學(xué)習(xí)情境三金屬材料塑性變形對組織性能的影響ppt課件

1、學(xué)習(xí)情境三金屬的塑性變形對組織性能的影響 金屬的塑性變形對組織性能的影響 知識(shí)目標(biāo) 1了解單晶體金屬塑性變形的主要形式； 2了解冷塑性變形對金屬組織和性能的影響； 3了解熱加工與冷加工的區(qū)別； 4. 了解斷裂的方式及斷裂發(fā)生的原因。單元 一金屬的塑性變形單元 二壓力加工對金屬組織與性能的影響單元 三金屬的斷裂 金屬的塑性變形對組織性能的影響 金屬經(jīng)熔煉澆注成鑄錠以后，通常要進(jìn)行各種壓力加工，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，以及零件毛坯或零件，并可以消除鑄造過程中的某些缺陷。壓力加工的實(shí)質(zhì)就是塑性變形。 單元一 金屬的塑性變形一、金屬

2、材料變形特性材料在外力的作用下，變形過程一般可分三個(gè)階段：彈性變形、塑性變形和斷裂。其中對組織和性能影響最大的是塑性變形階段。單晶體的滑移多晶體單晶體塑性變形基本形式：滑移和孿生。二、單晶體的塑性變形1、滑移定義滑移：指晶體在切應(yīng)力的作用下， 晶體的一部分沿一定的晶面 (滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發(fā)生滑動(dòng)。滑移帶：當(dāng)試樣經(jīng)過塑性變形后，在顯微鏡下觀察，可在表面看到許多相互平行的線條，稱之為滑移帶。若干條滑移線組成一個(gè)滑移帶。（一）滑移2、滑移的特點(diǎn)： 正應(yīng)力只能引起彈性變形及斷裂。 只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶拉伸

3、照片(1)滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。正應(yīng)力：僅使晶格產(chǎn)生彈性伸長，當(dāng)超過原子間結(jié)合力時(shí)，使將晶體拉斷；切應(yīng)力 ：使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，在超過滑移抗力時(shí)引起滑移面兩側(cè)的晶體發(fā)生相對滑動(dòng)。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力。 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。 沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。 2、滑移的特點(diǎn)：(2) 滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生 一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。X62、滑移的特點(diǎn)：滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移

4、面更大。2、滑移的特點(diǎn)：2、滑移的特點(diǎn)：切應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)，滑移面兩原子對間發(fā)生切變，發(fā)生分離，并使其在相鄰位置上形成新的原子對，這一過程不斷重復(fù)，使兩部分晶體發(fā)生相互移動(dòng)。過程結(jié)束后，晶體恢復(fù)原來的結(jié)構(gòu)，整個(gè)滑移的間距為原子的整數(shù)倍，并在晶體表面留下臺(tái)階。(3)滑移的結(jié)果產(chǎn)生滑移帶，滑移的距離是原子間距的整數(shù)倍轉(zhuǎn)動(dòng)的原因：晶體滑移使試樣兩端的拉力不再處于統(tǒng)一軸線，產(chǎn)生一個(gè)力矩使滑移面轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)果：滑移面趨向與拉伸軸平行，使外力作用在同一直線，使切應(yīng)力分量大，更易于變形。2、滑移的特點(diǎn)：滑移后, 滑移面兩側(cè)晶體的結(jié)構(gòu)、位向關(guān)系未發(fā)生變化。(4) 滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)多 腳 蟲 的 爬 行

5、3、滑移的機(jī)理 滑移是通過滑移面上位錯(cuò)（一排原子）的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。（二）孿生孿生：切應(yīng)力作用下晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生均勻的移動(dòng)。發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面，孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對稱。 密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。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。面心立方晶格金屬，一般不發(fā)生孿生變形，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，這是由于相變過程中原子重新排列時(shí)發(fā)生錯(cuò)排而產(chǎn)生的，稱退火孿晶。奧氏體不銹鋼中退火孿晶鈦合金六方相中的形變孿晶（1） 滑移和孿生均在切應(yīng)力作用下，沿一定晶面的一定晶向進(jìn)行，產(chǎn)生塑性變形。孿生使一

