金屬的塑性變形與再結晶——北大

1、第四*舍屬的矍艘安形鳥篦箱晶u3萬噸水壓ri«EaHHlII事變形及加熱時組織的變化, 有助于發(fā)揮金屬的性能潛力*了解塑性變形的本質(zhì)理性,正確確定加工工藝.化屬材料組織和性能有顯著的第四*金屬的矍性支形鳥壽修晶第一節(jié)金屬的塑性變形單晶體金屬的塑性變形單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應力和 切應力。正應力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。外力在晶面上的分解切應力作用下的變形1塑性變形的形式:滑移和乙滑移示意圖滑移示意圖屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。I、滑移 亠附多是指品體的一部分沿一定的品面和品滑移示意圖滑移示意圖« -11At

2、omic planesShear stressSlip plane滑移示意圖1、滑移變形的特點:.）滑移只能在切應力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑 7移的最小切應力稱臨界切應力?；瞥Ｑ鼐w中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生(013)o因原子密度最大的晶面 和晶向之間原子間距最大(010) (Oil),結合力最弱,產(chǎn)生滑移 丁斤需切應力最小?？谄浒l(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑無 、方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。三種典型金屬晶格的滑移系滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其 中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I比滑移面更大。因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格，體心立方 晶格好于密排六

3、方晶格?；茣r，晶體兩部分的 相對位移量是原子間距的 整數(shù)倍.滑移的結果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶動n滑移的同時伴隨著晶體I -轉(zhuǎn)動的原因：晶體滑移后使正應力 分量和切應力分量組成了力偶. 當滑移面.滑移方向與外力方向都 呈45。角時滑移方向上切應力最大 ,因而最容易發(fā)生滑移.71T= Q,COSXCOS(|)馱切應辦方向匚滑移后，滑移面兩側(cè)晶體的位向關系 未發(fā)生變化。n界切應力值比實際測量臨界切應力值L吝34個數(shù)量級。滑移是通過滑移面上 錯的運動來實現(xiàn)的。nifv*二匚"哼aroCOCCCOXQXr能 量聶大斜率量大外力切變位移量ooo時，只在位錯中心

4、的晶體通過位錯運動產(chǎn)=少奴腺十友生移動，它們移動的距離遠小于一個 P原子間距，因而所需臨界切應力小，這種現(xiàn)象稱 位錯的易動性。李生李生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部 分所發(fā)生的切變。發(fā)生切變的部分稱李生帶或李晶, 毋其發(fā)生攣生的晶面稱李生面。李生的結果使李生 兩側(cè)的晶體呈鏡面對稱。1攣綸方向Az B/D李晶面（iii） h 李晶面L與滑移相比：李生使晶格位向發(fā)生改變；.李生區(qū)域XE (110)面(111) 事晶面1閔 李生方向李生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距.D(HD- 李晶面112,. 李生方向所需切應力比滑移大得多,變形速度極快，接近聲速;密排六方晶格金屬滑移系少

5、,常以攣生方式變形。體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生李生變形。面心立方晶格金屬,一般不發(fā)生李生變形，但常發(fā)現(xiàn)有攣晶存在,這是由于相變過程中原子重新排列時發(fā)生錯排而產(chǎn)生的,稱退火攣晶二多晶體金屬的塑性變形單個晶粒變形與單晶體相似，多 晶體變形比單晶體復雜。晶界及晶粒位向差的影響 1.晶界的影響當位錯運動到晶界附近時，受到 晶界的阻礙而堆積起來,稱位錯 I 的塞積。要使變形繼續(xù)進行'則 、 必須増加外力，從而使金屬的變 I 形抗力提高。 2.晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同,當一個晶粒發(fā)生塑性變形時,為了 保持金屬的連續(xù)性,周圉的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈 性變形來與之

6、協(xié)調(diào)。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒%的變形阻力。由于晶'粒間的這種相互約束,使穆多晶體金屬的塑 性變形抗力提高。多晶體金屬的塑性變形過程多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于71713乙或接近于45。的晶粒。71當塞積位錯前端的應力達到一定程度,加上相鄰晶 粒的轉(zhuǎn)動,使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系 上的位錯開動,從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一 批晶粒,當有大量晶粒發(fā)生滑移后,金屬便顯示出 明顯的塑性變形。晶粒大小對金屬力學性能的影響 金屬的晶粒越細，其強度和硬度越高。因為金屬晶粒趣W細，品界總面積越憶冰，位錯障礙越多； 協(xié)調(diào)的具有不位向的晶粒越多，r蜃屬塑性變形的力越高。金

7、屬的晶粒趣細,其塑性和命性也趣高。因為晶粒趣細,單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目趣多，參與變 形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，使在斷裂q 前發(fā)生較大的塑性變形。F強度和塑性增加的同時，、金屬在斷裂前消耗的功,因而其韌性也比BDuctielRekAC6ucuods較好。Grain 5存& ci (mm)通過細化晶粒來同時 提高金屬的強度、硬 度、塑性和韌性的方HF；T法稱細晶強化。w120I804020015010050 io-1-J016III1812<T1/Z, (rnirF?)蜃 P.S-A單晶 i丄.，i吧.叫'豐丄豐2匚工.一二仁二“匚二.40 80 120 160 300 2

