第三章_金屬材料的塑性變形

1、v 3.1 單晶體和多晶體的塑性變形單晶體和多晶體的塑性變形v 3.2 金屬的形變強化金屬的形變強化v 3.3 塑性變形金屬在加熱時塑性變形金屬在加熱時 組織和性能的變化組織和性能的變化v 3.4 塑性加工性能及其指標塑性加工性能及其指標 3.1單晶體和多晶體的塑性變形單晶體和多晶體的塑性變形 3.1.1 單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形3.1.2 多晶體金屬塑性變形的特點多晶體金屬塑性變形的特點3PPPPP ： 載荷：正應(yīng)力：切應(yīng)力單晶體受力后，外力在任何晶面單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為上都可分解為正應(yīng)力正應(yīng)力 （垂直晶（垂直晶面）面）和和切應(yīng)力切應(yīng)力 （平行晶面）（平行晶面）

2、。正應(yīng)力只能引起彈性變形正應(yīng)力只能引起彈性變形,當超過當超過原子間結(jié)合力時，晶體斷裂。原子間結(jié)合力時，晶體斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。才能產(chǎn)生塑性變形。外力在晶面上的外力在晶面上的分解分解切應(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 塑性變形的塑性變形的實質(zhì)實質(zhì)是：在應(yīng)力的是：在應(yīng)力的作用下，材料內(nèi)部原子相鄰關(guān)系作用下，材料內(nèi)部原子相鄰關(guān)系已經(jīng)發(fā)生改變，故外力去除后，已經(jīng)發(fā)生改變，故外力去除后，原子到了另一平衡位置原子到了另一平衡位置，物體將，物體將留下永久變形。留下永久變形。 3.1.1 單晶體的單晶體的 塑性變形塑

3、性變形4滑移滑移是指當應(yīng)力超過材料的彈性極限后，晶是指當應(yīng)力超過材料的彈性極限后，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動位移的現(xiàn)象。在應(yīng)力去除后，部分發(fā)生滑動位移的現(xiàn)象。在應(yīng)力去除后，位移不能恢復(fù)，在金屬表面留下變形的痕跡位移不能恢復(fù)，在金屬表面留下變形的痕跡塑性變形的形式塑性變形的形式：滑移和孿生滑移和孿生金屬常以金屬常以滑移滑移方式發(fā)生塑性變形方式發(fā)生塑性變形(1) 滑移滑移51) 1) 滑移只能在切應(yīng)力的滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。作用下發(fā)生。1、滑移變形的特點、滑移變形的特點62)2) 滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生?；?/p>

4、移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，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)生滑移所需切應(yīng)力最小。結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。7沿其發(fā)生滑移的晶面叫做沿其發(fā)生滑移的晶面叫做滑移面；滑移面；沿其發(fā)生滑移的晶向叫做沿其發(fā)生滑移的晶向叫做滑移方向；滑移方向；它們通常是晶體中的密排面和密排方向。它們通常是晶體中的密排面和密排方向。一個滑移面和其上的一個滑移方向構(gòu)成一個一個滑移面和其上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系?；葡怠；葡翟蕉?，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中越好，其中

5、滑移方向滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I比滑移面更大。對塑性的貢獻比滑移面更大。8FCCFCC6金屬的塑性：金屬的塑性：fccfccbccbccchpchp9哪個滑移系先滑移？哪個滑移系先滑移？當作用于滑移面上滑移方向的切應(yīng)力分量當作用于滑移面上滑移方向的切應(yīng)力分量 c（分切應(yīng)力）大于等于一定的（分切應(yīng)力）大于等于一定的臨界值（臨界值（臨界切應(yīng)力，決定于原子間結(jié)合力）臨界切應(yīng)力，決定于原子間結(jié)合力），才可進行。，才可進行。coscos AFc取向因子取向因子最先達到最先達到 c的滑移系先開始滑移的滑移系先開始滑移滑移時滑移時103) 3) 滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整滑移時，晶體兩部分的相

6、對位移量是原子間距的整數(shù)倍。數(shù)倍。 滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺階，稱滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺階，稱滑移線滑移線，若干，若干條滑移線組成一個條滑移線組成一個滑移帶滑移帶。 銅拉伸試樣表面滑移帶銅拉伸試樣表面滑移帶114)4)滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動?；频耐瑫r伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動。 轉(zhuǎn)動的原因：轉(zhuǎn)動的原因：晶體滑移后晶體滑移后使正應(yīng)力分量和切應(yīng)力使正應(yīng)力分量和切應(yīng)力分量組成了力偶分量組成了力偶. .12韌性斷口韌性斷口13把滑移設(shè)想為剛性整體滑動把滑移設(shè)想為剛性整體滑動滑移面上每一個原子都同時移滑移面上每一個原子都同時移到另一個平衡位置，外加的切應(yīng)力必須同時克服滑移面上所有到另一個平衡位置，外加

