第03章 金屬材料的塑性變形

1、壓力加工方法示意圖壓力加工方法示意圖第三章第三章 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形一、一、金屬的塑性變形金屬的塑性變形1 1單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形2 2多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形3 3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( (一一) )、單晶體金屬的塑性變形、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單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形單晶體變形的基本形式單晶體變形的基本形式 彈性變形、塑性變形正彈性變形、塑性變形正應(yīng)力使晶格發(fā)生彈性變形或斷裂應(yīng)力使晶格發(fā)生彈性變形或斷裂

2、切應(yīng)力使晶格發(fā)生彈性歪扭或塑性變形切應(yīng)力使晶格發(fā)生彈性歪扭或塑性變形塑性變形的實(shí)質(zhì)塑性變形的實(shí)質(zhì) 原子移動(dòng)到新的穩(wěn)定位置原子移動(dòng)到新的穩(wěn)定位置塑性變形的形式：塑性變形的形式：滑移和孿生?；坪蛯\生。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?；?移移 在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生滑動(dòng)?；瑒?dòng)?；频膶?shí)現(xiàn)滑移的實(shí)現(xiàn) 借助于借助于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺(tái)滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱階，稱滑移線滑移線，若干條滑移線組

3、，若干條滑移線組成一個(gè)成一個(gè)滑移帶滑移帶。 銅銅拉伸試樣表面滑移帶拉伸試樣表面滑移帶滑移滑移 滑移是晶體內(nèi)部位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。并非是晶滑移是晶體內(nèi)部位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。并非是晶體兩部分沿滑移面作整體的滑動(dòng)。體兩部分沿滑移面作整體的滑動(dòng)。 滑移只在切應(yīng)力作用下發(fā)生，不同金屬產(chǎn)生滑移的最小滑移只在切應(yīng)力作用下發(fā)生，不同金屬產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力大小不同。切應(yīng)力大小不同?；频奶攸c(diǎn)：滑移的特點(diǎn)： 滑移造成的晶體總變形量是滑移造成的晶體總變形量是原子間距的整數(shù)值，不引起晶格原子間距的整數(shù)值，不引起晶格位向的變化。位向的變化。 滑移總是沿著晶體中原子密滑移總是沿著晶體中原子密度最大的

4、晶面和其上密度最大度最大的晶面和其上密度最大的晶向進(jìn)行。（的晶向進(jìn)行。（滑移系滑移系） 滑移時(shí)晶體伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng)。滑移時(shí)晶體伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng)。滑移系（滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向），滑移系數(shù)目滑移系（滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向），滑移系數(shù)目，材，材料塑性料塑性；滑移方向；滑移方向，材料塑性，材料塑性。如。如FCCFCC和和BCCBCC的滑移系為的滑移系為1212個(gè)，個(gè)，HCPHCP為為3 3個(gè)，個(gè)，F(xiàn)CCFCC的滑移方向多于的滑移方向多于BCCBCC，金屬塑性如金屬塑性如CuCu（FCCFCC）FeFe（BCCBCC）ZnZn（HCPHCP）。）。孿生孿生 在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿

5、一定晶面在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變，產(chǎn)生塑性變形。（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變，產(chǎn)生塑性變形。金屬晶體中變形部分與金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生面兩未變形部分在孿生面兩側(cè)形成鏡面對稱關(guān)系。側(cè)形成鏡面對稱關(guān)系。發(fā)生孿生的部分（切變發(fā)生孿生的部分（切變部分）稱為孿生帶或?qū)\部分）稱為孿生帶或?qū)\晶。晶。孿生借助于切變進(jìn)行，所需切應(yīng)力大，速度快，在滑移較難進(jìn)孿生借助于切變進(jìn)行，所需切應(yīng)力大，速度快，在滑移較難進(jìn)行時(shí)發(fā)生行時(shí)發(fā)生. . 特點(diǎn)：特點(diǎn)：孿生孿生原子移動(dòng)的相對位移是原子間距的分?jǐn)?shù)值原子移動(dòng)的相對位移是原子間距的分?jǐn)?shù)值.

