第三章金屬壓力加工的金屬學(xué)基礎(chǔ)

第三章金屬壓力加工的金屬學(xué)基礎(chǔ)第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第3章金屬壓力加工的金屬學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)金屬的塑性變形機構(gòu)第二節(jié)加工過程中的硬化和軟化第三節(jié)金屬的冷變形和熱變形第四節(jié)金屬的塑性第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)金屬的塑性變形機構(gòu)金屬一般由無數(shù)個單晶體構(gòu)成的多晶體，要了解多晶體的塑性變形性質(zhì)，必須先了解單個晶?；騿尉Я５乃苄宰冃螜C構(gòu)。單晶體塑性變形其塑性變形的最主要方式是滑移。單晶體的塑性變形方式：

1.滑移——滑移系2.孿生第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三a)未變形d)塑性變形單晶體滑移變形示意圖b)彈性變形ττc)彈塑性變形ττ第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三晶體的孿生示意圖第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三滑移滑移：晶體在外力作用下，其中一部分沿著一定晶面（原子密排晶面）和這個晶面上的一定晶向（原子密排晶向）對其另一部分產(chǎn)生的相對滑移，此晶面為滑移面，此晶向稱為滑移方向。滑移時原子移動的距離是原子間距的整數(shù)倍，滑移后晶體各部分的位向仍然一致?；平Y(jié)果：使大量原子逐步地從一個穩(wěn)定位置移動到另一個穩(wěn)定位置，晶體產(chǎn)生宏觀的塑性變形。第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三滑移系滑移面與滑移方向數(shù)值的乘積稱為滑移系。若使晶體產(chǎn)生滑移只有在作用于滑移面及其滑移方向上的剪應(yīng)力達到一定數(shù)值時才開始開始滑移時作用于滑移方向上的剪應(yīng)力為臨界應(yīng)力。第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三作用在橫斷面F0上的正應(yīng)力為作用在滑移面上，沿作用力P方向的應(yīng)力為作用在滑移面上，沿滑移方向的分切應(yīng)力為當(dāng)外力P與滑移面和滑移方向都成45o角時，第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三臨界切應(yīng)力其大小與晶體的化學(xué)成分、雜質(zhì)含量、變形溫度、變形速度、預(yù)先變形程度等因素有關(guān)化學(xué)成分中兩組元在固態(tài)互溶的合金中，溶質(zhì)元素量增大時，合金的臨界切應(yīng)力增大；金屬中含有雜質(zhì)時，臨界切應(yīng)力增大。溫度升高，臨界切應(yīng)力降低。預(yù)先的塑性變形使臨界應(yīng)力升高。第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三二、多晶體的塑性變形多晶體是由許多微小的單個晶粒雜亂組合而成其組織結(jié)構(gòu)上特點：各個晶粒形狀和大小是不同的，化學(xué)成分和力學(xué)性能也不均勻；而各相鄰晶粒的取向一般是不一樣的；多晶粒中存在大量晶界，晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與晶粒本身不同，晶界上聚集著雜質(zhì)。第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三晶內(nèi)變形（低溫）：滑移和孿生晶間變形（高溫）：晶粒間的相對滑動和轉(zhuǎn)動。晶界對塑性變形的影響（細(xì)晶強化）：1）強化作用（位錯運動受阻）；2）塑性變形更均勻（改善韌性）。多晶體金屬的塑性變形：第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三多晶體塑性變形主要特點增強變形與應(yīng)力的不均勻分布提高變形抗力出現(xiàn)方向性除晶粒內(nèi)部變形外，在晶界上也發(fā)生變形。第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三增強變形與應(yīng)力的不均勻分布A晶粒屈服點高，B晶粒屈服點低。第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三多晶體中各晶粒的取向不同，會使變形與應(yīng)力的不均勻分布增強。在多晶體內(nèi)通常存在軟取向（滑移面和滑移方向與外力成45o角的有利方位）和硬取向（不利方位）的晶粒。第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三提高變形抗力多晶體在塑性變形中出現(xiàn)了變形與應(yīng)力的不均勻分布，將會使多晶體的變形抗力升高和塑性降低。晶粒大學(xué)一般介于0.01~1mm之間，或者更小。晶粒越細(xì)小，晶界所占的區(qū)域相對的就越大，對變形的阻礙作用也就越大，因此，多晶體的變形抗力也就越大。第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三晶粒越細(xì)小，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，在一定變形量下，變形會分散在很多晶粒內(nèi)進行，變形分布比較均勻，應(yīng)力集中較小，金屬具有較高的塑性和韌性，此規(guī)律只適用于低溫情況；高溫下畸變晶格原子將獲得較大的能量，當(dāng)外力作用時會出現(xiàn)沿晶粒界面的粘滯性流動，而使晶粒間界的強度降低。