材料加工原理課件

1、材料加工原理PPT課件1一、晶粒取向的影響（取向差效應）P變形有先有后各晶粒相對于外力軸的取向不同，位向有利的晶粒先變形，且不同晶粒變形量也不同。一般變形度達到20%，幾乎所有晶粒都可參加變形。P各個晶粒的變形必須協(xié)調對一個晶粒來講不能自由地、均勻地滑移，它要受到相鄰晶粒的牽制，故晶粒之間要互相配合、協(xié)調。如果協(xié)調不好，將會導致塑性下降（晶界處開裂）。理論分析指出，要能協(xié)調變形，每個晶粒至少能在5個獨立的滑移系上進行滑移。這樣，多晶體變形就比單晶體更復雜，應變硬化率也大得多。P變形不均勻導致內應力不均勻下圖表明，A、B、C晶粒所處位向不同，故滑移次序不同，因而在它們之間產生了不同的應力。11-

2、2 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形材料加工原理PPT課件2二、晶界對滑移的阻滯效應 晶界上原子排列不規(guī)則，點陣晶界上原子排列不規(guī)則，點陣畸變嚴重，且晶界兩側的晶?；儑乐兀揖Ы鐑蓚鹊木ЯＨ∠虿煌?，因此，滑移要從一取向不同，因此，滑移要從一個晶粒直接延續(xù)到下一個晶粒個晶粒直接延續(xù)到下一個晶粒是極其困難的，即室溫下晶界是極其困難的，即室溫下晶界對滑移有對滑移有阻滯效應阻滯效應。位錯塞積示意圖位錯塞積示意圖拉伸后晶界處呈竹節(jié)狀拉伸后晶界處呈竹節(jié)狀材料加工原理PPT課件3一般來說，晶界可使金屬強化，也可使金屬軟化，一般來說，晶界可使金屬強化，也可使金屬軟化，這主要這主要依賴于溫度和變形速率依賴于溫

3、度和變形速率。當溫度低于。當溫度低于 ，且變形速率較大時，晶粒細化會使金屬強度升高；且變形速率較大時，晶粒細化會使金屬強度升高；但當溫度高于上述界限及變形速率很慢時，晶界增但當溫度高于上述界限及變形速率很慢時，晶界增多反而使金屬強度降低。故多反而使金屬強度降低。故高溫合金一般希望獲得高溫合金一般希望獲得粗晶組織粗晶組織。三、晶粒大小對變形抗力的影響對于大多數(shù)金屬材料，其屈服強度與晶粒平均直經對于大多數(shù)金屬材料，其屈服強度與晶粒平均直經d的的關系可用關系可用Hall-Petch方程式表示：方程式表示： = + kyd -1/2 式中式中0 ,ky均為常數(shù)均為常數(shù)材料加工原理PPT課件4鋅單晶和多

4、晶的拉伸曲線鋅單晶和多晶的拉伸曲線通過細化晶粒來同時提高金通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、硬度、塑性和韌屬的強度、硬度、塑性和韌性的方法稱性的方法稱細晶強化細晶強化。 材料加工原理PPT課件5低碳鋼的屈服強度低碳鋼的屈服強度與晶粒大小的關系與晶粒大小的關系銅和鋁的屈服強度與銅和鋁的屈服強度與其亞晶尺寸的關系其亞晶尺寸的關系細晶強化在細晶強化在提高材料強度提高材料強度的同時，也的同時，也改善材料的塑改善材料的塑性和韌性性和韌性，這是其他強化方法所不具備的。，這是其他強化方法所不具備的。材料加工原理PPT課件6多晶體塑性變形的微觀特點多晶體塑性變形的微觀特點. 多方式： 滑移和孿生（室溫和低溫下

