金屬的塑性變形與再結(jié)晶

1、金屬的塑性變形與再結(jié)晶第1頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四一、金屬的塑性變形1單晶體的塑性變形2多晶體的塑性變形3塑性變形對金屬組織和性能的影響第2頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四1單晶體的塑性變形單晶體變形的基本形式 彈性變形、塑性變形（ 方式：滑移 和 孿生）正應(yīng)力使晶格發(fā)生彈性變形或斷裂切應(yīng)力使晶格發(fā)生彈性歪扭或塑性變形塑性變形的實(shí)質(zhì) 原子移動(dòng)到新的穩(wěn)定位置第3頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四滑 移 在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生滑動(dòng)。滑移的實(shí)現(xiàn) 借助于

2、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)第4頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四 滑移是晶體內(nèi)部位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。并非是晶體兩部分沿滑移面作整體的滑動(dòng)。 滑移只在切應(yīng)力作用下發(fā)生，不同金屬產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力大小不同?；频奶攸c(diǎn)： 滑移造成的晶體總變形量是原子間距的整數(shù)值，不引起晶格位向的變化。 滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向進(jìn)行。（滑移系） 滑移時(shí)晶體伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng)。第5頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四滑移系（滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向），滑移系數(shù)目，材料塑性；滑移方向，材料塑性。如FCC和BCC的滑移系為12個(gè)，HCP為3個(gè)，F(xiàn)CC的滑移

3、方向多于BCC，金屬塑性如Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。第6頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四孿生 在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變，產(chǎn)生塑性變形。金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生面兩側(cè)形成鏡面對稱關(guān)系。發(fā)生孿生的部分（切變部分）稱為孿生帶或?qū)\晶。孿生借助于切變進(jìn)行，所需切應(yīng)力大，速度快，在滑移較難進(jìn)行時(shí)發(fā)生. 特點(diǎn)：孿生原子移動(dòng)的相對位移是原子間距的分?jǐn)?shù)值. FCC金屬一般不發(fā)生孿生，少數(shù)在極低溫度下發(fā)生，BCC金屬僅在室溫或受沖擊時(shí)發(fā)生。HCP金屬較容易發(fā)生孿生。 第7頁，共32頁，2022年

4、，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四黃銅中的孿晶鋅中的孿晶第8頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四金屬材料塑性變形的實(shí)質(zhì)：金屬塑性變形實(shí)質(zhì)上是以滑移和孿生兩種形式通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行的。 第9頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四2、多晶體的塑性變形多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復(fù)雜。第10頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四2、多晶體的塑性變形（A）晶界的影響 晶界起強(qiáng)化作用（ B）晶粒位向的影響 軟位向、硬位向。 多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復(fù)雜。第11頁，共32頁，2

5、022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四細(xì)晶強(qiáng)化通過晶粒細(xì)化使強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性提高的現(xiàn)象。強(qiáng)化原理晶界原子排列較不規(guī)則缺陷多滑移阻力大。晶粒越細(xì)小，則晶界越多，變形抗力越大，則強(qiáng)度越大。晶粒越細(xì)小，單位體積晶粒多變形分散減少應(yīng)力集中 晶粒越細(xì)小，晶界越多且越曲折不利于裂紋的傳播斷裂前承受較大的塑性變形，則塑性越好。 由于晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度越高，塑性越好，所以斷裂時(shí)需要消耗較大的功。因而韌性也較好。第12頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四3、塑性變形對金屬組織和性能的影響（1）塑性變形對金屬組織的影響 形成纖維組織 形成亞結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生形變織構(gòu)（2）塑性變形對金屬性能的

6、影響 產(chǎn)生加工硬化金屬發(fā)生塑性變形,隨冷變形程度的增大，其強(qiáng)度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象。如：冷軋薄鋼板 冷拔鋼絲等。 由于纖維組織和形變織構(gòu)的產(chǎn)生，使金屬性能產(chǎn)生各向異性。使金屬晶體缺陷增多，并產(chǎn)生殘余應(yīng)力。變形、開裂、耐蝕性下降。利用好可提高表面疲勞強(qiáng)度第13頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四變形10% 100變形40% 100 變形80%纖維組織100 工業(yè)純鐵不同變形度的顯微組織第14頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四亞結(jié)構(gòu)形成位錯(cuò)不均勻分布，并使晶粒碎化成許多位向略有差異的亞晶粒。第15頁，共32頁，2022年，5月20日

7、，13點(diǎn)34分，星期四（2）織構(gòu)絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，性能出現(xiàn)各向異性。晶粒拉長，但未出現(xiàn)織構(gòu)。晶粒拉長，且出現(xiàn)織構(gòu)。第16頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四變形織構(gòu)（1）絲織構(gòu) （2）板織構(gòu)制耳現(xiàn)象第17頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四（3）加工硬化（形變強(qiáng)化強(qiáng)化材料的手段之一）加工硬化的原因塑性變形 位錯(cuò)密度增加，相互纏結(jié)(亞晶界)，運(yùn)動(dòng)阻力加大 變形抗力 加工硬化的意義：（1）具有一定抗偶然過載的能力，保證安全;（2）是冷變形工件成型的重要因素;（3）強(qiáng)化金屬的重要工藝手段.第18頁，共32頁，2022年，5月20日，