6、. FCCFCC金屬一般不發(fā)生孿生，少數(shù)在極低溫度下發(fā)生，金屬一般不發(fā)生孿生，少數(shù)在極低溫度下發(fā)生，BCCBCC金金屬僅在室溫或受沖擊時(shí)發(fā)生。屬僅在室溫或受沖擊時(shí)發(fā)生。HCPHCP金屬較容易發(fā)生孿生。金屬較容易發(fā)生孿生。 黃銅中的孿晶黃銅中的孿晶鋅中的孿晶鋅中的孿晶金屬材料塑性變形的實(shí)質(zhì)：金屬材料塑性變形的實(shí)質(zhì)：金屬塑性變形實(shí)質(zhì)上是以金屬塑性變形實(shí)質(zhì)上是以滑移滑移和和孿生孿生兩種形式通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行的。兩種形式通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行的。 2 2、多晶體的塑性變形、多晶體的塑性變形多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復(fù)雜。多晶

7、界，變形復(fù)雜。2 2、多晶體的塑性變形、多晶體的塑性變形 多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復(fù)雜。且存在許多晶界，變形復(fù)雜。不均勻的塑性變形過程不均勻的塑性變形過程2、晶粒位向的影響、晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性時(shí)，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)。變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形便成這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶變形

8、阻力。由于晶粒間的這種相互約粒間的這種相互約束，使得多晶體金束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力屬的塑性變形抗力提高。提高。 Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位錯(cuò)塞積界的位錯(cuò)塞積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) 當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來積起來,稱位錯(cuò)的稱位錯(cuò)的塞積塞積。要。要使變形繼續(xù)進(jìn)行使變形繼續(xù)進(jìn)行, 則必須則必須增加外力增加外力, 從而使金屬的從而使金屬的變形抗力提高。變形抗力提高。細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化通過晶粒細(xì)化使強(qiáng)度、硬度、塑性、通過晶粒細(xì)化使強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性提高的現(xiàn)象。韌性提高的現(xiàn)象。強(qiáng)化原理強(qiáng)化原理晶

9、界原子排列較不規(guī)則晶界原子排列較不規(guī)則缺陷多缺陷多滑滑移阻力大。晶粒越細(xì)小，則晶界越多，移阻力大。晶粒越細(xì)小，則晶界越多，變形抗力越大，則強(qiáng)度越大。變形抗力越大，則強(qiáng)度越大。晶粒越細(xì)小，單位體積晶粒多晶粒越細(xì)小，單位體積晶粒多變形分散變形分散減少減少應(yīng)力集中應(yīng)力集中 晶粒越細(xì)小，晶界越多且越曲折晶粒越細(xì)小，晶界越多且越曲折不利于裂紋的傳不利于裂紋的傳播播斷裂前承受較大的塑性變形，則塑性越好。斷裂前承受較大的塑性變形，則塑性越好。 由于晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度越高，塑性越好，所以斷裂由于晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度越高，塑性越好，所以斷裂時(shí)需要消耗較大的功時(shí)需要消耗較大的功, ,因而韌性也較好。因而韌性也較好。3

10、3、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塑性變形對金屬性能的影響塑性變形對金屬性能的影響 產(chǎn)生加工硬化產(chǎn)生加工硬化金屬發(fā)生塑性變形金屬發(fā)生塑性變形, ,隨冷變形程度隨冷變形程度的增大，其強(qiáng)度和硬度顯著提高，的增大，其強(qiáng)度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象。塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象。如：冷軋薄鋼板如：冷軋薄鋼板 冷拔鋼絲等。冷拔鋼絲等。 由于由于纖維組織和形變織構(gòu)纖維組織和形變織構(gòu)的產(chǎn)生，使金屬性能產(chǎn)生各向異性。的產(chǎn)生，使金屬性能產(chǎn)生各向異性。 使金屬晶體缺陷增多，并產(chǎn)生使金屬晶體缺陷增多，并產(chǎn)生殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力。（1）加工硬化）加工硬化（形變強(qiáng)化（形變強(qiáng)化強(qiáng)化材

11、料的手段之一）強(qiáng)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(cuò)密度增加，相互纏結(jié)位錯(cuò)密度增加，相互纏結(jié)( (亞晶界亞晶界) )，運(yùn)動(dòng)阻，運(yùn)動(dòng)阻力加大力加大 變形抗力變形抗力3 3、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（2 2）塑性變形對金屬組織的影響）塑性變形對金屬組織的影響 形成形成纖維組織纖維組織 形成形成亞結(jié)構(gòu)亞結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生產(chǎn)生形變織構(gòu)形變織構(gòu) 纖維組織使金屬在性能上具有了方向性，對金屬變形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，金屬在縱向后的質(zhì)量也有影響。纖維組織越明顯，金屬在縱向( (平行平行纖維方

