第三章金屬的塑性變形與再結(jié)晶PPT課件

1、第1頁/共68頁第2頁/共68頁 通過對單晶體試樣拉伸變形的分析，我們可將滑移變形的要點總結(jié)如下： 滑移只能在切應力的作用下發(fā)生。（正應力只能引起彈性變形或斷裂）使晶體開始滑移的最小切應力稱為臨界切應力，用表示。 影響晶體臨界切應力的因素主要有金屬的晶格類型、成分、溫度和變形速度等。第3頁/共68頁 用金相顯微鏡觀察被拉伸的金屬單晶體試樣表面時，可以見到試樣的表面有許多呈一定角度階梯狀的互相平行的線條，這些平行的線條稱為滑移帶滑移帶。 一個滑移帶實際上是由一束平行滑移線滑移線組成。晶體的塑性變形就是眾多大小不同的滑移帶的綜合效果的宏觀上的體現(xiàn)。 晶體在滑移過程中并未改變晶體的結(jié)構(gòu)和晶格的取向，

2、僅是晶體在切應力的作用下，一部分沿著某一滑移面上的某一晶向相對于另一部分發(fā)生滑動。 第4頁/共68頁第5頁/共68頁第6頁/共68頁 2.滑移系 滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。一個滑移面和該面上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系滑移系。Fcc和Bcc有12個滑移系。Hcp有3個滑移系。 相同的滑移系數(shù)量下，滑移方向數(shù)量多更易滑移。第7頁/共68頁 滑移面總是原子排列最密的晶面，而滑移方向也總是原子排列最密的方向。 這是因為晶體中原子密度最大的晶面上，原子的結(jié)合力最強，而面與面之間的距離卻最大，所以其面與面之間的結(jié)合力最弱，最容易滑動。 同理，沿原子密度最大的方向滑動時，阻力也最小。 第

3、8頁/共68頁第9頁/共68頁3.滑移時晶面的轉(zhuǎn)動 在單晶體試樣拉伸過程中，由于發(fā)生滑移后的晶體使試樣兩端拉力不再處于同一直線上，因此產(chǎn)生一個力矩迫使滑移面產(chǎn)生趨向與外力平行的方向轉(zhuǎn)動，使試樣兩端拉力重新作用于一條直線上。因此金屬單晶體在拉伸過程中除了發(fā)生滑移外，也同時發(fā)生轉(zhuǎn)動。第10頁/共68頁第11頁/共68頁4. 4. 滑移的機理滑移的機理 滑移的過程不是晶體的一部分相對于另一部分作整體剛性滑移。 滑移實質(zhì)上是位錯在滑移面上運動的結(jié)果，在切應力的作用下，晶體中存在的正刃位錯逐步移動，當這個位錯移到晶體的右邊緣時，移出晶體的上半部就相對于下半部移動了一個原子間距，形成一個原子間距的滑移量。

4、 同一滑移面上若有大量的位錯移出，則在晶體表面形成一條滑移線。 第12頁/共68頁第13頁/共68頁 位錯在晶體中移動時所需切應力很小，因為當位錯中心前進一個原子間距時，一齊移動的只是位錯中心少數(shù)原子，而且其位移量都不大，形成逐步滑移，這就比一齊移動所需的臨界切應力要小得多，這稱為“位錯的易動性”。 滑移所需的臨界切應力的大小取決于位錯滑動時所要克服的阻力，對單晶體來說，位錯的阻力主要由晶體內(nèi)位錯的密度及其分布特征所決定。 晶體內(nèi)存在少量的位錯時，滑移易于進行，因此金屬晶體的強度也就比較低。 當位錯密度的增加到一定時，由于位錯之間以及位錯與其它缺陷之間存在著相互的牽制作用，使位錯的運動受阻，結(jié)

5、果金屬的強度和硬度又逐漸增加。金屬材料的冷加工硬化現(xiàn)象就是在加工過程中，金屬內(nèi)部位錯密度的增大而引起的金屬材料硬化。第14頁/共68頁 金屬單晶體塑性變形的實質(zhì)是在切應力作用下位錯連續(xù)運動，使金屬沿一定的滑移面和滑移方向發(fā)生位移。 這對我們正確認識和深入理解金屬的塑性變形，以及變形對金屬性能的影響都具有非常重要的意義 第15頁/共68頁2. 孿生孿生 晶體變形的另一種方式是孿生。孿生變形是在切應力作用下，晶體的一部分對應于一定的晶面（孿晶面）沿一定方向進行的相對移動。第16頁/共68頁第17頁/共68頁多晶體金屬塑性變形的特點多晶體金屬塑性變形的特點 大多數(shù)金屬材料是由多晶體組成的。 多晶體塑

