《金屬的塑性變形》ppt課件

1、第三章第三章 金屬的塑性變形金屬的塑性變形第一節(jié)第一節(jié) 單晶體、多晶體的塑性變形單晶體、多晶體的塑性變形根本概念根本概念: :金屬或合金在外力作用下，都能或多或少地發(fā)生變金屬或合金在外力作用下，都能或多或少地發(fā)生變形，去除外力后，永遠殘留的那部分變形叫塑性變形。形，去除外力后，永遠殘留的那部分變形叫塑性變形。 抵抗塑性變形是普通工程構(gòu)件的根本要求，不希望構(gòu)造件在抵抗塑性變形是普通工程構(gòu)件的根本要求，不希望構(gòu)造件在承載時產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形；承載時產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形； 塑性變形是金屬資料的一種重要加工成形方法，在資料加工塑性變形是金屬資料的一種重要加工成形方法，在資料加工過程中，人們希望它

2、易于加工變形。過程中，人們希望它易于加工變形。塑性變形還可改動資料內(nèi)部組織與構(gòu)造并影響其宏觀性能。塑性變形還可改動資料內(nèi)部組織與構(gòu)造并影響其宏觀性能。壓力加工方法壓力加工方法一、金屬單晶體的塑性變形一、金屬單晶體的塑性變形金屬單晶體的塑性變形方式有金屬單晶體的塑性變形方式有“滑移與滑移與“孿生孿生 ，但，但普通大多數(shù)情況下都是以滑移方式進展的。普通大多數(shù)情況下都是以滑移方式進展的。滑移：在外加切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部滑移：在外加切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面發(fā)生一定間隔的挪動，應(yīng)力去除后不能回復(fù)分沿一定晶面發(fā)生一定間隔的挪動，應(yīng)力去除后不能回復(fù)原狀。原狀。孿生

3、：在外加切應(yīng)力作用下，孿生：在外加切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面產(chǎn)生一定角度的切沿一定晶面產(chǎn)生一定角度的切變，應(yīng)力去除后不能回復(fù)原狀變，應(yīng)力去除后不能回復(fù)原狀孿生與滑移的主要區(qū)別：孿生與滑移的主要區(qū)別： 變形方式；變形方式； 變形后的位向變形后的位向 孿生是使一部分晶體整體發(fā)生均勻的切變；而滑移那么集中在一些滑移面上。孿生是使一部分晶體整體發(fā)生均勻的切變；而滑移那么集中在一些滑移面上。 孿生使一個晶體的兩部分沿一個公共晶面構(gòu)成了孿生使一個晶體的兩部分沿一個公共晶面構(gòu)成了鏡面對稱關(guān)系；而滑移那么不改動晶體的位向。鏡面對稱關(guān)系；而滑移那么不改動晶體的位

4、向。 原子位移間隔不同原子位移間隔不同孿生時，孿晶帶中的原子沿孿生方向?qū)\生時，孿晶帶中的原子沿孿生方向的位移量為原子間距的的分數(shù)值；而的位移量為原子間距的的分數(shù)值；而滑移為原子間距的整數(shù)倍?；茷樵娱g距的整數(shù)倍。 孿生變形困難孿生變形困難 普通先滑移，滑移困難后，普通先滑移，滑移困難后，發(fā)生孿生，二者交替進展發(fā)生孿生，二者交替進展 。 二、單晶體的滑移變形二、單晶體的滑移變形 任何應(yīng)力都可以分解為：任何應(yīng)力都可以分解為： 一個正應(yīng)力一個正應(yīng)力( ) 一個切應(yīng)力一個切應(yīng)力() 正應(yīng)力正應(yīng)力_伸長、斷裂伸長、斷裂 切應(yīng)力切應(yīng)力_滑移變形滑移變形正應(yīng)力正應(yīng)力：僅使：僅使晶格產(chǎn)生彈性伸晶格產(chǎn)生彈性伸

