工程材料第五章塑性應(yīng)變對金屬

1、 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 5.2 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶 5.3 超塑性成形超塑性成形 5.4 金屬的熱加工金屬的熱加工 單晶體單晶體：其組成原子按相同規(guī)律和空間取向排列的晶體。：其組成原子按相同規(guī)律和空間取向排列的晶體。 多晶體多晶體：由許多空間取向不同的單晶體（晶粒）組成的晶體。：由許多空間取向不同的單晶體（晶粒）組成的晶體。一單晶體與多晶體一單晶體與多晶體l實際金屬實際金屬多晶體多晶體塑性變形復(fù)雜；塑性變形復(fù)雜；l單晶體單晶體單晶體塑性變形主要是滑移變形，其次是孿生變形；單晶體塑性變形主要是滑移變形，其次是孿生變形；l單晶體具有各向異性，多晶體則無各向異性。單晶體具有各向

2、異性，多晶體則無各向異性。二單晶體的塑性變形二單晶體的塑性變形1 1、滑移變形、滑移變形（1 1）滑移的）滑移的顯微觀察顯微觀察l產(chǎn)生滑移的晶面稱為產(chǎn)生滑移的晶面稱為滑移面滑移面，l由射線結(jié)構(gòu)分析表明，滑移面兩側(cè)的由射線結(jié)構(gòu)分析表明，滑移面兩側(cè)的晶體結(jié)構(gòu)類型并未發(fā)生改變。晶格的晶體結(jié)構(gòu)類型并未發(fā)生改變。晶格的空間位向大致相同，這種塑性變形稱空間位向大致相同，這種塑性變形稱為為滑移變形滑移變形。二單晶體的塑性變形二單晶體的塑性變形1 1、滑移變形、滑移變形（1 1）滑移的顯微觀察）滑移的顯微觀察二單晶體的塑性變形二單晶體的塑性變形1 1、滑移變形、滑移變形（2 2）滑移的作用力）滑移的作用力n在

3、任一晶面上，外力可分解為垂直于晶面的正應(yīng)力N N和平行于晶面的切應(yīng)力。n正應(yīng)力N N：使晶體發(fā)生彈性變形，當(dāng) 大于原子結(jié)合力時，則晶體發(fā)生斷裂。n切應(yīng)力：使晶體發(fā)生彈性剪切變形，當(dāng) 大于臨界切應(yīng)力k k時，即發(fā)生滑移變形。n滑移只與有關(guān)，與N N無關(guān)。 二單晶體的塑性變形二單晶體的塑性變形1 1、滑移變形、滑移變形（3 3）滑移面、滑移方向及滑移系）滑移面、滑移方向及滑移系l滑移面與滑移方向滑移面與滑移方向： 發(fā)生滑移的晶面和晶向稱為滑移面和滑移方向?；葡祷葡担阂粋€滑移面與其上一個滑移方向組成一個滑移系。一個滑移系表明晶體的一個滑移空間位向。 密排六方結(jié)構(gòu)：如Mg、Zn有3個滑移系13 （

4、面方向）； 體心立方結(jié)構(gòu)：如Fe、Cr、W有12個滑移系62； 面心立方結(jié)構(gòu)：如Ni、Cu、Al有12個滑移系43。l為什么滑移在原子最密排的晶面與晶向上進(jìn)行？為什么滑移在原子最密排的晶面與晶向上進(jìn)行？滑移面滑移面：原子最密排的晶面間距離最大，結(jié)合力就小，滑移易于發(fā)生。滑移方向滑移方向：原子最密排的晶向上原子間距較小，在此晶向上滑移一個 原子間距所需的滑移功最小。二單晶體的塑性變形二單晶體的塑性變形1 1、滑移變形、滑移變形（3 3）滑移面、滑移方向及滑移系）滑移面、滑移方向及滑移系 面心立方滑移系面心立方滑移系43； 體心立方滑移系體心立方滑移系62； 密排六方密排六方滑移系滑移系13二單晶

5、體的塑性變形二單晶體的塑性變形1 1、滑移變形、滑移變形（4 4）滑移的位錯機(jī)制）滑移的位錯機(jī)制 按剛性滑移模型計算的臨界分切應(yīng)力比實測值大1000倍。說明剛性 滑移模型是不正確的。 塑性變形依靠晶體整體滑移非常困難，因為需要滑移面兩側(cè)晶體的 原子間鍵合幾乎同時全部斷開。二單晶體的塑性變形二單晶體的塑性變形1 1、滑移變形、滑移變形（4 4）滑移的位錯機(jī)制）滑移的位錯機(jī)制 即滑移的過程中滑移面上的原子不是整體作相對滑移，而是在切應(yīng)力作用下，位錯沿滑移方向逐次進(jìn)行一個原子間距的滑移，當(dāng)一個位錯運(yùn)動到晶體表面時，即形成一個原子間距的滑移量。如圖4-6所示。根據(jù)位錯移動模型計算的臨界分切應(yīng)力與實測值

