工程材料第2章-金屬的塑性變形和再結(jié)晶課件

1、第二章 金屬的塑性變形和再結(jié)晶 工業(yè)上的金屬材料大多數(shù)要在澆注為鑄錠后經(jīng)過(guò)冷熱壓力加工而發(fā)生塑性變形后再使用。 鑄態(tài)金屬： 鑄件 鑄錠（組織粗大、不均勻、 不致密、偏析） 原因： 改變外形焊合孔洞晶粒細(xì)化 零件毛坯型材。 可塑性壓力加工（水壓機(jī)、鍛打、軋制） 加熱再結(jié)晶(冷加工后） 改善晶粒的大小、形態(tài)、分布 等改善性能 2-1 金屬的塑性變形1 、單晶拉伸試驗(yàn)一、 單晶體金屬的塑性變形單晶體拋光表面出現(xiàn)相互平行斜線。說(shuō)明晶面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 塑性變形是通過(guò)“滑移”完成的。PP單晶體表面出現(xiàn)相互平行的斜線且與外力成45。滑移：晶體的一部分對(duì)于另一部分沿一定晶面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，滑移結(jié)果晶體發(fā)生塑性變

2、形。2 、滑移過(guò)程分析(1) 外力（P）分解為正應(yīng)力（）和切應(yīng)力（）。正應(yīng)力引起彈性變形，而不能造成塑性變形。正應(yīng)力超過(guò)原子間結(jié)合力時(shí)晶體發(fā)生斷裂。PPPPP ： 載荷：正應(yīng)力：切應(yīng)力(2) 切應(yīng)力作用下晶面相對(duì)位移，外力去除后位移不能恢復(fù)。塑性變形只能在切應(yīng)力（）作用下才能發(fā)生?；仆ǔＱ鼐w中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。(4) 金屬晶體中的滑移總是沿著一定的晶面和晶向發(fā)生的滑 移 面： 發(fā)生滑移的晶面就是“滑移面”；滑移方向： 發(fā)生滑移的晶向就是“滑移方向”。(3) 塑性變形后的晶體，在顯微鏡下觀察時(shí)，就能發(fā)現(xiàn)在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)一些線條，稱(chēng)為 ，用電子顯微鏡進(jìn)一步觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些滑移帶都是

3、由許多密集的更細(xì)的線條組成，這種線條稱(chēng)為 。 滑移帶滑移線200 “滑移線” “滑移帶”（A）體心立方晶格滑移系： 6 2 = 12 滑移面： 110 6個(gè) 滑移方向： 2個(gè)。(5) 滑移系： 一個(gè)滑移面和其面上的一個(gè)滑移方向的組成稱(chēng)為“滑移系”（B）面心立方晶格滑移系： 4 3 = 12滑移面： 111 4個(gè) 滑移方向： 3個(gè)1101113、三種典型金屬晶格的滑移系（C）密排六方晶格滑移系： 1 3 = 3滑移面： 六方底面 個(gè) 滑移方向：底面對(duì)角線 個(gè)臨界切應(yīng)力（c）： 能夠發(fā)生滑移的最小切應(yīng)力叫做為)。當(dāng)切應(yīng)力（）滿足 c時(shí)滑移才能發(fā)生。銅的滑移臨界切應(yīng)力：理論計(jì)算 1500 Mpa 實(shí)

4、際測(cè)試 1 MPa4、滑移機(jī)理滑移是由于滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成的。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成滑移示意圖二、 多晶體金屬的塑性變形 1、多晶體和單晶體對(duì)比試驗(yàn) 2、 兩個(gè)晶粒試樣拉伸（一）多晶體拉伸試驗(yàn)（二）塑性變形影響因素1、 晶界對(duì)塑性變形的影響 晶界處原子排列不規(guī)則晶格畸變嚴(yán)重，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻強(qiáng)度、硬度提高； 晶粒細(xì)，變形均勻，減少應(yīng)力集中，推遲裂紋發(fā)生和發(fā)展塑性、韌性好。 晶粒越細(xì)，強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好。通過(guò)壓力加工和熱處理細(xì)化晶粒，是工業(yè)上重要金屬?gòu)?qiáng)化手段。“細(xì)晶強(qiáng)化”。三、 冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 2、 晶粒取向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊?某些取向何時(shí)的晶粒，其分切應(yīng)力有可能先滿足的臨界