12、向纖維方向) )上的強(qiáng)度尤其是塑性和韌性均比在橫向上的強(qiáng)度尤其是塑性和韌性均比在橫向( (垂直垂直纖維方向纖維方向) )上的高。上的高。 為了獲得具有最好力學(xué)性能的零件，在設(shè)計(jì)和制造零件時(shí)，都應(yīng)使零件在工作中產(chǎn)生的最大正應(yīng)力最大正應(yīng)力方向與纖維方向一致方向與纖維方向一致，最大切應(yīng)力方向與纖維方向最大切應(yīng)力方向與纖維方向垂直垂直，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。 纖維組織的穩(wěn)定性很高，纖維組織的穩(wěn)定性很高，不能用熱處理方法加以消不能用熱處理方法加以消除，只有經(jīng)過鍛壓使金屬除，只有經(jīng)過鍛壓使金屬變形，才能改變其方向和變形，才能改變其方向和形狀。形狀。變形變形10% 1001

13、0% 100變形變形40% 10040% 100 變形變形80%80%纖維組織纖維組織100100 工業(yè)純鐵不同變形度的顯微組織工業(yè)純鐵不同變形度的顯微組織。亞結(jié)構(gòu)形成亞結(jié)構(gòu)形成位錯(cuò)不均勻分布，并使晶粒碎化成許多位位錯(cuò)不均勻分布，并使晶粒碎化成許多位向略有差異的亞晶粒。向略有差異的亞晶粒。n（1 1）絲織構(gòu)）絲織構(gòu) （2 2）板織構(gòu)）板織構(gòu)n變壓器鐵芯的硅鋼片，沿變壓器鐵芯的硅鋼片，沿100100方向最易磁化，采用這種織方向最易磁化，采用這種織構(gòu)的板材，鐵損減小。構(gòu)的板材，鐵損減小。絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，性能出絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，性能出現(xiàn)各向異性。這種

14、現(xiàn)象稱現(xiàn)各向異性。這種現(xiàn)象稱織構(gòu)織構(gòu)或或擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向。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(4) (4) 產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力 內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力是由于金屬受力時(shí)時(shí), 內(nèi)部變形不均勻而引起的。內(nèi)部變形不均勻而引起的。第一類內(nèi)應(yīng)力第一類內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間平衡于表面與心部之間 (宏觀內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力)。引起新的變形，降低引起新的變形，降低精度。精度。第二類內(nèi)應(yīng)力第二類內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間, (微觀內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力)。引起開裂，產(chǎn)生微裂紋。引起開裂

15、，產(chǎn)生微裂紋。第三類內(nèi)應(yīng)力第三類內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。強(qiáng)化金屬；耐蝕性降低。強(qiáng)化金屬；耐蝕性降低。(3) (3) 影響金屬的物理、化學(xué)影響金屬的物理、化學(xué)性能性能(1)降低工件的承載能力降低工件的承載能力 (2)使工件尺寸使工件尺寸及形狀發(fā)生變化及形狀發(fā)生變化(3)降低工件的耐蝕性降低工件的耐蝕性 殘余應(yīng)力的主要危害：殘余應(yīng)力的主要危害：消除殘余應(yīng)力主要采用熱處理方法消除殘余應(yīng)力主要采用熱處理方法變形、開裂、耐蝕性下降。利用好可提高表面疲勞強(qiáng)度變形、開裂、耐蝕性下降。利用好可提高表面疲勞強(qiáng)度金屬經(jīng)冷變形后金屬經(jīng)冷變形后, 組織處于組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)不穩(wěn)定

16、狀態(tài), 有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向定狀態(tài)的傾向。但在常溫下但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小原子擴(kuò)散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)可長時(shí)間維持。加熱可使原可長時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶?；貜?fù)、再結(jié)晶和晶粒長大長大。 T T回復(fù)回復(fù)=（0.250.25.3.3）T T熔點(diǎn)熔點(diǎn)（單位：（單位：K）回復(fù)使塑變后金屬的強(qiáng)度和硬度略有下降，塑性略有增高，但殘余應(yīng)力大大降低。變化應(yīng)用工業(yè)上利用回復(fù)過程對變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火來降低殘余應(yīng)力，保留加工硬化效果。1) 1) 回復(fù)回復(fù) 塑性變形后的金屬在低溫加熱時(shí)，發(fā)生塑性變形后的金屬在低