6、部分晶體發(fā)生均勻移動(dòng)，滑移時(shí)伴隨的移動(dòng)只集中在滑移面上。 （2）孿生所需要的臨界切應(yīng)力比滑移大得多，變形速度極快，接近于聲速。在滑移較難進(jìn)行時(shí)發(fā)生孿生。（3）滑移位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)原子移動(dòng)的相對位移是原子間距的整數(shù)值不引起晶格位向的變化； 孿生晶格切變原子移動(dòng)的相對位移是原子間距的分?jǐn)?shù)值孿晶晶格位向改變促進(jìn)滑移。（4）孿生產(chǎn)生的塑性變形量小， 但引起的晶格畸變大?；坪蛯\生:（一）晶界及晶粒位向差的影響 1. 晶界的影響 當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，由于晶界處的原子排列紊亂，缺陷和雜質(zhì)多，能量高，對位錯(cuò)的滑移起阻礙作用，位錯(cuò)受到晶界的阻礙而堆積起來,稱位錯(cuò)的塞積。使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，從而使金屬的變形抗力提高

7、。三、 多晶體的塑性變形單個(gè)晶粒變形與單晶體相似。而多晶體變形是一個(gè)不均勻的塑性變形過程。2. 晶粒位向的影響 由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一處利于滑移方向晶粒發(fā)生滑移時(shí)，必然受到周圍位向不同的其他晶粒的約束，使滑移受到阻礙，從而提高金屬塑性變形抗力。（二） 晶粒大小的影響細(xì)晶強(qiáng)化晶粒越細(xì)晶界越 ，不同位向的晶粒也越 滑移抗力 強(qiáng)度晶粒越細(xì)晶粒數(shù)目越 變形均勻性 應(yīng)力集中，裂紋過早產(chǎn)生、擴(kuò)展 塑性、韌性晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。細(xì)晶強(qiáng)化：通過細(xì)化晶粒來同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法稱細(xì)晶強(qiáng)化。 細(xì)晶強(qiáng)化是唯一的使材料的強(qiáng)度和塑性同時(shí)提高的強(qiáng)化方法。對鑄態(tài)使用的合金，可控制鑄造工藝來

8、細(xì)化晶粒；對熱軋或冷變形后退火態(tài)使用的合金，可調(diào)整變形度和再結(jié)晶退火溫度來細(xì)化晶粒；對熱處理強(qiáng)化態(tài)使用的合金可控制奧氏體化溫度，利用相變重結(jié)晶來細(xì)化晶粒。 注意:（三） 多晶體金屬的塑性變形過程 多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45的晶粒。當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系銅多晶試樣拉伸后形成的滑移帶上的位錯(cuò)開動(dòng)，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。 （一） 單相固溶體合金的塑性變形 單相固溶體合金組織與純金屬相同，其塑性變形過程也與多晶體純金屬相似。但隨溶質(zhì)含量增加

9、，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱固溶強(qiáng)化。 固溶強(qiáng)化四、 合金的塑性變形（二元） 固溶強(qiáng)化的原因，是由于溶質(zhì)原子與位錯(cuò)相互作用的結(jié)果，溶質(zhì)原子不僅使晶格發(fā)生畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，而且易被吸附在位錯(cuò)附近，使位錯(cuò)被釘扎住，位錯(cuò)要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高。 （二） 多相合金的塑性變形與彌散強(qiáng)化 合金的塑性變形除與合金基體的性質(zhì)有關(guān)外，還與第二相 的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。 1、 第二相在晶界呈網(wǎng)狀分布時(shí)，對合金的強(qiáng)度和塑性不利；2、 第二相在晶內(nèi)呈片狀分布時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度，但會(huì)降低塑性和韌性；珠光體3、第二相在晶內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時(shí) 不可變形顆粒（硬）不易被切

