學(xué)習(xí)情境三金屬材料塑性變形對(duì)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(duì)組織性能的影響 金屬的塑性變形對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(guò)程一般可分三個(gè)階段：彈性變形、塑性變形和斷裂。其中對(duì)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(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)?；茙В寒?dāng)試樣經(jīng)過(guò)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(zhǎng)，當(dāng)超過(guò)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(guò)滑移抗力時(shí)引起滑移面兩側(cè)的晶體發(fā)生相對(duì)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(duì)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(duì)，這一過(guò)程不斷重復(fù)，使兩部分晶體發(fā)生相互移動(dòng)。過(guò)程結(jié)束后，晶體恢復(fù)原來(lái)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(chóng) 的 爬 行

5、3、滑移的機(jī)理 滑移是通過(guò)滑移面上位錯(cuò)（一排原子）的運(yùn)動(dòng)來(lái)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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?cè)右苿?dòng)的相對(duì)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(duì)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(lái),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(guò)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?chē)幌虿煌钠渌Я５募s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(guò)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(guò)細(xì)化晶粒來(lái)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(duì)鑄態(tài)使用的合金，可控制鑄造工藝來(lái)

8、細(xì)化晶粒；對(duì)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(lái)細(xì)化晶粒；對(duì)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(lái)細(xì)化晶粒。 注意:（三） 多晶體金屬的塑性變形過(guò)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(lái)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(kāi)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(guò)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(duì)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(kāi)，對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)，形成所謂纖維組織。 單元二 壓力加工對(duì)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(duì)金屬組織與性能的影響1）晶粒被

11、拉長(zhǎng)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(duì)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(lái)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)）的存在，使金屬?gòu)?qiáng)度降低，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，引起零件加工、淬火過(guò)程中的變形和開(kāi)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(zhǎng)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(zhǎng)大。 加熱溫度 黃銅二、冷塑性變形金屬在加熱過(guò)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(zhǎng)大都是減少

14、或消除結(jié)構(gòu)缺陷的過(guò)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(duì)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(wú)序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植?，形成亞晶界，這一過(guò)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(lái)的組織性能變化工業(yè)上常利用回復(fù)過(guò)程對(duì)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(zhǎng)（或壓扁）、破碎的晶粒沿著高密度位錯(cuò)的原晶粒邊界，通過(guò)重新生核、長(zhǎng)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(lèi)型和成分完全相同； 是形核與長(zhǎng)大的過(guò)程； 再結(jié)晶沒(méi)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(lái)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(lèi)型與變形前、變形

16、后的晶格類(lèi)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(zhǎng)大 再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，這是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。晶粒的長(zhǎng)大是通過(guò)晶界遷

17、移進(jìn)行的，是大晶粒吞并小晶粒的過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)大也越 。再結(jié)晶退火溫度對(duì)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(guò)大（約90%)：再次出現(xiàn)異常長(zhǎng)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(lái)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(duì)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?，?duì)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