第三章-金屬材料的塑性變形-課件

第三章金屬材料的塑性變形

3.1單晶體和多晶體的塑性變形

3.2金屬的形變強化3.3塑性變形金屬在加熱時

組織和性能的變化

3.4塑性加工性能及其指標1ppt課件

3.1單晶體和多晶體的塑性變形

3.1.1單晶體的塑性變形3.1.2多晶體金屬塑性變形的特點2ppt課件P

PPPP：載荷：正應力：切應力單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應力（垂直晶面）和切應力（平行晶面）。正應力只能引起彈性變形,當超過原子間結合力時，晶體斷裂。只有在切應力的作用下金屬晶體才能產生塑性變形。外力在晶面上的分解切應力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片塑性變形的實質是：在應力的作用下，材料內部原子相鄰關系已經發(fā)生改變，故外力去除后，原子到了另一平衡位置，物體將留下永久變形。3.1.1單晶體的塑性變形3ppt課件滑移是指當應力超過材料的彈性極限后，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動位移的現(xiàn)象。在應力去除后，位移不能恢復，在金屬表面留下變形的痕跡塑性變形的形式：滑移和孿生金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形(1)滑移4ppt課件1)滑移只能在切應力的作用下發(fā)生。1、滑移變形的特點5ppt課件2)

滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結合力最弱，產生滑移所需切應力最小。6ppt課件沿其發(fā)生滑移的晶面叫做滑移面；沿其發(fā)生滑移的晶向叫做滑移方向；它們通常是晶體中的密排面和密排方向。一個滑移面和其上的一個滑移方向構成一個滑移系。滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向對塑性的貢獻比滑移面更大。7ppt課件FCC6金屬的塑性：fcc＞bcc＞chp8ppt課件哪個滑移系先滑移？當作用于滑移面上滑移方向的切應力分量c（分切應力）大于等于一定的臨界值（臨界切應力，決定于原子間結合力），才可進行。取向因子最先達到c的滑移系先開始滑移滑移時9ppt課件3)滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍?；频慕Y果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。

銅拉伸試樣表面滑移帶10ppt課件4)滑移的同時伴隨著晶體的轉動。

轉動的原因：晶體滑移后使正應力分量和切應力分量組成了力偶.11ppt課件韌性斷口12ppt課件把滑移設想為剛性整體滑動——滑移面上每一個原子都同時移到另一個平衡位置，外加的切應力必須同時克服滑移面上所有原子間的結合力。所需理論臨界切應力值比實際測量值大3-4個數(shù)量級。滑移是通過滑移面上位錯的運動來實現(xiàn)的。2、滑移的機理13ppt課件刃位錯的運動滑移過程中會生成許多位錯：塑性變形量增加，晶體中位錯密度增大晶體通過位錯運動產生滑移時，只需要在位錯中心的少數(shù)原子發(fā)生移動，它們移動的距離遠小于一個原子間距，因而所需臨界切應力小，這種現(xiàn)象稱作位錯的易動性。14ppt課件孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的切變，發(fā)生在滑移系較少或滑移受限制情況下。發(fā)生切變的部分稱孿生帶或孿晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面。(2）

孿生15ppt課件孿生的結果使孿生面兩側的晶體呈鏡面對稱。孿生示意圖16ppt課件孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應力比滑移大得多，變形速度極快，接近聲速;孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距（滑移是原子間距的整數(shù)倍）。與滑移相比：密排六方晶格金屬：滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬：只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬：一般不發(fā)生孿生變形。17ppt課件單個晶粒變形與單晶體相似，多晶體變形更復雜。多晶體是由眾多取向不一的單晶體組成。在某一單向外力作用下各晶體的滑移面上的分切應力不同，只有一些達到臨界切應力的滑移系才發(fā)生滑移。由于晶體之間的相互制約，首先滑移的晶體會引起自身或相鄰晶體的轉動，從而使原來啟動的滑移系偏離最大切應力方向，而停止滑移。另一些原來不能啟動的滑移系開動，進而使整個晶體的塑性變形協(xié)調發(fā)展。

