工程材料金屬的塑性變形

工程材料金屬的塑性變形第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日

了解塑性變形的本質(zhì)，塑性變形及加熱時(shí)組織的變化，有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，正確確定加工工藝。金屬的塑性變形2023/2/4第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日§理解金屬的塑性變形的實(shí)質(zhì)§掌握塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響

§

回復(fù)與再結(jié)晶，熱（冷）變形加工金屬的塑性變形2023/2/4第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日s彈性變形塑性變形2023/2/4第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)金屬的塑性變形一、單晶體金屬的塑性變形單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。2023/2/4第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日如拉伸時(shí)，滑移面上的外力P分解為正應(yīng)力σ和切應(yīng)力τ。

2023/2/4第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂

切應(yīng)力作用使晶格發(fā)生彈性歪扭

只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。2023/2/4第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日塑性變形有兩種形式：滑移和孿生。（一）滑移1.滑移與滑移帶

1)滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。

2023/2/4第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日⑵滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因?yàn)樵用芏茸畲蟮木婧途蛑g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。

2023/2/4第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/2/4第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個(gè)滑移帶。

滑移帶和滑移線示意圖銅拉伸試樣表面滑移帶2)滑移帶2023/2/4第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.滑移的機(jī)理把滑移設(shè)想為剛性整體滑動(dòng)所需的理論臨界切應(yīng)力值比實(shí)際測(cè)量臨界切應(yīng)力值大3-4個(gè)數(shù)量級(jí)?；剖峭ㄟ^滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。2023/2/4第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日晶體通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，在位錯(cuò)中心的少數(shù)原子發(fā)生移動(dòng)。2023/2/4第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日㈡孿生孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。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。2023/2/4第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日二、多晶體金屬的塑性變形

多晶體變形比單晶體復(fù)雜得多。㈠晶界及晶粒位向差的影響

1、晶界的影響

。位錯(cuò)塞積示意圖2023/2/4第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同，晶粒間的相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。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。

2023/2/4第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日(二)晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。

因金屬晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。2023/2/4第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高。因晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。2023/2/4第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日通過細(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。

鋅單晶和多晶的拉伸曲線2023/2/4第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)塑性變形對(duì)組織和性能的影響

一、塑性變形對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響

1.晶粒變形金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長(zhǎng)或壓扁。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀，晶界變得模糊不清。塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。2023/2/4第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化(a)正火態(tài)(c)變形80%(b)變形40%2023/2/4第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.形變織構(gòu)在塑性變形過程中，由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向.。形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時(shí)，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。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2023/2/4第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日二、冷塑性變形對(duì)金屬組織性能的影響1．加工硬化（形變硬化）（冷作硬化）

2023/2/4第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日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)象稱加工硬化。產(chǎn)生加工硬化的原因是：1）隨變形量增加，位錯(cuò)密度增加，由于位錯(cuò)之間的交互作用(堆積、纏結(jié)等)，使變形抗力增加。

2）隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化。3）隨變形量增加,空位密度增加。

2023/2/4第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，尤其對(duì)于那些不能以熱處理強(qiáng)化的金屬和合金更為重要。2023/2/4第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶

金屬經(jīng)冷塑性變形后，組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有自發(fā)恢復(fù)到變形前組織狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小，不穩(wěn)定狀態(tài)可以維持相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，而加熱則使原子擴(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。

2023/2/4第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日（一）回復(fù)將加工硬化的金屬稍微加熱，其歪扭的晶格得到恢復(fù)，韌性、塑性略有提高，叫回復(fù)?；貜?fù)階段，金屬組織變化不明顯，其強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降。2023/2/4第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日（二）再結(jié)晶當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，由破碎拉長(zhǎng)的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。這種冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的過程稱再結(jié)晶。鐵素體變形80%650℃加熱670℃加熱T再=0.4T熔(K)2023/2/4第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成和長(zhǎng)大的過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而金屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。2023/2/4第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日第四節(jié)金屬的熱加工

一、冷加工與熱加工的區(qū)別在金屬學(xué)中，冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃分的。低于再結(jié)晶溫度的加工為冷加工，而高于再結(jié)晶溫度的加工為熱加工。軋制模鍛拉拔2023/2/4第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日如Fe的再結(jié)晶溫度為451℃，其在400℃以下的加工仍為冷加工。而Pb的再結(jié)晶溫度為-33℃，則其在室溫下的加工為熱加工。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。巨型自由鍛件2023/2/4第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日金屬的塑性加工模鍛自由鍛軋制正擠壓反擠壓拉拔沖壓2023/2/4第三十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日二、熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響

熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合，使粗大的樹枝晶或柱狀晶破碎，從而使組織致密、成分均勻、晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高。

熱加工動(dòng)態(tài)再結(jié)晶示意圖2023/2/4第三十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日熱加工使鑄態(tài)金屬中的非金屬夾雜沿變形方向拉長(zhǎng)，形成彼此平行的宏觀條紋，稱作流線，由這種流線體現(xiàn)的組織稱纖維組織。它使鋼產(chǎn)生各向異性，在制定加工工藝時(shí)，應(yīng)使流線分布合理，盡量與拉應(yīng)力方向一致。滾壓成型后螺紋內(nèi)部的纖維分布吊鉤中的纖維組織2023/2/4第三十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日在加工亞共析鋼時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋼中的F與P呈帶狀分布，這