物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形

物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形§3．1單晶體和多晶體的塑性變形3.1.1單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形主要通過滑移和孿生兩種方式進(jìn)行。1．滑移：金屬塑性變形最常見的方式就是滑移。晶體在切應(yīng)力的作用下，一部分沿一定的晶面（亦稱滑移面）和晶向（也稱滑移方向）相對(duì)于另一部分產(chǎn)生滑移。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形實(shí)際上，單晶體的滑移變形除了晶體內(nèi)兩部分彼此以剛性的整體相對(duì)滑移外，晶體內(nèi)部的各種缺陷（尤其是位錯(cuò)）的運(yùn)動(dòng)更容易產(chǎn)生滑移，而且位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剛性的整體滑移所需的切應(yīng)力。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶體表面時(shí)，晶體就產(chǎn)生了塑性變形。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形滑移的實(shí)現(xiàn)——

借助于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形金屬晶體的滑移遵循一定的規(guī)律。⑴當(dāng)金屬晶體發(fā)生滑移時(shí)，原子移動(dòng)的距離是晶格常數(shù)的整數(shù)倍，所以滑移后仍然可以保持晶體結(jié)構(gòu)的完整性，滑移后晶體結(jié)構(gòu)的取向也沒有發(fā)生變化。⑵由于金屬晶體中各類晶面和晶向的原子密度并不相等，各類晶面之間距離和不同晶向的原子之間距離也不相等，所以當(dāng)外應(yīng)力或分切應(yīng)力一定時(shí)，金屬晶體必定會(huì)以晶面間距較大即晶面之間結(jié)合力較小的最密排面作為滑移面進(jìn)行滑移。反之，原子密度小的晶面，由于面間距離小，即晶面之間的結(jié)合力甚強(qiáng)而難于進(jìn)行滑移。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形⑶同理，滑移方向一般也是金屬晶體中的最密排方向。⑷將滑移面和滑移方向的組合數(shù)（即兩者的乘積）稱為滑移系。⑸金屬的晶體結(jié)構(gòu)不僅會(huì)影響滑移的臨界分切應(yīng)力的大小，還會(huì)對(duì)滑移系的多少產(chǎn)生影響。這兩個(gè)因素都與金屬的塑性直接有關(guān)。所以常見的金屬中，面心立方金屬塑性較好，體心立方金屬塑性稍差，密排六方金屬塑性更差。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形2．孿生晶體變形的另一種方式是孿生。孿生變形是在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分對(duì)應(yīng)于一定的晶面（孿晶面）沿一定方向進(jìn)行的相對(duì)移動(dòng)。原子移動(dòng)的距離與原子離開孿晶面的距離成正比，每個(gè)相鄰原子間的位移只有一個(gè)原子間距的幾分之一，但許多層晶面累積起來的位移便可形成比原子間距大許多的變形。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形孿生在切應(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。黃銅中的孿晶物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形3.1.2多晶體金屬塑性變形的特點(diǎn)1．晶粒取向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊懚嗑w中各個(gè)晶粒的取向不同，在大小和方向一定的外力作用下，各個(gè)晶粒中沿一定滑移面和一定滑移方向上的分切應(yīng)力并不相等，因此在某些取向合適的晶粒中，分切應(yīng)力有可能先滿足滑移的臨界應(yīng)力條件而產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這些晶粒的取向稱為軟位向。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形另一些晶粒由于取向的原因可能還不符合發(fā)生滑移的臨界應(yīng)力條件而不會(huì)發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這些晶粒的取向稱為硬位向。在外力作用下，金屬中處于軟位向的晶粒中的位錯(cuò)首先發(fā)生滑移運(yùn)動(dòng)，但這些晶粒變形到一定程度后就會(huì)受到處于硬位向、尚未發(fā)生變形的晶粒的阻礙，只有當(dāng)外力進(jìn)一步增加才能使處于硬位向的晶粒也滿足滑移的臨界應(yīng)力條件，產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)從而出現(xiàn)均勻的塑性變形。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形所以在多晶體金屬中，由于各個(gè)晶粒取向不同，一方面使塑性變形表現(xiàn)出很大的不均勻性，另一方面也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)化作用。同時(shí)，在多晶體金屬中，當(dāng)各個(gè)取向不同的晶粒都滿足臨界應(yīng)力條件后，每個(gè)晶粒既要沿各自的滑移面和滑移方向滑移，又要保持多晶體金屬的結(jié)構(gòu)連續(xù)性，所以實(shí)際的滑移變形過程比單晶體金屬復(fù)雜、困難得多。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形2．晶界對(duì)塑性變形的影響在多晶體金屬中，晶界原子的排列是不規(guī)則的，局部晶格畸變十分嚴(yán)重，還容易產(chǎn)生雜質(zhì)原子和空位等缺陷的偏聚。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)容易受到晶界的阻礙。在常溫下多晶體金屬受到一定的外力作用時(shí)，首先在各個(gè)晶粒內(nèi)部產(chǎn)生滑移或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，只有當(dāng)外力進(jìn)一步增大后，位錯(cuò)的局部運(yùn)動(dòng)才能通過晶界運(yùn)動(dòng)，從而出現(xiàn)更大的塑性變形。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形這表明多晶體金屬的晶界可以起到強(qiáng)化作用，金屬晶粒越細(xì)小，晶界在多晶體中占有的體積百分比越大，它對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻礙也越大，因此細(xì)化晶?？梢詫?duì)多晶體金屬起到明顯強(qiáng)化作用。同時(shí)在一定的外力作用下，當(dāng)總的塑性變形量一定時(shí)，細(xì)化晶粒后可以使位錯(cuò)在更多的晶粒中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，這就會(huì)使塑性變形更均勻，因而不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以細(xì)化晶粒在提高金屬強(qiáng)度的同時(shí)也改善了金屬材料的韌性。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形§3．2

