其它課程課件

1、塑性變形與再結晶在工業(yè)生產中，經熔煉而得到的金屬錠，如鋼錠、鋁合金錠或銅合金鑄錠等，大多要經過軋制、冷拔、鍛造、沖壓等壓力加工(圖31)，使金屬產生塑性變形而制成型材或工件。1其它課程2其它課程金屬材料經壓力加工后，不僅改變了外形尺寸，而且改變了內部組織和性能。因此，研究金屬的塑性變形，對于選擇金屬材料的加工工藝、提高生產率、改善產品質量、合理使用材料等均有重要的意義。金屬材料經壓力加工后會，在塑性變形的同時，也會給給組織和性能帶來某些不利影響，如塑性下降，因此在壓力加工后或者在加工過程中，還經常對金屬進行加工，使其發(fā)生回復與再結晶，恢復以前的的性能。3其它課程塑性變形的概念：金屬材料在外力作

2、用下產生了變形，當外力去除后不能恢復的變形一、單晶體的塑性變形 單晶體的塑性變形主要是以滑移的方式進行的，即晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動。由圖32可見，要使某一晶面滑動，作用在該晶面上的力必須是相互平行、方向相反的切應力(垂直該晶面的正應力只能引起伸長或收縮)，而且切應力必須達到一定值，滑移才能進行。當原子滑移到新的平衡位置時，晶體就產生了微量的塑性變形(圖32d)。許多晶面滑移的總和，就產生了宏觀的塑性變形，。 4其它課程圖 晶體在切應力作用力的變形 a)未變形 b）彈性變形 c）彈、塑性變形 d）塑性變形5其它課程圖為鋅單晶體滑移變形時的情況a)拉伸 b)壓縮 6

3、其它課程滑移優(yōu)先沿晶體中一定的晶面和晶向發(fā)生，晶體中能夠發(fā)生滑移的晶面和晶向稱為滑移面和滑移方向。不同晶格類型的金屬，其滑移面和滑移方向的數目是不同的，一般來說，滑移面和滑移方向越多，金屬的塑性越好。理論及實踐證明，晶體滑移時，并不是整個滑移面上的全部原子一起移動，因為那么多原子同時移動，需要克服的滑移阻力十分巨大(據計算比實際大得多)。實際上滑移是借助位錯的移動來實現(xiàn)的，如圖34所示。7其它課程通過位錯運動產生滑移的示意圖 8其它課程二、多晶體的塑性變形 常用金屬材料都是多晶體。多晶體中各相鄰晶粒的位向不同，并且各晶粒之間由晶界相連接，因此，多晶體的塑性變形主要具有下列一些特點：1晶粒位向的

4、影響 由于多晶體中各個晶粒的位向不同，在外力的作用下，有的晶粒處于有利于滑移的位置，有的晶粒處于不利于滑移的位置。當處于有利于滑移位置的晶粒要進行滑移時，必然受到周圍位向不同的其他晶粒的約束，使滑移的阻力增加，從而提高了塑性變形的抗力。同時，多晶體各晶粒在塑性變形時，受到周圍位向不同的晶粒與晶界的影響，使多晶體的塑性變形呈逐步擴展和不均勻形式，其結果之一就是產生內應力。9其它課程2晶界的作用 晶界對塑性變形有較大的阻礙作用。圖36所示是一個只包含兩個晶粒的試樣經受拉伸時的變形情況。由圖可見，試樣在晶界附近不易發(fā)生變形，出現(xiàn)了所謂的“竹節(jié)”現(xiàn)象。這是因為晶界處原子排列比較紊亂，阻礙位錯的移動，因

5、而阻礙了滑移。很顯然，晶界越多，晶體的塑性變形抗力越大。 10其它課程3晶粒大小的影響 在一定體積的晶體內，晶粒的數目越多，晶界就越多，晶粒就越細，并且不同位向的晶粒也越多，因而塑性變形抗力也越大。細晶粒的多晶體不僅強度較高，而且塑性和韌性也較好。因為晶粒越細，在同樣變形條件下，變形量可分散在更多的晶粒內進行，使各晶粒的變形比較均勻，而不致過分集中在少數晶粒上，使其變形嚴重。另一方面，晶粒越細，晶界就越多，越曲折，有利于阻止裂紋的傳播，從而在其斷裂前能承受較大的塑性變形，吸收較多的功，表現(xiàn)出較好的塑性和韌性。由于細晶粒金屬具有較好的強度、塑性和韌性，故生產中總是盡可能地細化晶粒。11其它課程三