6、基本上吻合。5.二單晶體的塑性變形二單晶體的塑性變形（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）存在滑移臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力，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）原子移動距離是晶格常數(shù)的整數(shù)倍，滑移后仍保持晶體結(jié)構(gòu)的）原子移動距離是晶格常數(shù)的整數(shù)倍，滑移后仍保持晶體結(jié)構(gòu)的 完整性完整性；（4 4）滑移發(fā)生在晶體的）滑移發(fā)生在晶體的密排面密排面和和密排晶向密排晶向上；上；（5 5）不同晶體結(jié)構(gòu)的滑移系不同，）不同晶體結(jié)構(gòu)的滑移系不同，滑移系滑移系越多，越容易塑性變形，越多，越容易塑性變形， 相同滑移系條件下，相同滑移系條件

7、下，滑移方向滑移方向越多，越容易塑性變形。越多，越容易塑性變形。二單晶體的塑性變形二單晶體的塑性變形3 3孿生變形孿生變形 孿生變形是金屬塑性變形的另一種形式孿生變形是金屬塑性變形的另一種形式。 孿生變形產(chǎn)生的條件孿生變形產(chǎn)生的條件：孿生的臨界分切應(yīng)力要比滑移大得多。：孿生的臨界分切應(yīng)力要比滑移大得多。故只有在金屬滑移受到限制時才產(chǎn)生孿生。故只有在金屬滑移受到限制時才產(chǎn)生孿生。 孿生的概念孿生的概念：晶體在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶：晶體在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面與一定的晶向進(jìn)行剪切變形。變形的結(jié)果，面與一定的晶向進(jìn)行剪切變形。變形的結(jié)果，使變形部分與未使變形部分與未變

8、形部分的晶格位向沿孿生面形成鏡面對稱，好象孿生兄弟一變形部分的晶格位向沿孿生面形成鏡面對稱，好象孿生兄弟一樣，故這種變形稱為孿生。樣，故這種變形稱為孿生。二單晶體的塑性變形二單晶體的塑性變形2 2孿生變形孿生變形 發(fā)生剪切變形的那部分晶體稱為孿晶帶，簡稱孿晶發(fā)生剪切變形的那部分晶體稱為孿晶帶，簡稱孿晶。二單晶體的塑性變形二單晶體的塑性變形2 2孿生變形孿生變形 多晶體的塑性變形方式主要是：滑移與孿生，但同時也要考慮與 的影響。 1、晶界的作用 晶界可以阻礙位錯的通過和移動，使晶體具有較高的屈服強(qiáng)度。2 2、晶粒位向差的影響、晶粒位向差的影響 多晶體中，有的晶?；葡堤幱谟欣诨频能浳幌蜍浳幌?/p>

9、。有的晶?；葡堤幱诓焕诨频挠参幌蛴参幌?。當(dāng)軟位向晶?；茣r，必然會受到硬位向晶粒的阻礙，使滑移力增加。故同一金屬，多晶體強(qiáng)度比單晶體強(qiáng)度要高。 在一定體積條件下： 晶粒越小，軟位向的晶粒數(shù)量就越多，變形可分散在許多晶 粒內(nèi)進(jìn)行，因此變形比較均勻，可以避免應(yīng)力集中。 晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高，塑性越好。四、塑性變形對金屬組織和性能的影響四、塑性變形對金屬組織和性能的影響1、塑性變形對金屬結(jié)構(gòu)和組織的影響（1） 晶粒內(nèi)出現(xiàn)滑移帶：晶粒內(nèi)出現(xiàn)滑移帶： 纖維組織纖維組織：（2） 在鑄態(tài)金屬結(jié)構(gòu)中的亞結(jié)構(gòu)（晶粒邊 長約10-2mm），塑性變形后將細(xì)化至 10-4-10-6mm，這種細(xì)化后的亞晶粒稱為 “

