性變形 多晶體中各晶粒位向不同，處于軟位向的晶粒先變形，處于硬位向的轉(zhuǎn)動(dòng)后再變形或不變，且晶粒內(nèi)部變形也不一致，所以多晶體的塑性變形不一致、不等時(shí)的。2.

6、多晶體比單晶體有較高的塑性變形抗力多晶體比單晶體有較高的塑性變形抗力 1）晶粒間位向差阻礙滑移 2）晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)一一.多晶體的塑性變形特點(diǎn)：多晶體的塑性變形特點(diǎn)： 3.多晶體塑性變形時(shí)晶粒間相互協(xié)調(diào)和配合多晶體塑性變形時(shí)晶粒間相互協(xié)調(diào)和配合 4.只有多個(gè)滑移系才能保證多晶體變形的連續(xù)性只有多個(gè)滑移系才能保證多晶體變形的連續(xù)性 當(dāng)合金的組織由多相混合物組成時(shí),合金的塑性變形除與基體性質(zhì)有關(guān)外，還與第二相的性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。 當(dāng)其在晶界上呈網(wǎng)狀分布時(shí),對(duì)強(qiáng)度和塑性均不利； 在晶內(nèi)呈片狀和層狀分布時(shí)，可顯著提高強(qiáng)度和硬度，但分會(huì)降低塑性和韌性； 在晶內(nèi)呈彌散分布時(shí)，雖塑性、韌性稍

7、會(huì)降低，但可顯著提高強(qiáng)度和硬度，而且質(zhì)點(diǎn)越細(xì)、越多，合金的強(qiáng)度、硬度越高，這稱為合金的彌散強(qiáng)會(huì)或沉淀強(qiáng)化。 二二.合金的塑性變形合金的塑性變形 合金中由于含有合金元素，使其晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，有更高的塑性變形抗力。 單相固溶體合金由于溶質(zhì)原子的存在，使其晶格發(fā)生畸變，從而使固溶體的強(qiáng)度、硬度升高，而塑性、韌性下降，即產(chǎn)生了固溶強(qiáng)化。5. 2 塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響5.2.1塑性變形對(duì)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的影響塑性變形對(duì)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的影響 塑性變形改變了材料的外形，對(duì)組織和性能也帶來了影響。 金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒形狀也相

8、應(yīng)地被拉長(zhǎng)或壓偏。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀，晶界變得模糊不清。二）組織內(nèi)的亞晶粒增多二）組織內(nèi)的亞晶粒增多 塑性變形使晶粒碎化內(nèi)部形成位向略有差異的亞晶粒（亞結(jié)構(gòu)），在其邊界上聚集著大量位錯(cuò)。一）顯微組織呈現(xiàn)纖維狀一）顯微組織呈現(xiàn)纖維狀三）產(chǎn)生變織構(gòu)三）產(chǎn)生變織構(gòu) 由于塑性變形過程中晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度（7090）以上時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，形成織構(gòu)織構(gòu)。 一）出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象一）出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象 金屬的塑性變形，使位錯(cuò)密度增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化等引起金屬的強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性下降，即引起加工硬化。圖5-7 二）二） 金屬內(nèi)部形成殘余內(nèi)應(yīng)力金屬

9、內(nèi)部形成殘余內(nèi)應(yīng)力 由于金屬材料塑性變形的不等時(shí)性和不均勻性，使外力取消后，金屬內(nèi)部有殘存內(nèi)應(yīng)力?？煞譃槿悾?第一類內(nèi)應(yīng)力第一類內(nèi)應(yīng)力是金屬表面與心部變形不均勻造成的宏觀應(yīng)力。 第二類內(nèi)應(yīng)力第二類內(nèi)應(yīng)力是由于相鄰晶粒之間或晶粒內(nèi)部變形不均勻造成的。 第三類內(nèi)應(yīng)力第三類內(nèi)應(yīng)力是由于晶格畸變、位錯(cuò)密度增加引起的，又稱晶格畸變內(nèi)應(yīng)力。是變形中的主要內(nèi)應(yīng)力（占90%以上），是金屬?gòu)?qiáng)化的主要原因。 加工硬化和殘余應(yīng)力的存在，使金屬的物理和化學(xué)性能發(fā)生了顯著變化。如電阻增加、耐蝕性下降。 殘余拉應(yīng)力會(huì)降低承載能力，尤其是降低疲勞強(qiáng)度。5. 2.2 塑性變形對(duì)性能的影響塑性變形對(duì)性能的影響5.3 塑性變形

10、后金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化塑性變形后金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化 金屬經(jīng)冷塑性變形后，組織處于穩(wěn)定狀態(tài)，有自發(fā)恢復(fù)到變形前組織狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子的擴(kuò)散能力小，這種不穩(wěn)定狀態(tài)可維持相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。而加熱則使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，如圖。 回復(fù)是指在加熱溫度較低時(shí)，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)的近距離遷移點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)的近距離遷移而引起晶內(nèi)產(chǎn)生某些變化。隨著溫度的升高，已產(chǎn)生加工硬化的金屬其晶格的扭曲程度減小，但金屬組織還沒有顯著變化的現(xiàn)象。 t回=（0.250.3）t熔 （ k ）5.3.1 回復(fù)回復(fù) 回復(fù)使金屬的內(nèi)能降低。金屬在回復(fù)階段強(qiáng)度、硬度略有下降、塑