8、40 280 m 369 拉伸伸長%鋅單晶和多晶的拉伸曲線4.1.3合金的塑性變形合金可根據(jù)組織分為單相固溶體和多相混合物兩種合金元素 的存在，使合金的變形與純金屬顯著不同.己、單相固溶體合金的塑性變形與固溶強化 詠相固溶體合金組織與純金屬相同，其塑性變形過 公於呈也與多晶體純金屬相似。但隨溶質(zhì)含量增加， 冷固溶體的強度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱 廠固溶強化。"QQQQQQQf qqqqqoq OOQOQ00 090 QQO J QQQQQQ 了 買換原子和間隙原子在刃位錯區(qū)的富集L400SOO2001000產(chǎn)生固溶強化的原因，是由于溶質(zhì)原子與位錯相互作用的結果,溶質(zhì)原子不僅使晶

9、格發(fā)生畸變，而且易被吸附在位錯附近形 炳柯氏氣團，使位錯被釘扎住，位錯要脫釘，則必須增加外力 C尹從而使變形抗力提高OrCmNi合金成分與性能關系二、多相合金的塑性變形與彌散強化當合金的組織由多相混合物組成時，合金的塑性變 形除與合金基體的性質(zhì)有關外，a+10nm還與第二相的性質(zhì)、形態(tài)、 大小、數(shù)量和分布有關。第 二相可以是純金屬、固溶體 或化合物，工業(yè)合金中第二 相多數(shù)是化合物。當?shù)诙嘣诰Ы绯示W(wǎng)狀分布時，對合金的強度和塑性不利;當?shù)诙嘣诰?nèi)呈片狀分布時,可提高強度、硬度”但會降低塑性和韌性;當?shù)诙嘣诰?nèi)呈顆粒狀彌散分縮時，相顆粒越細，分布越均勻, 合金的強度、硬度越高，塑性、韌性略有下

10、降，這種強化方法 I稱彌散強化或沉淀強化。松陀畑砧曰r+t工方曲白丿運動，提高了變形抗力。12觀fst'返回第二節(jié)冷塑性變形對，組織和性能的影響塑性變形還使晶 粒破碎為亞晶粒。塑性變形對組織結構的影響L* 金屬發(fā)生塑性變形時,不僅外形發(fā)生變化,而且其 . 內(nèi)部的晶粒也相應地被拉長或壓扁。r嘆當變形量很大時,晶粒將被拉長為纖維狀,晶界變I 得模糊不清。F工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化無有各向異性導致的銅板“制耳”（板織構絲織構3宣形變織構示意圖由于晶粒的轉(zhuǎn)動，當塑性變形達 到一定程度時,會使絕大部分晶 粒的某一位向與變形方向趨于一 致,這種現(xiàn)象稱織構或擇優(yōu)取向 門述變織構使金屬呈現(xiàn)各國

11、異性，在深沖零件時， 產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象， 件邊緣不齊，厚薄 不勻。但織構可提高硅 岡片的導磁率。軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高,性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。7030D402onionPercent cold E<k空二歹-sm2WA M o O 1 R 6501040Perceiu uM work產(chǎn)生加工硬化的原因:隨變形量增加，位錯密度增加, :用（堆積、纏結），使變形抗力增加.由于位錯之間的交互作t晶體中的位錯源!變形20%純鐵中的位錯500 nm未變形純鐵>F500 nm加工硬化是強化金屬的重要手段之一 ,對于不能熱處理強化的金屬和合金 尤為

12、重要。2 隨變形量增加”亞結構細化3 隨變形量增加，空位密度增加4幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動引起由于加工硬化，使已變形部分發(fā)生硬 化而停止變形,而未變形部分開始變 形。沒有加工硬化,金屬就不會發(fā)生 均勻塑性變形。I三、殘余內(nèi)應力內(nèi)應力是指平衡于金屬內(nèi)部的應力。是由于金屬受力時，內(nèi)部 變形不均勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時外力所做的功有 10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應力殘留于金屬中.內(nèi)應力分為三類： -第_類內(nèi)應力平衡于表面與心部之間（宏觀內(nèi)應力）。-第二類內(nèi)應力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間（微觀內(nèi)第三類內(nèi)應力是由晶格缺陷引起的畸變應力。要內(nèi)應力也是金屬強化的.第三類內(nèi)應力是形變金屬中主要原因。而第_、二類內(nèi)

13、應力都使金屬強度降低。內(nèi)應力的存在,使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火為 -雇中的變形和開裂。因此,金屬在塑性變形后,通常要進行 u片退火處理,以消除或降低內(nèi)應力。rib第三節(jié)冷塑性變形金屬在加熱時組織和性能變化-、冷變形金屬在加熱時的組織和性能變化I 金屬經(jīng)冷變形后.組織處于不穩(wěn)定狀態(tài).有自發(fā)恢復么 J 到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下,原子擴散能力小.: .不穩(wěn)定狀態(tài)可長時間維持。加熱可使原子擴散能力黃晶粒長大200400500600700退火溫度 C訕冉結晶ST増加,金屬將依次發(fā)生回復再結晶和晶粒長大產(chǎn)復是指在加熱溫度較低時 > 由于金屬中的點缺陷及位錯近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化