軟位向硬位向晶粒所處的位向為易滑移的位向稱為“軟位向”反之謂“硬位向”。先發(fā)生于軟位向晶粒，然后到硬位向。（1）不均勻的塑性變形3.1.2多晶體金屬塑性變形的特點18ppt課件由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發(fā)生塑性變形時，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。

（2）晶粒位向差阻礙滑移19ppt課件當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來，稱位錯的塞積。要使變形繼續(xù)進行，則必須增加外力，從而使金屬的變形抗力提高。（3）晶界的影響20ppt課件晶界對塑性變形的影響Cu-4.5Al合金晶界的位錯塞積21ppt課件晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協(xié)調的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高，另外，一定的變形量由更多晶粒分散承擔，不會造成局部的應力集中，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形，強度和塑性同時增加，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也較好。晶粒大小對塑性變形的影響22ppt課件3.2金屬的形變強化3.2.1形變強化現(xiàn)象3.2.2塑性變形對組織及力學性能影響3.2.3塑性變形產生的殘余應力23ppt課件

金屬經過冷態(tài)下的塑性變形后其性能發(fā)生很大的變化，最明顯的特點是強度隨變形程度的增加而大為提高，其塑性卻隨之有較大的降低，這種現(xiàn)象稱為形變強化，也稱為加工硬化或冷作硬化。3.2.1形變強化現(xiàn)象利用形變強化現(xiàn)象來提高金屬材料的強度，在工業(yè)上應用甚廣。例如冷拉鋼絲。尤其是對于純金屬以及不能用熱處理強化的合金，這種方法格外重要。冷態(tài)壓力加工后位錯密度大增，晶格畸變很大，電阻有所增大，抗蝕性降低；冷變形產品尺寸精度高、表面質量好，但塑性下降，進一步加工困難。24ppt課件

加工硬化（形變強化—強化材料的手段之一）加工硬化的原因塑性變形→位錯密度增加，相互纏結(亞晶界)，運動阻力加大→變形抗力↑金屬在冷變形時，強度、硬度↑，塑性、韌性↓。25ppt課件3.2.2塑性變形對組織及力學性能影響（1）對組織結構的影響1）組織纖維化（晶粒變形）：隨著塑性變形量增大，原來的等軸晶相應地被拉長或壓扁，形成長條狀或纖維狀，使材料產生各向異性。

26ppt課件2）亞晶粒的增多：變形前，位錯分布均勻。塑性變形伴隨著大量位錯產生，由于位錯運動和相互間交互作用，并使晶?！八榛背稍S多位向略有差異的亞晶塊（或稱亞晶粒）。亞晶粒間界是由位錯堆積而成的。

3產生織構：金屬中的晶粒的取向一般是無規(guī)則的隨機排列，盡管每個晶粒是各向異性的，宏觀性能表現(xiàn)出各向同性。當金屬經受大量(70%以上)的一定方向的變形之后,由于晶粒的轉動造成晶粒取向趨于一致，形成了“擇優(yōu)取向”，即某一晶面（晶向）在某個方向出現(xiàn)的幾率明顯高于其他方向。金屬大變形后形成的這種有序化結構叫做變形織構，它使金屬材料表現(xiàn)出明顯的各向異性。

27ppt課件由于晶粒的轉動，當塑性變形達到一定程度時，會使絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構或擇優(yōu)取向。形變織構使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時，易產生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊、厚薄不勻。但織構可提高硅鋼片的導磁率。板織構絲織構形變織構示意圖各向異性導致的銅板“制耳”有無28ppt課件1）加工硬化隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。（2）對力學性能的影響29ppt課件1）隨變形量增加,位錯密度增加；

