教學課件金屬及熱處理

1、 金屬學及熱處理第六章 金屬及合金的塑性變形與斷裂為什么探討金屬及合金塑性變形?意義?引言鑄態(tài)組織-(鑄件和鑄錠)-壓力加工(軋制、鍛造、擠壓等）-型材和工件經過壓力加工后,不僅材料的形狀和尺寸發(fā)生變化,組織和性能也發(fā)生相應的變化強度、硬度、塑性、韌性或斷裂 一方面可以揭示金屬材料強度和塑性的實質,以探討強化金屬材料的方法和途徑; 另一方面為工程實際中的塑性變形問題提供重要的線索和參考,作為改進工藝或提高加工質量的依據.教學目的:1 闡明金屬塑性變形的主要特點及本質； 2 指出塑性變形對金屬組織和性能的影響； 3 揭示加工硬化的本質與意義。 重點： （1）塑性變形的宏觀變形規(guī)律與微觀機制 （2

2、）晶體缺陷對塑性變形的影響； （3）金屬塑性變形后的組織與性能； （4）加工硬化的本質及實際意義，殘余應力。難點：（1）塑性變形的位錯機制 （2）形變織構與纖維組織的差別 。6.1 金屬的變形特性一、工程應力-應變曲線從此曲線上，可以看出低碳鋼的變形過程有如下特點： 當應力低于e 時，應力與試樣的應變成正比，應力去除，變形消失，即試樣處于彈性變形階段，e 為材料的彈性極限，它表示材料保持完全彈性變形的最大應力。 當應力超過e 后，應力與應變之間的直線關系被破壞，并出現屈服平臺或屈服齒。如果卸載，試樣的變形只能部分恢復，而保留一部分殘余變形，即塑性變形，這說明鋼的變形進入彈塑性變形階段。s稱為材

3、料的屈服強度或屈服點，對于無明顯屈服的金屬材料，規(guī)定以產生0.2%殘余變形的應力值為其屈服極限。 當應力超過s后，試樣發(fā)生明顯而均勻的塑性變形，若使試樣的應變增大，則必須增加應力值，這種隨著塑性變形的增大，塑性變形抗力不斷增加的現象稱為加工硬化或形變強化。 當應力達到b時試樣的均勻變形階段即告終止，此最大應力b稱為材料的強度極限或抗拉強度，它表示材料對最大均勻塑性變形的抗力。 在b值之后，試樣開始發(fā)生不均勻塑性變形并形成縮頸，應力下降，最后應力達到k時試樣斷裂。k為材料的條件斷裂強度，它表示材料對塑性的極限抗力?？s頸現象 真應力-真應變曲線，它不像應力-應變曲線那樣在載荷達到最大值后轉而下降，

4、而是繼續(xù)上升直至斷裂，這說明金屬在塑性變形過程中不斷地發(fā)生加工硬化，從而外加應力必須不斷增高，才能使變形繼續(xù)進行，即使在出現縮頸之后，縮頸處的真實應力仍在升高，這就排除了應力-應變曲線中應力下降的假象。二、真應力-應變曲線三、金屬的彈性變形 彈性模量越大,彈性變形越不容易! 彈性模量是決定材料剛度的指標. 彈性模量的大小主要取決于原子間的結合力，而與材料內部組織結構無關，即屬于結構不敏感的性能=E 在彈性變形階段，應力與應變呈線性關系，服從胡克定律，在切應力作用下：6.2單晶體的塑性變形晶體只有在切應力作用下才發(fā)生塑性變形。塑性變形方式:滑移或孿生一、滑移 滑移：晶體一部分沿一定晶面和一定晶向

5、與另一部分產生相對滑動。1、滑移帶與滑移線 單晶體表面變形是所顯示的滑移條紋，稱為滑移帶(金相顯微鏡)，而滑移帶又是由一簇相互平行的滑移線(電子顯微鏡)組成。2、滑移系 滑移是晶體一部分沿一定晶面和一定晶向與另一部分產生相對滑動。 滑移面是晶體中原子排列最緊密的面，而滑移方向是原子排列最緊密的方向。 晶體的一個滑移面與該面上的一個滑移方向，組成一個滑移系。 滑移系越多,則滑移時可供采用的空間位向也越多,該金屬的塑性越好! 如FCC和BCC的滑移系為12個，HCP為3個，FCC的滑移方向多于BCC，金屬塑性如：Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶

6、格，體心立方晶格好于密排六方晶格。為什么晶體中原子排列最緊密的面是滑移面，而原子排列最緊密的方向是滑移方向?-Fe 、 Cu 、 Al 、 Ag都具有12個滑移系，為什么-Fe比Cu 、 Al 、 Ag 的塑性要差?兩個問題3、滑移的臨界分切應力 取決于力在滑移面內沿滑移方向的切應力大??！A為晶體橫截面積，為滑移面與橫截面夾角，為外力F與滑移方向的夾角。于是，外力在該滑移面沿滑移方向的分切應力可寫成：4、滑移時晶體的轉動單晶體滑移時，往往伴隨晶體的轉動。5、多系滑移 滑移在多組滑移系中同時進行或交替進行。 利用剛性滑移計算出的金屬的屈服強度值與實測值有較大的差異，說明金屬的滑移不是剛性滑移，而

7、是利用金屬中的位錯進行的。（1）位錯運動與晶體滑移6、滑移的位錯機制 在晶體滑移過程中，存在著位錯不斷增殖的現象，典型的如弗蘭克-瑞德位錯源機制。（2）位錯的增殖（3）位錯的交割與塞積 不同滑移面上運動著的位錯相遇時，發(fā)生互相交割并形成割階，這一方面增加位錯線長度，另一方面可能形成一種位錯難以運動的固定割階，成為后續(xù)位錯運動的阻礙。 在切應力作用下，弗蘭克-瑞德位錯源產生的大量位錯沿滑移面的運動過程中，若遇到障礙物（固定位錯、雜質粒子、晶界等），領先位錯在障礙前被阻止，后續(xù)位錯被堵塞起來，形成位錯塞積。 二、孿生 孿生：晶體一部分相對于另一部分在切應力作用下沿特定晶面與晶向產生一定角度的均勻切

8、變。 孿生是冷塑性變形的另一種重要形式，常作為滑移不易進行時的補充。 一些密排六方的金屬如Cd, Zn，Mg等常發(fā)生孿生變形。 體心立方及面心立方結構的金屬在形變溫度很低形變速率極快時，也會通過孿生方式進行塑變。孿生與滑移有如下差別：(1)孿生使一部分晶體發(fā)生了均勻切變，而滑移只集中在一些滑移面上進行。(2)孿生后晶體的變形部分的位向發(fā)生了改變，滑移后晶體各部分位向均未改變。(3)孿生變形時，孿晶帶中每層原子沿孿生方向的位移量都是原子間距的分數值，而滑移為原子間距的整數倍。（4）孿生變形所需的切應力比滑移變形大得多，故孿生變形大多發(fā)生在滑移比較困難的情況下，如密排六方金屬、體心立方金屬在低溫下

9、的變形或受沖擊時。 孿生對塑變的直接貢獻比滑移小很多。6.3多晶體的塑性變形一、多晶體的塑性變形過程 實際使用的材料通常是由多晶體組成的多晶體的塑性變形較為復雜! 多晶體中每個晶粒變形的基本方式與單晶體相同，但由于相鄰晶粒之間取向不同，以及晶界的存在，因而多晶體的變形既需克服晶界的阻礙，又要求各晶粒的變形相互協(xié)調與配合!多晶體的塑性變形特點:1.各晶粒變形的不同時性;2.各晶粒變形的相互協(xié)調性;3.各晶粒變形的不均勻性;二、晶粒大小的影響 多晶體由不同取向的晶粒組成，塑性變形時，晶粒取向不同，故滑移時，晶粒之間會相互制約、相互影響(位錯交割)。晶界處位錯受阻,以上兩者均能提高材料的強度!-細晶