10、形變胞”。變形越大，胞的數(shù)量越多。 胞周圍晶格嚴(yán)重畸變，聚集了大量位 錯，胞內(nèi)晶格完整。變形亞結(jié)構(gòu)示意圖變形亞結(jié)構(gòu)示意圖1-1-晶格較完整的亞晶塊；晶格較完整的亞晶塊；2-2-嚴(yán)重畸變區(qū)嚴(yán)重畸變區(qū)四、塑性變形對金屬組織和性能的影響1、塑性變形對金屬結(jié)構(gòu)和組織的影響變形前，晶粒位向隨機(jī)分布，變形前，晶粒位向隨機(jī)分布，變形量變形量70%，金屬的晶粒位向會大致，金屬的晶粒位向會大致 趨于一致，即形成變形織構(gòu)。趨于一致，即形成變形織構(gòu)。絲織構(gòu)示意圖絲織構(gòu)示意圖板織構(gòu)示意圖板織構(gòu)示意圖四、塑性變形對金屬組織和性能的影響1、塑性變形對金屬結(jié)構(gòu)和組織的影響l織構(gòu)的形成明顯的各向異性對材料加工成型性和使用性能

11、產(chǎn)生影響。l織構(gòu)一旦形成就很難消除l生產(chǎn)中為避免形成織構(gòu)，大變形量零件可分成幾次變形工序來完成，并在變形工序間進(jìn)行退火，即可消除織構(gòu)的產(chǎn)生。 四、塑性變形對金屬組織和性能的影響四、塑性變形對金屬組織和性能的影響 2 2、殘余內(nèi)應(yīng)力與晶格畸變、殘余內(nèi)應(yīng)力與晶格畸變 （1 1）宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力） 變形較大部分受變形較大部分受，變形較小部分受，變形較小部分受。 四、塑性變形對金屬組織和性能的影響四、塑性變形對金屬組織和性能的影響2 2、殘余內(nèi)應(yīng)力與晶格畸變、殘余內(nèi)應(yīng)力與晶格畸變l 晶?；騺喚ЯＶg由于變形不均而引起的殘余應(yīng)力。l塑性變形時，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯、空位

12、等缺陷，使部分原子偏離平衡位置。產(chǎn)生晶格畸變而引起內(nèi)應(yīng)力。四、塑性變形對金屬組織和性能的影響（1 1）性能的變化）性能的變化l隨變形量的增加，強(qiáng)度和硬度增加，塑性和韌性減小，此種現(xiàn)象即為或。l加工硬化是強(qiáng)化金屬的一種重要。特別是對用熱處理方法的材料，如工業(yè)純銅、黃銅、奧氏體不銹鋼等。（2）產(chǎn)生）產(chǎn)生加工硬化的原因加工硬化的原因l隨變形量的增加，兩組或多組的滑移系開始滑移，位錯就會產(chǎn)生，使位錯移動受到牽制和阻礙，使變形抗力增加，產(chǎn)生加工硬化。l另一方面，晶粒破碎，形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，胞的周圍為聚集著大量位錯的纏繞區(qū)，阻礙位錯移動，使變形抗力增加。 l塑性變形后，晶體內(nèi)存在嚴(yán)重晶格畸變，原子處于不穩(wěn)定

13、狀態(tài)，有向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。l按加熱溫度不同，將變化過程分為、和三個階段。、和三個階段與性能的關(guān)系。不同加熱溫度對變形金屬組織與性能的影響不同加熱溫度對變形金屬組織與性能的影響 T回回 （0.250.3）T熔熔 K 組織與性能組織與性能l加熱溫度不高時，組織沒有明顯的變化。l隨加熱溫度升高，點(diǎn)缺陷的密度降低，電阻率明顯下降；l晶體的畸變能下降，內(nèi)應(yīng)力有明顯下降；l金屬的機(jī)械性能基本沒有變化，即強(qiáng)度、硬度下降很少，塑性提高不多。但抗腐蝕性有所提高。l晶粒內(nèi)分散雜亂的位錯會按照某種規(guī)律進(jìn)行規(guī)則排列（攀移、滑移和多邊化），見下圖。 生產(chǎn)應(yīng)用：生產(chǎn)應(yīng)用：去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火。 冷拉鋼絲繞制的彈簧，

14、繞成后在冷拉鋼絲繞制的彈簧，繞成后在280280300300進(jìn)行去應(yīng)力退火。進(jìn)行去應(yīng)力退火。 一、回復(fù)一、回復(fù) 純金屬純金屬：T結(jié)結(jié) （0.350.4）T熔熔 K 變形量在70%以上，保溫一小時以內(nèi)，能完成再結(jié)晶（已再結(jié)晶的體積95%）的最低溫度，作為金屬的再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度。l金屬的變形組織（如拉長的晶粒等）完全消失，形成了無晶格畸變的等軸細(xì)晶粒；l金屬的強(qiáng)度、硬度顯著下降，塑性顯著提高；l再結(jié)晶有形核與長大的兩個結(jié)晶過程。當(dāng)變形量較小時，一般在原晶界的某些部位形核；當(dāng)變形量較大時（如20%），一般由兩個相鄰的回復(fù)亞晶粒合并而形核。見下圖見下圖。l再結(jié)晶前和后，金屬的晶格類型沒有改變，故再