變形20%純鐵中的位錯未變形純鐵產生加工硬化的原因30ppt課件位錯密度與強度關系由于位錯之間的交互作用(堆積、纏結)，使變形抗力增加，塑性降，強度、硬度升高.31ppt課件2）隨變形量增加，亞結構細化；3）隨變形量增加，空位密度增加；4）幾何硬化：由晶粒轉動引起。加工硬化使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形，而未變形部分開始變形。沒有加工硬化，金屬就不會發(fā)生均勻塑性變形。加工硬化是強化金屬的重要手段之一，對于不能熱處理強化的金屬和合金尤為重要。32ppt課件3.2.3塑性變形產生的殘余應力由于多晶體的晶粒有各種位向和受晶界的約束，各晶粒的變形先后不一致，有些晶粒的變形較大，有些變形較小，在同一晶粒內變形也不一致，因而造成多晶體變形的不均勻性。晶粒內部和晶粒之間會存在不同的內應力，變形結束后殘留在晶粒內部或晶粒之間形成殘余應力。33ppt課件殘余應力分為:1)宏觀殘余應力即第一類殘余應力，是由于金屬材料各部分之間變形不均勻而形成的宏觀范圍內的殘余應力；2)微觀殘余應力即第二類殘余應力，是各晶?；騺喚ЯＶg變形不均勻，在各晶?；騺喚Яｉg產生的殘余應力；3)晶格畸變殘余應力即第三類殘余應力，是金屬在塑性變形后增加了位錯和空位等晶體缺陷，使晶體中一部分原子偏離其平衡位置造成晶格畸變所產生的殘余應力。34ppt課件殘余應力的危害主要有：1）降低工件的承載能力2）使工件尺寸及形狀發(fā)生變化3）降低工件的耐腐蝕性。消除殘余應力的方法：去應力退火。35ppt課件3.3.1回復3.3.2再結晶3.3.3晶粒長大3.3.4冷變形和熱變形3.3.5金屬纖維組織及其應用3.3塑性變形金屬在加熱時

組織和性能的變化36ppt課件

金屬塑性變形后，出現(xiàn)晶粒拉長，位錯增多，內應力升高等現(xiàn)象，他們會引起材料體系能量提高，處于一個高能亞穩(wěn)態(tài)，有向低能態(tài)轉變的傾向。在加熱過程中，形變了的材料會發(fā)生回復、再結晶和晶粒長大三個過程，如右圖所示。回復、再結晶和晶粒的長大，他們都是減少或消除結構缺陷的過程。相應地,材料的結構和性能也發(fā)生對應變化。加熱促使轉變進行37ppt課件（1）回復概念

經冷加工的材料在較低的溫度保溫，這時材料發(fā)生點缺陷消失，位錯重排，應力下降的過程為回復。利用回復現(xiàn)象將冷變形金屬進行低溫加熱，既可穩(wěn)定組織又保留了加工硬化效果的方法為去應力退火

（2）回復引起材料組織和性能變化

宏觀應力（第一類應力）基本消除，但微觀應力（第二、第三類）仍然殘存。力學性質，如強度、硬度（略下降）和塑性（略升高）沒有明顯變化。3.3.1回復38ppt課件當變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，在亞晶界或晶界處形成了新的結晶核心，并不斷以等軸晶形式生長，取代被拉長及破碎的舊晶粒，這一過程稱為再結晶。這種冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程稱再結晶。鐵素體變形80%670℃加熱650℃加熱3.3.2再結晶39ppt課件再結晶也是一個晶核形成和長大的過程，但不是相變過程，再結晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。核心出現(xiàn)在位錯聚集的地方，原子能量最高，最不穩(wěn)定。它只是一個形態(tài)上的變化。新晶粒中缺陷減少，內應力消失了

