金屬的塑性變形與再結(jié)晶課件

1、金屬的塑性變形與再結(jié)晶l鍛造、沖壓、軋制以及車銑鍛造、沖壓、軋制以及車銑刨鉆都是經(jīng)塑性實(shí)現(xiàn)的。刨鉆都是經(jīng)塑性實(shí)現(xiàn)的。l塑性變形及隨后的加熱對(duì)金塑性變形及隨后的加熱對(duì)金屬材料組織和性能有顯著的屬材料組織和性能有顯著的影響影響. . 了解塑性變形的本質(zhì)了解塑性變形的本質(zhì), ,塑性變形及加熱時(shí)組織的變塑性變形及加熱時(shí)組織的變化，有助于發(fā)揮金屬的性能化，有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，正確確定加工工藝潛力，正確確定加工工藝. . 5萬噸水壓機(jī)萬噸水壓機(jī)金屬的塑性變形與再結(jié)晶l單晶體受力后，外力在單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為任何晶面上都可分解為正應(yīng)力正應(yīng)力和和切應(yīng)力切應(yīng)力。正應(yīng)。正應(yīng)力只能引起彈性

2、變形及力只能引起彈性變形及解理斷裂。解理斷裂。只有在切應(yīng)只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。能產(chǎn)生塑性變形。一、單晶體金屬的塑性變形一、單晶體金屬的塑性變形外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片鋅單晶的拉伸照片金屬的塑性變形與再結(jié)晶l塑性變形的形式：塑性變形的形式：滑移和孿生?；坪蛯\生。l金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。 l滑移滑移是指晶體的一部分沿一定的晶是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。位移的現(xiàn)象。金屬的塑性變形與再結(jié)

3、晶l1、滑移變形的特點(diǎn)、滑移變形的特點(diǎn) ：l 滑移只能在切應(yīng)力的作滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力臨界切應(yīng)力. 金屬的塑性變形與再結(jié)晶l 滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。需切應(yīng)力最小。體心立方晶格體心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格110111110111晶格晶格滑移面滑移面滑移滑移方向方向滑移系滑移系三種典型

4、金屬晶格的滑移系三種典型金屬晶格的滑移系金屬的塑性變形與再結(jié)晶l工程上使用的金屬大多數(shù)為多晶體。工程上使用的金屬大多數(shù)為多晶體。l單個(gè)晶粒變形與單晶體相似單個(gè)晶粒變形與單晶體相似,多晶體變形比單多晶體變形比單晶體復(fù)雜。晶體復(fù)雜。l一）晶界對(duì)塑性變形的影響一）晶界對(duì)塑性變形的影響l多晶體中，晶界上原子排列不規(guī)則，形成過多晶體中，晶界上原子排列不規(guī)則，形成過渡區(qū)；缺陷和雜質(zhì)集中的地方，因此能使變渡區(qū)；缺陷和雜質(zhì)集中的地方，因此能使變形抗力增大。形抗力增大。l 當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來而堆積起來,稱位錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)稱位錯(cuò)的塞積。

5、要使變形繼續(xù)進(jìn)行行, 則必須增加外力則必須增加外力, 從而使金屬的變形抗力從而使金屬的變形抗力提高。提高。金屬的塑性變形與再結(jié)晶l二）晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響二）晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響l金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。l因?yàn)橐驗(yàn)榻饘俳饘倬ЯＴ骄ЯＴ郊?xì)，晶界總面積細(xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越大，位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的具有不同位向的晶粒越多的晶粒越多，使，使金屬塑性變形的金屬塑性變形的抗力越高。抗力越高。晶粒大小與金屬強(qiáng)度關(guān)系晶粒大小與金屬強(qiáng)度關(guān)系金屬的塑性變形與再結(jié)晶l金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高。金屬的晶粒越細(xì)

6、，其塑性和韌性也越高。l因?yàn)橐驗(yàn)榫ЯＴ郊?xì)晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變參與變形的晶粒數(shù)目也越形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強(qiáng)大的塑性變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加度和塑性同時(shí)增加,金屬在斷裂前消耗金屬在斷裂前消耗的功也大，的功也大，因而其因而其韌性也比較好。韌性也比較好。應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)力塑性材料塑性材料脆性脆性材料材料金屬的塑性變形與再結(jié)晶l一、塑性變形對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響一、塑性變形對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響 l1、金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且、金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也

