課題六 金屬的塑性變形與再結(jié)晶

課題六金屬的塑性變形與再結(jié)晶第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四課題六金屬的塑性變形與再結(jié)晶§1金屬的塑性變形

§2冷塑性變形對金屬組織和性能的變化§3冷塑性變形后的金屬在加熱時組織和性能的變化§4金屬的熱變形加工第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形

什么是塑性變形金屬單晶體的塑性變形多晶體金屬的塑性變形第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形塑性變形:金屬或合金在外力作用下，都能或多或少地發(fā)生變形，去除外力后，永遠(yuǎn)殘留的那部分變形叫塑性變形。生產(chǎn)中常利用塑性變形對金屬材料進(jìn)行壓力加工。金屬的塑性變形可分為：冷塑性變形和熱塑性變形。在這章里我們主要講金屬的冷塑性變形。第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形壓力加工方法示意圖第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形金屬單晶體的塑性變形金屬單晶體的塑性變形有“滑移”與“孿生”等不同方式，但一般大多數(shù)情況下都是以滑移方式進(jìn)行的?；?第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形滑移第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形如果將一個單晶體金屬試樣表面拋光后，經(jīng)過伸長變形，再在金相顯微鏡下觀察，可以看到試樣表面出現(xiàn)許多條紋，這些條紋就是晶體在切應(yīng)力的作用下，一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）滑移產(chǎn)生的臺階，這些條紋稱為“滑移線”。第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形鋅單晶體拉伸試驗示意圖

（a）變形前試樣（b）變形后試樣第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形在更高倍的電子顯微鏡下觀察，一個滑移臺階實際上是一束滑移線群的集合體，稱為“滑移帶”。同時還能看到滑移帶在晶體上的分布是不均勻的。單晶體變形時，滑移只在晶體內(nèi)有限的晶面上進(jìn)行，是不均勻的。因此單晶體金屬的塑性變形在表面上看出現(xiàn)了一系列的滑移帶，其塑性變形就是眾多大小不同的滑移帶的綜合效果在宏觀上的體現(xiàn)。第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形2.滑移的機(jī)理晶體內(nèi)相鄰部分滑移的綜合表現(xiàn)。但晶體內(nèi)相鄰兩部分之間的相對滑移，不是滑移面兩側(cè)晶體之間的整體剛性滑動，而是由于晶體內(nèi)存在位錯，因位錯線兩側(cè)的原子偏離了平衡位置，這些原子有力求達(dá)到平衡的趨勢。當(dāng)晶體受外力作用時，位錯（刃型位錯）將垂直于受力方向，沿著一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐步移動到晶體的表面，形成一個原子間距的滑移量。一個滑移帶就是上百個或更多位錯移動到晶體表面所形成的臺階。第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形滑移機(jī)理示意圖第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形晶體的滑移面、滑移方向及滑移系

晶體上的滑移帶分布是不均勻的，即塑性變形時，位錯只沿一定的晶面和一定的晶向移動，并不是沿所有的晶面和晶向都能移動的，這些一定的晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向.