10、變，因而阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，形成位錯(cuò)環(huán)，提高了變形抗力。顆粒釘扎作用的電鏡照片位錯(cuò)切割第二相粒子電鏡觀察可變形顆粒（軟顆粒）將被位錯(cuò)切開，對位錯(cuò)有一定的阻滯作用。第二相在晶內(nèi)呈彌散質(zhì)點(diǎn)分布時(shí)，可顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度，且分散的質(zhì)點(diǎn)越多、越細(xì)，這種對材料的強(qiáng)化作用越強(qiáng)。 這種強(qiáng)化方法稱彌散強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化。彌散強(qiáng)化 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。 單元二 壓力加工對金屬組織與性能的影響1.金屬組織的變化一、冷塑性變形對金屬組織與性能的影響1）晶粒被

11、拉長成纖維狀 金屬經(jīng)大的塑性變形時(shí)，由于位錯(cuò)的密度增大和發(fā)生交互作用，大量位錯(cuò)堆積在局部地區(qū)，并相互纏結(jié)， 形成不均勻的分布，使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊，而在晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞晶粒。 5%冷變形純鋁中的位錯(cuò)網(wǎng)金屬變形后的亞結(jié)構(gòu)2）亞結(jié)構(gòu)細(xì)化 金屬塑性變形到很大程度(70%以上)時(shí)，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使各晶粒的位向趨近于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向，這種有序化的結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。板織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖各向異性導(dǎo)致的“制耳”變形前變形后絲織構(gòu)各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向板織構(gòu)各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向3）變形織構(gòu)隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬

12、化。加工硬化原因：塑性變形位錯(cuò)移動(dòng)位錯(cuò)大量增殖相互作用運(yùn)動(dòng)阻力加大變形抗力強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性2.金屬性能的變化1）性能影響使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。影響金屬的物理、化學(xué)性能 金屬經(jīng)塑性變形后，使電阻增大，耐蝕性降低。加工硬化意義： 1）一種有效的強(qiáng)化手段，對不能用熱處理方法強(qiáng)化的合金尤其重要；2）均勻塑性變形和壓力加工的保證；3）金屬具有較好的變形強(qiáng)化能力，具有防止短時(shí)超載斷裂能力，保證構(gòu)件安全性；4）塑性，切削性能不利：塑性變形困難，給進(jìn)一步變形帶來困難 中間退火消除wC=0.27%的碳鋼冷拔時(shí)力學(xué)性能的變化（去除外力后殘留于且平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力）。第一類內(nèi)應(yīng)力宏觀，表面和心部，塑性變

13、形不均勻造成；第二類內(nèi)應(yīng)力微觀，晶粒間或晶內(nèi)不同區(qū)域變形不均；第三類內(nèi)應(yīng)力超微觀，晶格畸變（90%）。內(nèi)應(yīng)力（特別是第一、二類）的存在，使金屬強(qiáng)度降低，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力3.產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力 金屬經(jīng)冷變形后, 組織處于不穩(wěn)定狀態(tài), 有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可長時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。 加熱溫度 黃銅二、冷塑性變形金屬在加熱過程中的組織和性能變化冷變形金屬在加熱時(shí)的組織性能變化 回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒的長大都是減少

14、或消除結(jié)構(gòu)缺陷的過程。相應(yīng)材料的內(nèi)應(yīng)力、晶粒尺寸、強(qiáng)度、塑性等性能也發(fā)生對應(yīng)變化。 一、 回復(fù)回復(fù)是指在加熱溫度較低時(shí)，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)相遇 合并而使缺陷數(shù)量減少等，但 仍保持高密度位錯(cuò)。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使其由冷塑性變形時(shí)的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植迹纬蓙喚Ы?，這一過程稱多邊形化。（1） 宏觀應(yīng)力基本去除，微觀應(yīng)力仍然殘存；（2）力學(xué)性能，如硬度和強(qiáng)度稍有降低，塑性稍有提高； （3）光學(xué)金相組織看不出任何變化。回復(fù)帶來的組織性能變化工業(yè)上常利用回復(fù)過程對變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火、以降低殘余內(nèi)應(yīng)力， 保留加工硬化效果。二、再結(jié)