7、的切應(yīng)力必須同時克服滑移面上所有原子間的結(jié)合力。所需理論臨界切應(yīng)力值比實際測量值大原子間的結(jié)合力。所需理論臨界切應(yīng)力值比實際測量值大3-43-4個個數(shù)量級。數(shù)量級。滑移是通過滑移面上位錯的運動來實現(xiàn)的?；剖峭ㄟ^滑移面上位錯的運動來實現(xiàn)的。2、滑移的機理、滑移的機理14刃位錯的運動刃位錯的運動滑移過程中會生成許多位錯：塑性變形量增加，晶體中位錯密滑移過程中會生成許多位錯：塑性變形量增加，晶體中位錯密度增大度增大晶體通過位錯運動產(chǎn)生滑移時，只需要在位錯中心的少數(shù)原子發(fā)生移動，晶體通過位錯運動產(chǎn)生滑移時，只需要在位錯中心的少數(shù)原子發(fā)生移動，它們移動的距離遠小于一個原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這

8、種現(xiàn)象它們移動的距離遠小于一個原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作稱作位錯的易動性位錯的易動性。15孿生孿生是指晶體的一部分是指晶體的一部分沿一定沿一定晶面和晶向晶面和晶向相對相對于另一部分所發(fā)生的切于另一部分所發(fā)生的切變，發(fā)生在滑移系較少變，發(fā)生在滑移系較少或滑移受限制情況下?；蚧剖芟拗魄闆r下。發(fā)生切變的部分稱發(fā)生切變的部分稱孿生帶孿生帶或或?qū)\孿晶晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿孿生面生面。(2） 孿生孿生16孿生的結(jié)果使孿生的結(jié)果使孿生面孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對稱。兩側(cè)的晶體呈鏡面對稱。 孿生示意圖孿生示意圖17孿生使晶格位向發(fā)生改變；孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需

9、切應(yīng)力比滑移大得多，變形速度極快，接近聲速所需切應(yīng)力比滑移大得多，變形速度極快，接近聲速; ;孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距（滑移孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距（滑移是原子間距的整數(shù)倍）。是原子間距的整數(shù)倍）。與滑移相比：與滑移相比：密排六方晶格金屬密排六方晶格金屬：滑移系少，常以孿生方式變形。：滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬體心立方晶格金屬：只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。：只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬面心立方晶格金屬：一：一般不發(fā)生孿生變形。般不發(fā)生孿生變形。18單個晶粒變形與單晶體相似，多晶體變形更復(fù)雜。單個晶粒變

10、形與單晶體相似，多晶體變形更復(fù)雜。 多晶體是由眾多取向不一的單晶體組成。多晶體是由眾多取向不一的單晶體組成。在某一單向外力作用下各晶體的在某一單向外力作用下各晶體的滑移面滑移面上上的分切應(yīng)力不同，只有一些的分切應(yīng)力不同，只有一些達到臨界切應(yīng)達到臨界切應(yīng)力力的滑移系才發(fā)生滑移。由于晶體之間的的滑移系才發(fā)生滑移。由于晶體之間的相互制約，首先滑移的晶體會引起自身或相互制約，首先滑移的晶體會引起自身或相鄰晶體的相鄰晶體的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動，從而使原來啟動的滑移，從而使原來啟動的滑移系偏離最大切應(yīng)力方向，而停止滑移。另系偏離最大切應(yīng)力方向，而停止滑移。另一些原來不能啟動的滑移系開動，進而使一些原來不能啟動的滑移系

11、開動，進而使整個晶體的塑性變形協(xié)調(diào)發(fā)展。整個晶體的塑性變形協(xié)調(diào)發(fā)展。 軟位向硬位向3.1.2 多晶體金屬塑性變形的特點多晶體金屬塑性變形的特點19由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發(fā)生塑性變由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發(fā)生塑性變形時，形時，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形這種彈性變形便成便成為塑性變形晶粒的為塑性變形晶粒的變形阻力。變形阻力。由于晶粒間的這種由于晶粒間的這種相互約束，使得多相互約束，使得多晶體金屬的塑性變晶體金屬的塑性變形抗力提高。形抗力提高

12、。 （2）晶粒位向差阻礙滑移）晶粒位向差阻礙滑移20當位錯運動到晶界附近時，當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起受到晶界的阻礙而堆積起來，稱來，稱位錯的塞積位錯的塞積。要使要使變形繼續(xù)進行，則必須增變形繼續(xù)進行，則必須增加外力，從而使金屬的變加外力，從而使金屬的變形抗力提高。形抗力提高。（3）晶界的影響）晶界的影響21晶界對塑性變形的影響晶界對塑性變形的影響Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位錯塞積界的位錯塞積22晶粒越細晶粒越細，晶界晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要總面積越大，位錯障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同協(xié)調(diào)的具有不同位向位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的晶粒越多，使金屬塑性變形

