ch3金屬的塑性變形與再結(jié)晶

1、金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶山東農(nóng)業(yè)大學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程山東農(nóng)業(yè)大學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程Mechanical Engineering Materials Science金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶 金屬經(jīng)熔煉澆注成鑄錠以后，通常要進(jìn)行各種塑性加工，金屬經(jīng)熔煉澆注成鑄錠以后，通常要進(jìn)行各種塑性加工，如軋制、擠壓、冷拔、鍛壓、沖壓等，以獲得具有一定形狀、如軋制、擠壓、冷拔、鍛壓、沖壓等，以獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的型材、板材、管材或線材，以及零件毛坯或尺寸和力學(xué)性能的型材、板材、管材或線材，以及零件毛坯或零件。零件。 具體工藝有金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)

2、晶第一節(jié)第一節(jié) 金屬的塑性變形金屬的塑性變形一、一、 金屬單晶體塑性變形的實(shí)質(zhì)產(chǎn)生了滑移金屬單晶體塑性變形的實(shí)質(zhì)產(chǎn)生了滑移Cu的臨界切變應(yīng)力為的臨界切變應(yīng)力為1540MN/m2，實(shí)際測定值為，實(shí)際測定值為1.0 MN/m2 剛性滑移模型剛性滑移模型1、滑移與滑移帶、滑移與滑移帶金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶 滑移是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面（滑滑移是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對于另一部分發(fā)生的滑動(dòng)。移面）和晶向（滑移方向）相對于另一部分發(fā)生的滑動(dòng)。 滑移定義滑移定義金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶2 2、滑移系

3、、滑移系 滑移是沿著特定的晶面滑移是沿著特定的晶面( (稱為滑移面稱為滑移面 slip plane)slip plane)和晶向和晶向( (稱為滑移方向稱為滑移方向 slip direction)slip direction)上運(yùn)動(dòng)。一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移上運(yùn)動(dòng)。一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系（系（slip systemslip system）。滑移系表示晶體在進(jìn)行滑移時(shí)可能采取的空間取向。）?；葡当硎揪w在進(jìn)行滑移時(shí)可能采取的空間取向。 滑移系主要與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。晶體結(jié)構(gòu)不同，滑移系不同；晶體中滑移系滑移系主要與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。晶體結(jié)構(gòu)不同，滑移系不同；晶體

4、中滑移系越多，滑移越容易進(jìn)行，塑性越好。越多，滑移越容易進(jìn)行，塑性越好。 結(jié)論結(jié)論: : 滑移面和滑移方向往往是金屬晶體中原子排列的最密排面和最密排晶向?；泼婧突品较蛲墙饘倬w中原子排列的最密排面和最密排晶向。 如如fccfcc： 111111 bcc bcc： 110110、112112和和123123 hcp hcp： 00010001 每一種晶格類型的金屬都有特定的滑移系，且滑移系數(shù)量不同。如：每一種晶格類型的金屬都有特定的滑移系，且滑移系數(shù)量不同。如：fccfcc中有中有1212個(gè)個(gè), bcc, bcc中有中有4848個(gè)，個(gè)， hcphcp中有中有3 3個(gè)。個(gè)。金屬的塑性變形及

5、再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶3、 滑移的特點(diǎn)滑移的特點(diǎn) 滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）進(jìn)行。晶向（密排方向）進(jìn)行?；浦荒茉谇袘?yīng)力的作用下發(fā)生?；浦荒茉谇袘?yīng)力的作用下發(fā)生?；茣r(shí)晶體的一部分相對于另一部分沿滑移方向位移的距離為原子間距滑移時(shí)晶體的一部分相對于另一部分沿滑移方向位移的距離為原子間距的整數(shù)倍。滑移是通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。的整數(shù)倍。滑移是通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。 滑移的同時(shí)必然伴隨有晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，使滑移面趨向與拉伸軸滑移的同時(shí)必然伴隨有晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，使

