工程材料基礎(chǔ)

1、工程材料基礎(chǔ)工程材料基礎(chǔ)（3） 第三章第三章 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 第一節(jié)第一節(jié) 單晶體和多晶體的塑性變形單晶體和多晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形1 1、滑移：、滑移： 晶體中一部分相對于另一部分沿一定晶體中一部分相對于另一部分沿一定 的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向） 作整體切向滑移。作整體切向滑移。塑性變形的滑移帶和滑移線實(shí)驗(yàn)觀察塑性變形的滑移帶和滑移線實(shí)驗(yàn)觀察滑移帶滑移帶滑移線滑移線1.1.外力作用的塑變，是原子平面間發(fā)生相對切向滑動。外力作用的塑變，是原子平面間發(fā)生相對切向滑動。2.2.變形只在少數(shù)晶面間發(fā)生切向

2、滑動，即金屬塑變相當(dāng)變形只在少數(shù)晶面間發(fā)生切向滑動，即金屬塑變相當(dāng)不均勻不均勻依靠晶體整體滑移的塑性變形模型依靠晶體整體滑移的塑性變形模型塑性變形依靠晶體整體滑移非常困難，因?yàn)樗苄宰冃我揽烤w整體滑移非常困難，因?yàn)槠湫枰泼鎯蓚?cè)晶體的原子間鍵合幾乎全其需要滑移面兩側(cè)晶體的原子間鍵合幾乎全部同時斷開。部同時斷開?；泼婊泼嫒行臀诲e運(yùn)動使晶體滑移刃型位錯運(yùn)動使晶體滑移引起塑性變形的模型引起塑性變形的模型位錯運(yùn)動使塑性變形容易位錯運(yùn)動使塑性變形容易螺型位錯運(yùn)動使晶體滑移螺型位錯運(yùn)動使晶體滑移引起塑性變形的模型引起塑性變形的模型混合型位錯運(yùn)動使晶體滑移混合型位錯運(yùn)動使晶體滑移引起塑性變形的模型引起

3、塑性變形的模型晶體的滑移塑性變形位錯機(jī)制晶體的滑移塑性變形位錯機(jī)制晶體的滑移塑性變形晶體的滑移塑性變形 未變形未變形 彈性變形彈性變形 彈塑性變形彈塑性變形 塑性變形塑性變形 未變形未變形 彈性變形彈性變形 彈塑性變形彈塑性變形 塑性變形塑性變形滑移面（面間結(jié)合力最小的晶面）滑移面（面間結(jié)合力最小的晶面）實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)論實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)論：（1 1）通常晶體宏觀塑性變形由微觀滑移（切向）通常晶體宏觀塑性變形由微觀滑移（切向 變形）引起。變形）引起。（2 2）微觀滑移發(fā)生在晶體中確定的晶面（滑移面）微觀滑移發(fā)生在晶體中確定的晶面（滑移面） 和確定的晶向（滑移方向）上（合稱為滑移和確定的晶向（滑移方向）上（

4、合稱為滑移 系）系）?；泼婊泼妫芘琶妫芘琶妫┗泼嫔系幕泼嫔系幕品较颍芘乓品较颍芘啪颍┚颍┗扑苄宰冃蔚奶卣骰扑苄宰冃蔚奶卣? :（1 1）滑移是）滑移是位錯的連續(xù)運(yùn)動位錯的連續(xù)運(yùn)動所致。所致。（2 2）存在滑移臨界分）存在滑移臨界分切應(yīng)力切應(yīng)力( (其大小影響材料屈其大小影響材料屈 服強(qiáng)度服強(qiáng)度),),不同晶體結(jié)構(gòu)臨界分切應(yīng)力不同。不同晶體結(jié)構(gòu)臨界分切應(yīng)力不同。（3 3）原子移動的距離是）原子移動的距離是晶格常數(shù)的整數(shù)倍晶格常數(shù)的整數(shù)倍，滑移，滑移 后仍保持后仍保持晶體結(jié)構(gòu)的完整性。晶體結(jié)構(gòu)的完整性。（3 3）滑移發(fā)生在晶體的）滑移發(fā)生在晶體的密排晶面密排晶面和和密