5、切應(yīng)力條件而產(chǎn)生滑移。這些晶粒的取向稱(chēng)為“軟位向” 反之謂“硬位向”。 多晶體的塑性變形總是逐批滑移，從不均勻變形逐步發(fā)展到比較均勻的變形。 軟位向硬位向接近45度的位向?yàn)檐浳幌蚪咏?度與90度的位向?yàn)橛参幌颍ㄒ唬C(jī)械性能的變化加工硬化 經(jīng)過(guò)冷態(tài)下塑性變形之后的金屬的機(jī)械性能發(fā)生很大的變化， 。加工硬化：經(jīng)過(guò)冷態(tài)下塑性變形之后，金屬的強(qiáng)度和硬度隨變形量的增加而增加，同時(shí)塑性卻隨之降低，這種現(xiàn)象叫做“加工硬化”或“冷作硬化”。 除了機(jī)械性能的變化，金屬材料的理化性能也有所變化。例：冷拉鋼絲及彈簧。強(qiáng)度提高，塑性降低(二）物理性能變化例：金屬的電阻有所增大 ，抗蝕性降低 。（三） 顯微組織的變化

6、晶粒沿加工方向拉長(zhǎng)。金屬性能 強(qiáng)度和塑性縱向遠(yuǎn)大于橫向。1、晶粒形態(tài)變化 位錯(cuò)在晶界附近堆積并相互纏結(jié)，使晶粒破碎轉(zhuǎn)變成亞晶粒結(jié)構(gòu) 。2、亞結(jié)構(gòu)形成 當(dāng)變形量非常大時(shí)，晶粒拉長(zhǎng)嚴(yán)重變?yōu)槔w維狀。這種纖維狀組織稱(chēng)為織構(gòu)?？棙?gòu)產(chǎn)生各向異性，導(dǎo)致“制耳”。 （但有時(shí)也可利用：如變壓器芯）3、產(chǎn)生織構(gòu)注意：這種各向異性，是偽各向異性。是多晶粒的位向趨同造成的。（四） 出現(xiàn)殘余內(nèi)應(yīng)力塑性變形不均勻?qū)е庐a(chǎn)生平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。外力的變形功90 熱，10的功內(nèi)應(yīng)力。 有三種內(nèi)應(yīng)力。 1、第一種殘余內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力 由而晶粒之間或晶粒內(nèi)部不同區(qū)域間的變形量不同而產(chǎn)生。2、第二種殘余內(nèi)應(yīng)力顯微內(nèi)應(yīng)力 由位錯(cuò)等晶

7、格缺陷在塑性變形過(guò)程中的大量增加引起缺陷附近晶格畸變會(huì)而產(chǎn)生（占總內(nèi)應(yīng)力的大部分）。3、第三種殘余內(nèi)應(yīng)力晶格畸變應(yīng)力 由表層與心部的變形量不同會(huì)而形成 。 殘余應(yīng)力的作用：第一、第二內(nèi)應(yīng)力引起金屬宏觀變形或開(kāi)裂；第三內(nèi)應(yīng)力使強(qiáng)度增加。都使脆性上升，理化性能下降。2-2 冷加工金屬在加熱時(shí)的變化 對(duì)于冷加工后的金屬，由于10%的變形能儲(chǔ)存在金屬中，在加熱時(shí)，隨著溫度的升高，原子活動(dòng)能力提高，在變形能的作用下，就要發(fā)生組織和性能的變化，其主要包括三個(gè)階段：回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大。塑性變形加工硬化加工困難理化性能殘余內(nèi)應(yīng)力加熱退火軟化目的：1.消除加工硬化 使、HB %、 %、ak 2.消除內(nèi)應(yīng)力，