。冷變形奧氏體不銹鋼加熱時的再結晶形核SEM-再結晶晶粒在原變形組織晶界上形核TEM-再結晶晶粒形核于高密度位錯基體上40ppt課件由于再結晶后組織的復原，因而金屬的強度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化冷變形(變形量為38%)黃銅580oC保溫15分后的的再結晶組織41ppt課件再結晶溫度再結晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個溫度范圍內連續(xù)進行的過程，發(fā)生再結晶的最低溫度稱再結晶溫度。580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織冷變形(變形量為38%)黃銅的再結晶42ppt課件T再與ε的關系金屬預先變形程度越大,再結晶溫度越低。當變形度達到一定值后，再結晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結晶溫度。純金屬的最低再結晶溫度與其熔點之間的近似關系:

T再≈0.4T熔其中T再、T熔為絕對溫度.如Fe：T再=(1538+273)×0.4–273=451℃影響再結晶溫度的因素1）金屬的預先變形程度43ppt課件金屬中的微量雜質或合金元素，尤其高熔點元素，起阻礙擴散和晶界遷移作用，使再結晶溫度顯著提高。2）金屬的純度44ppt課件3）再結晶加熱速度和加熱時間提高加熱速度會使再結晶推遲到較高溫度發(fā)生；延長加熱時間，使原子擴散充分，再結晶溫度降低。生產中把消除加工硬化的熱處理稱為再結晶退火。再結晶退火溫度比再結晶溫度高100~200℃。

黃銅580oC保溫8秒后的組織黃銅580oC保溫15分后的組織45ppt課件再結晶完成后，若繼續(xù)升高溫度或延長保溫時間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個自發(fā)的過程。黃銅再結晶后晶粒的長大580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織3.3.3晶粒長大46ppt課件1．長大驅動力

再結晶完成后，金屬獲得均勻細小的晶粒，但有長大的趨勢，因為長大有利于減少界面，降低界面能。這種自由能的降低即為晶粒長大的驅動力。

2．正常長大和非正常長大

正常長大：再結晶晶粒均勻長大。方式：相互兼并，組織均勻。

非正常長大：一些晶粒迅速長大，并吞并臨近小晶粒，造成組織不均勻。

晶粒的長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。47ppt課件加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。再結晶退火溫度對晶粒度的影響1）加熱溫度和保溫時間影響因素48ppt課件預先變形度對再結晶晶粒度的影響2）預先變形量當變形量達到2~10%時，只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長大，再結晶后晶粒特別粗大，這個變形量稱臨界變形量。預先變形量的影響，實質是變形均勻程度的影響。當變形量很小時，晶格畸變小，不足以引起再結晶。49ppt課件當超過臨界變形量后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再結晶時形核量大而均勻，使再結晶后晶粒細而均勻，達到一定變形量之后，晶粒度基本不變。對某些金屬，當變形量相當大(90%)時，再結晶后晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認為這與形成織構有關。50ppt課件3.3.4冷變形和熱變形在再結晶溫度以下的變形叫冷變形。冷變形后金屬產生形變強化。在再結晶溫度以上的變形叫熱變形。熱變形后金屬具有再結晶組織，而無形變強化。金屬塑性加工最原始的坯料是鑄錠，其內部組織很不均勻，晶粒較粗大，并存在氣孔、縮松、非金屬夾雜物等缺陷。鑄錠經熱塑性加工后，獲得細化的再結晶組織，氣孔、縮松壓合在一起，金屬更加致密，力學性能有很大提高。51ppt課件

3.3.5金屬纖維組織及其應用鑄錠在壓力加工中產生塑性變形時，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質形狀都發(fā)生了變形，它們都將沿著變形方向被拉長，呈纖維形狀。這種結構叫纖維組織。金屬的回復和再結晶示意圖52ppt課件

纖維組織使金屬在性能上具有了方向性，對金屬變形后的質量也有影響。纖維組織越明顯，金屬在縱向(平行纖維方向)上塑性和韌性提鬲，而在橫向(垂直纖維方向)上塑性和韌性降低。纖維組織的明顯程度與金屬的變形程度有關。變形程度越大，纖維組織越明顯。壓力加工過程中，常用鍛造比(y)來表示變形程度。拔長時的鍛造比為y拔=A。／A

