机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶

轧制模锻拉拔第三章金属的塑性变形与再结晶第一节金属的变形过程第二节塑性变形对金属组织第三节金属的回复与再结晶第四节金属的热加工第五节金属的断裂与性能的影响材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。第一节金属的变形过程一、金属的弹性变形PPPP原子间作用力与原子间距的关系金属弹性变形主要的三个特点：1、可逆性；2、变形量小；3、应力应变呈线性关系：σ=E.ε弹性模量取决于原子间结合力二、金属的塑性变形锌单晶的拉伸照片光滑试样在拉伸过程中，表面会出现许多相平行的倾斜线条的痕迹，称滑移带。滑移：一部分晶体沿着某一晶面和晶向相对于另一部分晶体滑动,滑移带间的晶体结构未发生改变。1、外力在单晶体任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力引起弹性变形及解理断裂。切应力的作用下金属晶体产生塑性变形。外力在晶面上的分解锌单晶的拉伸照片滑移变形特点：2、滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三种典型金属晶格的滑移系滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好。金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格,体心立方晶格好于密排六方晶格。3、滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。铜拉伸试样表面滑移带压缩时晶体滑移转动示意图4、两部分晶体的转动转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶。A0A1FF晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。滑移的机理PP刃位错的运动晶体滑移所需的最小切应力实际是滑移面内位错移动时所需的力，又称位错移动的临界应力。单晶体的位错移动临界应力取决于：金属本性（原子间结合力和晶体结构类型等）、位错数量、位错与点缺陷和线缺陷的相互作用。多晶体金属的塑性变形晶界的影响位错运动到晶界附近时,受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行,则必须增加外力,从而使金属的变形抗力提高。Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。晶粒大小与金属强度关系金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。第二节塑性变形对金属组织与性能的影响一、晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性金属在较大的塑性变形后，内部晶粒会被拉长成为细条状或纤维状，这种组织称纤维状组织。性能各向异性。如：纵向强度和塑性远大于横向。(a)正火态(c)变形80%(b)变形40%位错密度增加，导致金属强度和硬度的提高，塑性和韧性下降，称为加工硬化或形变强化。二、位错密度增加，产生加工硬化冷塑性变形量，%1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量，%1040钢(0.4%C)黄铜铜产生加工硬化的原因是:1.随变形量增加，位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加.变形20%纯铁中的位错未变形纯铁2.随变形量增加，亚结构细化3.随变形量增加，空位密度增加4.几何硬化：由晶粒转动引起加工硬化使一些压力加工工艺得以实现。加工硬化不利的一面：1、增加继续变形的动力；2、冷变形过程中需中间处理工艺，增加生产周期；3、改变物化性能，如电阻增加，抗腐蚀能力减弱。板织构丝织构形变织构示意图由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称变形织构或择优取向。三、织构现象的产生形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。各向异性导致的铜板“制耳”有无残余内应力：塑性变形时，各部分不均匀变形引起的应力。第一类内应力平衡于表面与心部之间(宏观内应力)；第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间(微观内应力)；第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。四、残余内应力第三节金属的回复与再结晶加热温度℃黄铜金属经冷变形后，组织处于不稳定状态，有自发恢复到稳定状态的倾向。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。内应力显著降低；点缺陷显著减少；位错密度变化小，但排列向稳定阶段过渡。回复点阵畸变消除，内应力显著降低，强度和硬度略有降低。回复退火又称去应力退火，常用于去除冷加工金属件内的残余内应力。再结晶铁素体变形80%670℃加热650℃加热变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改变的过程称再结晶。再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。冷变形奥氏体不锈钢加热时的再结晶形核SEM-再结晶晶粒在原变形组织晶界上形核TEM-再结晶晶粒形核于高密度位错基体上与结晶区别：没有新相生成。由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。冷变形黄铜组织性能随温度的变化冷变形(变形量为38%)黄铜580ºC保温15分后的的再结晶组织再结晶后的晶粒长大黄铜再结晶后晶粒的长大580ºC保温8秒后的组织580ºC保温15分后的组织700ºC保温10分后的组织再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低。