第六章金屬的塑性變形

第六章金屬的塑性變形第一頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五金屬的塑性加工目的改變材料的尺寸和形狀；改善材料的組織，提高性能。第二頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五金屬的塑性加工分類：冷變形加工：塑性變形是在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的。熱變形加工：塑性變形是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的。第三頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五金屬的塑性加工金屬的塑性變形不僅是材料成形的重要手段，而且在車、銑、刨、鉆、磨等機(jī)械加工過(guò)程中也大量存在。第四頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五第一節(jié)金屬的塑性變形第五頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形主要通過(guò)滑移和孿生兩種方式進(jìn)行。第六頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五滑移

slip在切應(yīng)力作用下，單晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定的晶面（滑移面）和一定的方向（滑移方向）發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的現(xiàn)象?；谱兗炔桓淖兙Ц窠Y(jié)構(gòu)，也不影響晶體的取向。只是在晶體表面出現(xiàn)了一系列的臺(tái)階狀痕跡——滑移帶（SlipBand）和滑移線（SlipLine）。第七頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五單晶體的滑移變形與斷裂：彈性變形階段：外力較小時(shí)，晶格原子偏離平衡位置，消除外力原晶格回復(fù)。塑性變形階段：外力較大時(shí)，晶格原子移動(dòng)超過(guò)原子間距，消除外力，原子不能回到原位置，形成新晶格。斷裂階段：外力很大時(shí)，原晶格完全被破壞，且不能形成新的晶格。第八頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五實(shí)際晶體的滑移是通過(guò)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于不需整個(gè)晶體上下兩部分的原子同時(shí)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，而每次只需位錯(cuò)中心附近的少數(shù)原子作微量運(yùn)動(dòng)，那么位錯(cuò)移動(dòng)所需臨界切應(yīng)力大大減小。因此，滑移實(shí)際上是在切應(yīng)力作用下，位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。第九頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五滑移的特定晶面被稱為滑移面（SlipPlane）；特定晶向被稱為滑移方向（SlipDirection）——滑移要素滑移面和滑移方向一般為晶體中的原子密排面和密排方向——密排面（方向）之間的間距最大，原子結(jié)合力最小。第十頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五滑移系（SlipSystem）晶體中一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系。表示晶體在滑移時(shí)可能采取的一個(gè)空間位向。一般地，滑移系的數(shù)量（晶體滑移時(shí)可能采取的位向）越多，該晶體的塑性越好。在滑移系數(shù)量相同時(shí)，滑移方向較多的晶體塑性較高。第十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五孿生Twinning（孿晶Twin）

在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定的晶面（孿晶面）發(fā)生共格切變（形成鏡面對(duì)稱結(jié)構(gòu)）。第十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五孿生與滑移的區(qū)別：滑移僅使滑移面上的原子相對(duì)滑動(dòng)，移動(dòng)距離為原子間距的整數(shù)倍；孿生則使孿晶帶內(nèi)所有的面都滑動(dòng)，且每個(gè)面的滑動(dòng)量和距孿生面的距離成正比；滑移后整個(gè)晶體的位向沒(méi)有改變；而孿晶部分的位向與基體相對(duì)于孿生面呈晶面對(duì)稱。孿生所需的切應(yīng)力比滑移大。第十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五孿生（孿晶）孿生是一種次要的塑變方式，只有在滑移難以進(jìn)行的條件下才發(fā)生。具有hcp晶格的金屬（Zn、Mg、Be等），由于滑移系數(shù)量較少，孿生就比較容易發(fā)生。具有bcc晶格的金屬，只有在低溫或受到?jīng)_擊時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生孿生變形。具有fcc晶格的金屬，一般不會(huì)發(fā)生孿生變形。第十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五多晶體的塑性變形實(shí)際金屬一般都是多晶體，其塑性變形的基本方式仍為滑移和孿生——每個(gè)晶粒內(nèi)的塑性變形仍是滑移與孿生；每個(gè)晶粒的塑性變形又受到周圍位向不同的晶粒與晶界的約束——需要形變協(xié)調(diào)。第十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五晶界的作用：晶界處原子排列不規(guī)則，雜質(zhì)聚集→晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→強(qiáng)度↑晶粒的作用：晶粒細(xì)小↑