6、.塑性變形對金屬組織的影響 1.塑性變形對金屬組織結構的影響 金屬發(fā)生塑性變形后, 晶粒發(fā)生變形, 沿形變方向被拉長或壓扁。當變形量很大時, 晶粒變成細條狀(拉伸時), 金屬中的夾雜物也被拉長, 形成纖維組織。 沿纖維方向的強度和塑性明顯高于垂直方向。12其它課程由于纖維組織和形變織構的形成, 使金屬的性能產生各向異性。如沿纖維方向的強度和塑性明顯高于垂直方向的。用有織構的板材沖制筒形零件時, 即由于在不同方向上塑性差別很大, 零件的邊緣出現(xiàn)“制耳”。 在某些情況下, 織構的各向異性也有好處。制造變壓器鐵芯的硅鋼片, 因沿100方向最易磁化, 采用這種織構可使鐵損大大減小, 因而變壓器的效率大

7、大提高。 13其它課程亞結構形成 金屬經大的塑性變形時, 由于位錯的密度增大和發(fā)生交互作用, 大量位錯堆積在局部地區(qū), 并相互纏結, 形成不均勻的分布, 使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊, 而在晶粒內產生亞晶粒。14其它課程形變織構產生 金屬塑性變形到很大程度(70%以上)時, 由于晶粒發(fā)生轉動, 使各晶粒的位向趨近于一致, 形成特殊的擇優(yōu)取向, 這種有序化的結構叫做形變織構。形變織構一般分兩種：一種是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向, 稱為絲織構, 例如低碳鋼經高度冷拔后, 其平行于拔絲方向; 另一種是各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向, 稱為板織構, 低碳鋼的板織構。 15其它課程16

8、其它課程17其它課程塑性變形對金屬性能的影響 2. 塑性變形對金屬性能的影響 金屬發(fā)生塑性變形, 隨變形度的增大, 金屬的強度和硬度顯著提高, 塑性和韌性明顯下降。這種現(xiàn)象稱為加工硬化, 也叫形變強化。 產生加工硬化的原因是：金屬發(fā)生塑性變形時, 位錯密度增加, 位錯間的交互作用增強, 相互纏結, 造成位錯運動阻力的增大, 引起塑性變形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎細化, 使強度得以提高。在生產中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。18其它課程冷塑性變形（冷變形強化）對金屬性能的影響：冷塑性變形有利影響：1.它是強化金屬的一種重要加工方法，可以提高金屬的強度，硬度，和耐磨性2.使工件能夠均勻

9、成行的重要因素，如下圖19其它課程金屬材料在冷沖壓過程中，由于圓角r變形大當金屬在圓角變形到一定程度以后，首先產生冷變形強化，隨后的變形轉移到其他部分，這樣避免已發(fā)生塑性變形的部位繼續(xù)變形以至破裂，又可以得到碧厚均勻的沖壓件。20其它課程3.可以提高構件在使用過程的安全性。4.塑性變形可影響金屬的物理、化學性能。如使電阻增大, 耐腐蝕性降低。 21其它課程回復與再結晶回復與再結晶 金屬經塑性變形后，組織結構和性能發(fā)生很大的變化。如果對變形后的金屬進行加熱，金屬的組織結構和性能又會發(fā)生變化。隨著加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復、再結晶和晶粒長大過程。 如下圖：22其它課程23其它課程一.回

10、復 變形后的金屬在較低溫度進行加熱，會發(fā)生回復過程。產生回復的溫度t回復為 ：t回復=(0.250.3)t熔點 式中t熔點表示該金屬的熔點, 單位為絕對溫度(k)。由于加熱溫度不高, 原子擴散能力不很大, 只是晶粒內部位錯、空位、間隙原子等缺陷通過移動、復合消失而大大減少，而晶粒仍保持變形后的形態(tài)， 變形金屬的顯微組織不發(fā)生明顯的變化。此時材料的強度和硬度只略有降低，塑性有增高，但殘余應力則大大降低。工業(yè)上常利用回復過程對變形金屬進行 去應力退火、以降低殘余內應力， 穩(wěn)定尺寸，并減小應力腐蝕傾向。 24其它課程二.再結晶 1.再結晶過程及其對金屬組織、性能的影響 變形后的金屬在較高溫度加熱時，

11、由于原子擴散能力增大，被拉長（或壓扁）、破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細小的等軸晶。這個過程稱為再結晶。變形金屬進行再結晶后，金屬的強度和硬度明顯降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象被消除， 此時內應力全部消失，物理、化學性能基本上恢復到變形以前的水平。再結晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前、變形后的晶格類型均一樣。25其它課程2. 再結晶溫度 變形后的金屬發(fā)生再結晶的溫度是一個溫度范圍，并非某一恒定溫度。一般所說的再結晶溫度指的是最低再結晶溫度(t再), 通常用經大變形量(70%以上)的冷塑性變形的金屬,經一小時加熱后能完全再結晶的最低溫度來表示。最低再結晶溫度與該金屬的熔點