一般來說，高溫時粗晶粒材料要比細(xì)晶粒材料有更高的高溫強度。如多晶體金屬中存在脆而硬的第二相時，它們將分布在具有較高塑性的軟基體上，并阻礙基體金屬的塑性變形，從而能使多晶體金屬的變形抗力增強。第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三出現(xiàn)方向性在塑性變形中晶粒形狀和取向?qū)l(fā)生變化，晶粒的某一同類晶面和晶向沿一定方向排列（出現(xiàn)擇優(yōu)取向），產(chǎn)生了所謂織構(gòu)，使金屬產(chǎn)生各向異性。第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三除晶粒內(nèi)部變形外，在晶界上也發(fā)生變形多晶體金屬在塑性變形過程中，晶粒的形狀和取向發(fā)生改變的同時，晶粒彼此間也發(fā)生了相對的移動。第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)加工過程中的硬化和軟化多晶體塑性變形將導(dǎo)致金屬的力學(xué)、物理及化學(xué)性能的改變。隨著變形程度的增加，變形抗力的所有指標(biāo)（屈服極限、強度極限和硬度）都增大，而塑性指標(biāo)（伸長率、斷面收縮率）都減小，同時使電阻升高、抗腐蝕性和導(dǎo)熱性下降。金屬在塑性變形過程中產(chǎn)生這些力學(xué)性能和物理化學(xué)性能變化的綜合現(xiàn)象叫加工硬化。第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三加工硬化的原因幾何硬化由于滑移過程中，滑移面的方位改變，使產(chǎn)生滑移的滑移面偏離有利的滑移方向，為使金屬繼續(xù)變形則必須加大外力。物理硬化在滑移過程中，原子的滑移層晶格畸變及破壞，阻礙了滑移面進一步滑移而使變形抗力增加。第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三加工硬化的原因在多晶體中，由于在變形過程中晶粒間相對轉(zhuǎn)動，使晶界遇到破壞使塑性指標(biāo)下降或由于晶粒轉(zhuǎn)動結(jié)果產(chǎn)生幾何硬化。在多晶體中，由于組織不均勻和不均勻變形引起的附加應(yīng)力及殘余應(yīng)力，從而使其塑性降低變形抗力增加。第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三影響加工硬化的因素金屬本身的性質(zhì)變形程度的大小變形程度增加，則加工硬化程度也增加。變形速度的高低變形速度增加，加工硬化程度加劇，但當(dāng)變形速度達到一定值時，由于熱效應(yīng)作用使金屬溫度升高而產(chǎn)生了軟化現(xiàn)象。第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三加工硬化現(xiàn)象的實際意義從變形角度：金屬僅有塑性變形而無加工硬化，就難以得到截面均勻一致的冷變形。從改善性能角度：加工硬化對用一般熱處理無法使其強化的無相變的金屬材料是更加重要的強化手段。不利一面：冷軋、冷拔等冷加工過程中由于變形抗力的升高和塑性的降低，往往使其繼續(xù)加工困難，需在工藝過程中增加退火工序，以消除加工硬化。有利一面第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三加工硬化金屬其組織特點之一是晶粒被拉長金屬在冷變形中，其內(nèi)部晶粒形狀沿最大變形方向被拉長、拉細(xì)或壓扁。晶粒被拉長程度取決于主變形圖示和變形程度。變形織構(gòu)：金屬的多晶體是由許多不規(guī)則的晶粒組成，在加工變形達到一定程度以后，各晶粒內(nèi)晶格取向發(fā)生了轉(zhuǎn)動，使其特定的晶面和晶向趨于排列成一定方向，金屬所形成的這種組織結(jié)構(gòu)叫做變形織構(gòu)。第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三加工硬化金屬的力學(xué)性能改變的因素在變形中產(chǎn)生晶格畸變，晶粒的拉長和細(xì)化及不均勻變形等，使金屬的變形抗力指標(biāo)隨變形程度增加而增加。變形過程中產(chǎn)生晶內(nèi)和晶間的破壞以及不均勻變形等，使金屬塑性指標(biāo)隨著變形程度增加而降低。第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三二、加工軟化過程金屬的回復(fù)和再結(jié)晶過程就是軟化過程?；貜?fù)：依靠對變形金屬的加熱，而使其原子運動的動能增加，借以增加其熱振動，使偏離穩(wěn)定位置的原子恢復(fù)到穩(wěn)定位置?；貜?fù)結(jié)果：部分恢復(fù)了由變形所改變的力學(xué)、物理及物理化學(xué)性質(zhì)，不能改變晶粒形狀和方向性，同時也不能回復(fù)晶粒內(nèi)及晶間的破壞現(xiàn)象。第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三再結(jié)晶由于加熱溫度的升高，原子獲得了巨大的活動能力，金屬的晶粒開始發(fā)生變化，有破碎的晶粒變?yōu)檎R的晶粒，有拉長的晶粒變?yōu)榈容S晶粒，此結(jié)晶過程稱為金屬的再結(jié)晶。第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三再結(jié)晶結(jié)果完全消除了加工硬化的一切后果。第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三再結(jié)晶溫度影響因素再結(jié)晶溫度：開始再結(jié)晶的最低溫度。影響因素：變形程度的影響