7、相應(yīng)地其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長(zhǎng)或壓扁。被拉長(zhǎng)或壓扁。l當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀。l2、塑性變形還、塑性變形還使晶粒破碎使晶粒破碎 。l變形量的說明變形量的說明 . P127金屬的塑性變形與再結(jié)晶5%冷變形純鋁中的位錯(cuò)網(wǎng)冷變形純鋁中的位錯(cuò)網(wǎng)(a) 正火態(tài)正火態(tài)(c) 變形變形80%(b) 變形變形40%金屬的塑性變形與再結(jié)晶l 3、當(dāng)當(dāng)塑性塑性變形達(dá)到一定程變形達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的度時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱致，這種現(xiàn)象稱形變形變織構(gòu)織構(gòu)或或擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向。l形變織構(gòu)使金

8、屬呈形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性現(xiàn)各向異性，在深，在深沖零件時(shí)，易產(chǎn)生沖零件時(shí)，易產(chǎn)生“制耳制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。板織構(gòu)板織構(gòu)絲織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖形變織構(gòu)示意圖各向異性導(dǎo)致的銅板各向異性導(dǎo)致的銅板 “制耳制耳”有有無無金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶l隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化加工硬化。冷塑性變形量，%屈服強(qiáng)度，MPa1040鋼(0.4%C)黃銅銅冷塑性變形量，%伸長(zhǎng)

9、率，%1040鋼(0.4%C)黃銅銅金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶l金屬材料在塑性變形過程中，內(nèi)部變形的不均金屬材料在塑性變形過程中，內(nèi)部變形的不均勻性，導(dǎo)致在變形后仍殘存于金屬材料內(nèi)的應(yīng)勻性，導(dǎo)致在變形后仍殘存于金屬材料內(nèi)的應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力（內(nèi)應(yīng)力）力稱為殘余應(yīng)力（內(nèi)應(yīng)力）。 l殘余應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降，殘余應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降，引起零引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低殘余應(yīng)力。除或降低殘余應(yīng)力。金屬的塑性變形與再結(jié)晶 金屬

10、經(jīng)冷變形后金屬經(jīng)冷變形后, 組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)組織處于不穩(wěn)定狀態(tài), 有自發(fā)恢有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但但在常溫下在常溫下，原子擴(kuò)散能力小原子擴(kuò)散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可長(zhǎng)時(shí)間維持不穩(wěn)定狀態(tài)可長(zhǎng)時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶回復(fù)、再結(jié)晶和和晶粒長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大。 加熱溫度加熱溫度 黃銅黃銅金屬的塑性變形與再結(jié)晶l一、回復(fù)一、回復(fù)l回復(fù)回復(fù)是指在加熱溫度較低時(shí)，由是指在加熱溫度較低時(shí)，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)近距離于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。如如空位與其他缺陷

11、合并空位與其他缺陷合并。l在回復(fù)階段在回復(fù)階段，金屬組織變化不明，金屬組織變化不明顯，其強(qiáng)度、硬度略有下降，塑顯，其強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高，但性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電阻率內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降等顯著下降。l工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法保留加工硬化，這種熱處理方法稱稱去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火。金屬的塑性變形與再結(jié)晶l二、再結(jié)晶二、再結(jié)晶l一）再結(jié)晶過程一）再結(jié)晶過程l當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，晶粒的形狀開

12、始發(fā)生變大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，化，由破碎拉長(zhǎng)的晶粒變?yōu)橛善扑槔L(zhǎng)的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒完整的等軸晶粒。l這種這種冷變形組織在加熱時(shí)重冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的過程稱新徹底改組的過程稱再結(jié)晶再結(jié)晶。鐵素體變形鐵素體變形80%670加熱加熱650加熱加熱金屬的塑性變形與再結(jié)晶l由于再結(jié)晶后組織的復(fù)由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而原，因而金屬的強(qiáng)度、金屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失提高，加工硬化消失。冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化 冷變形冷變形(變形量為變形量為38%)黃銅黃銅580C保溫保溫15分后的的再結(jié)晶組織分后的的

13、再結(jié)晶組織金屬的塑性變形與再結(jié)晶l再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個(gè)再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過程，溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再再結(jié)晶溫度結(jié)晶溫度。lT再再0.4T熔熔 (絕對(duì)溫度絕對(duì)溫度K)l金屬熔點(diǎn)越高金屬熔點(diǎn)越高, T再再也越高也越高. lT再再 = (T熔熔+273)0.4273，l如如Fe的的T再再=(1538+273)0.4273=451580C保溫保溫3秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫4秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織冷變形冷變形(變形量為變形量為