6、性變形的實質(zhì)與單晶體一樣。 要考慮到晶粒彼此之間在變形過程中的約束作用，以及晶界對塑性變形的影響。 第18頁/共68頁1.1.晶粒取向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊懢ЯＨ∠驅(qū)λ苄宰冃蔚挠绊?多晶體中各晶粒的位向不同，滑移系與外力的取向也各不相同，在外力的作用下，不同位向的晶粒和同一晶粒內(nèi)不同的滑移系獲得的應力狀態(tài)和應力大小也各不相同。 因此，不同的晶粒或是同一晶粒內(nèi)的不同部位變形的先后順序和變形量是不相同的。 由于相鄰晶粒之間存在位向差，當一個晶粒發(fā)生變形時，周圍的晶粒如不發(fā)生塑性變形，則必須產(chǎn)生彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這樣，周圍晶粒的彈性變形就成為該晶粒繼續(xù)塑性變形的阻力。所以，由于晶粒間相互約束，多晶體金屬

7、抗塑性變形的能力就大大提高。而且晶粒越細，相同體積內(nèi)晶粒越多，晶粒位向?qū)饘偎苄宰冃蔚挠绊懢驮斤@著。第19頁/共68頁第20頁/共68頁2.2.晶界對塑性變形的影響晶界對塑性變形的影響 多晶粒中的晶界是原子排列比較紊亂的區(qū)域，又是雜質(zhì)聚集的地方，必然會阻礙位錯的運動，使滑移變形難以進行。 因而多晶體的塑性變形抗力比同種金屬的單晶體大得多。第21頁/共68頁3.3.多晶體金屬的變形過程多晶體金屬的變形過程 多晶體的塑性變形，是在各晶?；ハ嘤绊?，互相制約的條件下，從少量晶粒開始， 分批進行，逐步擴大到其它晶粒；從不均勻的變形逐步發(fā)展到均勻的變形。第22頁/共68頁第23頁/共68頁第三節(jié)第三節(jié) 冷

8、塑性變形對金屬組織冷塑性變形對金屬組織和性能的影響和性能的影響 一、冷塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響 1.晶粒變形 金屬發(fā)生塑性變形時，其內(nèi)部晶粒的形狀也發(fā)生變化，各個晶粒將沿著變形的方向被拉長或壓扁，變形量越大，晶粒變形也越顯著。 當變形量很大時，各晶粒將沿著變形方向被拉長成纖維狀。這種組織被稱為“纖維組織纖維組織”。 形成纖維組織后，金屬的性能會出現(xiàn)明顯的各向異性，如其縱向(沿纖維的方向)的強度和塑性遠大于其橫向(垂直纖維的方向)的強度和塑性。 第24頁/共68頁2. 2. 亞結(jié)構(gòu)的形成亞結(jié)構(gòu)的形成 金屬在塑性變形時，除了產(chǎn)生滑移之外，晶粒內(nèi)部還破碎成許多位向差小于1的小晶塊，這種小晶塊稱為

9、亞晶粒亞晶粒，這種結(jié)構(gòu)被稱為亞結(jié)構(gòu)亞結(jié)構(gòu)。 亞晶粒的邊界堆積有大量的位錯，而亞晶粒內(nèi)部的晶格則相對地比較完整。塑性變形程度愈大，形成的亞晶粒愈多，亞晶界也就愈多，位錯密度隨之增大。 研究表明，亞晶界的存在使晶體的變形抗力增加，是引起加工硬化的重要因素之一。第25頁/共68頁3.3.形變織構(gòu)形變織構(gòu) 在塑性變形過程中，當金屬按一定的方向變形量很大時(變形量大于70%以上)，多晶體中原來任意位向的各晶粒的取向會大致趨于一致，這種有序化結(jié)構(gòu)叫作“變形織構(gòu)變形織構(gòu)”，又稱為“擇優(yōu)擇優(yōu)取向取向”， 金屬材料的加工方式不同形成不同類型的織構(gòu)：拉拔時形成的織構(gòu)稱為絲織構(gòu)絲織構(gòu)，其特征是各個晶粒的某一晶向平行