不同金屬的晶體結(jié)構(gòu)不同，其滑移面和滑移方向的數(shù)目和位向不同，一個滑移面和在這個滑移面上的一個滑移方向組成一個“滑移系”。第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形晶體在滑移過程中的轉(zhuǎn)動單晶體試樣在拉伸實驗時，除了沿滑移面產(chǎn)生滑移外，晶體還會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動?？梢娫诨七^程中，由于晶體的轉(zhuǎn)動，晶體的位向會發(fā)生變化，原來處于軟取向滑移系，逐漸轉(zhuǎn)向硬取向，使滑移困難，這種現(xiàn)象“取向硬化”；相反，原來硬取向的滑移系，將逐步趨于軟位向，易于滑移，稱為“取向軟化”?？梢娫诨七^程中“取向軟化”和“取向硬化”是同時進(jìn)行的。第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形多晶體的塑性變形工程上使用的金屬材料大多為位向、形狀、大小不同的晶粒組成的多晶體，因此多晶體的變形是許多單晶體變形的綜合作用的結(jié)果。多晶體內(nèi)單晶體的變形仍是以滑移和孿生兩種方式進(jìn)行的，但由于位向不同的晶粒是通過晶界結(jié)合在一起的，晶粒的位向和晶界對變形有很大的影響，所以多晶體的塑性變形較單晶體復(fù)雜。第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形晶界的存在會增大滑移抗力，而且因多晶體中各晶粒晶格位向的不同，也會增大其滑移抗力，因此多晶體金屬的變形抗力總是高于單晶體。金屬的晶粒愈細(xì)，金屬的強(qiáng)度便愈高，而且塑性與韌性也較高.第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形拉伸試樣變形示意圖第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形多晶體金屬的變形過程多晶體金屬在外力的作用下，處于軟取向的晶粒優(yōu)先產(chǎn)生滑移變形，處于硬取向的相鄰晶粒尚不能滑移變形，只能以彈性變形相平衡。由于晶界附近點陣畸變和相鄰晶粒位向的差異，使變形晶粒中位錯移動難以穿過晶界傳到相鄰晶粒，致使位錯在晶界處塞積。只有進(jìn)一步增大外力變形才能繼續(xù)進(jìn)行。隨著變形加大，晶界處塞積的位錯數(shù)目不斷增多，應(yīng)力集中也逐漸提高。第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度后，相鄰晶粒中的位錯源開始滑移，變形就從一批晶粒擴(kuò)展到另一批晶粒。同時，一批晶粒在變形過程中逐步由軟取向轉(zhuǎn)動到硬取向，其變形愈來愈困難，另一批晶粒又從硬取向轉(zhuǎn)動到軟取向，參加滑移變形。多晶體的塑性變形，是在各晶?；ハ嘤绊?，互相制約的條件下，從少量晶粒開始，分批進(jìn)行，逐步擴(kuò)大到其它晶粒，從不均勻的變形逐步發(fā)展到均勻的變形。第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§1金屬的塑性變形多晶體的拉伸實驗示意圖第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§2冷塑性變形對金屬組織和性能的影響

經(jīng)過塑性變形，可使金屬的組織和性能發(fā)生一系列重大的變化，這些變化大致可以分為四個方面:形成纖維組織,性能趨于各向異性產(chǎn)生冷變形強(qiáng)化(加工硬化)形成形變織構(gòu)(或擇優(yōu)取向)產(chǎn)生殘余應(yīng)力第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§2冷塑性變形對金屬組織和性能的影響形成纖維組織,性能趨于各向異性晶粒變形前后晶粒形狀變化示意圖第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§2冷塑性變形對金屬組織和性能的影響

產(chǎn)生冷變形強(qiáng)化(加工硬化)

晶粒破碎,位錯密度增加,產(chǎn)生加工硬化.第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四2冷塑性變形對金屬組織和性能的影響形成形變織構(gòu)(或擇優(yōu)取向)形變織構(gòu)示意圖第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四2冷塑性變形對金屬組織和性能的影響產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§3回復(fù)與再結(jié)晶

冷變形金屬在加熱時的組織和性能的變化影響再結(jié)晶粒大小的因素?zé)峒庸饘俳M織和性能的影響

第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§3回復(fù)與再結(jié)晶冷變形金屬在加熱時的組織和性能的變化回復(fù)階段再結(jié)晶晶粒長大

第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§3回復(fù)與再結(jié)晶圖4-9變形金屬加熱時組織和性能變化示意圖第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§3回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)階段加熱溫度較低時，原子的活動能力不大，這時金屬的晶粒大小和形狀沒有明顯的變化，只是在晶內(nèi)發(fā)生點缺陷的消失以及位錯的遷移等變化，因此，這時金屬的強(qiáng)度、硬度和塑性等機(jī)械性能變化不大，而只是使內(nèi)應(yīng)力及電阻率等性能顯著降低。因此,對冷變形金屬進(jìn)行的這種低溫加熱退火只能用在保留加工硬化而降低內(nèi)應(yīng)力改善其它的物理性能的場合。比如冷拔高強(qiáng)度鋼絲，利用加工硬化現(xiàn)象產(chǎn)生的高強(qiáng)度，此外，由于殘余內(nèi)應(yīng)力對其使用有不利的影響，所以采用低溫退火以消除殘余應(yīng)力。