原子穿过晶界扩散晶界迁移方向黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片冷变形量为38％的组织580ºC保温3秒后的组织580ºC保温4秒后的组织580ºC保温8秒后的组织580ºC保温15分后的组织700ºC保温10分后的组织再结晶温度再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。或变形量70%以上的金属，1h保温后能够完全再结晶的温度。T再与ε的关系影响再结晶温度的因素纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系:T再≈0.35-0.4T熔（绝对温度）金属熔点越高,T再也越高.T再℃=(T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃1、金属的预先变形程度金属预先变形程度越大，再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。2、金属的纯度金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高.3、再结晶加热速度和加热时间提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生；延长加热时间,使原子扩散充分,再结晶温度降低。生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度高100~200℃。黄铜580ºC保温8秒后的组织黄铜580ºC保温15分后的组织影响再结晶退火后晶粒度的因素1、加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。再结晶退火温度对晶粒度的影响预先变形度的影响，实质是变形均匀程度的影响。预先变形度对再结晶晶粒度的影响2、预先变形度当变形达到2-10%时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度称临界变形度。变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。3%变形后经550℃退火6%变形后经550℃退火9%变形后经550℃退火12%变形后经550℃退火15%变形后经550℃退火冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响（纯铝片试样）第四节金属的热加工一、冷加工与热加工的区别随温度升高，金属的强度、硬度下降，而塑性升高。模锻拉拔冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。如Fe的再结晶温度为451℃，其在400℃以下的加工仍为冷加工。而Sn的再结晶温度为-71℃，则其在室温下的加工为热加工。热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。巨型自由锻件热加工对金属组织和性能的影响1、热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。锻压热加工动态再结晶示意图2、热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作流线，由这种流线体现的组织称纤维组织。它使钢产生各向异性，制定加工工艺时，应使流线尽量与拉应力方向一致。滚压成型后螺纹内部的纤维分布吊钩中的纤维组织在加工亚共析钢时，发现钢中的F与P呈带状分布，这种组织称带状组织。降低强度和韧性，可通过多次正火或扩散退火消除.正火组织带状组织热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。蒸汽-空气锤金属的冷热加工模锻自由锻轧制正挤压反挤压拉拔冲压第五节金属的断裂根据材料断裂前所产生的宏观塑性变形量大小确定断裂类型，分为韧性断裂与脆性断裂。根据裂纹扩展路径，分为穿晶断裂与沿晶断裂。韧性断裂的特征是断裂前发生明显宏观塑性变形，断口呈暗灰色纤维状。脆性断裂的特征是无明显宏观塑性变形，断口平齐而光亮，常呈人字纹或放射花样。韧性断口脆性解理断口韧性断口：暗灰色纤维状。脆性断口：呈人字纹或放射花样。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板第四章评价金属材料在应力、介质作用下的性能指标零件工作条件：应力(载荷)、介质及温度。载荷：静载荷、动载荷、冲击载荷及摩擦。结构强度：指零件短时承载能力及长期的使用寿命，受结构、材料、加工工艺等因素影响。第一节金属材料在静载荷作用下的第二节金属材料在其它载荷第三节金属的缺口效应与性能指标第四节金属的磨损与接触疲劳第五节应力腐蚀与氢脆作用下的性能指标性能指标第一节金属材料在静载荷作用下的性能指标静载荷是指作用于材料上的载荷方向与作用时间无关的载荷。单向的拉伸、压缩、弯曲、扭转等。静载荷作用下，金属材料将发生弹性变形、塑性变形及断裂三个基本过程。机械性能是指材料在外力作用时抵抗变形和破坏的能力。刚性(刚度)、弹性、强度和塑性等。低碳钢的应力-应变曲线拉伸试验机应力=P/F0应变=(l-l0)/l0长试样：L0=10d0短试样：L0=5d01、刚度刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。刚度指标为弹性模量E。e(2)增加横截面积或减小长度可提高零件刚度。(1)弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。）（MPatgE0000LFELFσΔLPQ2、弹性弹性：材料在载荷作用下产生变形，载荷去除后，变形可消失而恢复原状的性能。e弹性指标为弹性极限或比例极限P(材料承受最大弹性变形时的应力。))(0MPaFPpPp弹性极限σe：开始产生塑性变形的抗力。国标规定弹性极限σ0.01：残余伸长率为0.01%的应力。)(0MPaFPee3、强度强度（塑变抗力）：材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。包括：屈服强度和抗拉强度s屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。拉伸过程中，出现载荷不增加或开始下降，而试样还继续伸长的现象称屈服现象。屈服时对应的应力为屈服点或