6、滑移面趨向與拉伸軸平行。平行。 金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶4、 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)滑移模型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)滑移模型位錯(cuò)蝕坑位錯(cuò)蝕坑金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶刃型位錯(cuò)的滑移模型刃型位錯(cuò)的滑移模型螺型位錯(cuò)的滑移模型螺型位錯(cuò)的滑移模型金屬單晶體塑性變形的實(shí)質(zhì)是在剪切應(yīng)力作用下位錯(cuò)連續(xù)運(yùn)動(dòng)，金屬單晶體塑性變形的實(shí)質(zhì)是在剪切應(yīng)力作用下位錯(cuò)連續(xù)運(yùn)動(dòng)，使金屬沿一定滑移面和滑移方向發(fā)生位移。使金屬沿一定滑移面和滑移方向發(fā)生位移。 金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶二、實(shí)際金屬的塑性變形二、實(shí)際金屬的塑性變形1.1.不均勻的塑性變形過程不均

7、勻的塑性變形過程 多晶體金屬的塑性變形將多晶體金屬的塑性變形將會(huì)在不同晶粒中逐批發(fā)生，是會(huì)在不同晶粒中逐批發(fā)生，是個(gè)不均勻的塑性變形過程個(gè)不均勻的塑性變形過程金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶2.2.晶粒間位向差阻礙滑移晶粒間位向差阻礙滑移 在多晶體中晶粒間有位向差，使變在多晶體中晶粒間有位向差，使變形不能同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性形不能同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，周圍的晶粒如不發(fā)生塑性變形，變形時(shí)，周圍的晶粒如不發(fā)生塑性變形，則必須要產(chǎn)生彈性變形來與之協(xié)調(diào)配合，則必須要產(chǎn)生彈性變形來與之協(xié)調(diào)配合，就意味著增大了晶粒變形的抗力，阻礙就意味著增大了晶粒變形的抗力，阻礙滑移的進(jìn)

8、行?；频倪M(jìn)行。 3.3.晶界阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)晶界阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 在多晶體中存在晶界，其原子排列不規(guī)則，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到這一區(qū)域在多晶體中存在晶界，其原子排列不規(guī)則，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到這一區(qū)域附近時(shí)將會(huì)受到晶界的阻礙而堆積起來，形成位錯(cuò)塞積。欲使變形繼續(xù)附近時(shí)將會(huì)受到晶界的阻礙而堆積起來，形成位錯(cuò)塞積。欲使變形繼續(xù)進(jìn)行，就必須要增加外力，即變形抗力增大。金屬晶粒越細(xì)，同體積的進(jìn)行，就必須要增加外力，即變形抗力增大。金屬晶粒越細(xì)，同體積的晶界越多，因而變形抗力越大，金屬的強(qiáng)度越大。晶界越多，因而變形抗力越大，金屬的強(qiáng)度越大。 金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及

9、再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶2.2.冷塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的影響冷塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的影響 纖維組織形成纖維組織形成 金屬在外力作用下發(fā)生塑性變形時(shí)，隨著變形量的增加晶粒形狀發(fā)生變金屬在外力作用下發(fā)生塑性變形時(shí)，隨著變形量的增加晶粒形狀發(fā)生變化，沿變形方向被拉長或壓扁。當(dāng)拉伸變形量很大時(shí)，晶粒變成細(xì)條狀，金化，沿變形方向被拉長或壓扁。當(dāng)拉伸變形量很大時(shí)，晶粒變成細(xì)條狀，金屬中的夾雜物也被拉長，形成所謂纖維組織。屬中的夾雜物也被拉長，形成所謂纖維組織。 一、冷塑性變形對

10、金屬組織結(jié)構(gòu)的影響一、冷塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響 金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶 金屬經(jīng)大量的塑性變形后，由于位錯(cuò)密度的增大和位錯(cuò)間的交互作用，金屬經(jīng)大量的塑性變形后，由于位錯(cuò)密度的增大和位錯(cuò)間的交互作用，使位錯(cuò)分布變得不均勻。大量的位錯(cuò)聚集在局部地區(qū)，并將原晶粒分割成許使位錯(cuò)分布變得不均勻。大量的位錯(cuò)聚集在局部地區(qū)，并將原晶粒分割成許多位向略有差異的小晶塊，即亞晶粒。多位向略有差異的小晶塊，即亞晶粒。金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶 形變織構(gòu)的產(chǎn)生形變織構(gòu)的產(chǎn)生 由于塑性變形過程中晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度（由于塑性變形過程中晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量達(dá)到一定程