5、長，當(dāng)超越原子長，當(dāng)超越原子間結(jié)合力時，將間結(jié)合力時，將晶體拉斷；晶體拉斷；切應(yīng)力切應(yīng)力 ：使晶：使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，格產(chǎn)生彈性歪扭，在超越滑移抗力在超越滑移抗力時引起滑移面兩時引起滑移面兩側(cè)的晶體發(fā)生相側(cè)的晶體發(fā)生相對滑動。對滑動。單晶體試樣在拉伸實驗時，除單晶體試樣在拉伸實驗時，除了沿滑移面產(chǎn)生滑移外，晶體了沿滑移面產(chǎn)生滑移外，晶體還會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。還會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。由于晶體在拉伸過程，當(dāng)滑移由于晶體在拉伸過程，當(dāng)滑移面上、下兩部分發(fā)生微小滑移面上、下兩部分發(fā)生微小滑移時，試樣兩端的拉力不再處于時，試樣兩端的拉力不再處于同不斷線上，于是在滑移面上同不斷線上，于是在滑移面上構(gòu)成一力偶，使滑移面產(chǎn)生以

6、構(gòu)成一力偶，使滑移面產(chǎn)生以外力方向為轉(zhuǎn)向，趨向于與外外力方向為轉(zhuǎn)向，趨向于與外力平行的轉(zhuǎn)動。力平行的轉(zhuǎn)動。 滑滑 移移 面：晶面上原子間距面：晶面上原子間距最小最小 滑移方向：原子陳列密度最滑移方向：原子陳列密度最大大三種典型金屬晶體構(gòu)造的滑移系密排面和密排方向三種典型金屬晶體構(gòu)造的滑移系密排面和密排方向一個滑移面和該面上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系，一個滑移面和該面上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系，每一個滑移系表示晶體在產(chǎn)生滑移時能夠采取的一個空間位向。每一個滑移系表示晶體在產(chǎn)生滑移時能夠采取的一個空間位向?；葡祷葡?滑移面滑移方向滑移面滑移方向體心立方 面心立方 密排六方62=12 43

7、=12 13=3 體心立方：體心立方：6個面?zhèn)€面2個方向個方向12 面心立方：面心立方：4個面?zhèn)€面3個方向個方向12 密排六方：密排六方：1個面?zhèn)€面3個方向個方向3滑移系越多資料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明顯！滑移系越多資料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明顯！滑移的微觀機制滑移的微觀機制實際滑移力與實踐滑移力實際滑移力與實踐滑移力Cu理理6400N/mm2實實 1.0N/mm2 晶體的塑性變形是晶體內(nèi)相鄰部分滑移的綜合表現(xiàn)。晶體的塑性變形是晶體內(nèi)相鄰部分滑移的綜合表現(xiàn)。但晶體內(nèi)相鄰兩部分之間的相對滑移，不是滑移面兩但晶體內(nèi)相鄰兩部分之間的相對滑移，不是滑移面兩側(cè)晶體之間的整體剛性滑

8、動，而是由于晶體內(nèi)存在位側(cè)晶體之間的整體剛性滑動，而是由于晶體內(nèi)存在位錯，因位錯線兩側(cè)的原子偏離了平衡位置，這些原子錯，因位錯線兩側(cè)的原子偏離了平衡位置，這些原子有力求到達平衡的趨勢。有力求到達平衡的趨勢。 當(dāng)晶體受外力作用時，位錯刃型位錯將垂直于受當(dāng)晶體受外力作用時，位錯刃型位錯將垂直于受力方向，沿著一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐力方向，沿著一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐漸挪動到晶體的外表，構(gòu)成一個原子間距的滑移量。漸挪動到晶體的外表，構(gòu)成一個原子間距的滑移量。一個滑移帶就是上百個或更多位錯挪動到晶體外表所一個滑移帶就是上百個或更多位錯挪動到晶體外表所構(gòu)成的臺階。構(gòu)成的臺階。發(fā)生了滑