8、但保留加工硬化，使理化性能冷變形后的金屬在較低溫度加熱時(shí)，金屬中的一些 而引起某些晶內(nèi)變化稱(chēng)為回復(fù)。（一）回復(fù)一、回復(fù)與再結(jié)晶1、回復(fù)：回復(fù)后強(qiáng)度和塑性無(wú)明顯變化，而內(nèi)應(yīng)力消除，脆性降低。理化性能(耐蝕性、導(dǎo)電性) 2、性能變化：對(duì)那些需要保留產(chǎn)品的加工硬化性能，同時(shí)需要消除殘余內(nèi)應(yīng)力的工件，可以把熱處理加熱溫度選擇在使其內(nèi)部發(fā)生回復(fù)的溫度，這種熱處理工藝稱(chēng)為“去應(yīng)力退火”。 3、實(shí)際應(yīng)用：點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移冷變形金屬加熱到某一更高的溫度時(shí)，生成新晶粒，而晶格類(lèi)型不變，這種現(xiàn)象叫 。（二） 再結(jié)晶 1、再結(jié)晶： 形核長(zhǎng)大等軸晶粒。當(dāng)加熱溫度繼續(xù)升高時(shí)，金屬內(nèi)晶格畸變嚴(yán)重部位（有大量的位錯(cuò)塞積）

9、形核并長(zhǎng)大，晶粒的外形開(kāi)始發(fā)生變化，從破碎拉長(zhǎng)的晶粒變成新的等軸晶粒。 2、再結(jié)晶過(guò)程：從拉長(zhǎng)和纖維狀變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒。強(qiáng)度和硬度重新下降，塑性和韌性重新提高。加工硬化得以消除。 3、組織和性能變化：再結(jié)晶注意：晶粒的晶格類(lèi)型沒(méi)變，再結(jié)晶過(guò)程沒(méi)有發(fā)生相 變；沒(méi)發(fā)生塑性變形的金屬不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶。 再結(jié)晶完成后繼續(xù)升高溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大 。（三）再結(jié)晶完成后晶粒的長(zhǎng)大1、晶粒正常長(zhǎng)大： 再結(jié)晶后的晶粒均勻、穩(wěn)速地長(zhǎng)大的現(xiàn)象。發(fā)生在再結(jié)晶晶粒細(xì)小且均勻時(shí)。（希望的長(zhǎng)大方式） 2、晶粒異常長(zhǎng)大： 再結(jié)晶后的晶粒不均勻，急劇長(zhǎng)大的現(xiàn)象。在再結(jié)晶粒大小不均時(shí)，大晶粒吞并小晶粒，將得到異常

10、粗大的晶粒，也稱(chēng)“二次再結(jié)晶”。實(shí)質(zhì)晶界遷移過(guò)程 d晶 晶界面積 能量晶粒長(zhǎng)大是自發(fā)的過(guò)程。因?yàn)榇志侨趸?，所以要避免晶粒長(zhǎng)大，特別要避免晶粒的異常。T再不是一個(gè)恒定的溫度，它與許多因素有關(guān)。（一）金屬的再結(jié)晶溫度二、影響再結(jié)晶溫度和晶粒大小的因素1、再結(jié)晶溫度(T再)：冷變形金屬開(kāi)始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度。A. 預(yù)先變形度的影響：金屬的預(yù)先變形程度越大，再結(jié)晶開(kāi)始溫度越低。變形度很大時(shí)，起始再結(jié)晶溫度趨于某一個(gè)恒定值“最低再結(jié)晶溫度” （T再） 。 2、影響再結(jié)晶溫度的因素： T再 0.4T熔 (K)T加 晶粒尺寸,另外加熱時(shí)間長(zhǎng)，也會(huì)使晶粒長(zhǎng)大（二）再結(jié)晶退火后的晶粒大小1、加熱溫度的影響：