14、38%)黃銅的再結(jié)晶黃銅的再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶l 三）再結(jié)晶退火三）再結(jié)晶退火l生產(chǎn)中，把生產(chǎn)中，把消除加工硬化、提高塑性的熱處理稱為消除加工硬化、提高塑性的熱處理稱為再結(jié)晶退再結(jié)晶退火火。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100200。 黃銅黃銅580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織黃銅黃銅580C保溫保溫15分后的組織分后的組織金屬的塑性變形與再結(jié)晶l三、再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大三、再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大l再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升升高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，間，將發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，這這是一個(gè)自發(fā)的過程。是一個(gè)自發(fā)的過

15、程。黃銅再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大黃銅再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織580C580C保溫保溫1515分后的組織分后的組織700C700C保溫保溫1010分后的組織分后的組織金屬的塑性變形與再結(jié)晶l晶粒的長(zhǎng)大是通過晶界遷移進(jìn)行的，是大晶粒吞并晶粒的長(zhǎng)大是通過晶界遷移進(jìn)行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。小晶粒的過程。晶粒粗大會(huì)使金屬的強(qiáng)度，尤其是晶粒粗大會(huì)使金屬的強(qiáng)度，尤其是塑性和韌性降低塑性和韌性降低 。原子穿過原子穿過晶界擴(kuò)散晶界擴(kuò)散晶界遷晶界遷移方向移方向金屬的塑性變形與再結(jié)晶冷變形量為冷變形量為38的組織的組織580C保溫保溫3秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫4秒后的組

16、織秒后的組織580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫15分后的組織分后的組織 700C保溫保溫10分后的組織分后的組織金屬的塑性變形與再結(jié)晶l加熱溫度越越高，保溫時(shí)間加熱溫度越越高，保溫時(shí)間長(zhǎng)，金屬的晶粒越粗大，加長(zhǎng)，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。熱溫度的影響尤為顯著。再結(jié)晶退火溫度對(duì)晶粒度的影響再結(jié)晶退火溫度對(duì)晶粒度的影響金屬的塑性變形與再結(jié)晶l一、冷加工與熱加工的區(qū)別一、冷加工與熱加工的區(qū)別l在金屬學(xué)中，冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃在金屬學(xué)中，冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃分的。分的。低于再結(jié)晶溫度的加工稱為低于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工，冷加工，而高于而高

17、于再結(jié)晶溫度的加工稱為再結(jié)晶溫度的加工稱為熱加工熱加工。軋制軋制模鍛模鍛拉拔拉拔金屬的塑性變形與再結(jié)晶l如如 Fe 的再結(jié)晶溫度為的再結(jié)晶溫度為451，其在，其在400 以下的加以下的加工仍為冷加工。而工仍為冷加工。而 Sn 的再結(jié)晶溫度為的再結(jié)晶溫度為-71，則其，則其在室溫下的加工為熱加工。在室溫下的加工為熱加工。l熱加工時(shí)產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化熱加工時(shí)產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消，因而熱加工不會(huì)帶來加工硬化效果。所抵消，因而熱加工不會(huì)帶來加工硬化效果。巨型自由鍛件巨型自由鍛件金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶模鍛模鍛自由鍛自由鍛軋制軋制正擠壓正擠壓反

18、擠壓反擠壓拉拔拉拔沖壓沖壓金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶l熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合氣孔焊合，使，使粗大粗大的樹枝晶或拄狀晶破碎，的樹枝晶或拄狀晶破碎，從而從而使組織致密、成分均使組織致密、成分均勻、晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高勻、晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高。 鍛壓鍛壓熱加工動(dòng)態(tài)再熱加工動(dòng)態(tài)再結(jié)晶示意圖結(jié)晶示意圖金屬的塑性變形與再結(jié)晶l熱加工使鑄態(tài)金屬中的熱加工使鑄態(tài)金屬中的非金屬夾雜沿變形方向非金屬夾雜沿變形方向拉長(zhǎng)，形成彼此平行的拉長(zhǎng)，形成彼此平行的宏觀條紋，稱作宏觀條紋，稱作流線流線，由這種流線體現(xiàn)的組織由這種流線體現(xiàn)的組織稱稱纖維組織纖維組織。它使鋼產(chǎn)。它使鋼產(chǎn)生各向異性，生各向異性，在制定加在制定加工工藝時(shí)，應(yīng)使流線分工工藝時(shí)，應(yīng)使流線分布合理，盡量與拉應(yīng)力布合理，盡量與拉應(yīng)力方向一致。方向一致。 滾壓成型后螺紋內(nèi)部的纖維分布滾壓成型后螺紋內(nèi)部的纖維分布吊鉤中的纖維組織吊鉤中的纖維組織金屬的塑性變形與再結(jié)晶l在加工亞共析鋼時(shí)，在加工亞共析鋼時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋼中的發(fā)現(xiàn)鋼中的F與與P呈呈帶狀分布，這種