9、移的金屬試樣外表形狀發(fā)生了滑移的金屬試樣外表形狀二、多晶體的塑性變形二、多晶體的塑性變形金屬資料大多為位向、外形、大小不同的晶粒組金屬資料大多為位向、外形、大小不同的晶粒組成的多晶體，因此多晶體的變形是許多單晶體變形的成的多晶體，因此多晶體的變形是許多單晶體變形的綜協(xié)作用的結(jié)果。綜協(xié)作用的結(jié)果。1、晶粒本身的變形滑移變形、晶粒本身的變形滑移變形主要的主要的2、晶粒之間的變形晶間變形、晶粒之間的變形晶間變形次要的次要的主要影響要素：晶界、位向主要影響要素：晶界、位向晶界：晶界： 滑移的主要妨礙：原子混亂陳列區(qū)，較不規(guī)那么滑移的主要妨礙：原子混亂陳列區(qū)，較不規(guī)那么缺陷、雜質(zhì)缺陷、雜質(zhì)集中。滑移不能

10、從一個晶粒直接延續(xù)到另一個晶粒中去。集中?；撇荒軓囊粋€晶粒直接延續(xù)到另一個晶粒中去。協(xié)調(diào)變形：晶界本身變形協(xié)調(diào)變形：晶界本身變形以維持相鄰晶粒變形堅持延續(xù)。以維持相鄰晶粒變形堅持延續(xù)。位錯塞積位錯塞積位錯運動到晶界附近，遭到晶界妨礙而堆積起來。位錯運動到晶界附近，遭到晶界妨礙而堆積起來。晶粒愈細，金屬的強度便愈高晶粒愈細，金屬的強度便愈高 ，對抗塑性變形的才干也就越，對抗塑性變形的才干也就越大。大。細晶強化細晶強化 多晶體的變形抗力總是高于單晶體多晶體的變形抗力總是高于單晶體 晶粒愈細，單位體積內(nèi)的晶粒越多，金屬的變形可以分散，晶粒愈細，單位體積內(nèi)的晶粒越多，金屬的變形可以分散，變形均勻；變

11、形均勻； 晶粒愈細，晶界越曲折，可妨礙裂紋擴展；晶粒愈細，晶界越曲折，可妨礙裂紋擴展； 細晶粒的金屬具有良好的韌性和塑性細晶粒的金屬具有良好的韌性和塑性 多晶體的塑性變形過程多晶體的塑性變形過程 第二節(jié)第二節(jié) 塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響 經(jīng)過塑性變形，可使金屬的組織和性能發(fā)生一系列艱苦經(jīng)過塑性變形，可使金屬的組織和性能發(fā)生一系列艱苦的變化，這些變化大致可以分為如下四個方面。的變化，這些變化大致可以分為如下四個方面。產(chǎn)生纖維組織，性能趨于各向異性；產(chǎn)生纖維組織，性能趨于各向異性； 織構(gòu)景象的產(chǎn)生織構(gòu)景象的產(chǎn)生 ；晶粒破碎，位錯密度添加，產(chǎn)生加工硬化晶粒破碎，位錯

12、密度添加，產(chǎn)生加工硬化 ；剩余內(nèi)應(yīng)力剩余內(nèi)應(yīng)力 。1.晶粒變形，構(gòu)成纖維組織：晶粒變形，構(gòu)成纖維組織： 晶粒被拉長或被壓扁，當(dāng)變形足夠晶粒被拉長或被壓扁，當(dāng)變形足夠大時，晶界變得模糊不清，不易分辨。大時，晶界變得模糊不清，不易分辨。雜質(zhì)呈細帶狀或鏈狀分布。雜質(zhì)呈細帶狀或鏈狀分布。變形前變形后工業(yè)純鐵外表的滑移帶工業(yè)純鐵外表的滑移帶工業(yè)純鐵變形度為工業(yè)純鐵變形度為80%的顯微組織的顯微組織2.亞構(gòu)造構(gòu)成，資料加工硬化(work hardened )： 加工硬化：金屬資料經(jīng)冷塑性變形后，隨變形度添加，強度硬度升高，塑性韌性降低的景象稱為加工硬化或形變強化。加工硬化是提高資料強度的有效手段之一。例如