鐓粗時的鍛造比為y鐓=H。／H式中：H。、A。

——分別為坯料變形前的高度和橫截面積；

H、A——分別為坯料變形后的高度和橫截面積。

53ppt課件

纖維組織的穩(wěn)定性很高，不能用熱處理方法加以消除。只有經過鍛壓使金屬變形，才能改變其方向和形狀。因此，為了獲得具有最好力學性能的零件，在設計和制造零件時，都應使零件在工作中產生的最大正應力方向與纖維方向重合，最大切應力方向與纖維方向垂直。并使纖維分布與零件的輪廓相符合，盡量使纖維組織不被切斷。例如，當采用棒料直接經切削加工制造螺釘時，螺釘頭部與桿部的纖維被切斷，不能連貫起來，受力時產生的切應力順著纖維方向，故螺釘?shù)某休d能力較弱(圖3—7a)。當采用同樣棒料經局部鐓粗方法制造螺釘時(圖3—7b)，則纖維不被切斷，連貫性好，纖維方向也較為有利，故螺釘質量較好。54ppt課件

圖3-7不同工藝方法對纖維組織形狀的影響55ppt課件3.4塑性加工性能及其指標3.4.1塑性加工性能及其指標3.4.2塑性加工性能的影響因素56ppt課件金屬的塑性加工性能是指衡量金屬材料通過塑性加工獲得優(yōu)質零件的難易程度。塑性加工性能常用金屬的塑性和變形抗力來綜合衡量。金屬的塑性指金屬材料在外力作用下發(fā)生永久性變形而又不破壞其完整性的能力。常用截面收縮率、延伸率和沖擊韌度等指標表示。變形抗力指變形過程中金屬抵抗外力的能力。3.4.1塑性加工性能及其指標57ppt課件(1)金屬的本質

1)化學成分的影響不同化學成分的金屬其可鍛性不同。一般情況下，純金屬的可鍛性比合金好；碳鋼的含碳量越低，可鍛性越好；鋼中含有形成碳化物的元素(如鉻、鉬、鎢、釩等)時，其可鍛性顯著下降。

2)金屬組織的影響金屬內部的組織結構不同，其可鍛性有很大差別。純金屬及固溶體(如奧氏體)的可鍛性好，而碳化物(如滲碳體)的可鍛性差。鑄態(tài)柱狀組織和粗晶粒結構不如晶粒細小而又均勻的組織的可鍛性好。

3.4.2塑性加工性能的影響因素58ppt課件(2)加工條件

1)變形溫度的影響

提高金屬變形時的溫度，是改善金屬可鍛性的有效措施，并對生產率、產品質量及金屬的有效利用等均有極大的影響。金屬在加熱中，隨溫度的升高、金屬原子的運動能力增強(熱能增加，處于極為活潑的狀態(tài)中)，很容易進行滑移，因而塑性提高，變形抗力降低，可鍛性明顯改善，更加適宜進行壓力加工。但溫度過高，對鋼而言，必將產生過熱、過燒、脫碳和嚴重氧化等缺陷，甚至使鍛件報廢，所以應該嚴格控制鍛造溫度。鍛造溫度范圍系指始鍛溫度(開始鍛造的溫度)和終鍛溫度(停止鍛造的溫度)間的溫度區(qū)間。59ppt課件

鍛造溫度范圍的確定以合金狀態(tài)圖為依據(jù)。碳鋼的鍛造溫度范圍如圖3—8所示，其始鍛溫度比AE線低200℃左右，終鍛溫度為800℃左右。終鍛溫度過低，金屬的可鍛性急劇變差，使加工難于進行，若強行鍛造，將導致鍛件破裂報廢。