→晶界面積↑→材料的強(qiáng)度↑

晶粒細(xì)小↑

→晶粒數(shù)目↑→

每個(gè)晶粒內(nèi)塑變分量↓→材料塑性↑∴多晶體材料晶粒細(xì)化，會(huì)引起材料的σ、HB、δ、aK提高。晶粒位向：晶粒的塑變受到周圍不同位向晶粒的約束和阻礙，導(dǎo)致材料的變形抗力↑→強(qiáng)度↑。第十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五合金的塑性變形第十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二節(jié)冷塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響第十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五產(chǎn)生加工硬化金屬材料經(jīng)過(guò)冷塑性變形以后，出現(xiàn)強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化可強(qiáng)化金屬，提高金屬的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。第二十頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五產(chǎn)生纖維狀組織金屬材料在塑性變形時(shí)，隨著外形的變化，內(nèi)部的晶粒形狀也由等軸狀晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀的晶?！刈畲笾髯冃畏较虮焕L(zhǎng)、拉細(xì)/壓扁。形成纖維組織后，金屬會(huì)具有明顯的方向性——縱向力學(xué)性能高于橫向力學(xué)性能。第二十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五形成亞結(jié)構(gòu)，細(xì)化亞組織金屬塑性變形時(shí)，由于位錯(cuò)密度加大和發(fā)生交互作用，使得大量位錯(cuò)堆積在局部區(qū)域，導(dǎo)致晶粒分化成許多位向略有不同的亞晶粒。隨著塑性變形程度的增大，變形亞組織將逐漸增多并細(xì)化，使亞晶界顯著增多。亞晶界越多，位錯(cuò)密度↑→金屬塑性變形抗力↑。第二十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五產(chǎn)生形變織構(gòu)金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，晶粒在滑移過(guò)程中按一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量很大時(shí)，各個(gè)晶粒的晶格位向趨于一致，該過(guò)程稱為擇優(yōu)取向，會(huì)導(dǎo)致金屬的性能出現(xiàn)明顯的各向異性。具有擇優(yōu)取向的晶體結(jié)構(gòu)稱為形變織構(gòu)（deformationtexture）。第二十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力residualstress：是指當(dāng)作用于金屬材料上的外力去除后，仍殘留在金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是一種彈性應(yīng)力，成對(duì)平衡于材料內(nèi)部。按作用范圍，殘余應(yīng)力分為：宏觀內(nèi)應(yīng)力晶間內(nèi)應(yīng)力晶格畸變內(nèi)應(yīng)力第二十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）：由于金屬內(nèi)部各部分變形不均勻而造成的內(nèi)應(yīng)力。第二十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五晶間內(nèi)應(yīng)力（微觀內(nèi)應(yīng)力、第二類內(nèi)應(yīng)力）：由于各晶粒、亞晶粒的變形不均勻而在晶粒、亞晶粒之間產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。第二十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五晶格畸變內(nèi)應(yīng)力（第三類內(nèi)應(yīng)力）：由于晶格畸變而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。是存在于變形金屬中最主要的內(nèi)應(yīng)力。第二十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五殘余內(nèi)應(yīng)力對(duì)金屬零件/構(gòu)件性能的影響：當(dāng)殘余內(nèi)應(yīng)力與工作應(yīng)力相反時(shí)，可提高工件的疲勞應(yīng)力，使疲勞強(qiáng)度增加（見(jiàn)P19）。當(dāng)殘余內(nèi)應(yīng)力與工作應(yīng)力一致時(shí)，會(huì)降低工件的實(shí)際應(yīng)力，導(dǎo)致工件的承載能力、疲勞強(qiáng)度下降；若工件的內(nèi)應(yīng)力松弛或重新分布，會(huì)導(dǎo)致工件發(fā)生變形；導(dǎo)致工件的耐腐蝕能力下降（應(yīng)力腐蝕）。殘余內(nèi)應(yīng)力的消除：去應(yīng)力退火機(jī)械處理第二十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三節(jié)冷變形金屬在加熱時(shí)的變化第三十頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五冷變形金屬在加熱時(shí)的變化金屬經(jīng)過(guò)冷塑性變形后，能量增大晶格畸變、位錯(cuò)密度提高、殘余內(nèi)應(yīng)力等，處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，具有自發(fā)恢復(fù)到冷塑性變形前的狀態(tài)的傾向。但在室溫下，原子活動(dòng)能力很弱，這種不穩(wěn)定的狀態(tài)不能改變。當(dāng)溫度提高時(shí)，原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，轉(zhuǎn)變開(kāi)始進(jìn)行。第三十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五隨著加熱溫度的提高，變化過(guò)程可分為：回復(fù)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大

三個(gè)階段。冷變形金屬在加熱時(shí)的變化第三十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五回復(fù)Recovery冷塑性變形的金屬在加熱溫度不太高時(shí)，組織和性能無(wú)明顯變化，但殘余內(nèi)應(yīng)力明顯下降，這一階段的變化稱為回復(fù)。第三十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五回復(fù)的特點(diǎn)：溫度較低，：T回復(fù)≈(0.25~0.3)*T熔