11、度（70%70%以上）時(shí)，以上）時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向。會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向。擇優(yōu)取向的結(jié)果形成了具有明顯方向性的組織，稱為織構(gòu)。擇優(yōu)取向的結(jié)果形成了具有明顯方向性的組織，稱為織構(gòu)。金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶1、 加工硬化加工硬化 二、冷塑性變形對金屬性能的影響二、冷塑性變形對金屬性能的影響2、 物理化學(xué)性能的變化物理化學(xué)性能的變化 3、 變形引起內(nèi)應(yīng)力三類內(nèi)應(yīng)力變形引起內(nèi)應(yīng)力三類內(nèi)應(yīng)力 金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶v 回復(fù)回復(fù)

12、 3.3.回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶 金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶v 再結(jié)晶再結(jié)晶 v 晶粒長大晶粒長大 金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶晶粒長大的仿真模擬動(dòng)畫晶粒長大的仿真模擬動(dòng)畫金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶 影響再結(jié)晶溫度的主要因素影響再結(jié)晶溫度的主要因素 金屬的預(yù)先變形程度，金屬的預(yù)先變形程度越大，其晶體缺陷就越多，金屬的預(yù)先變形程度，金屬的預(yù)先變形程度越大，其晶體缺陷就越多，組織越不穩(wěn)定，因而再結(jié)晶溫度便越低。當(dāng)預(yù)先變形程度達(dá)到一定數(shù)值之后，組織越不穩(wěn)定，因而再結(jié)晶溫度便越低。當(dāng)預(yù)先變形程度達(dá)到一定數(shù)值之后，再結(jié)晶溫度趨于定值。再結(jié)晶溫度趨于定

13、值。 金屬的純度金屬的純度 金屬中存在的微量雜質(zhì)和合金元素，特別是那些高熔點(diǎn)元金屬中存在的微量雜質(zhì)和合金元素，特別是那些高熔點(diǎn)元素，常常會(huì)阻礙原子的擴(kuò)散和遷移，可顯著提高金屬的再結(jié)晶溫度。素，常常會(huì)阻礙原子的擴(kuò)散和遷移，可顯著提高金屬的再結(jié)晶溫度。 加熱速度和保溫時(shí)間加熱速度和保溫時(shí)間 提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶溫度被推遲到較高溫度提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶溫度被推遲到較高溫度下發(fā)生。而保溫時(shí)間越長，再結(jié)晶溫度越低。下發(fā)生。而保溫時(shí)間越長，再結(jié)晶溫度越低。 影響晶粒長大影響晶粒長大的因素的因素金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶1.1.加熱溫度和時(shí)間的影響加熱溫度和時(shí)間的影響 加熱溫度越高，時(shí)

14、間越長，晶粒便越大。加熱溫度越高，時(shí)間越長，晶粒便越大。2.2.預(yù)先變形程度的影響預(yù)先變形程度的影響 當(dāng)變形度達(dá)到當(dāng)變形度達(dá)到2%2%10%10%時(shí)，金屬中變形極不均勻，只有部分晶粒發(fā)生變時(shí)，金屬中變形極不均勻，只有部分晶粒發(fā)生變形，形成的再結(jié)晶晶核少，可以充分長大，從而造成再結(jié)晶后的晶粒特別粗形，形成的再結(jié)晶晶核少，可以充分長大，從而造成再結(jié)晶后的晶粒特別粗大。使金屬獲得粗大的再結(jié)晶晶粒的變形度稱為臨界變形度。大。使金屬獲得粗大的再結(jié)晶晶粒的變形度稱為臨界變形度。 金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶4. 4. 金屬的熱塑性加工金屬的熱塑性加工冷加工：冷加工： ，產(chǎn)生加工硬化，產(chǎn)生加工硬化熱加工：熱加工： ，有加工硬化隨即消除，有加工硬化隨即消除金屬的塑性變形及再結(jié)晶金屬的塑性變形及再結(jié)晶1.1.改善鋼錠的組織和性能改善鋼錠的組織和性能表層細(xì)晶粒區(qū)表層細(xì)晶粒區(qū)柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū)2.2.細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒 熱加工使得變形晶粒內(nèi)部不斷發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，周而復(fù)始可使得晶核數(shù)目熱加工使得變形晶粒內(nèi)部不斷發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，周而復(fù)始可使得晶核數(shù)目增多，晶粒得到細(xì)化。增多，晶粒得到細(xì)化。 3.3.形成纖維組織形成纖維組織熱加工可使得鋼錠中粗大的枝晶核鑄態(tài)組織的夾雜物沿著變形方向流動(dòng)伸長，熱加工可使得鋼錠中粗大的枝晶核鑄態(tài)