13、的抗力越高，另外，一定的變形量由更多晶粒分散的抗力越高，另外，一定的變形量由更多晶粒分散承擔，不會造成局部的應(yīng)力集中，使在斷裂前發(fā)生承擔，不會造成局部的應(yīng)力集中，使在斷裂前發(fā)生較大的較大的塑性塑性變形，強度和塑性同時增加，金屬在斷變形，強度和塑性同時增加，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其裂前消耗的功也大，因而其韌性韌性也較好。也較好。晶粒大小對塑性變形的影響晶粒大小對塑性變形的影響3.2 金屬的形變強化金屬的形變強化3.2.1 形變強化現(xiàn)象形變強化現(xiàn)象3.2.2 塑性變形對組織及力學(xué)性能影響塑性變形對組織及力學(xué)性能影響3.2.3 塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力 金屬經(jīng)過冷態(tài)下的塑

14、性變形后其性能發(fā)生很大的變化，金屬經(jīng)過冷態(tài)下的塑性變形后其性能發(fā)生很大的變化，最明顯的特點是強度隨變形程度的增加而大為提高，其塑最明顯的特點是強度隨變形程度的增加而大為提高，其塑性卻隨之有較大的降低，這種現(xiàn)象稱為形變強化，也稱為性卻隨之有較大的降低，這種現(xiàn)象稱為形變強化，也稱為加工硬化加工硬化或或冷作硬化冷作硬化。3.2.1 形變強化現(xiàn)象形變強化現(xiàn)象 利用形變強化現(xiàn)象來提高金屬材料的強度，在工業(yè)上利用形變強化現(xiàn)象來提高金屬材料的強度，在工業(yè)上應(yīng)用甚廣。例如冷拉鋼絲。尤其是對于純金屬以及不應(yīng)用甚廣。例如冷拉鋼絲。尤其是對于純金屬以及不能用熱處理強化的合金，這種方法格外重要。能用熱處理強化的合金，

15、這種方法格外重要。 冷態(tài)壓力加工后位錯密度大增，晶格畸變很大，電冷態(tài)壓力加工后位錯密度大增，晶格畸變很大，電阻有所增大，抗蝕性降低；冷變形產(chǎn)品尺寸精度高、阻有所增大，抗蝕性降低；冷變形產(chǎn)品尺寸精度高、表面質(zhì)量好，但塑性下降，進一步加工困難。表面質(zhì)量好，但塑性下降，進一步加工困難。 加工硬化（形變強化強化材料的手段之一）加工硬化的原因加工硬化的原因塑性變形塑性變形 位錯密度增加，相互纏結(jié)位錯密度增加，相互纏結(jié)(亞晶界亞晶界)，運動阻力加大，運動阻力加大 變形抗力變形抗力金屬在冷變形時，強度、硬度金屬在冷變形時，強度、硬度 ，塑性、韌性，塑性、韌性。263.2.2 塑性變形對組織及力學(xué)性能影響塑性

16、變形對組織及力學(xué)性能影響（1 1）對組織結(jié)構(gòu)的影響）對組織結(jié)構(gòu)的影響 1 1）組織纖維化）組織纖維化（晶粒變形）：（晶粒變形）：隨著塑性變形量增大，原來的隨著塑性變形量增大，原來的等軸晶相應(yīng)地被拉長或壓扁，形成長條狀或纖維狀，使材等軸晶相應(yīng)地被拉長或壓扁，形成長條狀或纖維狀，使材料產(chǎn)生各向異性。料產(chǎn)生各向異性。 272 2）亞晶粒的增多）亞晶粒的增多：變形前，位錯分布均勻。塑性變形伴隨著大量變形前，位錯分布均勻。塑性變形伴隨著大量位錯位錯產(chǎn)生，產(chǎn)生，由于位錯運動和相互間交互作用，并使晶粒由于位錯運動和相互間交互作用，并使晶?！八榛榛背稍S多位向略有差成許多位向略有差異的亞晶塊（或稱亞晶粒）。

17、亞晶粒間界是由位錯堆積而成的。異的亞晶塊（或稱亞晶粒）。亞晶粒間界是由位錯堆積而成的。 3 3產(chǎn)生織構(gòu)產(chǎn)生織構(gòu)：金屬中的晶粒的取向一般是無規(guī)則的隨機排列，盡管每個晶金屬中的晶粒的取向一般是無規(guī)則的隨機排列，盡管每個晶粒是各向異性的，宏觀性能表現(xiàn)出各向同性。當金屬經(jīng)受大量粒是各向異性的，宏觀性能表現(xiàn)出各向同性。當金屬經(jīng)受大量(70%以以上上)的一定方向的變形之后的一定方向的變形之后, ,由于晶粒的由于晶粒的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動造成晶粒取向趨于一致，造成晶粒取向趨于一致，形成了形成了“擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向”，即某一晶面，即某一晶面 （晶向）在某個方向出現(xiàn)的幾率明（晶向）在某個方向出現(xiàn)的幾率明顯高于其他方向。金屬大