14、。如空位與其他缺陷合并.同_滑移面上的異號位錯相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等。由于位錯運動使其由冷塑性變形時的無序狀態(tài)變?yōu)閬A垂直分布,形成亞晶界,這一過程稱多邊形化。亠在回復階段，金屬組織變化不明顯/其強度硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi) 應力.電阻率等顯著下降。工業(yè)上，常利用回復現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱,既穩(wěn)定組織又保留加工硬化,這種熱處理方法稱去應力退火FiatI禪皓越;石牧怏大變形強蟲花不網(wǎng)加熱沒度時晶粒大小和性能的變化示倉99再結晶當變形金屬被加熱到較高溫 度時,由于原子活動能力增 大,晶粒的形狀開始發(fā)生變 化,由破碎拉長的晶粒變?yōu)?完整的等軸晶粒。這種冷變形組織在加熱時重 新徹底改組的過

15、程稱再結晶deformed structure冷變形奧氏體不銹銀曰攵口日日心曰三口日日再結晶也是一個晶核形成和長 大的過程，但不是相變過程, 再結晶前后新舊晶粒的晶格類 型和成分完全相同。SEM-再結晶晶粒在原I 變形組織晶界上形空 TEM-再結晶晶粒形核卩 于高密度位錯基體上加熱時的A由于再結晶后組織的復原Z因而金屬的強度.硬度下降，塑性.韌性提高,加工硬化消失。冷變形（變形量為38%）黃銅580OC 保溫15分后的的再結晶組織605030200000005 4 (edw) 翌嵋eia040O0.0300.0200.010冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化10020030040050060070

16、0退火溫度 C再結晶后的晶粒長大 再結晶主成后,若繼續(xù)升高加 熱溫度或延長保溫時間,將發(fā)生晶粒長大,這是一個自發(fā)的翕晶粒的長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會使金屬的強度，尤其是八 塑性和韌性降低O皿原子穿過晶界擴散晶界遷移方向禮X黃銅再結晶和晶粒長大各個階段的金相照片 ,-r冷變形量為38 %的組織58(TC保溫3秒后的組織58(TC保溫4秒后的組織,團JOlK 、Kr. -r PhjnJi、Z .2士從;v；AE曲匕Ill二、再結晶溫度III再結晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，| 在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)進行的過程，發(fā)生再結晶的 最低溫度稱再結晶溫度。削壯曠小

17、蘆匕豹I ife磬y：厲一?沁e療空化_宀亠 tTL.mr $ 上丄HHBKsOoC保溫4秒后的組織_58（TC保溫8秒后祿B:l:f變形（變形量為38%）黃銅的再結¥I電解快<99.9%>1L- 二二(99%L_影響再結晶溫度的因素為：纓趣低。當變形度達到一定值后,再結晶溫度趨于某一最低初尹 H1 ,稱最低再結晶溫度。釜屬的最低再結晶溫度與其熔點之WO:的近似關系：T再匕0.4T熔匸中T再、T熔為絕對溫度.T 再 °C =(T 熔 °C+273)X0.4273,用的T再=(1538+273) X 0.4-273=451 °C2、金屬的純度鬥

18、 I 口 J I丿久口 51217 UX，I口J rVX 八、丿ACl Kn H寸 J7 RA7! H |界遷移作用，使再結晶溫度顯著提高.F;3、再結晶加熱速度和加熱時間:理高加熱速度會使再結晶推遲到較高溫度發(fā)生,延長加熱時間，使 學擴散充分，再結晶溫度降低。憑疋中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結晶退火。再結家三、影響再結晶退火后晶粒度的因素1、加熱溫度和保溫時間加熱溫度越高，保溫時間越長， 金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的 影響尤為顯著。再結晶退火溫度對晶粒度的影響IIIIIIIII%加熱溫度580°E保沒8稅啓的組報580吃保沒15分后的組報700吃保溫10另惦的組織預先變形度對再結晶晶粒度的影響臨界變形度預先變形裸度預先變形度的影響,實質(zhì)上是變形均勻程度的影響.當變形度很小時,晶格畸變小,不足以引起再結晶.當變形達到240%時f只有部分晶粒變形f變形極7（均勻，再結晶晶粒I嚴、相差懸姝，易4并和長尢再結晶 膚浦粒特別粗大，這 變形度稱臨界變形度。jUHUSSK-K纟成織構有關.臨界變形度預先變形程度再結晶退火后的晶粒度與預先 變形程度的關系返回軋制模鍛模鍛拉拔第四節(jié)金屬的熱加工軋制模鍛模鍛拉拔一、冷加工與熱加工的區(qū)別I在金屬學中,冷熱加工的界限是以再結晶溫度來劃分的。低于