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(yuǎn)殘留的那部分變形叫塑性變形。生產(chǎn)中常利用塑性變形對金屬材料進(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)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(guān)系）構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系。孿晶面兩側(cè)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(yīng)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(chǎn)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(nèi)有限的晶面上進(jìn)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(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，這些原子有力求達(dá)到平衡的趨勢。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(jī)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生滑移外，晶體還會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。因為晶體在拉伸過程，當(dāng)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(chǎn)生以外力方向為轉(zhuǎn)向，趨向于與外力平行的轉(zhuǎn)動。可見在滑移過程中，由于晶體的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)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(jié)果。多晶體內(nèi)單晶體的變形仍是以滑移和孿生兩種方式進(jìn)行的，但由于位向不同的晶粒是通過晶界結(jié)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(fù)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(jī)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(xì)，金屬的強(qiáng)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(chǎn)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(jìn)一步增大外力變形才能繼續(xù)進(jìn)行。隨著變形加大，晶界處塞積的位錯數(shù)目不斷增多，應(yīng)力集中也逐漸提高。2. 多晶體金屬的變形過程當(dāng)應(yīng)

8、力集中達(dá)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(kuò)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(zhuǎn)動到硬取向，其變形愈來愈困難，另一批晶粒又從硬取向轉(zhuǎn)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?，互相制約的條件下，從少量晶粒開始，分批進(jìn)行，逐步擴(kuò)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(chǎn)生加工硬化 織構(gòu)現(xiàn)象的產(chǎn)生 殘余內(nèi)應(yīng)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(xué)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(chǎn)生位錯纏結(jié)，進(jìn)而形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。這種胞狀亞結(jié)構(gòu)是一種高密度的亞晶界，隨著變形量增加，亞晶粒不斷細(xì)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(chǎn)生力學(xué)性能變化的方法也被稱為形變強(qiáng)化。圖3-11變形前后晶粒形狀變化示意圖圖3-12 形變織構(gòu)示意圖第三，金屬的塑性變形量達(dá)到80%左右時，金屬晶粒擇優(yōu)取向，即晶粒沿變形方向轉(zhuǎn)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(xué)性能發(fā)生明顯變化。如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)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(fù)與再結(jié)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(jié)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(fù)階段 2 .再結(jié)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(fù)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(nèi)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(qiáng)度、硬度和塑性等機(jī)械性能變化不大，而只是使內(nèi)應(yīng)力及電

11、阻率等性能顯著降低。因此對冷變形金屬進(jìn)行的這種低溫加熱退火只能用在保留加工硬化而降低內(nèi)應(yīng)力改善其它的物理性能的場合。比如冷拔高強(qiáng)度鋼絲，利用加工硬化現(xiàn)象產(chǎn)生的高強(qiáng)度，此外，由于殘余內(nèi)應(yīng)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(yīng)力。 2 .再結(jié)晶 通過回復(fù)，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(dāng)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(jié)晶”。2 .再結(jié)晶再結(jié)晶過程同樣是通過形核和長大兩個過

12、程進(jìn)行的。再結(jié)晶結(jié)束后，金屬中內(nèi)應(yīng)力全部消除，顯微組織恢復(fù)到變形前的狀態(tài)，其所有性能也恢復(fù)到變形前的數(shù)值，消除了加工硬化。所以再結(jié)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(jìn)一步加工。 3 .晶粒長大為了保證變形金屬的再結(jié)晶退火質(zhì)量，獲得細(xì)晶粒，有必要了解影響再結(jié)晶晶粒大小的因素。再結(jié)晶結(jié)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(jī)械性能極不利，強(qiáng)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(jié)晶退火質(zhì)量，獲得細(xì)晶粒，有必要了解影響再結(jié)晶晶粒大小的因素。當(dāng)變形量很小時，由于晶格畸變很小，

13、不足以引起再結(jié)晶，故加熱時無再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒度仍保持原來的大小，當(dāng)變形度達(dá)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(jié)晶晶核少，且晶粒極易相互吞并長大，因而再結(jié)晶后晶粒粗大，這種變形度即為臨界變形度，當(dāng)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(jié)晶的晶核多，再結(jié)晶后晶粒愈來愈細(xì)?？梢娎鋲杭庸?yīng)注意避免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。圖2-10 變形度對晶粒大小的影響 再結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，若溫度過低不能發(fā)生再結(jié)晶；若溫度過高，則會發(fā)生晶粒長大，因此要獲得細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，必須在一個合

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

15、與冷加工的分界線，高于再結(jié)晶溫度的壓力加工是熱加工， 低于再結(jié)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(xì)化，機(jī)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(nèi)應(yīng)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(guān)系 二、影響晶粒度的因素 三、細(xì)晶強(qiáng)化方法與應(yīng)用一、金屬晶粒度與材料性能的關(guān)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(xì)小?？梢?，凡是能促進(jìn)形核、抑制長大的因素，都能細(xì)化晶粒。在工業(yè)生產(chǎn)中通常采用如下幾種方法： 晶粒愈細(xì)，晶界愈多，位錯運(yùn)動愈困難，強(qiáng)度與硬度愈高。見雙晶粒試樣拉伸變形示意圖。 細(xì)小的晶粒使金屬具有較好的塑性和韌性。 晶粒細(xì)化可提高金屬強(qiáng)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(zhì)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(jié)晶時的過冷度范圍內(nèi)，過冷度越大，則N/G比值越大，因而晶粒越細(xì)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(dǎo)熱性較強(qiáng)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(zhì)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(zhì)劑），促進(jìn)非均勻形核來細(xì)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(xì)化合金晶粒。在液態(tài)金屬中存在的異質(zhì)微粒，符合前面所述的條件，即可作為晶核。 異質(zhì)微粒含量適當(dāng)

18、時，可以獲得細(xì)晶粒金屬。三、細(xì)晶強(qiáng)化方法與應(yīng)用1、細(xì)晶強(qiáng)化的主要方法2、細(xì)晶強(qiáng)化的應(yīng)用1、細(xì)晶強(qiáng)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(shè)計鑄件的壁厚適當(dāng)。（2）進(jìn)行變質(zhì)處理在液態(tài)合金中加入一定量的變質(zhì)劑作為異質(zhì)晶核以獲得細(xì)晶粒鑄件。（3）振動促進(jìn)形核，破碎枝晶。對正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行機(jī)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(xì)晶強(qiáng)化的應(yīng)用主要應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)領(lǐng)域。細(xì)晶強(qiáng)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(zhì)劑、進(jìn)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(jié)晶退火溫度和時間。（3）對熱處理強(qiáng)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(jié)晶來細(xì)化晶粒。第三章 金屬的合金化一、合金化強(qiáng)化原理二、合金化強(qiáng)化方法與應(yīng)用一、合金化強(qiáng)化原理1、固溶強(qiáng)化 溶質(zhì)原子溶入金屬基體而形成固溶體，使金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性有所下降，這一現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。例如單相的黃銅、