11、性略有上升，內(nèi)應(yīng)力和電阻顯著降低，但組織變化不明顯。如 ：經(jīng)冷拉的鋼絲卷成彈簧后的低溫回火（加熱到250300）,青銅絲彈簧加工后的回火處理(加熱到120125)。 隨著溫度的進(jìn)一步升高，已發(fā)生回復(fù)的金屬開始以某些碎晶或雜質(zhì)為核心通過新晶核的形成和長(zhǎng)大，形成新的晶粒。從而消除了加工硬化的現(xiàn)象。由畸變的晶粒變?yōu)榈容S晶粒的過程稱為再結(jié)晶再結(jié)晶。 再結(jié)晶溫度指冷塑性變形金屬發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度。影響再影響再結(jié)晶度的因素結(jié)晶度的因素 金屬的預(yù)變形度，預(yù)變形度越大，再結(jié)晶溫度越低。 金屬的熔點(diǎn)，金屬的熔點(diǎn)越高，它的再結(jié)晶溫度越高。純金屬的再結(jié)晶溫度t再熔點(diǎn)t再下列近似關(guān)系： t再=0.4t熔 （k） 金

12、屬的純度，一般就來，雜質(zhì)或合金元素均會(huì)阻礙原子擴(kuò)散和晶界遷移，使再結(jié)晶濕度升高。 加熱條件，加熱速度越慢，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，原子擴(kuò)散越充分，再結(jié)晶溫度越低。 生產(chǎn)中金屬的再結(jié)晶退火溫度比其再結(jié)晶溫度高100200。5. 3.2 再結(jié)晶再結(jié)晶 再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，金屬晶粒將繼續(xù)長(zhǎng)大是通過晶界的遷移進(jìn)行的，是大晶粒吞食小晶粒的過程。晶粒粗大會(huì)使金屬的強(qiáng)度，特別是塑性和沖擊韌性降低。 5.3.3 晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大一一. 預(yù)變形度的影響預(yù)變形度的影響 對(duì)一般金屬，當(dāng)變形度為2%10%時(shí)，由于變形很不均勻，會(huì)造成晶粒異常長(zhǎng)大，應(yīng)予避免。變形度過大（90%），因織構(gòu)，晶粒也會(huì)粗大。

13、通常變形度為30%60%。二二. 加熱溫度和保溫時(shí)間的影響加熱溫度和保溫時(shí)間的影響 加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，金屬晶粒越粗大。 5.3.4影響再結(jié)晶晶粒度大小的因素影響再結(jié)晶晶粒度大小的因素三三. 原始晶粒大小的影響原始晶粒大小的影響圖圖5-15 金屬的冷加工和熱加工是以再結(jié)晶溫度以再結(jié)晶溫度來劃分的。 凡是在金屬再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的加工稱為熱加工熱加工，而在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的工稱為冷加工冷加工。 金屬熱加工的特點(diǎn)是：不顯示加工硬化現(xiàn)象，變形后獲行再結(jié)晶組織。并且用較小的能量消耗得較大的變形量。 熱加工對(duì)金屬組織和性能有很大的影響。 5.4 金屬的熱加工金屬的熱加工5.4.1 熱加工和冷加

14、工的區(qū)別熱加工和冷加工的區(qū)別5.4.2 熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響一）消除鑄態(tài)組織缺陷一）消除鑄態(tài)組織缺陷 通過熱加工可使氣孔、縮孔大部分焊合，鑄態(tài)疏松被消除，使其力學(xué)性能得到提高。二）改變組織分布二）改變組織分布 鋼錠中分布在晶界上的雜質(zhì)，在金屬變形時(shí)，塑性雜質(zhì)（如fes等）沿晶粒變形方向伸長(zhǎng)，呈帶狀分布；而碎性雜質(zhì)（如氧化物等）則被擊碎，呈鏈狀分布。再結(jié)晶時(shí)，晶粒的形狀改變，而雜質(zhì)依然沿被拉長(zhǎng)的方向（呈流線狀）保留下來，形成纖維組織。金屬的機(jī)械性能呈現(xiàn)各向異性。 纖維組織很穩(wěn)定，只有用鍛壓的方法才能改變纖維組織的方向和形狀。 在設(shè)計(jì)和制造零件時(shí)，應(yīng)使零件工作時(shí)的最大正應(yīng)力方向與纖最大正應(yīng)力方向與纖維方向重合維方向重合，最大剪應(yīng)力方向與纖維方向垂直最大剪應(yīng)力方向與纖維方向垂直，并使纖維能與零件纖維能與零件輪廓相符合輪廓相符合而不被