金屬的形變強(qiáng)化3.2.1形變強(qiáng)化現(xiàn)象金屬經(jīng)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(diǎn)是強(qiáng)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(qiáng)化，也稱為加工硬化或冷作硬化。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形

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↑金屬在冷變形時(shí)，強(qiáng)度、硬度↑，塑性、韌性↓。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形利用形變強(qiáng)化現(xiàn)象來提高金屬材料的強(qiáng)度，在工業(yè)上應(yīng)用甚廣。例如冷拉鋼絲。尤其是對(duì)于純金屬以及不能用熱處理強(qiáng)化的合金，這種方法格外重要。冷態(tài)壓力加工后位錯(cuò)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(chǎn)品尺寸精度高、表面質(zhì)量好，但塑性下降，進(jìn)一步加工困難。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形3.2.2塑性變形后金屬的組織結(jié)構(gòu)變化⑴晶粒碎化，亞結(jié)構(gòu)增多。⑵晶粒拉長，出現(xiàn)纖維狀組織。塑性變形會(huì)使多晶體金屬的晶粒、晶界形狀、晶界上雜質(zhì)元素的分布都出現(xiàn)沿變形方向的延伸。如果塑性變形量很大，晶界會(huì)變得模糊不清，只剩下沿變形方向的一條條纖維狀條紋。這種組織稱為纖維狀組織。多晶體金屬塑性變形時(shí)各個(gè)晶粒的取向還會(huì)發(fā)生一定的變化，即處于軟位向的晶粒會(huì)邊變形邊向硬位向轉(zhuǎn)動(dòng)。所以當(dāng)塑性變形量很大時(shí)還會(huì)使各個(gè)晶粒的取向基本一致而產(chǎn)生織構(gòu)，并造成各向異性。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形(1) 晶粒拉長，纖維狀組織→各向異性(沿纖維方向的強(qiáng)度、塑性最大）變形10%100×變形40%100×變形80%纖維狀組織100×工業(yè)純鐵

不同變形度

的顯微組織物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形（2）織構(gòu)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。晶粒拉長，但未出現(xiàn)織構(gòu)。晶粒拉長，且出現(xiàn)織構(gòu)。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形3.2.3塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力（內(nèi)應(yīng)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(nèi)變形也不一致，因而造成多晶體變形的不均勻性。晶粒內(nèi)部和晶粒之間會(huì)存在不同的內(nèi)應(yīng)力，變形結(jié)束后殘留在晶粒內(nèi)部或晶粒之間形成殘余應(yīng)力。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形殘余應(yīng)力分為宏觀殘余應(yīng)力（第一類殘余應(yīng)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(nèi)的殘余應(yīng)力）、微觀殘余應(yīng)力（第二類殘余應(yīng)力，是各晶?；騺喚ЯＶg變形不均勻，在各晶?；騺喚Яｉg產(chǎn)生的殘余應(yīng)力）和晶格畸變殘余應(yīng)力（第三類殘余應(yīng)力，是金屬在塑性變形后增加了位錯(cuò)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(chǎn)生的殘余應(yīng)力）。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形殘余應(yīng)力的危害主要有：⑴降低工件的承載能力。⑵使工件尺寸及形狀發(fā)生變化。⑶降低工件的耐腐蝕性。消除殘余應(yīng)力的方法：去應(yīng)力退火。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形§3．3