11、B. 金屬的純度：微量雜質(zhì)及少量合金元素會(huì)使再結(jié)晶溫度升高。C. 加熱速度快，保溫時(shí)間短，會(huì)提高再結(jié)晶溫度。 因此，綜合結(jié)果，在工業(yè)中制定再結(jié)晶退火溫度為：T退火T再min+100200 再結(jié)晶后的晶粒尺寸對(duì)金材的性能影響很大，所以有必要了解影響它的各種因素影響因素：晶粒大小再結(jié)晶退火加熱溫度 2、變形(程)度的影響：臨界變形度： 變形越大，變形越均勻，再結(jié)晶退火后晶粒越細(xì)。一般選用30-60%的變形度。晶粒大小 2%-10%臨界變形度要加以避免預(yù)先變形度能發(fā)生再結(jié)晶的最小變形量。通常在2%，與材料的退火溫度有關(guān))。此時(shí)再結(jié)晶后的晶粒特別粗大。當(dāng)%臨% 不發(fā)生再結(jié)晶（動(dòng)力不足）當(dāng)%臨% 則發(fā)生

12、再結(jié)晶，且%，則d晶當(dāng)%大到一定量后，由于織構(gòu)形成，則d晶又制定工藝：選擇合適T加 避免在臨界變形變下變形 避開(kāi)臨%2-3 金屬的熱加工一、熱加工與冷加工的區(qū)別 從金屬學(xué)的角度來(lái)看：再結(jié)晶溫度以下的加工稱(chēng)為 冷加工；再結(jié)晶溫度以上的加工稱(chēng)為 熱加工。二、熱加工過(guò)程中的加工硬化與再結(jié)晶1、熱加工引發(fā)加工硬化和再結(jié)晶。由于加熱溫度高于再結(jié)晶溫度，所以因塑性變形引起的2、再結(jié)晶溫度以上變形加工，回復(fù)和再結(jié)晶是邊加工邊發(fā)生。因此是屬于動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。實(shí)際上是加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶相互制約，相互平衡的過(guò)程。 硬化過(guò)程和回復(fù)再結(jié)晶引起的軟化過(guò)程幾乎同時(shí)存在。3、熱加工溫度低、(或)變形量小、(或)變

13、形速率高時(shí)，加工硬化占主導(dǎo)。溫度高、(或)變形量大、(或)變形速率低時(shí)，回復(fù)和在結(jié)晶占主導(dǎo)。純鐵高溫變形的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系示意圖 650700750800850900真應(yīng)力真應(yīng)變當(dāng)溫度恒定，改變應(yīng)變速率時(shí)，提高應(yīng)變速率所起到的作用與降低加工溫度的作用相似。 熱加工還可以改變鑄態(tài)金屬中的成分偏析和夾雜物的分布，使原來(lái)沿著樹(shù)枝晶分布的偏析元素和夾雜物發(fā)生改變，而使它們沿變形方向線形分布，形成在宏觀檢測(cè)時(shí)通常所稱(chēng)的“流線”。流線使金屬的機(jī)械性能出現(xiàn)明顯的各向異性，與流線平行方向的強(qiáng)度、塑性和韌性明顯地大于垂直方向的相應(yīng)性能。 經(jīng)過(guò)熱加工后，可以把鑄態(tài)金屬中粗大的枝晶、枝狀晶以及夾雜物破碎為細(xì)小的晶粒，從而使晶粒細(xì)化。提高強(qiáng)度和韌性。三、熱加工后的組織和性能 通過(guò)熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的氣孔焊合，提高致密度。提高強(qiáng)度和韌性。 1、細(xì)化晶粒：2、提高致密度：3、形成流線：表23 0.45%C鋼熱軋后機(jī)械性能 與流線方向的關(guān)系608294628310175100460