17、溫加熱時(shí)，發(fā)生回復(fù)過程回復(fù)過程點(diǎn)缺陷大大點(diǎn)缺陷大大，內(nèi)應(yīng)力顯著，內(nèi)應(yīng)力顯著 ，強(qiáng)度、硬度略有，強(qiáng)度、硬度略有 。 2) 2) 再結(jié)晶再結(jié)晶 變形后金屬在較高溫度加熱時(shí)，由于原子擴(kuò)散能變形后金屬在較高溫度加熱時(shí)，由于原子擴(kuò)散能力增大，變形和破碎的晶粒通過重新生核、長大變成力增大，變形和破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細(xì)小的等軸晶粒，晶格類型不變，該過程新的均勻、細(xì)小的等軸晶粒，晶格類型不變，該過程稱為再結(jié)晶稱為再結(jié)晶 。變化變化再結(jié)晶使塑變后金屬的強(qiáng)度和硬度明顯降低，再結(jié)晶使塑變后金屬的強(qiáng)度和硬度明顯降低，塑性和韌性大大提高，殘余應(yīng)力完全消除，加塑性和韌性大大提高，殘余應(yīng)力完全消除，加

18、工硬化現(xiàn)象被消除。工硬化現(xiàn)象被消除。應(yīng)用應(yīng)用工業(yè)上利用再結(jié)晶過程對變形后金屬進(jìn)行工業(yè)上利用再結(jié)晶過程對變形后金屬進(jìn)行再再結(jié)晶退火結(jié)晶退火來消除加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)金屬的來消除加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)金屬的塑性和韌性，以利于后面的變形加工。塑性和韌性，以利于后面的變形加工。最低再結(jié)晶溫度最低再結(jié)晶溫度 T T再再純金屬純金屬T T再再 =0.4 T=0.4 T熔熔合金合金T T再再 = =（0.5 0.70.5 0.7）T T熔熔溫度單位：絕對溫度溫度單位：絕對溫度( K )( K )生產(chǎn)中，把消除加工硬化的生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火。再熱處理稱為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度

19、結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高高100200。鐵素體變形鐵素體變形80%670加熱加熱650加熱加熱再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成和長大的過程，但不是成和長大的過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前后新相變過程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分舊晶粒的晶格類型和成分完全相同完全相同。a.黃銅變形量達(dá)黃銅變形量達(dá)38后的組織后的組織b.580保溫保溫3sc. .580保溫保溫4sd.580保溫保溫8se.580保溫保溫15minf.700保溫保溫10min影響再結(jié)晶退火后晶粒度的因素影響再結(jié)晶退火后晶粒度的因素 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預(yù)先變形度的影響，實(shí)質(zhì)上是

20、變形均勻程度的影響預(yù)先變形度的影響，實(shí)質(zhì)上是變形均勻程度的影響.只有部分晶粒變形，變形極只有部分晶粒變形，變形極預(yù)先變形度對再結(jié)晶晶粒度的影響預(yù)先變形度對再結(jié)晶晶粒度的影響不均勻，再結(jié)晶晶不均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，粒大小相差懸殊，易互相吞并和長大易互相吞并和長大,再結(jié)晶后晶粒特別再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個(gè)變形度粗大，這個(gè)變形度稱稱臨界變形度。臨界變形度。3 3）晶粒長大）晶粒長大變形變形80%工業(yè)純鐵再結(jié)晶退火工業(yè)純鐵再結(jié)晶退火 顯微照片顯微照片 100100 變形變形80% 400退火退火8小時(shí)小時(shí)加熱溫度加熱溫度 T T 和和 加熱時(shí)間加熱時(shí)間 t t 晶界遷移、晶粒合并長大。晶界遷

21、移、晶粒合并長大。變形變形80% 600退火退火8小時(shí)小時(shí)三、金屬材料的熱加工和冷加工三、金屬材料的熱加工和冷加工1 1熱加工對組織和性能的影響熱加工對組織和性能的影響2 2冷加工對組織和性能的影響冷加工對組織和性能的影響1 1熱加工對組織和性能的影響熱加工對組織和性能的影響熱加工熱加工 在在 T T再再 以上溫度進(jìn)行的變形加工，以上溫度進(jìn)行的變形加工， 如鋼如鋼材的熱鍛和熱軋，但熱加工后不產(chǎn)生加工硬化。材的熱鍛和熱軋，但熱加工后不產(chǎn)生加工硬化。熱加工時(shí)，塑性變形引起的加工硬化效應(yīng)隨即被再熱加工時(shí)，塑性變形引起的加工硬化效應(yīng)隨即被再結(jié)晶過程的軟化作用所消除。結(jié)晶過程的軟化作用所消除。原因？原因？熱加工對組織和性能的影響熱加工對組織和性能的影響1 1）打碎柱狀晶、樹枝晶，形成等軸晶，機(jī)械性能改善。）打碎柱狀晶、樹枝晶，形成等軸晶，機(jī)械性能改善。2 2）壓合鑄件中的疏松、氣孔等缺陷