塑性變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化凡是經(jīng)過塑性變形后的金屬皆具有一種自發(fā)恢復(fù)到原來組織狀態(tài)的傾向。不過，在室溫下，由于金屬中的原子擴(kuò)散能力不足，這種不穩(wěn)定狀態(tài)能維持相當(dāng)時(shí)間而不發(fā)生明顯的變化。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形3.3.1回復(fù)加工硬化后的金屬，在加熱到一定溫度后，原子獲得熱能，使原子得以恢復(fù)正常排列，消除了晶格扭曲，可使加工硬化得到部分消除。這一過程稱為回復(fù)。T回=（）T熔T回、T熔——以熱力學(xué)溫度表示的金屬回復(fù)溫度和熔化溫度。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形3.3.2再結(jié)晶當(dāng)溫度繼續(xù)升高到該金屬熔點(diǎn)熱力學(xué)溫度的倍時(shí)，金屬原子獲得更多的熱能，則開始以某些碎晶或雜質(zhì)為核心結(jié)晶成新晶粒，從而消除了殘余應(yīng)力和加工硬化現(xiàn)象。這個(gè)過程稱為再結(jié)晶。T再熔T再——以熱力學(xué)溫度表示的金屬最低再結(jié)晶溫度。當(dāng)金屬在高溫下受力變形時(shí)，加工硬化和再結(jié)晶過程同時(shí)存在。由于變形中的加工硬化隨時(shí)都被再結(jié)晶過程所消除，所以變形后沒有加工硬化現(xiàn)象。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形3.3.3晶粒長大塑性變形的金屬經(jīng)再結(jié)晶后，得到細(xì)小均勻的等軸晶粒。但如繼續(xù)升高溫度或延長保溫時(shí)間，則再結(jié)晶后形成的新晶粒又會(huì)逐漸長大。晶粒長大是一個(gè)自發(fā)過程，因?yàn)樗墒咕Ы鐪p少，晶界表面能量降低，使組織處于更穩(wěn)定的狀態(tài)。晶粒長大實(shí)質(zhì)上是一個(gè)晶粒的邊界向另一個(gè)晶粒中遷移，把另一個(gè)晶粒中晶格的位向逐步改變成為與這個(gè)晶粒相同的位向，于是另一個(gè)晶粒便逐步被這個(gè)晶粒吞并而成一個(gè)大晶粒。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形

晶粒長大變形80%工業(yè)純鐵再結(jié)晶退火顯微照片100×變形80%600℃退火8小時(shí)

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、晶粒合并長大。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形3.3.4冷變形和熱變形在再結(jié)晶溫度以下的變形叫冷變形。冷變形后金屬產(chǎn)生形變強(qiáng)化。在再結(jié)晶溫度以上的變形叫熱變形。熱變形后金屬具有再結(jié)晶組織，而無形變強(qiáng)化。金屬塑性加工最原始的坯料是鑄錠，其內(nèi)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(jīng)熱塑性加工后，獲得細(xì)化的再結(jié)晶組織，氣孔、縮松壓合在一起，金屬更加致密，力學(xué)性能有很大提高。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形3.3.5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)生了改變，它們將沿著變形方向被拉長，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，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。纖維組織的明顯程度與金屬的變形程度有關(guān)。變形程度越大，纖維組織越明顯。常用鍛造比y鍛來表示變形程度。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形拔長時(shí)：y鍛=A0/A（變形前后的橫截面積之比）鐓粗時(shí)：y鍛=H0/H（變形前后的高度之比）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(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。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形鍛造曲軸切削加工曲軸物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形§3．4

塑性加工性能及影響因素3.4.1塑性加工性能及其指標(biāo)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(zhì)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(biāo)表示。變形抗力指變形過程中金屬抵抗外力的能力。物理性質(zhì)變化之金屬材料的塑性變形3.4.2塑性加工性能的影響因素1．金屬的本質(zhì)⑴化學(xué)成分：純金屬的塑性加工性能比合金好。⑵金屬組織：純金屬及固溶體（