5、） 晶界滑動和遷移（高溫下） 點缺陷的定向擴散（溫度很高，外加應力很低）. 多滑移： 每個晶粒至少要有五個滑移系統(tǒng)同時開動，以維持 多晶體的完整性 . 不均勻： 晶界約束 晶粒中心的滑移量晶界附近 晶體轉動時，中心區(qū)的轉角邊緣區(qū)材料加工原理PPT課件711-3 影響金屬塑性和形變抗力的因素影響金屬塑性和形變抗力的因素一、合金元素的影響 合金元素使固溶體點陣畸變，晶面相對滑移阻力 鋼中合金元素與C形成硬脆的碳化物相 合金元素改變鋼中相的組成，造成組織的多相性 合金元素對鋼的鑄造組織及加熱時晶粒長大傾向 有影響 合金元素的碳化物、氧化物常以復化合物或硅酸 鹽等形態(tài)存于鋼中，變形時割裂基體。材料加工

6、原理PPT課件8二、形變溫度的影響（T ） 原子結合力減弱，原子動能增加，滑移抗力降低 可能出現(xiàn)新的滑移系，會發(fā)生相變（鋼轉變） 可能會發(fā)生晶界滑動，SPF時 原子不穩(wěn)定，外力下容易從一個平衡位置到另一 個，產生熱塑性塑性塑性 ，形變抗力，形變抗力材料加工原理PPT課件9三、形變速率的影響 形變速率對形變抗力的影響形變速率對形變抗力的影響速率增加，抗力增大，增加的程度與形變溫度有關。T越高，增加的程度越大。形變速率對金屬塑性的影響形變速率對金屬塑性的影響影響復雜。速率較低時，增加速率使塑性下降； 速率較高時，增加速率使塑性增加。ssK材料加工原理PPT課件10四、應力狀態(tài)的影響 對塑性的影響對

7、塑性的影響三向應力下，三向受壓一向受拉兩向受拉三向受拉壓應力能提高塑性的主要原因：a.能阻止和減少晶間變形b.拉應力促使原子層彼此分離，擴大滑移產生的顯微缺陷，加速晶間破壞；而壓應力則使缺陷被壓合封閉c.三向壓應力能減輕或避免脆性夾雜物和液相對塑性的不良影響d.三向壓應力能抵消由于不均勻變形所引起的附加拉應力對形變抗力的影響對形變抗力的影響材料加工原理PPT課件11五、其他因素的影響 變形程度變形程度冷變形，加工硬化， ，30%，形變抗力增加顯著變形量增加，點陣畸變能增加，形變熱效應產生的T ，抗力增加緩慢 表面狀態(tài)和周圍介質表面狀態(tài)和周圍介質表面吸附活性物質時，能促進變形，降低抗力表面光潔度

8、越高，極限變形程度越大；越低，易應力集中 變形體形狀與變形均勻性變形體形狀與變形均勻性接觸面愈大，摩擦引起的三向壓應力愈大，塑性增加流動均勻，外摩擦作用不顯著，塑性增加材料加工原理PPT課件1211-4 金屬塑性變形后的組織與性能金屬塑性變形后的組織與性能一、塑性變形引起金屬組織結構的變化1亞結構亞結構 隨著變形量的增大，晶體中的隨著變形量的增大，晶體中的位錯密度迅速提高位錯密度迅速提高。當形變量較小時，形成位錯纏結結構；當變形量繼續(xù)增當形變量較小時，形成位錯纏結結構；當變形量繼續(xù)增加時，大量位錯發(fā)生聚集，形成胞狀亞結構，稱為加時，大量位錯發(fā)生聚集，形成胞狀亞結構，稱為形變形變亞晶亞晶或或形變

9、胞形變胞。胞壁由位錯構成，胞內位錯密度較低，。胞壁由位錯構成，胞內位錯密度較低，相鄰胞間存在微小取向差；相鄰胞間存在微小取向差；隨著形變量的增加，這種胞的尺寸減小，數(shù)量增加；如隨著形變量的增加，這種胞的尺寸減小，數(shù)量增加；如果變形量非常大時，如強烈冷變形或拉絲，則會構成大果變形量非常大時，如強烈冷變形或拉絲，則會構成大量排列緊密的細長條狀形變胞。量排列緊密的細長條狀形變胞。變形亞晶對滑移過程有巨大的阻礙作用，可使金屬的變變形亞晶對滑移過程有巨大的阻礙作用，可使金屬的變形抗力顯著升高，形抗力顯著升高，是產生加工硬化的主要原因之一是產生加工硬化的主要原因之一。材料加工原理PPT課件13 50%壓縮