18、變形后形成的這種有序化結(jié)構(gòu)叫做顯高于其他方向。金屬大變形后形成的這種有序化結(jié)構(gòu)叫做變形織構(gòu)變形織構(gòu)，它使金屬材料表現(xiàn)出明顯的它使金屬材料表現(xiàn)出明顯的各向異性各向異性。 28由于晶粒的轉(zhuǎn)動，由于晶粒的轉(zhuǎn)動，當當塑性變形達到一定程塑性變形達到一定程度時，會使絕大部分度時，會使絕大部分晶粒的某一位向與變晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱種現(xiàn)象稱織構(gòu)織構(gòu)或或擇優(yōu)擇優(yōu)取向取向。形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向各向異性異性，在深沖零件時，易，在深沖零件時，易產(chǎn)生產(chǎn)生“制耳制耳”現(xiàn)象，使零現(xiàn)象，使零件邊緣不齊、厚薄不勻。件邊緣不齊、厚薄不勻。但織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)但織構(gòu)可

19、提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。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291 1）加工硬化）加工硬化 隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱下降的現(xiàn)象稱加工硬化加工硬化。（2 2）對力學(xué)性能的影響）對力學(xué)性能的影響 301 1）隨變形量增加）隨變形量增加, , 位錯密度增加位錯密度增加； 變形變形20%純鐵中的位錯純鐵中的位錯未變形純鐵未變形純鐵產(chǎn)生加工硬化的原因產(chǎn)生加工硬化的原因31位錯密度與強度關(guān)系位錯密度與強度關(guān)系由于位錯之間的交互作用由于位錯之

20、間的交互作用( (堆積、纏結(jié)堆積、纏結(jié)) )，使變形抗力增加，塑，使變形抗力增加，塑性降，強度、硬度升高性降，強度、硬度升高. . 322 2）隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細化；）隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細化；3 3）隨變形量增加，空位密度增加；）隨變形量增加，空位密度增加；4 4）幾何硬化）幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動引起。：由晶粒轉(zhuǎn)動引起。加工硬化使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形，而未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)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。生均勻塑性變形。加工硬化是強化金屬的重要手段之一，對于不能熱加工硬化是強化金屬的重

21、要手段之一，對于不能熱處理強化的金屬和合金尤為重要。處理強化的金屬和合金尤為重要。3.2.3 塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力 由于多晶體的晶粒有各種位向和受晶界的約束，由于多晶體的晶粒有各種位向和受晶界的約束，各晶粒的變形先后不一致，有些晶粒的變形較大，各晶粒的變形先后不一致，有些晶粒的變形較大，有些變形較小，在同一晶粒內(nèi)變形也不一致，因而有些變形較小，在同一晶粒內(nèi)變形也不一致，因而造成多晶體變形的不均勻性。晶粒內(nèi)部和晶粒之間造成多晶體變形的不均勻性。晶粒內(nèi)部和晶粒之間會存在不同的內(nèi)應(yīng)力，變形結(jié)束后殘留在晶粒內(nèi)部會存在不同的內(nèi)應(yīng)力，變形結(jié)束后殘留在晶粒內(nèi)部或晶粒之間形成殘余應(yīng)力。

22、或晶粒之間形成殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力分為殘余應(yīng)力分為: :1)1)宏觀殘余應(yīng)力即第一類殘余應(yīng)力，是由于金屬材宏觀殘余應(yīng)力即第一類殘余應(yīng)力，是由于金屬材料各部分之間變形不均勻而形成的宏觀范圍內(nèi)的殘料各部分之間變形不均勻而形成的宏觀范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力；余應(yīng)力；2)2)微觀殘余應(yīng)力即第二類殘余應(yīng)力，是各晶?；騺單⒂^殘余應(yīng)力即第二類殘余應(yīng)力，是各晶?；騺喚ЯＶg變形不均勻，在各晶?；騺喚Яｉg產(chǎn)生的晶粒之間變形不均勻，在各晶?；騺喚Яｉg產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；殘余應(yīng)力；3)3)晶格畸變殘余應(yīng)力即第三類殘余應(yīng)力，是金屬在晶格畸變殘余應(yīng)力即第三類殘余應(yīng)力，是金屬在塑性變形后增加了位錯和空位等晶體缺陷，使晶體塑性變形后增加

23、了位錯和空位等晶體缺陷，使晶體中一部分原子偏離其平衡位置造成晶格畸變所產(chǎn)生中一部分原子偏離其平衡位置造成晶格畸變所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的危害主要有：殘余應(yīng)力的危害主要有：1 1）降低工件的承載能力）降低工件的承載能力2 2）使工件尺寸及形狀發(fā)生變化）使工件尺寸及形狀發(fā)生變化3 3）降低工件的耐腐蝕性。）降低工件的耐腐蝕性。消除殘余應(yīng)力的方法：去應(yīng)力退火。消除殘余應(yīng)力的方法：去應(yīng)力退火。3.3.1 回復(fù)回復(fù)3.3.2 再結(jié)晶再結(jié)晶3.3.3 晶粒長大晶粒長大3.3.4 冷變形和熱變形冷變形和熱變形3.3.5 金屬纖維組織及其應(yīng)用金屬纖維組織及其應(yīng)用 3.3 塑性變形金屬在加熱時塑

