金屬的塑性變形和主要性能研究

1、金屬的塑性變形和主要性能研究一、什么是塑性變形 二、金屬單晶體的塑性變形三、多晶體金屬的塑性變形 四、冷塑性變形對金屬組織和性能的影響 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。生產中常利用塑性變形對金屬材料進行壓力加工。金屬的塑性變形可分為： 冷塑性變形和熱塑性變形。本章主要研究金屬冷塑性變形。一.塑性變形壓力加工方法示意圖圖2-1 壓力加工方法金屬單晶體的塑性變形有“滑移”與“孿晶”等不同方式，但一般大多數(shù)情況下都是以滑移方式進行的。下面我們具體看一下單晶體塑性變形的基本方式滑移。3. 晶體的滑移面、滑移方向及滑移系4. 晶體在滑移過程中的

2、轉動 發(fā)生了滑移的金屬試樣表面狀態(tài)如圖2-2。圖2-2 滑移面缺陷:孿晶圖1-18 孿晶示意圖小貼士：孿晶是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面（即特定取向關系）構成鏡面對稱的位向關系。孿晶面兩側原子排列的規(guī)則不同,所以孿晶面也是面缺陷的一種。如果將一個單晶體金屬試樣表面拋光后，經(jīng)過伸長變形，再在金相顯微鏡下觀察，可以看到試樣表面出現(xiàn)許多條紋，這些條紋就是晶體在切應力的作用下，一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）滑移產生的臺階，這些條紋稱為“滑移線”。見圖2-3。在更高倍的電子顯微鏡下觀察，一個滑移臺階實際上是一束滑移線群的集合體，稱為“滑移帶”。同時

3、還能看到滑移帶在晶體上的分布是不均勻的。單晶體變形時，滑移只在晶體內有限的晶面上進行，是不均勻的。因此單晶體金屬的塑性變形在表面上看出現(xiàn)了一系列的滑移帶，其塑性變形就是眾多大小不同的滑移帶的綜合效果在宏觀上的體現(xiàn)。鋅單晶體拉伸試驗圖2-3 鋅單晶體拉伸試驗示意圖（a）變形前試樣 （b）變形后試樣 晶體的塑性變形是晶體內相鄰部分滑移的綜合表現(xiàn)。但晶體內相鄰兩部分之間的相對滑移，不是滑移面兩側晶體之間的整體剛性滑動，而是由于晶體內存在位錯，因位錯線兩側的原子偏離了平衡位置，這些原子有力求達到平衡的趨勢。當晶體受外力作用時，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步移

4、動到晶體的表面，形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移動到晶體表面所形成的臺階。圖2-4 滑移機理示意圖3.晶體的滑移面、滑移方向及滑移系晶體上的滑移帶分布是不均勻的，即塑性變形時，位錯只沿一定的晶面和一定的晶向移動，并不是沿所有的晶面和晶向都能移動的，這些一定的晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向，并且這些晶面和晶面都是晶體中的密排面和密排方向。因為密排面之間和密排方向之間的原子間距最大，其原子之間的結合力最弱，所以在外力作用下最易引起相對的滑動。不同金屬的晶體結構不同，其滑移面和滑移方向的數(shù)目和位向不同，一個滑移面和在這個滑移面上的一個滑移方向組成一個“滑移系”。所以不同

5、晶體結構的金屬，其滑移系的數(shù)目不同，如體心立方12個，面心立方12個，密排六方12，且滑移系的數(shù)目越多則金屬的塑性愈好，反之滑移系數(shù)愈少，塑性不好，且相同滑移系數(shù)目相同時，滑移方向數(shù)越多，越易滑移，塑性越好。 單晶體試樣在拉伸實驗時（如圖2-3），除了沿滑移面產生滑移外，晶體還會產生轉動。因為晶體在拉伸過程，當滑移面上、下兩部分發(fā)生微小滑移時，試樣兩端的拉力不再處于同一直線上，于是在滑移面上形成一力偶，使滑移面產生以外力方向為轉向，趨向于與外力平行的轉動?？梢娫诨七^程中，由于晶體的轉動，晶體的位向會發(fā)生變化，原來處于軟取向滑移系，逐漸轉向硬取向，使滑移困難，這種現(xiàn)象“取向硬化”；相反，原來硬