10、于拉拔方向；軋制時形成的織構(gòu)稱為板織構(gòu)板織構(gòu)，其特征是不僅某一晶面平行于軋制平面，而且某一晶向也平行于軋制方向。 第26頁/共68頁 金屬中存在形變織構(gòu)時，具有明顯的各向異性，用退火方法也難以消除。 織構(gòu)的形成在多數(shù)情況下是不利的。例如用有織構(gòu)的板材去沖制杯形零件時，由于板材各個方向變形能力的不同，深沖后零件的邊緣不齊，會產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象。 在某些情況下織構(gòu)也是有用的。如變壓器鐵芯用的硅鋼片，沿晶向最易磁化。如果用這種織構(gòu)的硅鋼片制作變壓器和電機時，則可提高鐵芯的導磁率，降低其磁滯損失，提高設備的效率。第27頁/共68頁第28頁/共68頁第29頁/共68頁二、冷塑性變形對金屬性能的影響二、冷塑

11、性變形對金屬性能的影響1.加工硬化 加工硬化加工硬化是金屬在塑性變形過程中，隨著亞晶粒的增多和位錯密度的增加，位錯間的交互作用增強，位錯滑移發(fā)生困難，使金屬塑性變形的抗力增大，其強度和硬度顯著升高，塑性和韌性下降其強度和硬度顯著升高，塑性和韌性下降。也稱形變強化或冷作硬化。第30頁/共68頁 金屬的加工硬化現(xiàn)象的有利之處，它可以作為一種工提高金屬強度、硬度和耐磨性的重要手段之一，尤其是對一些不能用熱處理強化的材料顯得更為重要， 加工硬化還能使金屬各部分相繼發(fā)生塑性變形，使變形更加均勻 加工硬化還可以提高構(gòu)件在使用過程中的安全性。 加工硬化也有不利的一面，如使材料在冷軋時的動力消耗增大，也給金屬

12、繼續(xù)變形造成困難。因此，在金屬的冷變形和加工過程中，必須進行中間熱處理來消除加工硬化現(xiàn)象。第31頁/共68頁 2.物理、化學性能的變化 金屬的塑性變形也使金屬的某些物理性能、化學性能發(fā)生變化，例如使電阻增大，耐蝕性降低等。第32頁/共68頁3.3.變形引起的內(nèi)應力變形引起的內(nèi)應力 在金屬塑性變形過程中，大約有10的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)應力而殘留在金屬中，使其內(nèi)能增加。 這些殘留于金屬內(nèi)部且平衡于金屬內(nèi)部的應力稱為殘余內(nèi)應力殘余內(nèi)應力。它是由于金屬在外力作用下各部分發(fā)生不均勻的塑性變形而產(chǎn)生的。 內(nèi)應力一般可分為三種類型：第33頁/共68頁（1）宏觀內(nèi)應力宏觀內(nèi)應力(第一類內(nèi)應力) 金屬材料在塑性變形時

13、，由于各部分變形不均勻，使整個工件或在較大的宏觀范圍內(nèi)(如表層與心部)產(chǎn)生的殘余應力。（2）微觀內(nèi)應力(第二類內(nèi)應力) 它是金屬經(jīng)冷塑性變形后，由于晶粒間或晶粒內(nèi)各亞晶粒之間因變形不均勻而形成的微觀內(nèi)應力。第34頁/共68頁（3 3）晶格畸變）晶格畸變( (第三類內(nèi)應力第三類內(nèi)應力) )冷塑性變形在金屬內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯和空位，造成晶格畸變，這種因晶格畸變而產(chǎn)生的殘余應力叫晶格畸變應力。這類應力占內(nèi)應力總量的90左右，是存在于變形金屬中主要的殘余內(nèi)應力。它使金屬的硬度、強度升高，同時使塑性和抗腐蝕能力下降。 內(nèi)應力的大小與形變條件有關(guān)。變形量大、變形不均勻、變形時溫度低、變形速率大等都能使內(nèi)應

14、力增加。第35頁/共68頁內(nèi)應力對金屬材料性能的不良影響內(nèi)應力對金屬材料性能的不良影響 第一類內(nèi)應力所占比例雖然不大，但當其放置一段時間后會因其松弛或應力重新分布而引起金屬自動變形，嚴重時會引起工件開裂。 第二類內(nèi)應力使金屬產(chǎn)生晶間腐蝕，所以塑性變形后的金屬應進行消除應力退火處理，以消除或降低這部分內(nèi)應力。 第三類內(nèi)應力則是產(chǎn)生加工硬化的主要原因。第36頁/共68頁 合理利用內(nèi)應力的存在有時可以提高零件的壽命，如齒輪進行表面淬火和噴丸處理，在其表面產(chǎn)生一層極薄的塑性變形層。在變形層中產(chǎn)生的殘余壓應力可以大大提高材料的疲勞極限，抵消工作時齒面受到的張應力，從而提高齒輪的使用壽命。第37頁/共68