（采用絕對(duì)溫標(biāo)，單位K）顯微組織無(wú)明顯變化，一般仍為纖維狀晶粒。晶體點(diǎn)缺陷得以消除：位錯(cuò)/空位對(duì)消，晶格畸變減輕。性能：加工硬化仍保留，但內(nèi)應(yīng)力明顯下降。第三十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五回復(fù)的應(yīng)用：去應(yīng)力退火/低溫退火——目的是消除殘余內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。例如：冷拉鋼絲繩，在250~300℃溫度下退火，既能保持加工硬化的強(qiáng)化效果，又能消除內(nèi)應(yīng)力。第三十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五再結(jié)晶Recrystallization冷塑性變形的金屬在較高溫度下加熱，通過(guò)新的晶核的形成和長(zhǎng)大，由纖維狀晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒（晶格類型不變!），加工硬化和殘余內(nèi)應(yīng)力完全消除，這一轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為再結(jié)晶。第三十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五再結(jié)晶的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)變溫度較高：

純金屬：T再≈0.4*T熔

（采用絕對(duì)溫標(biāo)，單位K）

合金：T再≈0.6*T熔

顯微組織發(fā)生明顯變化：通過(guò)新的晶核的形成和長(zhǎng)大，纖維狀組織消除，獲得細(xì)小的等軸晶粒。改變晶粒外形，不改變晶格類型——無(wú)相變。

性能：加工硬化消除，內(nèi)應(yīng)力完全消除，材料塑性恢復(fù)。第三十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五再結(jié)晶的應(yīng)用再結(jié)晶退火——目的是消除加工硬化，恢復(fù)材料的塑性以便繼續(xù)加工。例如：

沖壓加工過(guò)程中，應(yīng)考慮在多次拉深中間安排再結(jié)晶退火。思考：冷拉鋼絲繩，能否進(jìn)行再結(jié)晶退火？第三十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五晶粒長(zhǎng)大GrainGrowth冷塑性變形的金屬在加熱溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，再結(jié)晶后形成的晶粒會(huì)逐漸長(zhǎng)大，導(dǎo)致金屬材料的機(jī)械性能下降。注：晶粒長(zhǎng)大是自發(fā)現(xiàn)象第三十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五

變形80%變形80%、400℃退火8小時(shí)變形80%、600℃退火8小時(shí)工業(yè)純鐵的再結(jié)晶退火顯微照片100×第四十頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五影響再結(jié)晶后晶粒度的因素加熱溫度和保溫時(shí)間冷變形程度第四十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五加熱溫度和保溫時(shí)間：加熱溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，都會(huì)導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，特別是加熱溫度的影響尤為明顯。第四十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五冷變形程度當(dāng)變形度很小時(shí)，不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，晶粒度保持不變；在變形度為2~10%（臨界變形程度）時(shí)，金屬變形度不大而且不均勻，再結(jié)晶時(shí)形核數(shù)目少，晶粒異常長(zhǎng)大；變形度較大時(shí)，各晶粒變形均勻，再結(jié)晶時(shí)形核數(shù)目增大，再結(jié)晶后的晶粒也比較細(xì)小、均勻。第四十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五第四節(jié)金屬的熱塑性變形

（熱變形加工）第四十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱變形和冷變形熱變形加工再結(jié)晶溫度以上的加工變形，變形過(guò)程中發(fā)生再結(jié)晶，會(huì)消除加工硬化。冷變形加工……以下……，……不發(fā)……，不會(huì)……，產(chǎn)生……。例如：鎢的再結(jié)晶溫度約為1200℃，因此鎢在1000℃下的加工變形仍為冷變形。錫的再結(jié)晶溫度為-7℃，因此錫在室溫下的加工變形仍為熱變形。第四十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱變形對(duì)金屬組織和性能的影響改善鑄造組織，提高性能鑄態(tài)金屬中的氣孔、疏松被焊合，材料的致密度提高，鑄態(tài)的大枝晶粒被打碎，獲得細(xì)小的等軸晶粒。第四十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱變形對(duì)金屬組織和性能的影響形成熱變形加工的纖維組織——流線熱變形時(shí)，鑄態(tài)組織中的偏析物和夾雜物會(huì)沿變形方向拉長(zhǎng)，形成“流線”，使材料的性能具有方向性，沿流線方向的性能比垂直流線方向更好。因此，制造工件時(shí)，應(yīng)盡量使工件的流線與受力方向一致。第四十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五第四十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱變形對(duì)金屬組織和性能的影響熱變形溫度的影響加熱溫度過(guò)低，引起加工硬化，造成殘余內(nèi)應(yīng)力；加熱溫度過(guò)高，會(huì)引起材料的晶粒長(zhǎng)大，力學(xué)性能下降。第四十九頁(yè)，共五十一頁(yè)