6、取向的滑移系，將逐步趨于軟位向，易于滑移，稱為“取向軟化”。可見在滑移過程中“取向軟化”和“取向硬化”是同時進行的。三.多晶體的塑性變形工程上使用的金屬材料大多為位向、形狀、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綜合作用的結果。多晶體內單晶體的變形仍是以滑移和孿生兩種方式進行的，但由于位向不同的晶粒是通過晶界結合在一起的，晶粒的位向和晶界對變形有很大的影響，所以多晶體的塑性變形較單晶體復雜。1. 晶界和晶粒位向的影響2. 多晶體金屬的變形過程小貼士：孿生與滑移是兩種基本的形變機制。從微觀上看，晶體原子排列沿某一特定面鏡像對稱。那個特定面叫孿晶面1. 晶界和晶粒位向的影響

7、晶界的存在會增大滑移抗力，而且因多晶體中各晶粒晶格位向的不同，也會增大其滑移抗力，因此多晶體金屬的變形抗力總是高于單晶體 。金屬的晶粒愈細，金屬的強度便愈高 ，而且塑性與韌性也較高 圖2-5 雙晶粒拉伸試樣變形示意圖2. 多晶體金屬的變形過程多晶體金屬在外力的作用下，處于軟取向的晶粒優(yōu)先產生滑移變形，處于硬取向的相鄰晶粒尚不能滑移變形，只能以彈性變形相平衡。由于晶界附近點陣畸變和相鄰晶粒位向的差異，使變形晶粒中位錯移動難以穿過晶界傳到相鄰晶粒，致使位錯在晶界處塞積。只有進一步增大外力變形才能繼續(xù)進行。隨著變形加大，晶界處塞積的位錯數(shù)目不斷增多，應力集中也逐漸提高。2. 多晶體金屬的變形過程當應

8、力集中達到一定程度后，相鄰晶粒中的位錯源開始滑移，變形就從一批晶粒擴展到另一批晶粒。同時，一批晶粒在變形過程中逐步由軟取向轉動到硬取向，其變形愈來愈困難，另一批晶粒又從硬取向轉動到軟取向，參加滑移變形。多晶體的塑性變形，是在各晶?；ハ嘤绊懀ハ嘀萍s的條件下，從少量晶粒開始，分批進行，逐步擴大到其它晶粒，從不均勻的變形逐步發(fā)展到均勻的變形。 2. 多晶體金屬的變形過程圖2-6 多晶體的拉伸實驗示意圖 經(jīng)過塑性變形，可使金屬的組織和性能發(fā)生一系列重大的變化，這些變化大致可以分為如下四個方面：晶粒沿變形方向拉長，性能趨于各向異性 晶粒破碎，位錯密度增加，產生加工硬化 織構現(xiàn)象的產生 殘余內應力 圖3

9、-10 變形前后晶粒形狀變化示意圖首先，大量的塑性變形使金屬晶粒沿變形方向被拉長，形成冷變形顯微組織，力學性能趨于各向異性然后，大量的塑性變形使金屬晶粒位錯以千兆數(shù)量級增加，產生位錯纏結，進而形成胞狀亞結構。這種胞狀亞結構是一種高密度的亞晶界，隨著變形量增加，亞晶粒不斷細化，使得金屬的塑性變形抗力增加，塑性韌性下降，這種宏觀現(xiàn)象稱為加工硬化。見圖3-11。利用塑性變形產生力學性能變化的方法也被稱為形變強化。圖3-11變形前后晶粒形狀變化示意圖圖3-12 形變織構示意圖第三，金屬的塑性變形量達到80%左右時，金屬晶粒擇優(yōu)取向，即晶粒沿變形方向轉動，使晶粒位向（晶面/晶向）與變形方向趨于一致。各向