5、排晶向密排晶向上。上。（4 4）不同的晶體結(jié)構(gòu)常具有不同的滑移系（面心）不同的晶體結(jié)構(gòu)常具有不同的滑移系（面心 和體心：和體心：1212個；密排六方：個；密排六方：3 3個），滑移系個），滑移系 越多，越易塑性變形，塑性越好。越多，越易塑性變形，塑性越好。密排六方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu)滑移系示意圖滑移系示意圖面心立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)滑移系示意圖滑移系示意圖研究結(jié)論研究結(jié)論：阻礙位錯運(yùn)動將提高材料屈服強(qiáng)度：阻礙位錯運(yùn)動將提高材料屈服強(qiáng)度。體心立方結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)滑移系示意圖滑移系示意圖2 2、孿生孿生：晶體中一部分相對于：晶體中一部分相對于另一部分沿一定的晶面（孿生）另一部分沿一定的晶面（孿生）和晶向

6、（孿生方向）和晶向（孿生方向） 作多層均勻切向移動作多層均勻切向移動。 孿晶孿晶鏡面對稱鏡面對稱二、多晶體塑性變形特點(diǎn)二、多晶體塑性變形特點(diǎn)1 1、晶粒取向的影響、晶粒取向的影響 使微觀塑性變形不均勻和更復(fù)雜。使微觀塑性變形不均勻和更復(fù)雜。F FF F晶粒之間塑性變形不均勻晶粒之間塑性變形不均勻（1 1）取向不同，滑移所需）取向不同，滑移所需分分不同：硬取向，軟取向不同：硬取向，軟取向（2 2）各晶粒都滿足）各晶粒都滿足臨界臨界后，每晶粒各自沿自己滑移系后，每晶粒各自沿自己滑移系滑移，又要保持金屬結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。滑移，又要保持金屬結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。相互協(xié)調(diào)相互協(xié)調(diào) 相同外力，多晶體比單晶體塑變量小相

7、同外力，多晶體比單晶體塑變量小2 2、晶界的影響、晶界的影響（1 1）阻礙位錯滑移）阻礙位錯滑移 故細(xì)化晶粒故細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度提高強(qiáng)度：s s =0 0 + kd + kd-1/2-1/2。晶界晶界滑移面滑移面位錯位錯純鐵純鐵（2 2）使微觀塑性變形）使微觀塑性變形更為均勻，推遲斷裂發(fā)更為均勻，推遲斷裂發(fā)生，生， 改善材料塑性、改善材料塑性、韌性。韌性。 原因：原因： 在一定在一定作用下，當(dāng)總的變形量一定時，晶作用下，當(dāng)總的變形量一定時，晶粒細(xì)，粒細(xì)，位錯可在更多的晶粒中運(yùn)動位錯可在更多的晶粒中運(yùn)動塑變更均勻塑變更均勻不易應(yīng)力集中不易應(yīng)力集中強(qiáng)度，強(qiáng)度，塑韌性塑韌性第二節(jié)第二節(jié) 金屬的形變強(qiáng)化

8、金屬的形變強(qiáng)化一、形變強(qiáng)化（加工硬化）一、形變強(qiáng)化（加工硬化）1 1、冷變形（冷加工）后晶體內(nèi)部組織的變化、冷變形（冷加工）后晶體內(nèi)部組織的變化（1 1）晶粒碎化，點(diǎn)缺陷、位錯密度增大晶粒碎化，點(diǎn)缺陷、位錯密度增大。內(nèi)部。內(nèi)部 能量增大（儲存了部分形變能）。能量增大（儲存了部分形變能）。變形金屬中位錯胞變形金屬中位錯胞位錯密集區(qū)位錯密集區(qū)（2 2）變形量很大時，晶粒拉長，出現(xiàn)）變形量很大時，晶粒拉長，出現(xiàn)纖維組織纖維組織， 晶粒轉(zhuǎn)動形成晶粒轉(zhuǎn)動形成織構(gòu)織構(gòu)（擇優(yōu)取向）（擇優(yōu)取向），產(chǎn)生各向，產(chǎn)生各向異性異性。等軸晶等軸晶沿變形方向沿變形方向晶粒拉長晶粒拉長 變形前變形前 變形后變形后 塑性變形