15、晶再結(jié)晶：被拉長（或壓扁）、破碎的晶粒沿著高密度位錯(cuò)的原晶粒邊界，通過重新生核、長大變成新的均勻、細(xì)小的等軸晶，位錯(cuò)數(shù)目大大減少，基本消失。鐵素體變形80%670加熱650加熱再結(jié)晶的特點(diǎn) 不是相變，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同； 是形核與長大的過程； 再結(jié)晶沒有確定的轉(zhuǎn)變溫度。純金屬：TR=0.4-0.35Tm(K)合金：TR=0.5-0.7Tm(K)再結(jié)晶帶來的組織、性能變化（1）變形金屬進(jìn)行再結(jié)晶后，金屬的強(qiáng)度和硬度明顯，而塑性和韌性，加工硬化現(xiàn)象被消除， 此時(shí)內(nèi)應(yīng)力全部消失，（2）物理、化學(xué)性能基本上恢復(fù)到變形以前的水平。（3）再結(jié)晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前、變形

16、后的晶格類型均一樣。消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度常比再結(jié)晶溫度高100 200。 影響再結(jié)晶溫度的因素（1）預(yù)先變形度 預(yù)先變形度越大，晶粒破碎越嚴(yán)重，缺陷越多，組織越不穩(wěn)定，再結(jié)晶溫度越低。但變形量達(dá)一定值后，再結(jié)晶溫度變化很小。純金屬 TR 0.4Tm(K)；（2）金屬的純度 雜質(zhì)或合金元素，特別是高熔點(diǎn)元素，會(huì)阻礙原子的擴(kuò)散或晶界的遷移，提高再結(jié)晶溫度。合金：TR=0.50.7Tm(K)（3）退火加熱速度 加熱速度越快，再結(jié)晶溫度越低。三、 再結(jié)晶后的晶粒長大 再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個(gè)自發(fā)的過程。晶粒的長大是通過晶界遷

17、移進(jìn)行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會(huì)使金屬的強(qiáng)度，尤其是塑性和韌性降低 。580C保溫8秒后的組織580C保溫15分后的組織700C保溫10分后的組織黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大三、影響再結(jié)晶退火后晶粒度的因素（1）加熱溫度加熱溫度越，原子擴(kuò)散能力越 ，則晶界越易遷移，晶粒長大也越 。再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響（2）預(yù)先變形程度的影響 臨界變形度：變形度越，再結(jié)晶核心越 ，再結(jié)晶 后的晶粒越 變形度過大（約90%)：再次出現(xiàn)異常長大 （由形變織構(gòu)造成 ）熱加工再結(jié)晶溫度冷加工熱加工時(shí):熱加工時(shí)產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消，因而熱加工不會(huì)帶來加工硬化效果。原晶粒變形晶粒新形成的小晶粒全部新晶粒殘留的變形晶粒三、熱壓力加工對金屬組織和性能的影響1.熱加工與冷加工的區(qū)別熱加工與冷加工的特點(diǎn)熱加工的特點(diǎn)：不顯示加工硬化現(xiàn)象，變形后獲得再結(jié)晶組織冷加工的特點(diǎn)：有加工硬化現(xiàn)象，變形后獲得加工硬化組織2.熱加工的特點(diǎn)及其應(yīng)用生產(chǎn)周期短（1）（2）（3）（4）優(yōu)點(diǎn)：改善鑄錠和坯料的組織性能形成熱變形纖維組織變形抗力低，塑性韌性提高不足：12345產(chǎn)生帶狀組織。加工制造細(xì)或薄的工件較困難。產(chǎn)品表面質(zhì)量和尺寸精確度較差，金屬的消耗較大。產(chǎn)品的強(qiáng)度不高。熱加工時(shí)，因?yàn)闇囟雀?，對金屬起到了軟化的作用。組織與性能的不均勻。6含有低熔點(diǎn)的合金不宜熱加工。 金屬熱加工時(shí)組織和性能的變