10、異性十分明顯。第四，金屬的物理、化學性能發(fā)生明顯變化。如電導率、磁導率和耐腐蝕性均有下降。某一位向晶面指數(shù)（hkl)位向不同晶面指數(shù)hkl方向相同的晶向指數(shù)uvw方向不同的晶向指數(shù)2回復與再結晶 一、冷變形金屬在加熱時的組織和性 能的變化 二、影響再結晶粒大小的因素 三、熱加工對金屬組織和性能的影響 1. 回復階段 2 .再結晶 3 .晶粒長大 變形金屬加熱時組織和性能變化示意圖圖2-91. 回復階段 加熱溫度較低時，原子的活動能力不大，這時金屬的晶粒大小和形狀沒有明顯的變化，只是在晶內發(fā)生點缺陷的消失以及位錯的遷移等變化，因此，這時金屬的強度、硬度和塑性等機械性能變化不大，而只是使內應力及電

11、阻率等性能顯著降低。因此對冷變形金屬進行的這種低溫加熱退火只能用在保留加工硬化而降低內應力改善其它的物理性能的場合。比如冷拔高強度鋼絲，利用加工硬化現(xiàn)象產生的高強度，此外，由于殘余內應力對其使用有不利的影響，所以采用低溫退火以消除殘余應力。 2 .再結晶 通過回復，雖然金屬中的點缺陷大為減少，晶格畸變有所降低，但整個變形金屬的晶粒破碎拉長的狀態(tài)仍未改變，組織仍處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。當它被加熱到較高的溫度時，原子也具有較大的活動能力，使晶粒的外形開始變化。從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒。和變形前的晶粒形狀相似，晶格類型相同，把這一階段稱為“再結晶”。2 .再結晶再結晶過程同樣是通過形核和長大兩個過

12、程進行的。再結晶結束后，金屬中內應力全部消除，顯微組織恢復到變形前的狀態(tài)，其所有性能也恢復到變形前的數(shù)值，消除了加工硬化。所以再結晶退火主要用于金屬在變形之后或在變形的過程中，使其硬度降低，塑性長高，便于進一步加工。 3 .晶粒長大為了保證變形金屬的再結晶退火質量，獲得細晶粒，有必要了解影響再結晶晶粒大小的因素。再結晶結束后，若在繼續(xù)升高溫度或延長加熱時間，便會出現(xiàn)大晶粒吞并小晶粒的現(xiàn)象，即晶粒長大，晶粒長大對材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。為了保證變形金屬的再結晶退火質量，獲得細晶粒，有必要了解影響再結晶晶粒大小的因素。當變形量很小時，由于晶格畸變很小，

13、不足以引起再結晶，故加熱時無再結晶現(xiàn)象，晶粒度仍保持原來的大小，當變形度達到某一臨界值(210%)時，由于此時金屬中只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結晶晶核少，且晶粒極易相互吞并長大，因而再結晶后晶粒粗大，這種變形度即為臨界變形度，當變形度大于臨界變形度時，隨變形量的增加，越來越多的晶粒發(fā)生了變形，變形愈趨均勻，晶格畸變大，再結晶的晶核多，再結晶后晶粒愈來愈細?？梢娎鋲杭庸⒁獗苊庠谂R界變形度范圍內加工，以免再結晶后產生粗晶粒。圖2-10 變形度對晶粒大小的影響 再結晶是在一個溫度范圍內進行的，若溫度過低不能發(fā)生再結晶；若溫度過高，則會發(fā)生晶粒長大，因此要獲得細小的再結晶晶粒，必須在一個合

14、適的溫度范圍內進行加熱。實驗表明，每種金屬都有一最低的再結晶溫度，即：T再，它和熔點之間存在如下大致關系： T再熔 T：熱力學溫度 再結晶退火溫度必須在T再以上，生產上實際使用的再結晶溫度通常是比T再高150250，這樣就既可保證完全再結晶，又不致使晶粒粗化。將這兩個影響因素畫在立體坐標中，得到圖3-16的“再結晶全圖”，便可以根據(jù)它來確定再結晶退火的工藝參數(shù)。 再結晶全圖是指再結晶溫度、變形度和晶粒度之間的關系。三、熱加工對金屬組織和性能的影響 對鋼的組織和性能的影響 熱加工：將金屬加熱到再結晶溫度以上一定溫度進行壓力加工。在熱加工中將同時發(fā)生加工硬化和再結晶軟化兩個過程。再結晶溫度是熱加工