24、性變形金屬在加熱時 組織和性能的變化組織和性能的變化37 金屬塑性變形后，出現(xiàn)金屬塑性變形后，出現(xiàn)晶粒拉長晶粒拉長，位錯增多位錯增多，內(nèi)應(yīng)力升高內(nèi)應(yīng)力升高等現(xiàn)象，他們等現(xiàn)象，他們會引起材料會引起材料體系能量提高體系能量提高，處于一個高能亞穩(wěn)態(tài)，有向低能態(tài)轉(zhuǎn)變的傾，處于一個高能亞穩(wěn)態(tài)，有向低能態(tài)轉(zhuǎn)變的傾向。向。在加熱過程中，形變了的材料會發(fā)生在加熱過程中，形變了的材料會發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶回復(fù)、再結(jié)晶和和晶粒長大晶粒長大三個過程三個過程，如右圖所示如右圖所示 ?；貜?fù)、再結(jié)晶和晶粒的長大，他們回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒的長大，他們都是減少或消除結(jié)構(gòu)缺陷的過程。都是減少或消除結(jié)構(gòu)缺陷的過程。相應(yīng)相應(yīng)地地, ,材

25、料的材料的結(jié)構(gòu)和性能結(jié)構(gòu)和性能也發(fā)生對應(yīng)變化也發(fā)生對應(yīng)變化。加熱促使轉(zhuǎn)變進行加熱促使轉(zhuǎn)變進行38（1）回復(fù)概念）回復(fù)概念經(jīng)冷加工的材料在較低的溫度保溫，經(jīng)冷加工的材料在較低的溫度保溫， 這時材料發(fā)生這時材料發(fā)生點缺點缺陷消失陷消失，位錯重排，應(yīng)力下降位錯重排，應(yīng)力下降的過程為回復(fù)的過程為回復(fù)。利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬進行低溫加熱，既可穩(wěn)定組織又保利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬進行低溫加熱，既可穩(wěn)定組織又保留了加工硬化效果的方法為留了加工硬化效果的方法為去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火 （2）回復(fù)引起材料組織和性能變化回復(fù)引起材料組織和性能變化 宏觀應(yīng)力（第一類應(yīng)力）基本消除，宏觀應(yīng)力（第一類應(yīng)力）基本消除，但微

26、觀應(yīng)力（第二、第三類）仍然殘但微觀應(yīng)力（第二、第三類）仍然殘存。存。力學(xué)性質(zhì)，如強度、硬度（略下降）力學(xué)性質(zhì)，如強度、硬度（略下降）和塑性（略升高）沒有明顯變化。和塑性（略升高）沒有明顯變化。3.3.1 回復(fù)回復(fù)39當變形金屬被加熱到較高溫度時，當變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的由于原子活動能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，形狀開始發(fā)生變化，在亞晶界或在亞晶界或晶界處晶界處形成了新的結(jié)晶核心，并形成了新的結(jié)晶核心，并不斷以等軸晶形式生長，取代被不斷以等軸晶形式生長，取代被拉長及破碎的舊晶粒，這一過程拉長及破碎的舊晶粒，這一過程稱為稱為再結(jié)晶再結(jié)晶。這種冷變形組織在加熱時

27、重新徹這種冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程稱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3.3.2 再結(jié)晶再結(jié)晶40再結(jié)晶也是一個晶核形成和長大的再結(jié)晶也是一個晶核形成和長大的過程，但不是相變過程，過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前再結(jié)晶前后新舊晶粒的后新舊晶粒的晶格類型晶格類型和和成分成分完全完全相同。相同。核心出現(xiàn)在位錯聚集的地方，核心出現(xiàn)在位錯聚集的地方，原子能量最高，最不穩(wěn)定。它只是原子能量最高，最不穩(wěn)定。它只是一個形態(tài)上的變化。新晶粒中缺陷一個形態(tài)上的變化。新晶粒中缺陷減少，內(nèi)應(yīng)力消失了減少，內(nèi)應(yīng)力消失了 。冷變形奧氏體不銹鋼冷變形奧氏體不銹鋼加

28、熱時的再結(jié)晶形核加熱時的再結(jié)晶形核SEM-SEM-再結(jié)晶晶粒在原變再結(jié)晶晶粒在原變形組織晶界上形核形組織晶界上形核TEM-TEM-再結(jié)晶晶粒形核于再結(jié)晶晶粒形核于高密度位錯基體上高密度位錯基體上41由于由于再結(jié)晶再結(jié)晶后組織的復(fù)后組織的復(fù)原，因而金屬的強度、原，因而金屬的強度、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)晶組織分后的的再結(jié)晶組織42再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度再結(jié)晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，再結(jié)晶不是