9、量很大時會使各個晶粒塑性變形量很大時會使各個晶粒的取向基本一致而產(chǎn)生的取向基本一致而產(chǎn)生“織構(gòu)織構(gòu)”并并造成各向異性。造成各向異性?？棙?gòu)：晶?？臻g取向趨于一致的組織狀態(tài)織構(gòu)：晶粒空間取向趨于一致的組織狀態(tài)。2 2、冷變形（冷加工）后晶體性能的變化、冷變形（冷加工）后晶體性能的變化 產(chǎn)生形變強(qiáng)化，電阻率上升，耐蝕性下降。產(chǎn)生形變強(qiáng)化，電阻率上升，耐蝕性下降。 形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化：隨塑性變形量的增大，晶體材料的強(qiáng)：隨塑性變形量的增大，晶體材料的強(qiáng) 度不斷提高，塑性不斷下降的現(xiàn)象度不斷提高，塑性不斷下降的現(xiàn)象。原因：位錯纏結(jié)，阻礙位錯運(yùn)動。原因：位錯纏結(jié)，阻礙位錯運(yùn)動。sbHBHB塑性變形量塑性變形量

10、塑性變形對塑性變形對30號號鋼力學(xué)性能的影鋼力學(xué)性能的影響響性性能能指指標(biāo)標(biāo)3 3、形變后的殘余應(yīng)力（分三類殘余應(yīng)力）。、形變后的殘余應(yīng)力（分三類殘余應(yīng)力）。（1 1）宏觀殘余應(yīng)力宏觀殘余應(yīng)力（第一類殘余應(yīng)力）（第一類殘余應(yīng)力） 因材料各部分之間塑性變形不均而產(chǎn)生。因材料各部分之間塑性變形不均而產(chǎn)生。心部變形大心部變形大摩擦力使表摩擦力使表層變形小層變形小拔絲模具拔絲模具金屬材料金屬材料拉拔力拉拔力金屬拔絲示意圖金屬拔絲示意圖金屬拔絲變形后殘余應(yīng)力金屬拔絲變形后殘余應(yīng)力金屬彎曲變形后殘余應(yīng)力金屬彎曲變形后殘余應(yīng)力（2 2）微觀殘余應(yīng)力微觀殘余應(yīng)力（第二類殘余應(yīng)力）（第二類殘余應(yīng)力） 因晶粒之間

11、塑性變形不均而產(chǎn)生。因晶粒之間塑性變形不均而產(chǎn)生。（3 3）晶格畸變殘余應(yīng)力晶格畸變殘余應(yīng)力（第三類殘余應(yīng)力）（第三類殘余應(yīng)力） 因晶粒內(nèi)部位錯等造成晶格畸變而產(chǎn)生。因晶粒內(nèi)部位錯等造成晶格畸變而產(chǎn)生。晶粒之間塑性變形不均勻晶粒之間塑性變形不均勻產(chǎn)生第二類殘余應(yīng)力產(chǎn)生第二類殘余應(yīng)力變形金屬晶粒中位錯胞變形金屬晶粒中位錯胞產(chǎn)生第三類殘余應(yīng)力產(chǎn)生第三類殘余應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)高應(yīng)力區(qū)l 殘余應(yīng)力危害：減低工件承載能力；使工件殘余應(yīng)力危害：減低工件承載能力；使工件 尺寸、形狀變化；降低工件耐蝕性。尺寸、形狀變化；降低工件耐蝕性。殘余拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力表層殘余壓應(yīng)力表層殘余壓應(yīng)力拉應(yīng)力拉

