金屬材料的塑性變形

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(duì)金屬組織和性能的影響當(dāng)前第1頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)一、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)力引起彈性變形及解理斷裂。切應(yīng)力的作用下金屬晶體產(chǎn)生塑性變形。(一)、單晶體金屬的塑性變形外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片當(dāng)前第2頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)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。當(dāng)前第3頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)滑移在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)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)?；频膶?shí)現(xiàn)——借助于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)當(dāng)前第4頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)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。

銅拉伸試樣表面滑移帶滑移當(dāng)前第5頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)※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)?！浦辉谇袘?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。滑移的特點(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)。當(dāng)前第6頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)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的滑移方向多于BCC，金屬塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。當(dāng)前第7頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)孿生

在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)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(duì)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(duì)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。

當(dāng)前第8頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)黃銅中的孿晶鋅中的孿晶當(dāng)前第9頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)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(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行的。當(dāng)前第10頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)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。當(dāng)前第11頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)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。不均勻的塑性變形過(guò)程當(dāng)前第12頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)2、晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，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(lái)與之協(xié)調(diào)。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。當(dāng)前第13頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)Cu-4.5Al合金晶界的位錯(cuò)塞積3.晶界阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來(lái),稱位錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行,則必須增加外力,從而使金屬的變形抗力提高。當(dāng)前第14頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)細(xì)晶強(qiáng)化通過(guò)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?！ЯＴ郊?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。當(dāng)前第15頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)3、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響塑性變形對(duì)金屬性能的影響※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?！捎诶w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?！菇饘倬w缺陷增多，并產(chǎn)生殘余應(yīng)力。當(dāng)前第16頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)（1）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↑當(dāng)前第17頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)形變強(qiáng)化作用提高材料的強(qiáng)度使變形更均勻防止材料偶然過(guò)載引起破壞

不利方面金屬在加工過(guò)程中塑性變形抗力不斷增加，使金屬的冷加工需要消耗更多的功率形變強(qiáng)化使金屬變脆，因而在冷加工過(guò)程中需要進(jìn)行多次中間退火，使金屬軟化，才能夠繼續(xù)加工限制使用溫度不能太高，否則由于退火效應(yīng)，金屬會(huì)軟化對(duì)于脆性材料，一般不宜利用應(yīng)變硬化來(lái)提高強(qiáng)度性能金屬材料大量形變以后強(qiáng)度就會(huì)提高，具有加工硬化的性能。當(dāng)前第18頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)3、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響（2）塑性變形對(duì)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)當(dāng)前第19頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)

金屬纖維組織及其應(yīng)用

鑄錠在塑性加工中產(chǎn)生塑性變形時(shí)，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)形狀都發(fā)生變形．它們將沿著變形方向被拉長(zhǎng)，呈纖維形狀。這種結(jié)構(gòu)叫纖維組織。

纖維組織使金屬在性能上具有了方向性，對(duì)金屬變形后的質(zhì)量也有影響。纖維組織越明顯，金屬在縱向(平行纖維方向)上的強(qiáng)度尤其是塑性和韌性均比在橫向(垂直纖維方向)上的高。當(dāng)前第20頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)

為了獲得具有最好力學(xué)性能的零件，在設(shè)計(jì)和制造零件時(shí)，都應(yīng)使零件在工作中產(chǎn)生的最大正應(yīng)力方向與纖維方向一致，最大切應(yīng)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。

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(jīng)過(guò)鍛壓使金屬變形，才能改變其方向和形狀。當(dāng)前第21頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)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金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，外形發(fā)生變化，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。當(dāng)前第22頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)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。當(dāng)前第23頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)變形織構(gòu)（1）絲織構(gòu)（2）板織構(gòu)變壓器鐵芯的硅鋼片，沿〈100〉方向最易磁化，采用這種織構(gòu)的板材，鐵損減小。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。這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。各向異性導(dǎo)致的銅板“制耳”有無(wú)當(dāng)前第24頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)(4)產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力

內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力時(shí),內(nèi)部變形不均勻而引起的。第一類內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間(宏觀內(nèi)應(yīng)力)。引起新的變形，降低精度。第二類內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間,(微觀內(nèi)應(yīng)力)。引起開(kāi)裂，產(chǎn)生微裂紋。第三類內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。強(qiáng)化金屬；耐蝕性降低。

(3)影響金屬的物理、化學(xué)性能(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)降低工件的耐蝕性殘余應(yīng)力的主要危害：消除殘余應(yīng)力主要采用熱處理方法變形、開(kāi)裂、耐蝕性下降。利用好可提高表面疲勞強(qiáng)度當(dāng)前第25頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)二、塑性變形后的金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化金屬經(jīng)冷變形后,組織處于不穩(wěn)定狀態(tài),有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可長(zhǎng)時(shí)間維持。加熱可使原子擴(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。當(dāng)前第26頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)

T回復(fù)=（0.25~０.3）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(guò)程對(duì)變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火來(lái)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(guò)程點(diǎn)缺陷大大↓，內(nèi)應(yīng)力顯著↓，強(qiáng)度、硬度略有↓。

當(dāng)前第27頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)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(guò)重新生核、長(zhǎng)大變成新的均勻、細(xì)小的等軸晶粒，晶格類型不變，該過(guò)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(guò)程對(duì)變形后金屬進(jìn)行再結(jié)晶退火來(lái)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。當(dāng)前第28頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)最低再結(jié)晶溫度T再純金屬T再=0.4T熔合金T再=（0.5~0.7）T熔

溫度單位：絕對(duì)溫度(K)生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100~200℃。當(dāng)前第29頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)鐵素體變形80%670℃加熱650℃加熱再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成和長(zhǎng)大的過(guò)程，但不是相變過(guò)程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。當(dāng)前第30頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)a.黃銅變形量達(dá)38％后的組織b.580℃保溫3sc..580℃保溫4sd.580℃保溫8se.580℃保溫15minf.700℃保溫10min當(dāng)前第31頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)影響再結(jié)晶退火后晶粒度的因素

1、加熱溫度和保溫時(shí)間加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。再結(jié)晶退火溫度對(duì)晶粒度的影響當(dāng)前第32頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)預(yù)先變形度的影響，實(shí)質(zhì)上是變形均勻程度的影響.當(dāng)變形度很小時(shí)，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶.當(dāng)變形達(dá)到2~10%時(shí)，只有部分晶粒變形，變形極預(yù)先變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒度的影響2、預(yù)先變形度不均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長(zhǎng)大,再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個(gè)變形度稱臨界變形度。當(dāng)前第33頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)3）晶粒長(zhǎng)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、晶粒合并長(zhǎng)大。變形80%600℃退火8小時(shí)當(dāng)前第34頁(yè)\共有37頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)三、金屬材料的熱加工和冷加工1．熱加工對(duì)組織和性能的影響2．冷加工對(duì)組織和性能的影響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(lái)劃分的。低于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工，而高