10、強化 對純金屬、單相合金或低碳鋼都發(fā)現室溫屈服強度和晶粒大小有以下關系： 式中的d為晶粒的平均直徑，k為比例常數。這是個經驗公式，但又表達了一個普遍規(guī)律。該公式常稱為霍爾-佩奇(Hall-Petch)關系。 細晶強化是強化金屬材料的一種極為重要的方法 ! 僅可以提高材料的強度嗎? 塑性材料的晶粒愈細，不僅強度愈高，而且塑性與韌性也較高。 原因：因為晶粒愈細，單位體積中晶粒數量便愈多，變形時同樣的形變量便可分散在更多的晶粒中發(fā)生，晶粒轉動的阻力小，晶粒間易于協(xié)調，產生較均勻的變形，不致造成局部的應力集中，而引起裂紋的過早產生和發(fā)展。因而斷裂前便可發(fā)生較大的塑性形變量(伸長率大)，吸收更多的能量,

11、具有較高的沖擊載荷抗力(韌性好)。 工程意義：所以在工業(yè)上通過各種方法(凝固、壓力加工、熱處理)使材料獲得細而均勻的晶粒，是目前提高材料力學性能的有效途徑之一。 6.4合金的塑性變形一、單相固溶體的塑性變形單相固溶體合金中存在溶質原子。溶質原子對合金塑性變形的影響主要表現在固溶強化作用，提高了塑性變形的阻力。溶質原子的存在及其固溶度的增加，使基體金屬的變形抗力隨之提高。 固溶強化是提高材料強度的另一重要手段（1）在固溶體的溶解度范圍內,溶質的質量分數越大,強化作用越大。 （2）溶質原子與基體金屬的原子尺寸相差越大，強化作用也越大。 （3）間隙型溶質原子比置換原子具有較大的固溶強化效果。 （4）

12、溶質原子與基體金屬的價電子數相差越大，固溶強化作用越顯著。 不同溶質原子所引起的固溶強化效果存在很大差別!二、多相合金的塑性變形（一）合金中兩相性能相近 當組成合金的兩相含量相差不大，晶粒尺寸屬同一數量級，且都為塑性相時，則合金的變形能力取決于兩相的體積分數。 1、硬而脆的第二相呈連續(xù)網狀分布在塑性相的晶界上這種情況最惡劣，會使合金塑性與韌性急劇下降。生產上可以通過熱加工和熱處理相互配合來破壞或消除網狀分布。（二）合金中兩相性能相差較大2、脆性第二相呈片狀或層狀分布在塑性基體上 如鋼中珠光體組織，此時，材料性能與兩相片層間距有關，也可用霍爾-佩奇公式描述：3、脆性相在塑性相中呈顆粒狀分布 當脆

13、性相在塑性相中呈顆粒狀分布時，會使強度降低，而塑性和韌性得到顯著改善；若第二相以細小彌散的微粒均勻分布于基體相中時，則會產生顯著的強化作用。第二相粒子的強化作用是通過其對位錯運動的阻礙作用而表現出來的。這又分兩種情況：第二相粒子的強化!（1）位錯繞過第二相粒子(2) 位錯切過第二相粒子6.5塑性變形對金屬組織和性能的影響一、塑性變形對組織結構的影響 除了每個晶粒內部出現大量的滑移帶或孿晶帶外，隨著變形度的增加，原來的等軸晶粒將逐漸沿其變形方向伸長。當變形量很大時，晶粒變得模糊不清，晶粒已難以分辨而呈現出一片如纖維狀的條紋，稱為纖維組織。纖維的分布方向即是材料流變伸展的方向。（一）顯微組織的變化

14、 經塑性變形后，金屬材料的顯微組織發(fā)生明顯的改變。（二）亞結構的變化 金屬晶體在塑性變形的過程中由于應力的作用而使位錯不斷增殖，同時晶粒的碎化也將產生大量位錯。 因此，隨變形度的增大，晶體中位錯密度迅速提高。一般金屬經劇烈冷變形后，其位錯密度可由變形前的106107/cm2（退火態(tài)）增至10111012/cm2。 金屬經一定量的塑性變形后，晶粒中的位錯線通過運動與交互作用，開始呈現紛亂的不均勻分布，形成位錯纏結； 進一步增加變形度時，大量位錯發(fā)生聚集，并由纏結的位錯組成胞狀亞結構 隨變形度增加，變形胞數量增多、尺寸減小。 在冷變形時，不同位向的晶粒隨著變形程度的增加，在先后進行滑移過程中其滑移