12、應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力與外加應(yīng)力疊加殘余拉應(yīng)力與外加應(yīng)力疊加殘余壓應(yīng)力抵消部分外加應(yīng)力殘余壓應(yīng)力抵消部分外加應(yīng)力ll殘余應(yīng)力利用：表面壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度。殘余應(yīng)力利用：表面壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度。第三節(jié)第三節(jié) 冷變形金屬在加熱時的變化冷變形金屬在加熱時的變化 一、一、 回復(fù)、再結(jié)晶與晶粒長大回復(fù)、再結(jié)晶與晶粒長大冷變形金屬在加熱時經(jīng)歷三個變化階段：冷變形金屬在加熱時經(jīng)歷三個變化階段：加熱時組織變化：加熱時組織變化：回復(fù)回復(fù)晶粒長大晶粒長大再結(jié)晶再結(jié)晶升高加熱溫度或延長保溫時間升高加熱溫度或延長保溫時間加熱時金屬性能變化加熱時金屬性能變化：回復(fù)回復(fù)再結(jié)晶再結(jié)晶晶粒長大晶粒長大溫度溫度性能及其他指

13、標(biāo)性能及其他指標(biāo)1 1、回復(fù)、回復(fù)l加熱溫度加熱溫度：T T回回= =（0.250.250.30.3）T T熔熔（K K）l組織、性能變化組織、性能變化：點(diǎn)缺陷密度減少：離位原子與空位復(fù)合點(diǎn)缺陷密度減少：離位原子與空位復(fù)合位錯呈較規(guī)則排列：高密度位錯短程運(yùn)動位錯呈較規(guī)則排列：高密度位錯短程運(yùn)動殘余應(yīng)力明顯下降殘余應(yīng)力明顯下降: :引起引起強(qiáng)、硬略有下降。強(qiáng)、硬略有下降。電阻率下降。電阻率下降。l回復(fù)驅(qū)動力回復(fù)驅(qū)動力：冷變形時儲存的能量：冷變形時儲存的能量應(yīng)用應(yīng)用：去應(yīng)力退火：去應(yīng)力退火2 2、再結(jié)晶再結(jié)晶l再結(jié)晶再結(jié)晶：高溫加熱冷變形金屬（再結(jié)晶退火），：高溫加熱冷變形金屬（再結(jié)晶退火）， 使

14、其形成無畸變等軸晶粒并完全替代原變形晶使其形成無畸變等軸晶粒并完全替代原變形晶 粒，各種性能恢復(fù)到冷變形前狀態(tài)的過程。粒，各種性能恢復(fù)到冷變形前狀態(tài)的過程。l組織、性能變化組織、性能變化：位錯密度明顯降低，變形晶粒：位錯密度明顯降低，變形晶粒 變?yōu)榈容S晶粒，各種性能恢復(fù)到冷變形前狀態(tài)變?yōu)榈容S晶粒，各種性能恢復(fù)到冷變形前狀態(tài)。l最低再結(jié)晶溫度最低再結(jié)晶溫度：能發(fā)生再結(jié)晶的最低加熱溫度：能發(fā)生再結(jié)晶的最低加熱溫度 經(jīng)驗(yàn)公式：經(jīng)驗(yàn)公式：T T再再=0.4 T=0.4 T熔熔（K K）l再結(jié)晶驅(qū)動力再結(jié)晶驅(qū)動力：冷變形儲存能：冷變形儲存能 應(yīng)用應(yīng)用：再結(jié)晶退火：再結(jié)晶退火3 3、再結(jié)晶后晶粒的長大、再

15、結(jié)晶后晶粒的長大再結(jié)晶結(jié)束后繼續(xù)保溫，晶粒將進(jìn)一步長大。再結(jié)晶結(jié)束后繼續(xù)保溫，晶粒將進(jìn)一步長大。晶粒長大驅(qū)動力晶粒長大驅(qū)動力：晶界總面積減少導(dǎo)致的晶界：晶界總面積減少導(dǎo)致的晶界 能下降。能下降。二、冷變形（加工）與熱變形（加工）二、冷變形（加工）與熱變形（加工）冷變形冷變形：在：在再結(jié)晶溫度以下再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形。進(jìn)行的塑性變形。冷變形特點(diǎn)：變形抗力高，變形獲得的金屬硬度、冷變形特點(diǎn)：變形抗力高，變形獲得的金屬硬度、 精度高。精度高。 熱變形熱變形：在：在再結(jié)晶溫度以上再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形。進(jìn)行的塑性變形。熱變形特點(diǎn)：熱變形特點(diǎn)：（1 1）變形過程伴隨有形變強(qiáng)化和回復(fù)與再結(jié)晶