第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§3回復(fù)與再結(jié)晶

再結(jié)晶通過回復(fù)，雖然金屬中的點缺陷大為減少，晶格畸變有所降低，但整個變形金屬的晶粒破碎拉長的狀態(tài)仍未改變，組織仍處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)它被加熱到較高的溫度時，原子也具有較大的活動能力，使晶粒的外形開始變化。從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒。和變形前的晶粒形狀相似，晶格類型相同，把這一階段稱為“再結(jié)晶”。第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§3回復(fù)與再結(jié)晶再結(jié)晶過程同樣是通過形核和長大兩個過程進(jìn)行的。再結(jié)晶結(jié)束后，金屬中內(nèi)應(yīng)力全部消除，顯微組織恢復(fù)到變形前的狀態(tài)，其所有性能也恢復(fù)到變形前的數(shù)值，消除了加工硬化。所以再結(jié)晶退火主要用于金屬在變形之后或在變形的過程中，使其硬度降低，塑性長高，便于進(jìn)一步加工。第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§3回復(fù)與再結(jié)晶晶粒長大為了保證變形金屬的再結(jié)晶退火質(zhì)量，獲得細(xì)晶粒，有必要了解影響再結(jié)晶晶粒大小的因素。再結(jié)晶結(jié)束后，若在繼續(xù)升高溫度或延長加熱時間，便會出現(xiàn)大晶粒吞并小晶粒的現(xiàn)象，即晶粒長大，晶粒長大對材料的機(jī)械性能極不利，強(qiáng)度、塑性、韌性下降。且塑性與韌性下降的更明顯。第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§3回復(fù)與再結(jié)晶影響再結(jié)晶粒大小的因素變形度影響

退火溫度的影響第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§3回復(fù)與再結(jié)晶變形度影響當(dāng)變形量很小時，由于晶格畸變很小，不足以引起再結(jié)晶，故加熱時無再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒度仍保持原來的大小，當(dāng)變形度達(dá)到某一臨界值時，由于此時金屬中只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結(jié)晶晶核少，且晶粒極易相互吞并長大，因而再結(jié)晶后晶粒粗大，這種變形度即為臨界變形度，當(dāng)變形度大于臨界變形度時，隨變形量的增加，越來越多的晶粒發(fā)生了變形，變形愈趨均勻，晶格畸變大，再結(jié)晶的晶核多，再結(jié)晶后晶粒愈來愈細(xì)。第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§3回復(fù)與再結(jié)晶變形度對晶粒大小的影響第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§3回復(fù)與再結(jié)晶退火溫度的影響

再結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，若溫度過低不能發(fā)生再結(jié)晶；若溫度過高，則會發(fā)生晶粒長大，因此要獲得細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，必須在一個合適的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行加熱。實驗表明，每種金屬都有一最低的再結(jié)晶溫度，即：T再，它和熔點之間存在如下大致關(guān)系：T再=0.4T熔

T：熱力學(xué)溫度第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§4金屬的熱變形加工熱加工對金屬組織和性能的影響熱加工相關(guān)概念熱加工對鋼的組織和性能的影響第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§4金屬的熱變形加工熱加工：將金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上一定溫度進(jìn)行壓力加工。在熱加工中將同時發(fā)生加工硬化和再結(jié)晶軟化兩個過程。再結(jié)晶溫度是熱加工與冷加工的分界線，高于再結(jié)晶溫度的壓力加工是熱加工，低于再結(jié)晶溫度的壓力加工是冷加工。第38頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§4金屬的熱變形加工熱加工對鋼的組織和性能有利影響影響通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的氣孔焊合，從而使其致密度得以提高；通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的枝晶和柱狀晶破碎，從而使晶粒細(xì)化，機(jī)械性能提高；通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的枝晶偏析和非金屬夾雜分布發(fā)生改變，形成流線組織，可提高零件使用壽命。第39頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§4金屬的熱變形加工曲軸中的流線分布（a）鍛造變形；（b）切削加工第40頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四§4金屬的熱變形加工熱加工對鋼的組織和性能不利影響加工的溫度過高，晶粒粗大;若溫度過低，引起加工硬化、殘余內(nèi)應(yīng)力等;形成帶狀組織使性能變壞;第41頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四本章小結(jié)金屬的塑性變形

什么是塑