15、與冷加工的分界線，高于再結晶溫度的壓力加工是熱加工， 低于再結晶溫度的壓力加工是冷加工。 對鋼的組織和性能影響 有利影響：(1)通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的氣孔焊合，從而使其致密度得以提高；(2)通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的枝晶和柱狀晶破碎，從而使晶粒細化，機械性能提高；(3)通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的枝晶偏析和非金屬夾雜分布發(fā)生改變，形成流線組織，如圖2-11，可提高零件使用壽命。 圖2-11 曲軸中的流線分布（a）鍛造變形； （b）切削加工對鋼的組織和性能影響 不利影響：加工的溫度過高，晶粒粗大；若溫度過低，引起加工硬化、殘余內應力等；第二章 金屬的晶粒度對材料性能的影響 一、金屬晶粒度

16、與材料性能的關系 二、影響晶粒度的因素 三、細晶強化方法與應用一、金屬晶粒度與材料性能的關系1、晶粒大小的控制晶粒的大小稱為晶粒度，通常用晶粒的平均面積或平均直徑來表示。晶粒的大小取決于形核率和長大速率的相對大小，即N/G比值越大，晶粒越細小?？梢?，凡是能促進形核、抑制長大的因素，都能細化晶粒。在工業(yè)生產中通常采用如下幾種方法： 晶粒愈細，晶界愈多，位錯運動愈困難，強度與硬度愈高。見雙晶粒試樣拉伸變形示意圖。 細小的晶粒使金屬具有較好的塑性和韌性。 晶粒細化可提高金屬強度、硬度而不降低塑性、韌性。二、影響晶粒度的因素1、過冷度2、異質晶核1、過冷度形核率和長大速率都隨過冷度的增大而增大。但兩者

17、的增加速率不同，形核率的增長率大于長大速率的增長率，圖2-10 。在通常金屬結晶時的過冷度范圍內，過冷度越大，則N/G比值越大，因而晶粒越細小。增加過冷度的方法是提高液態(tài)金屬的冷卻速度。例如，選用吸熱和導熱性較強的鑄型材料（用金屬型代替砂型）；采用水冷鑄型；降低澆注溫度等。但這些措施只對小型或薄壁的鑄件有效。2、異質晶核是在澆注前往液態(tài)金屬中加入某些難熔的固態(tài)粉末（變質劑），促進非均勻形核來細化晶粒。例如在鋁和鋁合金以及鋼中加入鈦、鋯等。但是鋁硅合金中加入鈉鹽不光是起形核作用，主要作用是阻止硅的長大來細化合金晶粒。在液態(tài)金屬中存在的異質微粒，符合前面所述的條件，即可作為晶核。 異質微粒含量適當

18、時，可以獲得細晶粒金屬。三、細晶強化方法與應用1、細晶強化的主要方法2、細晶強化的應用1、細晶強化的主要方法就方法而言：（1）提高過冷度提高液態(tài)金屬的冷卻速度。金屬型鑄造。設計鑄件的壁厚適當。（2）進行變質處理在液態(tài)合金中加入一定量的變質劑作為異質晶核以獲得細晶粒鑄件。（3）振動促進形核，破碎枝晶。對正在結晶的金屬進行機械振動、超聲波振動或電磁振動，使晶核數(shù)目顯著增加。2、細晶強化的應用主要應用于鑄造生產領域。細晶強化實例灰鑄鐵的孕育處理和鋁活塞采用金屬型鑄造。就具體熱加工工藝方法而言：（1）對鑄態(tài)使用的合金：合理控制冶鑄工藝，如增大過冷度、加入變質劑、進行攪拌和振動等。（2）對熱軋或冷變形后退火態(tài)使用的合金：控制變形度、再結晶退火溫度和時間。（3）對熱處理強化態(tài)使用的合金：控制加熱和冷卻工藝參數(shù), 利用相變重結晶來細化晶粒。第三章 金屬的合金化一、合金化強化原理二、合金化強化方法與應用一、合金化強化原理1、固溶強化 溶質原子溶入金屬基體而形成固溶體，使金屬的強度、硬度升高，塑性、韌性有所下降，這一現(xiàn)象稱為固溶強化。例如單相的黃銅、