8、13點(diǎn)34分，星期四殘余內(nèi)應(yīng)力（1）宏觀內(nèi)應(yīng)力引起新的變形，降低精度。（2）微觀內(nèi)應(yīng)力引起開裂，產(chǎn)生微裂紋。（3）晶格畸變內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)化金屬；耐蝕性降低。第19頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四二、塑性變形后的金屬在加熱時(shí) 組織和性能的變化1回復(fù)2再結(jié)晶3晶粒長大第20頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四 T回復(fù)=（0.25.3）T熔點(diǎn)（單位：K）回復(fù)使塑變后金屬的強(qiáng)度和硬度略有下降，塑性略有增高，但殘余應(yīng)力大大降低。變化應(yīng)用工業(yè)上利用回復(fù)過程對變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火來降低殘余應(yīng)力，保留加工硬化效果。1) 回復(fù) 塑性變形后的金屬在低溫加熱時(shí)，發(fā)生回復(fù)過

9、程 點(diǎn)缺陷大大，內(nèi)應(yīng)力顯著 ，強(qiáng)度、硬度略有 。 第21頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四2) 再結(jié)晶 變形后金屬在較高溫度加熱時(shí)，由于原子擴(kuò)散能力增大，變形和破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細(xì)小的等軸晶粒，晶格類型不變，該過程稱為再結(jié)晶 。變化再結(jié)晶使塑變后金屬的強(qiáng)度和硬度明顯降低，塑性和韌性大大提高，殘余應(yīng)力完全消除，加工硬化現(xiàn)象被消除。應(yīng)用工業(yè)上利用再結(jié)晶過程對變形后金屬進(jìn)行再結(jié)晶退火來消除加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)金屬的塑性和韌性，以利于后面的變形加工。第22頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四a.黃銅變形量達(dá)38后的組織b.580保溫3

10、sc. .580保溫4sd.580保溫8se.580保溫15minf.700保溫10min第23頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四最低再結(jié)晶溫度 T再純金屬T再 =0.4 T熔合金T再 =（0.5 0.7）T熔溫度單位：絕對溫度( K )預(yù)變形度對T再的影響第24頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四再結(jié)晶后的晶粒度加熱溫度 T 晶粒直徑 d預(yù)變形度的影響第25頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四3）晶粒長大變形80%工業(yè)純鐵再結(jié)晶退火 顯微照片 100 變形80% 400退火8小時(shí)加熱溫度 T 和 加熱時(shí)間 t 晶界遷移、晶粒

11、合并長大。變形80% 600退火8小時(shí)第26頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四三、金屬材料的熱加工和冷加工1熱加工對組織和性能的影響 2冷加工對組織和性能的影響第27頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四1熱加工對組織和性能的影響熱加工 在 T再 以上溫度進(jìn)行的變形加工， 如鋼材的熱鍛和熱軋，但熱加工后不產(chǎn)生加工硬化。熱加工時(shí)，塑性變形引起的加工硬化效應(yīng)隨即被再結(jié)晶過程的軟化作用所消除。思考題：其原因是什么？第28頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四熱加工對組織和性能的影響1）打碎柱狀晶、樹枝晶，形成等軸晶，機(jī)械性能改善。2）壓

12、合鑄件中的疏松、氣孔等缺陷，提高組織致密度和 機(jī)械性能.3）產(chǎn)生 流線 分布 非金屬夾雜物沿變形方向分布，引起各向異性。鍛造曲軸切削加工曲軸第29頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四冷加工對組織和性能的影響冷加工 在 T再 以下溫度進(jìn)行的變形加工，如低碳鋼的冷拔、冷沖。 冷加工時(shí)，無再結(jié)晶過程 思考題：其原因是什么？ 能產(chǎn)生加工硬化，提高強(qiáng)度和硬度，塑性和韌性下降。 是重要的 強(qiáng)化手段，對不能熱處理強(qiáng)化的合金尤其重 要。但增加繼續(xù)塑性變形的抗力。冷加工對金屬組織和性能的影響：第30頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四小結(jié)重點(diǎn)要求 一般要求 1. 單晶體塑性變形的兩種方式2.金屬在冷加工時(shí)組織和性能的變化。 3.金屬再結(jié)晶時(shí)組織和性能的變化。4.加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化的概念。 1. 塑性變形的本質(zhì)和滑移機(jī)理。2. 熱加工對金屬組織和性能的影響。第31頁，共32頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)34分，星期四、名詞解釋二、簡答題1、金屬塑性變形的主要方式和實(shí)質(zhì)?回復(fù) 再結(jié)晶