15、頁 內(nèi)應力對熱處理質(zhì)量也有很大的影響。鋼經(jīng)塑性變形所產(chǎn)生的各種內(nèi)應力是導致淬火工件產(chǎn)生變形甚至開裂的重要原因之一。 實踐表明，經(jīng)過粗機械加工、冷壓力加工的工件，以及鍛造后的毛坯，其內(nèi)部都殘存著因塑性變形而產(chǎn)生的內(nèi)應力。為了減少淬火變形量并防止產(chǎn)生淬火裂紋，在淬火之前，必須進行消除內(nèi)應力處理(如退火處理)。第38頁/共68頁第三節(jié)第三節(jié) 回復與再結(jié)晶回復與再結(jié)晶 金屬冷塑性變形后，產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象，結(jié)果金屬晶體中缺陷密度增加，內(nèi)能升高，這種處于不穩(wěn)定狀態(tài)的組織有自發(fā)恢復到變形前的組織狀態(tài)的傾向。 在常溫下，這種轉(zhuǎn)變一般不易進行。如果對金屬進行加熱，隨著加熱溫度的升高，其組織會相繼發(fā)生回復、回復

16、、再結(jié)晶和晶粒長大再結(jié)晶和晶粒長大三個階段的變化。第39頁/共68頁一、回復、再結(jié)晶和晶粒長大一、回復、再結(jié)晶和晶粒長大 1. 回 復 當冷變形金屬的加熱溫度不太高時，內(nèi)部原子活動能力尚不大，只能作短距離擴散，這一過程稱為回復回復。 在回復這一階段，金屬的某些力學性能、物理性能和亞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，但沒有新的晶粒出現(xiàn)。 內(nèi)部的“多邊化”過程 第40頁/共68頁第41頁/共68頁 由于回復過程溫度比較低，金屬的晶粒大小和形狀不會發(fā)生明顯變化，所以金屬加工硬化金屬加工硬化后的強度、硬度和塑性等力學性能基本不變基本不變，但殘余內(nèi)應力和電阻顯著下降，應力腐蝕現(xiàn)象也基本消除。 因此，冷變形金屬若要在消除殘余

17、內(nèi)應力的同時仍保持冷變形強化狀態(tài)的話，就可以采取回復處理，進行一次250300的低溫退火低溫退火。 第42頁/共68頁2.2.再結(jié)晶再結(jié)晶 當冷變形金屬加熱溫度高于回復階段溫度后，原子的擴散能力進一步增強，塑性變形時被破碎、拉長的晶粒全部被轉(zhuǎn)變成均勻而細小的等軸晶粒。這個過程稱為“再結(jié)晶”。 變形的金屬發(fā)生再結(jié)晶后，位錯密度降低，金屬中的內(nèi)能下降，使冷變形造成的加工硬化消失加工硬化消失，金屬的性能又恢復到金屬變形前的性能。第43頁/共68頁 由于冷變形金屬在再結(jié)晶過程中形成的細小等軸晶粒也是通過生核和晶粒長大方式進行的，變化過程中只有晶粒的形狀的變晶粒的形狀的變化，而晶格類型不變化，而晶格類型

18、不變，因此再結(jié)晶過程不應屬于相變過程。 變形金屬開始產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度（再結(jié)晶溫度（T再再）。）。 生產(chǎn)上通常規(guī)定在一小時的保溫時間內(nèi)全部完成再結(jié)晶過程時所需的最低溫度，稱為再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度。 第44頁/共68頁影響再結(jié)晶溫度的主要因素影響再結(jié)晶溫度的主要因素 （1）金屬的純度 當金屬中含有少量合金元素或微量雜質(zhì)時，會阻礙原子的擴散和晶界的遷移，顯著提高再結(jié)晶溫度。試驗表明，當變形程度較大時，純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點之間存在如下關(guān)系：T再=(0.35-0.40)T熔式中T再和T熔均以絕對溫度表示。第45頁/共68頁 （2） 預先的變形度 變形程度越大，金屬畸變能越