29、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，在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)進行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度最低溫度稱稱再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度。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38%)38%)黃銅的再結(jié)晶黃銅的再結(jié)晶43T再再與與的關(guān)系的關(guān)系金屬預(yù)先變形程度越大金屬預(yù)先變形程度越大, , 再結(jié)晶溫度越低。當變形度再結(jié)晶溫度越低。當變形度達到一定值后，再結(jié)晶溫度趨于某一最低值，稱最低達到一定值后，再結(jié)晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結(jié)晶溫度。再結(jié)晶溫度。純金屬的最

30、低再結(jié)晶溫度純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點之間的近似關(guān)系與其熔點之間的近似關(guān)系: : T T再再0.4T0.4T熔熔其中其中T T再再、T T熔熔為絕對溫度為絕對溫度. .如如FeFe：T T再再=(1538+273)0.4273=451影響再結(jié)晶溫度的因素影響再結(jié)晶溫度的因素1）金屬的預(yù)先變形程度）金屬的預(yù)先變形程度44金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點元素，金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點元素，起阻礙擴散和晶界遷移作用，起阻礙擴散和晶界遷移作用，使再結(jié)晶溫度顯著使再結(jié)晶溫度顯著提高。提高。2）金屬的純度）金屬的純度453 3）再結(jié)晶加熱速度和加熱時間）再結(jié)晶加熱速度和加熱時間提高

31、加熱速度會使再結(jié)晶推遲到較提高加熱速度會使再結(jié)晶推遲到較高高溫度發(fā)生；溫度發(fā)生；延長加熱時間，使原子擴散充分，再結(jié)晶溫度降延長加熱時間，使原子擴散充分，再結(jié)晶溫度降低低。生產(chǎn)中把消除加工硬化的熱處理稱為生產(chǎn)中把消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火。再。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高結(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46再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高升高溫度或延長保溫時間，將發(fā)溫度或延長保溫時間，將發(fā)生晶粒長大，生晶粒長大，這是一個自發(fā)這是一個自發(fā)的過程。的過程。黃銅再結(jié)晶后

32、晶粒的長大黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織580580C C保溫保溫1515分后的組織分后的組織700700C C保溫保溫1010分后的組織分后的組織3.3.3 晶粒長大晶粒長大471長大驅(qū)動力長大驅(qū)動力 再結(jié)晶完成后，金屬獲得均再結(jié)晶完成后，金屬獲得均勻細小的晶粒，但有長大的趨勢，因勻細小的晶粒，但有長大的趨勢，因為為長大有利于減少界面長大有利于減少界面，降低界面能。，降低界面能。這種這種自由能的降低即為晶粒長大的驅(qū)自由能的降低即為晶粒長大的驅(qū)動力動力。 2正常長大和非正常長大正常長大和非正常長大 正常長大正常長大：再結(jié)晶晶粒均勻長大。：再結(jié)晶晶粒均勻長大。方式：

33、相互兼并，組織均勻。方式：相互兼并，組織均勻。 非正常長大：非正常長大：一些晶粒迅速長大，一些晶粒迅速長大，并吞并臨近小晶粒，造成組織不均勻。并吞并臨近小晶粒，造成組織不均勻。 晶粒的長大是通過晶粒的長大是通過晶界遷移晶界遷移進行的，是進行的，是大晶粒吞并小晶粒大晶粒吞并小晶粒的過程。的過程。48加熱溫度越高，保溫時加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越間越長，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。尤為顯著。再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響1 1）加熱溫度和保溫時間）加熱溫度和保溫時間影響因素影響因素49預(yù)先變形度對再結(jié)晶晶粒度的影響預(yù)先變形度

34、對再結(jié)晶晶粒度的影響2 2）預(yù)先變形量）預(yù)先變形量當變形量達到當變形量達到210%時時，只有部分晶粒變，只有部分晶粒變形，變形極形，變形極不均勻，不均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和懸殊，易互相吞并和長大，再結(jié)晶后晶粒長大，再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個變形特別粗大，這個變形量稱量稱臨界變形量臨界變形量。預(yù)先變形量的影響，實質(zhì)是變形均勻程度的影響。預(yù)先變形量的影響，實質(zhì)是變形均勻程度的影響。當變形量很小時當變形量很小時，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶。，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶。50當超過臨界變形量后當超過臨界變形量后，隨變形程度增加，變形越來越，隨變形程度增加，變形越

35、來越均勻，再結(jié)晶時形核量大而均勻，使再結(jié)晶后晶粒細均勻，再結(jié)晶時形核量大而均勻，使再結(jié)晶后晶粒細而均勻，達到一定變形量之后，晶粒度基本不變。而均勻，達到一定變形量之后，晶粒度基本不變。 對某些金屬，當變形對某些金屬，當變形量相當大量相當大( ( 90%)90%)時，時，再結(jié)晶后晶粒又重新再結(jié)晶后晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認為這與形成認為這與形成織構(gòu)織構(gòu)有有關(guān)。關(guān)。3.3.4 冷變形和熱變形冷變形和熱變形 在再結(jié)晶溫度以下的變形叫冷變形。冷變形后金屬在再結(jié)晶溫度以下的變形叫冷變形。冷變形后金屬產(chǎn)生形變強化。產(chǎn)生形變強化。 在再結(jié)晶溫度以上的變形叫熱變形。熱變形后金屬在再結(jié)晶溫