10、率（壓縮率（30000） 銅經不同程度冷軋后的透射電鏡圖像銅經不同程度冷軋后的透射電鏡圖像30%壓縮率（壓縮率（30000） 99%壓縮率（壓縮率（30000）材料加工原理PPT課件142纖維組織纖維組織晶粒的形狀會發(fā)生相應的變化：如在軋制過程中，隨著晶粒的形狀會發(fā)生相應的變化：如在軋制過程中，隨著變形量的增加，原來的等軸晶粒沿延伸方向逐漸伸長，變形量的增加，原來的等軸晶粒沿延伸方向逐漸伸長，當變形量很大時，晶界變得模糊不清，各晶粒難以分辨，當變形量很大時，晶界變得模糊不清，各晶粒難以分辨，呈現(xiàn)出纖維狀的條紋，通常稱之為呈現(xiàn)出纖維狀的條紋，通常稱之為纖維組織纖維組織。纖維的分布方向就是金屬流變

11、伸展的方向。纖維組織使纖維的分布方向就是金屬流變伸展的方向。纖維組織使金屬的性能具有金屬的性能具有明顯的方向性明顯的方向性，其縱向的強度和塑性高，其縱向的強度和塑性高于橫向。于橫向。金屬中有夾雜物存在時，塑性雜質沿變形方向被拉長為金屬中有夾雜物存在時，塑性雜質沿變形方向被拉長為細條狀，脆性雜質破碎，沿變形方向呈斷續(xù)狀分布。細條狀，脆性雜質破碎，沿變形方向呈斷續(xù)狀分布。材料加工原理PPT課件15 99%壓縮率壓縮率銅經不同程度冷軋后的光學顯微組織銅經不同程度冷軋后的光學顯微組織30%壓縮率壓縮率50%壓縮率壓縮率材料加工原理PPT課件16Figure The fibrous grain stru

12、cture of a low carbon steel produced by cold working: (a) 10% cold work, (b) 30% cold work, (c) 60% cold work, and (d) 90% cold work (250). (Source: From ASM Handbook Vol. 9, Metallography and Microstructure, (1985) ASM International, Materials Park, OH 44073. 材料加工原理PPT課件173變形織構（擇優(yōu)取向）變形織構（擇優(yōu)取向）當塑性變形

13、量不斷增加時，多晶體中原本取向隨機的各當塑性變形量不斷增加時，多晶體中原本取向隨機的各個晶粒，會逐漸調整到其取向趨于一致，這一現(xiàn)象稱為個晶粒，會逐漸調整到其取向趨于一致，這一現(xiàn)象稱為晶粒的擇優(yōu)取向晶粒的擇優(yōu)取向(變形織構變形織構)。絲織構絲織構其特征是各晶粒的某一晶向趨向平行于拉拔方向。其特征是各晶粒的某一晶向趨向平行于拉拔方向。如鋁拉絲為如鋁拉絲為織構，冷拉鐵絲為織構，冷拉鐵絲為織構；織構；板織構板織構特征為各晶粒的某一晶面和晶向趨向平行于軋面特征為各晶粒的某一晶面和晶向趨向平行于軋面和軋向。如冷軋黃銅的和軋向。如冷軋黃銅的110,織構?？棙?。變形織構造成材料的各向異性，多數(shù)情況下是有害的。

14、變形織構造成材料的各向異性，多數(shù)情況下是有害的。所謂的所謂的“制耳制耳”現(xiàn)象。但有時，織構的存在卻是有利的，現(xiàn)象。但有時，織構的存在卻是有利的，例如，采用具有例如，采用具有 (100)001) 織構的硅鋼片制作電動機織構的硅鋼片制作電動機或變壓器的鐵心時，將可以提高導磁率，減少損耗或變壓器的鐵心時，將可以提高導磁率，減少損耗。材料加工原理PPT課件18 形變織構的示意圖形變織構的示意圖 （a）絲織構）絲織構 （b）板織構）板織構變形織構造成的變形織構造成的“制耳制耳”現(xiàn)象現(xiàn)象材料加工原理PPT課件19材料加工原理PPT課件20二、冷塑性變形對金屬物理、化學性能的影響二、冷塑性變形對金屬物理、化