16、帶）變形過程伴隨有形變強(qiáng)化和回復(fù)與再結(jié)晶帶 來的材料軟化。來的材料軟化。（2 2）熱變形溫度越高、變形速率越低，軟化作用）熱變形溫度越高、變形速率越低，軟化作用 越強(qiáng)。越強(qiáng)。（3 3）熱變形產(chǎn)生纖維組織）熱變形產(chǎn)生纖維組織“流線流線”。變形量越大，。變形量越大， 纖維化越明顯。纖維化越明顯。變形前組織變形前組織 變形后組織變形后組織 流流線線流線：塑性變形時，金屬中流線：塑性變形時，金屬中夾雜物、第二相等夾雜物、第二相等沿沿 變形方向分布排列。變形方向分布排列。低碳鋼熱加工后的流線低碳鋼熱加工后的流線三、熱變形纖維組織的應(yīng)用三、熱變形纖維組織的應(yīng)用l “流線流線”使材料具有各向異性：使材料具有

17、各向異性：平行于流線方向抗平行于流線方向抗拉強(qiáng)度高、塑性好拉強(qiáng)度高、塑性好垂直于流線方向抗垂直于流線方向抗剪強(qiáng)度高、塑性差剪強(qiáng)度高、塑性差l 應(yīng)使應(yīng)使“流線流線”合理分布：合理分布： 使零件承受的最大使零件承受的最大正正應(yīng)力應(yīng)力平行平行于于纖維方向纖維方向； 使零件承受的最大使零件承受的最大切切應(yīng)力應(yīng)力垂直垂直于于纖維方向纖維方向。用用軋軋材材切切削削用用鍛鍛造造加加工工金屬掛鉤中流線金屬掛鉤中流線第四節(jié)第四節(jié) 塑性加工性能及其影響因素塑性加工性能及其影響因素一、塑性加工性能及其指標(biāo)一、塑性加工性能及其指標(biāo)塑性加工：通過使材料塑性變形而獲得具有一定塑性加工：通過使材料塑性變形而獲得具有一定 形

18、狀、尺寸和質(zhì)量的零件的加工方法。形狀、尺寸和質(zhì)量的零件的加工方法。塑性加工性能：金屬材料通過塑性加工獲得優(yōu)質(zhì)塑性加工性能：金屬材料通過塑性加工獲得優(yōu)質(zhì) 零件的難易程度。零件的難易程度。塑性加工性能指標(biāo)：塑性加工性能指標(biāo)：塑性塑性、變形抗力變形抗力。 塑性越好、變形抗力越小，則塑性加工性能越好。塑性越好、變形抗力越小，則塑性加工性能越好。二、塑性加工性能影響因素二、塑性加工性能影響因素1 1、材料本質(zhì)（內(nèi)在因素）、材料本質(zhì)（內(nèi)在因素）（1 1）化學(xué)成分）化學(xué)成分（2 2）微觀組織）微觀組織2 2、加工條件（外在因素）、加工條件（外在因素）（1 1）變形溫度：溫度高，變形抗力小，塑性好，）變形溫度：溫度高，變形抗力小，塑性好， 塑性加工性能好。塑性加工性能好。注意，溫度過高，材料氧化、脫碳嚴(yán)重，并可出注意，溫度過高，材料氧化、脫碳嚴(yán)重，并可出 現(xiàn)過熱（晶粒粗大）和過燒（局部熔化）。現(xiàn)過熱（晶粒粗大）和過燒（局部熔化）。 變形速度較高時，回復(fù)、再結(jié)晶不及進(jìn)行，變形速度較高時，回復(fù)、再結(jié)晶不及進(jìn)行，不能克服形變強(qiáng)化，金屬變形抗力增大，塑性下不能克服形變強(qiáng)化，金屬變形抗力增大，塑性下降。降。 變形速度很高時