36、度以上的變形叫熱變形。熱變形后金屬具有再結(jié)晶組織，而無形變強化。具有再結(jié)晶組織，而無形變強化。 金屬塑性加工最原始的坯料是鑄錠，其內(nèi)部組織很金屬塑性加工最原始的坯料是鑄錠，其內(nèi)部組織很不均勻，晶粒較粗大，并存在氣孔、縮松、非金屬不均勻，晶粒較粗大，并存在氣孔、縮松、非金屬夾雜物等缺陷。鑄錠經(jīng)熱塑性加工后，獲得細化的夾雜物等缺陷。鑄錠經(jīng)熱塑性加工后，獲得細化的再結(jié)晶組織，氣孔、縮松壓合在一起，金屬更加致再結(jié)晶組織，氣孔、縮松壓合在一起，金屬更加致密，力學(xué)性能有很大提高。密，力學(xué)性能有很大提高。 3.3.5 金屬纖維組織及其應(yīng)用金屬纖維組織及其應(yīng)用 鑄錠在壓力加工中產(chǎn)生塑性變形時，基體金屬的晶粒形

37、狀和沿鑄錠在壓力加工中產(chǎn)生塑性變形時，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)形狀都發(fā)生了變形，它們都將沿著變形方向被拉長，晶界分布的雜質(zhì)形狀都發(fā)生了變形，它們都將沿著變形方向被拉長，呈纖維形狀。這種結(jié)構(gòu)叫纖維組織。呈纖維形狀。這種結(jié)構(gòu)叫纖維組織。金屬的回復(fù)和再結(jié)晶示意圖金屬的回復(fù)和再結(jié)晶示意圖 纖維組織使金屬在性能上具有了方向性，對金纖維組織使金屬在性能上具有了方向性，對金屬變形后的質(zhì)量也有影響。纖維組織越明顯，金屬屬變形后的質(zhì)量也有影響。纖維組織越明顯，金屬在縱向在縱向(平行纖維方向平行纖維方向)上塑性和韌性提鬲，而在橫上塑性和韌性提鬲，而在橫向向(垂直纖維方向垂直纖維方向)上塑性和韌性降低。

38、纖維組織的上塑性和韌性降低。纖維組織的明顯程度與金屬的變形程度有關(guān)。變形程度越大，明顯程度與金屬的變形程度有關(guān)。變形程度越大，纖維組織越明顯。壓力加工過程中，常用鍛造比纖維組織越明顯。壓力加工過程中，常用鍛造比(y)來表示變形程度。來表示變形程度。 拔長時的鍛造比為拔長時的鍛造比為 y拔拔= A。 A 鐓粗時的鍛造比為鐓粗時的鍛造比為 y鐓鐓= H。 H式中：式中：H。 、A。 分別為坯料變形前的高度和橫分別為坯料變形前的高度和橫 截面積；截面積； H、A分別為坯料變形后的高度和橫截面積。分別為坯料變形后的高度和橫截面積。 纖維組織的穩(wěn)定性很高，不能用熱處理方法加纖維組織的穩(wěn)定性很高，不能用熱

39、處理方法加以消除。只有經(jīng)過鍛壓使金屬變形，才能改變其方以消除。只有經(jīng)過鍛壓使金屬變形，才能改變其方向和形狀。因此，為了獲得具有最好力學(xué)性能的零向和形狀。因此，為了獲得具有最好力學(xué)性能的零件，在設(shè)計和制造零件時，都應(yīng)使零件在工作中產(chǎn)件，在設(shè)計和制造零件時，都應(yīng)使零件在工作中產(chǎn)生的最大正應(yīng)力方向與纖維方向重合，最大切應(yīng)力生的最大正應(yīng)力方向與纖維方向重合，最大切應(yīng)力方向與纖維方向垂直。并使纖維分布與零件的輪廓方向與纖維方向垂直。并使纖維分布與零件的輪廓相符合，盡量使纖維組織不被切斷。相符合，盡量使纖維組織不被切斷。 例如，當采用棒料直接經(jīng)切削加工制造螺釘時，例如，當采用棒料直接經(jīng)切削加工制造螺釘時，

40、螺釘頭部與桿部的纖維被切斷，不能連貫起來，受螺釘頭部與桿部的纖維被切斷，不能連貫起來，受力時產(chǎn)生的切應(yīng)力順著纖維方向，故螺釘?shù)某休d能力時產(chǎn)生的切應(yīng)力順著纖維方向，故螺釘?shù)某休d能力較弱力較弱(圖圖37a)。當采用同樣棒料經(jīng)局部鐓粗方法。當采用同樣棒料經(jīng)局部鐓粗方法制造螺釘時制造螺釘時(圖圖37b)，則纖維不被切斷，連貫性好，則纖維不被切斷，連貫性好，纖維方向也較為有利，故螺釘質(zhì)量較好。纖維方向也較為有利，故螺釘質(zhì)量較好。 圖圖 3-7 不同工藝方法對纖維組織形狀的影響不同工藝方法對纖維組織形狀的影響3.4 塑性加工性能及其指標塑性加工性能及其指標3.4.1 塑性加工性能及其指標塑性加工性能及其指