15、學性能的影響 密度降低，電阻增大密度降低，電阻增大 材料經塑性變形后，由于點陣畸變、位錯與空位等材料經塑性變形后，由于點陣畸變、位錯與空位等晶體缺陷的增加，其物理性能和化學性能會發(fā)生一晶體缺陷的增加，其物理性能和化學性能會發(fā)生一定的變化。如定的變化。如電阻率增加，電阻溫度系數(shù)降低，磁電阻率增加，電阻溫度系數(shù)降低，磁滯與矯頑力略有增加，磁導率、熱導率下降滯與矯頑力略有增加，磁導率、熱導率下降。 導熱性和抗蝕性降低導熱性和抗蝕性降低 由于原子活動能力增大，還會使擴散加速。塑性變由于原子活動能力增大，還會使擴散加速。塑性變形提高了材料的內能，使化學活性提高，抗腐蝕性形提高了材料的內能，使化學活性提高

16、，抗腐蝕性能下降。能下降。 出現(xiàn)各向異性出現(xiàn)各向異性 冷變形后，出現(xiàn)織構而呈現(xiàn)各向異性。冷變形后，出現(xiàn)織構而呈現(xiàn)各向異性。材料加工原理PPT課件21第一類內應力（宏觀殘余應力）第一類內應力（宏觀殘余應力）。它是由于工件各部分。它是由于工件各部分間的宏觀變形不均勻而引起的，其作用范圍是整個工件。間的宏觀變形不均勻而引起的，其作用范圍是整個工件。易產生變形、開裂。一般不希望工件內部存在宏觀內應力。易產生變形、開裂。一般不希望工件內部存在宏觀內應力。第二類內應力（微觀殘余應力）第二類內應力（微觀殘余應力）。它是由晶粒或亞晶粒。它是由晶粒或亞晶粒之間的變形不均勻而產生的。其作用范圍為幾個晶?；驇字g的

17、變形不均勻而產生的。其作用范圍為幾個晶粒或幾個亞晶粒。雖然這種內應力所占的比例不大個亞晶粒。雖然這種內應力所占的比例不大(約占全部內約占全部內應力的應力的1%2)，但在某些局部區(qū)域，有時微觀殘余應力，但在某些局部區(qū)域，有時微觀殘余應力很大，致使工件在不大的外力作用下即產生顯微裂紋，并很大，致使工件在不大的外力作用下即產生顯微裂紋，并進而導致工件的斷裂。進而導致工件的斷裂。三、冷塑性變形后出現(xiàn)內應力三、冷塑性變形后出現(xiàn)內應力材料加工原理PPT課件22第三類內應力（點陣畸變）第三類內應力（點陣畸變）。它是由于材料在塑性。它是由于材料在塑性變形中，產生大量點陣缺陷，而造成的晶格畸變。變形中，產生大量

18、點陣缺陷，而造成的晶格畸變。其作用范圍更小，在幾十至幾百納米范圍內，它使其作用范圍更小，在幾十至幾百納米范圍內，它使金屬的硬度、強度升高，而塑性和抗腐蝕性能下降。金屬的硬度、強度升高，而塑性和抗腐蝕性能下降。一般殘余應力的存在對材料的性能是有害的，它導一般殘余應力的存在對材料的性能是有害的，它導致材料及工件的變形、開裂和產生應力腐蝕。殘余致材料及工件的變形、開裂和產生應力腐蝕。殘余應力可以通過適當方式的熱處理加以消除。但是，應力可以通過適當方式的熱處理加以消除。但是，工件表面殘留一層壓應力時，對提高使用壽命有利。工件表面殘留一層壓應力時，對提高使用壽命有利。例如，采用噴九和化學熱處理方法使工件