保溫時間的影響保溫時間越長，再結(jié)晶溫度越低合金元素的影響合金元素越多，再結(jié)晶溫度越高。第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三在一定溫度下，使晶粒增長突然加大的變形程度稱為臨界變形程度，在臨界變形程度以前不會發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象。第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三壓力加工過程中兩種再結(jié)晶加工硬化金屬在退火操作時的再結(jié)晶和金屬在熱變形時再結(jié)晶過程熱處理退火與金屬的相變點有關(guān)。碳鋼退火在高于臨界點Ac3以上溫度進行加工硬化后的再結(jié)晶退火則是在Ac3溫度下進行的第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)金屬的冷變形和熱變形金屬的塑性變形分為冷變形、熱變形、不完全冷變形和不完全熱變形第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三冷變形金屬壓力加工過程中，只有加工硬化作用而無回復(fù)與再結(jié)晶現(xiàn)象的變形過程，叫做冷變形。冷變形溫度：在低于再結(jié)晶溫度條件下。其產(chǎn)品強度指標(biāo)增加，塑性指標(biāo)降低，致使金屬硬化。繼續(xù)塑性加工，必須軟化退火。第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三熱變形對于在再結(jié)晶溫度以上，且再結(jié)晶的速度大于加工硬化速度的變形過程，即在變形過程中，由于完全再結(jié)晶的結(jié)果而全部消除加工硬化現(xiàn)象的變形過程稱為熱變形。提高金屬塑性，降低變形抗力，變形后金屬獲得等軸的再結(jié)晶顯微組織。第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三熱變形改變鑄造金屬組織，增加了密度，改善了力學(xué)性能和降低化學(xué)成分的偏析與組織的不均勻性。改善熱變形金屬的本身性質(zhì)。熱變形過程中，擴散和再結(jié)晶可使其化學(xué)成分變得更加均勻，隨著變形程度增加，晶粒越小，其力學(xué)性能越高。但熱變形不能改變非金屬夾雜物所造成的纖維組織。第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三不完全冷變形在金屬壓力加工過程中具有加工硬化及回復(fù)現(xiàn)象，而無再結(jié)晶現(xiàn)象的變形稱為不完全冷變形。其產(chǎn)品：加工硬化現(xiàn)象和殘余應(yīng)力減少，變形抗力降低，塑性提高。這種變形可在室溫下采用高變形速度獲得，提高設(shè)備生產(chǎn)能量，不需中間退火，降低成本。第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三不完全熱變形金屬在變形過程中，除有加工硬化外，同時尚有回復(fù)與部分的再結(jié)晶變形過程，稱不完全熱變形。其產(chǎn)品：金屬組織不均，金屬塑性降低，變形抗力升高，金屬中可能部分破裂而未恢復(fù)，并且有設(shè)備破壞可能。實際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免。第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)金屬的塑性金屬塑性：在外力作用下發(fā)生永久變形而不損害其整體性的性能。柔軟性：表示金屬的軟硬程度。塑性不僅取決于金屬的自然性質(zhì)，而且取決于壓力加工過程中的外界條件。第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三二、塑性指數(shù)常有的主要指標(biāo)：在材料試驗機上進行拉伸試驗求得的破斷前的總伸長率破斷前斷面積的總收縮率在軋機、鍛錘或材料試驗機上作壓縮試驗時所得的出現(xiàn)第一個裂紋前總壓縮率沖擊試驗所獲得的沖擊韌性指數(shù)扭轉(zhuǎn)試驗時破壞前扭轉(zhuǎn)360o角的次數(shù)工藝彎曲試驗，以破壞前的彎曲次數(shù)第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三三、影響金屬塑性的因素金屬的成分與組織影響溫度對金屬塑性影響變形速度對塑性影響變形力學(xué)圖示對金屬塑性的影響變形速度對塑性影響第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三金屬的成分與組織影響

化學(xué)成分對塑性的影響純金屬及呈固溶體狀的合金塑性最好，而呈化合物或機械混合物狀態(tài)的合金塑性最差。合金鋼、高合金鋼的合金成分對塑性影響是多樣性的。氣體及非金屬夾雜物，當(dāng)其在晶界上分布時同樣降低金屬的塑性，氫氣是鋼中產(chǎn)生“白點”缺陷的主要原因。第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三金屬組織結(jié)構(gòu)對塑性影響晶粒界面強度、金屬密度越大，晶粒大小、晶粒形狀、化學(xué)成分、雜質(zhì)分布均勻及金屬可能的滑移面與滑移方向越多時，則金屬塑性越高。多相合金的塑性大小取決于強化相的性質(zhì)、析出的形狀和分散度，還取決于強化相在基體中分布的特點、溶解度以及強化相的熔點。強化相硬度和強度越高、熔點越低、分散度越小，都使合金塑性降低。第42頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三溫度對金屬塑性影響隨溫度升高，金屬塑性降低，當(dāng)溫度升至低塑性區(qū)，使金屬塑性降低。第43頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三變形速度對塑性影響變形速度增加：如果在變形過程中加工硬化發(fā)生速度超過硬化解除速度；如果在由于變形熱效應(yīng)作用，使變