15、結(jié)晶不是一種相變。產(chǎn)產(chǎn)：再結(jié)晶退火。退火。 吊車用鋼絲吊車用鋼絲二、再結(jié)晶二、再結(jié)晶三、晶粒長大三、晶粒長大l再結(jié)晶后的金屬具有細(xì)小而均勻的晶粒，再結(jié)晶后如繼續(xù)升溫或延長時間，晶粒將會長大。l晶粒長大，金屬的機(jī)械性能下降，一般不希望晶粒長大。 1)1)加熱溫度與晶粒尺寸的關(guān)系退火溫度與晶粒尺寸的關(guān)系退火溫度與晶粒尺寸的關(guān)系 三、晶粒長大三、晶粒長大 2) 2)變形度變形度 變形度達(dá)210%時，再結(jié)晶后晶粒變得十分粗大，這個變形度叫臨界變形度。l原因原因：在臨界變形度時，只有部分晶粒變形，變形不均勻，退火時，只在少數(shù)產(chǎn)生塑性變形的部位形核，長大是吞并周圍晶粒，形成十分粗大的晶粒，故冷變形時應(yīng)避開

16、臨界變形度。l變形度大于臨界變形度時，隨變形度增加，晶粒逐漸變小。變形度與結(jié)晶后晶粒變形度與結(jié)晶后晶粒大小的關(guān)系大小的關(guān)系 三、晶粒長大三、晶粒長大 2) 2)變形度變形度低碳鋼冷塑性變形后的顯微組織低碳鋼冷塑性變形后的顯微組織(a) 冷變形量冷變形量30%(b) 冷變形量冷變形量50%思考題：戶外用的架空銅導(dǎo)線（要求一定的強(qiáng)度）和戶內(nèi)電燈用花線，在加工之后可否采用相同的最終熱處理工藝？ 1 1、超塑性成形的定義、超塑性成形的定義 許多金屬或合金，在一定溫度和應(yīng)變速度等條件下，可以獲得許多金屬或合金，在一定溫度和應(yīng)變速度等條件下，可以獲得極大的均勻變形量（可達(dá)極大的均勻變形量（可達(dá)100%10

17、0%），材料的這種行為，稱為超塑性。），材料的這種行為，稱為超塑性。2 2、具有超塑性的條件 極細(xì)小的晶粒極細(xì)小的晶粒 晶粒直徑應(yīng)小于晶粒直徑應(yīng)小于0.005mm0.005mm（5um5um）必須在高溫變形，變形溫度一）必須在高溫變形，變形溫度一般約為：般約為：（0.50.50.650.65）T T熔點(diǎn)熔點(diǎn)( (為絕對溫度為絕對溫度) ) 很低的應(yīng)變速率3 3、超塑性的機(jī)制 機(jī)制很復(fù)雜。簡單可理解為：不只是靠滑移，而是靠晶界的滑動機(jī)制很復(fù)雜。簡單可理解為：不只是靠滑移，而是靠晶界的滑動和晶界擴(kuò)散性遷移產(chǎn)生超塑性。和晶界擴(kuò)散性遷移產(chǎn)生超塑性。5.4 5.4 金屬的熱加工金屬的熱加工lTT再再為熱

18、加工為熱加工 Sn（-7）等金屬，即使在常溫下塑性變形，也應(yīng)為熱加工。等金屬，即使在常溫下塑性變形，也應(yīng)為熱加工。lT T再再為冷加工為冷加工 W(3410)、Mo(2610)即使在即使在800800的紅熱狀態(tài)下，也稱為的紅熱狀態(tài)下，也稱為冷加工。冷加工。n熱加工使鑄態(tài)組織細(xì)化，氣孔與裂紋焊合，改善其成型性。形成合理的纖維組織。5.4 5.4 金屬的熱加工金屬的熱加工熱加工時的動態(tài)再結(jié)晶示意圖熱加工時的動態(tài)再結(jié)晶示意圖吊鉤中的纖維組織吊鉤中的纖維組織原晶粒原晶粒變形晶粒變形晶粒新形成小晶粒新形成小晶粒新晶粒新晶粒5.4 5.4 金屬的熱加工金屬的熱加工典型典型焊接焊接工藝示意圖工藝示意圖 A5.4 5.4 金屬的熱加工金屬的熱加工典型焊接工藝示意圖典型焊接工藝示意圖 B B5.4 5.4 金屬的熱加工金屬的熱加工典型焊接工藝示意圖典型焊接工藝示意圖 C C5.4 5.4 金屬的熱加工金屬的熱加工典型鑄造工藝示意圖典型鑄造工藝示意圖