13、，純鐵和低碳鋼經(jīng)例如，純鐵和低碳鋼經(jīng)70%變形度的冷軋變形后，變形度的冷軋變形后，抗拉強度能提高抗拉強度能提高400500MPa。 高強度鋼絲是將含碳量為高強度鋼絲是將含碳量為1.0%的高碳鋼處置成的高碳鋼處置成細片狀珠光體，然后冷拔變形細片狀珠光體，然后冷拔變形90%以上，抗拉強以上，抗拉強度可高達度可高達3000MPa。強度、硬度強度、硬度，塑性、韌性，塑性、韌性加工硬化對力學(xué)性能的影響加工硬化對力學(xué)性能的影響 強化金屬的重要途徑；強化金屬的重要途徑； 利利 提高資料運用平安性；提高資料運用平安性； 2 2利弊利弊 資料加工成型的保證。資料加工成型的保證。 弊弊 變形阻力提高，動力耗費增變

14、形阻力提高，動力耗費增大；大； 脆斷危險性提高。脆斷危險性提高。 3.織構(gòu)的構(gòu)成：織構(gòu)的構(gòu)成：隨著變形量的增大，各晶粒的位向?qū)⒀刂冃蔚碾S著變形量的增大，各晶粒的位向?qū)⒀刂冃蔚姆较虬l(fā)生轉(zhuǎn)變，當(dāng)變形量足夠大方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，當(dāng)變形量足夠大70% 90%時，絕大部分晶粒的某一方向趨向大體一致，使時，絕大部分晶粒的某一方向趨向大體一致，使資料呈現(xiàn)各向異性，甚至退火也難消除。資料呈現(xiàn)各向異性，甚至退火也難消除。絲織構(gòu)板織構(gòu)制 耳織構(gòu)的作用：織構(gòu)的作用：1普通情況下，對加工普通情況下，對加工成型極為不利；成型極為不利；2有些情況下，可以有些情況下，可以利用織構(gòu)的作用利用織構(gòu)的作用-硅鋼片硅鋼片5.其他性能

15、的影響：電阻添加，耐腐蝕性能降低等其他性能的影響：電阻添加，耐腐蝕性能降低等第一類內(nèi)應(yīng)力第一類內(nèi)應(yīng)力 第二類內(nèi)應(yīng)力第二類內(nèi)應(yīng)力 第三類內(nèi)應(yīng)力第三類內(nèi)應(yīng)力宏觀應(yīng)力宏觀應(yīng)力微觀應(yīng)力微觀應(yīng)力由整個物體變形由整個物體變形不均勻引起不均勻引起由晶粒變形由晶粒變形不均勻引起不均勻引起晶格畸變晶格畸變由位錯、空位等引起由位錯、空位等引起變形甚至開裂變形甚至開裂晶間腐蝕晶間腐蝕加工硬化加工硬化4.內(nèi)應(yīng)力金屬在外力作用下各部分發(fā)生不均勻的內(nèi)應(yīng)力金屬在外力作用下各部分發(fā)生不均勻的塑性變形所導(dǎo)致：塑性變形所導(dǎo)致：剩余內(nèi)應(yīng)力剩余內(nèi)應(yīng)力1 宏觀剩余內(nèi)應(yīng)力：宏觀剩余內(nèi)應(yīng)力： 由于金屬資料各部分變形不均勻而呵斥的宏觀由于金

16、屬資料各部分變形不均勻而呵斥的宏觀范圍內(nèi)剩余應(yīng)力。范圍內(nèi)剩余應(yīng)力。彎曲變形后彎曲變形后剩余內(nèi)應(yīng)力剩余內(nèi)應(yīng)力2 微觀剩余內(nèi)應(yīng)力：微觀剩余內(nèi)應(yīng)力：多晶體的各晶粒的變形不均勻，而使各晶粒間產(chǎn)多晶體的各晶粒的變形不均勻，而使各晶粒間產(chǎn)生剩余內(nèi)應(yīng)力。生剩余內(nèi)應(yīng)力。剩余內(nèi)應(yīng)力剩余內(nèi)應(yīng)力3晶格畸變應(yīng)力：金屬在塑性變形后，添加了位錯及空位晶格畸變應(yīng)力：金屬在塑性變形后，添加了位錯及空位等晶體缺陷，使晶體中一部分原子其偏離平衡而呵斥晶等晶體缺陷，使晶體中一部分原子其偏離平衡而呵斥晶格畸變，從而產(chǎn)生的剩余內(nèi)應(yīng)力。需求部分原子范圍內(nèi)格畸變，從而產(chǎn)生的剩余內(nèi)應(yīng)力。需求部分原子范圍內(nèi)幾百，幾千來相互平衡。幾百，幾千來相