19、表面產生例如，采用噴九和化學熱處理方法使工件表面產生一層壓應力，可以有效地提高工件（如彈簧和齒輪一層壓應力，可以有效地提高工件（如彈簧和齒輪等）的疲勞抗力。等）的疲勞抗力。材料加工原理PPT課件23合金的塑性變形與純金屬的變形基本一致，只是由于合金合金的塑性變形與純金屬的變形基本一致，只是由于合金元素的加入而使金屬晶體結構發(fā)生了變化元素的加入而使金屬晶體結構發(fā)生了變化,從而從而改變了基體改變了基體金屬的變形拉力金屬的變形拉力，使材料，使材料機械性能發(fā)生了顯著變化機械性能發(fā)生了顯著變化。這對。這對工程上的工程上的塑性加工塑性加工和和強化金屬強化金屬有重大意義。有重大意義。合金元素在金屬基體中的存

20、在形式有兩種合金元素在金屬基體中的存在形式有兩種一是形成固溶體一是形成固溶體；二是形成第二相，與基體組成機械混合物。二是形成第二相，與基體組成機械混合物。11-5 合金的塑性變形合金的塑性變形材料加工原理PPT課件24由于異類原子（溶質原子）的存在，使合金塑性變形抗力由于異類原子（溶質原子）的存在，使合金塑性變形抗力大大提高，表現(xiàn)為大大提高，表現(xiàn)為強度、硬度增加強度、硬度增加，塑性、韌性下降塑性、韌性下降，這，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為固溶強化固溶強化。材料加工原理PPT課件25(b) 溶質原子小于溶劑溶質原子小于溶劑的置換固溶體溶質原子的置換固溶體溶質原子(a) 溶質原子大于溶質原子大于溶劑的置

21、換固溶溶劑的置換固溶體原子體原子(c) 間隙固溶體間隙固溶體原子在位錯附原子在位錯附近的分布近的分布材料加工原理PPT課件26固溶強化的固溶強化的實質實質是溶質原子與位錯的彈性交互作用是溶質原子與位錯的彈性交互作用阻礙了位阻礙了位錯的運動錯的運動。溶質原子與位錯彈性交互作用的結果，使溶質原子趨于聚集溶質原子與位錯彈性交互作用的結果，使溶質原子趨于聚集在位錯的周圍，以減小畸變，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，此即稱為在位錯的周圍，以減小畸變，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，此即稱為柯柯氏氏(cotrell)氣團氣團。柯氏氣團對位錯有柯氏氣團對位錯有“釘扎釘扎”作用。為了使位錯掙脫氣團而運作用。為了使位錯掙脫氣團而運動，必須施加

22、更大的外力。動，必須施加更大的外力。因此，固溶體合金的因此，固溶體合金的塑性變形抗力要高于純金屬塑性變形抗力要高于純金屬。 材料加工原理PPT課件27利用位錯與溶質原子的彈性交互作用，可以解釋某些固溶利用位錯與溶質原子的彈性交互作用，可以解釋某些固溶體合金中的體合金中的上、下屈服點現(xiàn)象上、下屈服點現(xiàn)象和和應變時效現(xiàn)象應變時效現(xiàn)象。 在低碳鋼的應力應變曲線中出現(xiàn)了明顯的屈服點（稱為上屈服在低碳鋼的應力應變曲線中出現(xiàn)了明顯的屈服點（稱為上屈服點）后，應力突然下降到一個較低的值（下屈服點），此后試樣點）后，應力突然下降到一個較低的值（下屈服點），此后試樣繼續(xù)伸長，而應力保持不變，即發(fā)生屈服伸長。繼續(xù)伸長，而應力保持不變，即發(fā)生屈服伸長。材料加工原理PPT課件28 當當?shù)诙啾然w硬，但塑性較好第二相比基體硬，但塑性較好時，合金的變形行為和時，合金的變形行為和性能與兩個相的體積分數(shù)有關。性能與兩個相的體積分數(shù)有關。 如如H62黃銅