41、標3.4.2 塑性加工性能的影響因素塑性加工性能的影響因素 金屬的塑性加工性能是指衡量金屬材料通過塑性加金屬的塑性加工性能是指衡量金屬材料通過塑性加工獲得優(yōu)質(zhì)零件的難易程度。塑性加工性能常用金工獲得優(yōu)質(zhì)零件的難易程度。塑性加工性能常用金屬的塑性和變形抗力來綜合衡量。屬的塑性和變形抗力來綜合衡量。 金屬的塑性指金屬材料在外力作用下發(fā)生永久性變金屬的塑性指金屬材料在外力作用下發(fā)生永久性變形而又不破壞其完整性的能力。常用截面收縮率、形而又不破壞其完整性的能力。常用截面收縮率、延伸率和沖擊韌度等指標表示。變形抗力指變形過延伸率和沖擊韌度等指標表示。變形抗力指變形過程中金屬抵抗外力的能力。程中金屬抵抗外

42、力的能力。3.4.1 塑性加工性能及其指標塑性加工性能及其指標(1) 金屬的本質(zhì)金屬的本質(zhì) 1)化學(xué)成分的影響化學(xué)成分的影響 不同化學(xué)成分的金屬其可鍛性不同。一般情況下，純金不同化學(xué)成分的金屬其可鍛性不同。一般情況下，純金屬的可鍛性比合金好；碳鋼的含碳量越低，可鍛性越好；屬的可鍛性比合金好；碳鋼的含碳量越低，可鍛性越好；鋼中含有形成碳化物的元素鋼中含有形成碳化物的元素(如鉻、鉬、鎢、釩等如鉻、鉬、鎢、釩等)時，其時，其可鍛性顯著下降?？慑懶燥@著下降。 2)金屬組織的影響金屬組織的影響 金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)不同，其可鍛性有很大差別。純金金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)不同，其可鍛性有很大差別。純金屬及固溶體屬及

43、固溶體(如奧氏體如奧氏體)的可鍛性好，而碳化物的可鍛性好，而碳化物(如滲碳體如滲碳體)的可鍛性差。鑄態(tài)柱狀組織和粗晶粒結(jié)構(gòu)不如晶粒細小而的可鍛性差。鑄態(tài)柱狀組織和粗晶粒結(jié)構(gòu)不如晶粒細小而又均勻的組織的可鍛性好。又均勻的組織的可鍛性好。 3.4.2 塑性加工性能的影響因素塑性加工性能的影響因素(2)加工條件加工條件 1)變形溫度的影響變形溫度的影響 提高金屬變形時的溫度，是改善金屬可鍛性的提高金屬變形時的溫度，是改善金屬可鍛性的有效措施，并對生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量及金屬的有效有效措施，并對生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量及金屬的有效利用等均有極大的影響。利用等均有極大的影響。 金屬在加熱中，隨溫度的升高、金屬原子的金

44、屬在加熱中，隨溫度的升高、金屬原子的運動能力增強運動能力增強(熱能增加，處于極為活潑的狀態(tài)中熱能增加，處于極為活潑的狀態(tài)中)，很容易進行滑移，因而塑性提高，變形抗力降低，很容易進行滑移，因而塑性提高，變形抗力降低，可鍛性明顯改善，更加適宜進行壓力加工。但溫可鍛性明顯改善，更加適宜進行壓力加工。但溫度過高，對鋼而言，必將產(chǎn)生過熱、過燒、脫碳度過高，對鋼而言，必將產(chǎn)生過熱、過燒、脫碳和嚴重氧化等缺陷，甚至使鍛件報廢，所以應(yīng)該和嚴重氧化等缺陷，甚至使鍛件報廢，所以應(yīng)該 嚴格控制鍛造溫度。嚴格控制鍛造溫度。 鍛造溫度范圍系指始鍛溫度鍛造溫度范圍系指始鍛溫度(開始鍛造的溫度開始鍛造的溫度)和終鍛溫度和終鍛溫度(停止鍛造的溫度停止鍛造的溫度)間的溫度區(qū)間。間的溫度區(qū)間。 鍛造溫度范鍛造溫度范圍的確定以合金圍的確定以合金狀態(tài)圖為依據(jù)。狀態(tài)圖為依據(jù)。碳鋼的鍛造溫度碳鋼的鍛造溫度范圍如圖范圍如圖38所所示，其始鍛溫度示，其始鍛溫度比比AE線低線低200左右，終鍛溫度左右，終鍛溫度為為800左右。終左右。終鍛溫度過低，金鍛溫度過低