12、有如下關系：t再=(0.350.4)t熔點式中的溫度單位為絕對溫度(k)。 最低再結晶溫度與下列因素有關：26其它課程預先變形度：金屬再結晶前塑性變形的相對變形量稱為預先變形度。預先變形度越大, 金屬的晶體積缺陷就越多, 組織越不穩(wěn)定, 最低再結晶溫度也就越低。當預先變形度達到一定大小后, 金屬的最低再結晶溫度趨于某一穩(wěn)定值。 金屬的熔點：熔點越高, 最低再結晶溫度也就越高。 雜質和合金元素：由于雜質和合金元素特別是高熔點元素, 阻礙原子擴散和晶界遷移, 可顯著提高最低再結晶溫度。如高純度鋁(99.999%)的最低再結晶溫度為80, 而工業(yè)純鋁(99.0%)的最低再結晶溫度提高到了290。 金

13、屬純度越高，再結晶溫度也就越低。加熱速度和保溫時間：再結晶是一個擴散過程, 需要一定時間才能完成。提高加熱速度會使再結晶在較高溫度下發(fā)生, 而保溫時間越長, 再結晶溫度越低 p2027其它課程3. 再結晶后晶粒的晶粒度 ：晶粒大小影響金屬的強度、塑性和韌性, 因此生產上非常重視控制再結晶后的晶粒度, 特別是對那些無相變的鋼和合金。 影響再結晶退火后晶粒度的主要因素是退火溫度和預先變形程度。 退火溫度 溫度越高, 原子擴散能力越強, 則晶界越易遷移, 晶粒長大也越快。 28其它課程29其它課程變形度的影響主要與金屬變形的均勻度有關。變形越不均勻, 再結晶退火后的晶粒越大。變形度很小時，因不足以引

14、起再結晶，晶粒不變。當變形度達到2-10%時，金屬中少數晶粒變形，變形分布很不均勻，所以再結晶時生成的晶核少，晶粒大小相差極大，非常有利于晶粒發(fā)生吞并過程而很快長大，結果得到極粗大的晶粒。使晶粒發(fā)生異常長大的變形度稱作臨界變形度。生產上應盡量避免臨界變形度的加工。超過臨界變形度之后，隨變形度的增大，晶粒的變形更加強烈和均勻，再結晶核心越來越多 再結晶粒越來越多細。p20圖1.3230其它課程由于塑性變形后的金屬加熱發(fā)生再結晶后，可消除加工硬化現(xiàn)象，恢復金屬的塑性和韌性， 因此生產中常用再結晶退火工藝來恢復金屬塑性變形的能力，以便繼續(xù)進行形變加工。例如生產鐵鉻鋁電阻絲時，在冷拔到一定的變形度后，

15、要進行氫氣保護再結晶退火，以繼續(xù)冷拔獲得更細的絲材。 31其它課程三.晶粒長大 再結晶完成后的晶粒是細小的, 但如果繼續(xù)加熱, 加熱溫度過高或保溫時間過長時, 晶粒會明顯長大, 最后得到粗大晶粒的組織, 使金屬的強度、硬度、塑性、韌性等機械性能都顯著降低。 一般情況下晶粒長大是應當避免發(fā)生的現(xiàn)象。 當金屬變形較大, 產生織構, 含有較多的雜質時, 晶界的遷移將受到阻礙, 因而只會有少數處于優(yōu)越條件的晶粒優(yōu)先長大, 迅速吞食周圍的大量小晶粒,最后獲得晶粒異常粗大的組織。這種不均勻的長大過程類似于再結晶的生核和長大的過程, 所以稱為二次再結晶, 它大大降低金屬的機械性能。32其它課程金屬材料的熱加

16、工與冷加工金屬材料的熱加工與冷加工金屬材料的熱加工與冷加工金屬材料的熱加工與冷加工 金屬塑性變形的加工方法有熱加工和冷加工兩種。熱加工和冷加工不是根據變形時是否加熱來區(qū)分，而是根據變形時的溫度處于再結晶溫度以上還是以下來劃分的。 在金屬的再結晶溫度以上的塑性變形加工稱為熱加工 33其它課程一.金屬的熱加工及其對組織、性能的影響 在金屬的再結晶溫度以上的塑性變形加工稱為熱加工，例如鋼材的熱鍛和熱軋。由于溫度處于再結晶溫度以上，金屬材料發(fā)生塑性變形后，隨即發(fā)生再結晶過程。因此塑性變形引起的加工硬化效應隨即被再結晶過程的軟化作用所消除，使材料保持良好的塑性狀態(tài)。34其它課程熱加工對金屬的組織和性能的影響: 熱加工能使鑄態(tài)金屬中的氣孔、疏松、微裂紋焊合，提高金屬的致密度；減輕甚至消除樹枝晶偏析和改善夾雜物、第二相的分布等；明顯提高金屬的機械性能，特別是韌性和塑性。 熱加工能打碎鑄態(tài)金屬中的粗大樹枝晶和柱狀晶，并通過再結晶獲得等軸細晶粒，而使金屬的機械性能全面提高。但這與熱加工的變形量和加工終了溫度關系