15、系逐漸趨于受力方向轉動。 而當變形達到一定程度后，各晶粒的取向基本一致，該過程稱為擇優(yōu)取向，而變形金屬產生擇優(yōu)取向的結構，稱為形變織構。（三）形變織構 形變織構隨加工變形方式不同主要有兩種類型： 拔絲形成絲織構，其特征為各晶粒的某一晶向大致與拔絲方向平行； 軋板時形成板織構，其主要特征為各晶粒的某一晶面和晶向分別趨于同軋面與軋向平行。工程應用:不利的(大部分)和有利的不利的現象: 制耳現象 如有織構的金屬板材沖制筒形零件時，由于不同方向上塑性的差別較大，深沖之后零件的邊緣不齊出現“制耳”有利的現象: 變壓器硅鋼片利用織構可大大提高變壓器的效率 例如，制作變壓器鐵心的硅鋼片，沿001晶向最易磁化

16、，如果采用具有001織構的硅鋼片制作，并在工作時使001晶向平行于磁場方向，則可使變壓器鐵心的磁導率明顯增加，磁滯損耗降低，從而提高變壓器的效率。二、塑性變形對金屬性能的影響（一）加工硬化 材料在變形后，強度、硬度顯著提高，而塑性、韌性明顯下降,這一現象即為加工硬化或形變強化。 加工硬化是強化金屬的一種重要方式，有其實用意義。加工硬化的作用： 對不能熱處理強化的金屬，加工硬化是其強化的重要手段； 提高工件使用過程的安全性。加工硬化的工程意義：加工硬化是強化材料的重要手段，尤其是對于那些不能用熱處理方法強化的金屬材料。 加工硬化有利于金屬進行均勻變形。因為金屬已變形部分產生硬化，將使繼續(xù)的變形主

17、要在未變形或變形較少的部分發(fā)展。加工硬化給金屬的繼續(xù)變形造成了困難，加速了模具的損耗，在對材料要進行較大變形量的加工中將是不希望的，在金屬的變形和加工過程中常常要進行“中間退火”以消除這種不利影響，因而增加了能耗和成本。 （二）塑性變形對對其它性能的影響 電阻率升高，電阻溫度系數下降；導磁率下降；抗腐蝕性減弱等。三、殘余應力 塑性變形中外力所作的功除大部分轉化成熱之外，還有一小部分以畸變能的形式儲存在形變材料內部。這部分能量叫做儲存能。儲存能的具體表現方式為：宏觀殘余應力、微觀殘余應力及點陣畸變。按照殘余應力平衡范圍的不同，通?？蓪⑵浞譃槿N：1、第一類內應力，又稱宏觀殘余應力 它是由工件不同

18、部分的宏觀變形不均勻性引起的，故其應力平衡范圍包括整個工件。例如，將金屬棒施以彎曲載荷，則上邊受拉而伸長，下邊受到壓縮；變形超過彈性極限產生了塑性變形時，則外力去除后被伸長的一邊就存在壓應力，短邊為張應力。這類殘余應力所對應的畸變能不大，僅占總儲存能的0.1左右。2、第二類內應力，又稱微觀殘余應力 它是由晶粒或亞晶粒之間的變形不均勻性產生的。其作用范圍與晶粒尺寸相當，即在晶?；騺喚ЯＶg保持平衡。這種內應力有時可達到很大的數值，甚至可能造成顯微裂紋并導致工件破壞。3、第三類內應力，又稱點陣畸變。 其作用范圍是幾十至幾百納米，它是由于工件在塑性變形中形成的大量點陣缺陷（如空位、間隙原子、位錯等）引起的。 變形金屬中儲存能的絕大部分（8090）用于形成點陣畸變。這部分能量提高了變形晶體的能量，使之處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，故它有一種使變形金屬重新恢復到自由焓最低的穩(wěn)定結構狀態(tài)的自發(fā)趨勢，并導致塑性變形金屬在加熱時的回復及