19、高，再結(jié)晶時的驅(qū)動力就越大，故再結(jié)晶溫度就越低。 當變形量達到一定值后，再結(jié)晶溫度便趨近于某一恒定值，稱為最低再結(jié)晶溫度， 第46頁/共68頁第47頁/共68頁（3） 加熱速度和加熱保溫時間 提高加熱速度會使再結(jié)晶溫度提高。而加熱保溫時間越長，原子的擴散移動越能充分進行，再結(jié)晶溫度就越低。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了縮短再結(jié)晶退火周期，一般將再結(jié)晶溫度定得比理論再結(jié)晶溫度高出100200。第48頁/共68頁3. 晶粒長大晶粒長大 冷變形金屬在再結(jié)晶剛結(jié)束時晶粒比較細，晶界面積比較大，系統(tǒng)界面能也比較高。 隨著加熱溫度的升高或保溫時間的延長，晶粒會繼續(xù)長大。 晶粒的長大減少了晶界的面積，使晶界表面能降低，

20、因而再結(jié)晶后的晶粒長大是一個自發(fā)進行的過程。 第49頁/共68頁 再結(jié)晶后的晶粒大小與金屬的冷塑性變形程度的關(guān)系見圖。 當變形度很小時，由于金屬晶格畸變很小，不足以引起再結(jié)晶，因而晶粒仍保持原來的形狀。 當變形度在2l0范圍內(nèi)時，晶粒容易吞并長大，最后得到異常粗大的晶粒。使晶粒發(fā)生異常長大的變形度稱為臨界變形臨界變形度。度。 生產(chǎn)中應盡量避免在這一變形范圍內(nèi)進行加工。 當變形度超過臨界變形度后，隨變形程度的增加，晶格畸變愈加嚴重，再結(jié)晶晶核數(shù)目越來越多，因此再結(jié)晶后的晶粒細而均勻。 第50頁/共68頁第51頁/共68頁 某些金屬在變形量很大時(90)，再結(jié)晶后的晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)象。這種現(xiàn)象

21、稱為二次再結(jié)晶。 一般認為，這種現(xiàn)象是大變形量形成的再結(jié)晶織構(gòu)再結(jié)晶織構(gòu)所造成的。因為晶粒取向大致相同時，給晶粒沿一定方向迅速長大提供了條件。 晶粒粗化將使金屬材料組織性能惡化，所以冷變形金屬的再結(jié)晶退火溫度應嚴格控制在再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)，而且保溫時間不宜過長，以獲得細而均勻的晶粒。第52頁/共68頁第53頁/共68頁第四節(jié)第四節(jié) 金屬的熱塑性加工金屬的熱塑性加工 一、熱加工與冷加工的區(qū)別金屬的冷加工和熱加工可以按其再結(jié)晶溫度來劃分。金屬在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形稱為冷加工冷加工；金屬在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形稱為熱加工熱加工。 第54頁/共68頁 熱加工的主要優(yōu)點是材料容易變形，加工耗能量少。

22、這是因為在熱加工過程中，金屬的內(nèi)部同時進行著加工硬化和再結(jié)晶軟化兩個相反的過程。 冷加工變形會引起加工硬化，增大金屬的變形抗力。所以若繼續(xù)進行冷加工，則必須進行中間退火處理，重新軟化后才能進行繼續(xù)加工。 第55頁/共68頁 金屬在熱加工過程中表面發(fā)生氧化，使得工件表面比較粗糙，尺寸精度比較低。所以熱加工一般用來制造一些截面比較大、加工變形量大的半成品。 而冷加工則能保證工件有較高的尺寸精度和表面粗糙度，在冷加工過程中材料同時也得到強化處理。有時經(jīng)冷加工后可以直接獲得成品。第56頁/共68頁二、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1.改善鋼錠的組織和性能鑄錠的組織：在鑄造過程中，由于鑄錠的表面和中心的結(jié)晶條件不同，在鑄錠的截面上有三個不同特征的結(jié)晶區(qū)：表層細晶粒區(qū)、柱狀晶區(qū)及表層細晶粒區(qū)、柱狀晶區(qū)及中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū)（圖3-19）。 除了上述幾個晶區(qū)外，鑄錠內(nèi)還存在一些鑄造缺陷，如縮孔與縮松、化學成分偏析、氣孔、夾雜、裂紋等。通過熱加工可以把大部分的縮松、氣孔和微裂紋在加工過程中焊合，提高了金屬的致密度。對于鑄錠內(nèi)部的晶內(nèi)偏析、粗大柱狀晶或大塊碳化物，可以在壓力的作用下使晶粒破碎，消除了成分偏析、柱狀晶及粗大碳化物，使金屬的力學性能得到提高第57頁/共68頁第58頁/共68頁加工狀態(tài)b MPas MPa (%) (%)ak （