17、互平衡。剩余內(nèi)應(yīng)力：殘留金屬內(nèi)部用于平衡的內(nèi)部應(yīng)力。剩余內(nèi)應(yīng)力：殘留金屬內(nèi)部用于平衡的內(nèi)部應(yīng)力。 類別：類別：1、宏觀剩余內(nèi)應(yīng)力、宏觀剩余內(nèi)應(yīng)力 2、微觀剩余內(nèi)應(yīng)力、微觀剩余內(nèi)應(yīng)力 3、晶格畸變應(yīng)力、晶格畸變應(yīng)力引起剩余內(nèi)應(yīng)力的緣由：引起剩余內(nèi)應(yīng)力的緣由：塑性變形、溫度急劇變化、結(jié)晶、固態(tài)相變等塑性變形、溫度急劇變化、結(jié)晶、固態(tài)相變等有害影響：有害影響：1、降低工件的承載才干、降低工件的承載才干 2、 使工件尺寸和外形發(fā)生變化使工件尺寸和外形發(fā)生變化 3、降低工件的耐蝕性、降低工件的耐蝕性 回復(fù)回復(fù)recovery recovery 再結(jié)晶再結(jié)晶recrystallizationrecryst

18、allization 晶粒長大晶粒長大 第三節(jié)第三節(jié) 變形金屬在加熱時的組織和性能的變化變形金屬在加熱時的組織和性能的變化 冷變形后冷變形后 回復(fù)回復(fù) 再結(jié)晶再結(jié)晶 晶粒長大晶粒長大1. 回復(fù)階段回復(fù)階段 原理：溫度較低，原子的活動才原理：溫度較低，原子的活動才干不大，這時金屬的晶粒大小和干不大，這時金屬的晶粒大小和外形沒有明顯的變化，只是在晶外形沒有明顯的變化，只是在晶內(nèi)發(fā)生點缺陷的消逝以及位錯的內(nèi)發(fā)生點缺陷的消逝以及位錯的遷移等變化遷移等變化 性能變化：強度、硬度和塑性等性能變化：強度、硬度和塑性等機械性能變化不大，內(nèi)應(yīng)力及電機械性能變化不大，內(nèi)應(yīng)力及電阻率等性能顯著降低。阻率等性能顯著降

19、低。 運用：工業(yè)將金屬在低溫下加熱，運用：工業(yè)將金屬在低溫下加熱，進展進展“消除內(nèi)應(yīng)力退火消除內(nèi)應(yīng)力退火 處置，處置，以保管金屬的變形強化性能以保管金屬的變形強化性能2 .再結(jié)晶再結(jié)晶 原理：當(dāng)它被加熱到較高的溫度時，原理：當(dāng)它被加熱到較高的溫度時，原子也具有較大的活動才干，使晶粒原子也具有較大的活動才干，使晶粒的外形開場變化。從破碎拉長的晶粒的外形開場變化。從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒。和變形前的晶粒變成新的等軸晶粒。和變形前的晶粒外形類似，晶格類型一樣，把這一階外形類似，晶格類型一樣，把這一階段稱為段稱為“再結(jié)晶。再結(jié)晶。再結(jié)晶過程同樣是經(jīng)過形核和長大兩再結(jié)晶過程同樣是經(jīng)過形核和長大兩

20、個過程進展的。個過程進展的。再結(jié)晶終了后，金屬中內(nèi)應(yīng)力全部消再結(jié)晶終了后，金屬中內(nèi)應(yīng)力全部消除，顯微組織恢復(fù)到變形前的形狀，除，顯微組織恢復(fù)到變形前的形狀，其一切性能也恢復(fù)到變形前的數(shù)值，其一切性能也恢復(fù)到變形前的數(shù)值，消除了加工硬化。消除了加工硬化。再結(jié)晶退火消除加工硬化的熱處置工再結(jié)晶退火消除加工硬化的熱處置工藝藝影響再結(jié)晶粒大小的要素影響再結(jié)晶粒大小的要素 1變形度影響 當(dāng)變形量很小時，由于晶格畸變很小，缺乏以引起再結(jié)晶；當(dāng)變形度到達某一臨界值時，由于此時金屬中只需部分晶粒變形，變形極不均勻，再結(jié)晶晶核少，且晶粒極易相互吞并長大，因此再結(jié)晶后晶粒粗大，此變形度即為臨界變形度；當(dāng)變形度大于

21、臨界變形度時，隨變形量的添加，越來越多的晶粒發(fā)生了變形，變形愈趨均勻，晶格畸變大，再結(jié)晶的晶核多，再結(jié)晶后晶粒愈來愈細?？梢娎鋲杭庸?yīng)留意防止在臨界變形度范圍內(nèi)加工，以免再結(jié)晶后產(chǎn)生粗晶粒。2 2再結(jié)晶溫度的影響再結(jié)晶溫度的影響 再結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)進展的，假設(shè)溫度過低不能發(fā)再結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)進展的，假設(shè)溫度過低不能發(fā)生再結(jié)晶；假設(shè)溫度過高，那么會發(fā)生晶粒長大，因此要生再結(jié)晶；假設(shè)溫度過高，那么會發(fā)生晶粒長大，因此要獲得細小的再結(jié)晶晶粒，必需在一個適宜的溫度范圍內(nèi)進獲得細小的再結(jié)晶晶粒，必需在一個適宜的溫度范圍內(nèi)進展加熱展加熱 再結(jié)晶退火溫度必需在再結(jié)晶退火溫度必需在T再以上，消費上

22、實踐運用的再結(jié)再以上，消費上實踐運用的再結(jié)晶溫度通常是比晶溫度通常是比T再高再高150250，這樣就既可保證完全，這樣就既可保證完全再結(jié)晶，又不致使晶粒粗化。再結(jié)晶，又不致使晶粒粗化。再結(jié)晶溫度：純金屬再結(jié)晶溫度：純金屬 TR=0.4-0.35Tm(K) 合金：合金：TR=0.5-0.7Tm(K) 3 .晶粒長大晶粒長大 再結(jié)晶終了后，升溫或保溫，晶界遷移位向改動，晶粒再結(jié)晶終了后，升溫或保溫，晶界遷移位向改動，晶粒被吞并而長大被吞并而長大 晶粒長大對資料的機械性能極不利，強度、塑性、韌性晶粒長大對資料的機械性能極不利，強度、塑性、韌性下降。且塑性與韌性下降的更明顯。下降。且塑性與韌性下降的更

23、明顯。三、熱加工對金屬組織和性能的影響三、熱加工對金屬組織和性能的影響 熱加工相關(guān)概念：再結(jié)晶溫度是熱加工與冷加工的分界限，熱加工相關(guān)概念：再結(jié)晶溫度是熱加工與冷加工的分界限，高于再結(jié)晶溫度的壓力加工是熱加工高于再結(jié)晶溫度的壓力加工是熱加工hot working hot working ，低，低于再結(jié)晶溫度的壓力加工是冷加工于再結(jié)晶溫度的壓力加工是冷加工cold working cold working 。 區(qū)別：熱加工變形量大，外表粗糙，無加工硬化景象，有區(qū)別：熱加工變形量大，外表粗糙，無加工硬化景象，有再結(jié)晶。再結(jié)晶。 冷加工變形量小，外表光滑，有加冷加工變形量小，外表光滑，有加工硬化景象，無再結(jié)晶。工硬化景象，無再結(jié)晶。 用途：熱變形加工多用于外形較復(fù)雜的零件毛坯及大件毛用途：熱變形