工程材料学-5金属的塑性变形与再结晶

工程材料学南京航空航天大学梁文萍第二节塑性应变对组织与性能的影响第一节金属材料的塑性变形特征第三节回复与再结晶第四节金属材料的热加工第五章金属的塑性变形与再结晶学习要求和难点学习重点：1.金属的滑移；2.塑性变形对金属组织与性能的影响；3.回复与再结晶的概念。学习难点：1.金属滑移的机理；2.加工硬化的位错理论。塑性变形及随后的加热对金属材料组织和性能有显著的影响。了解塑性变形的本质，塑性变形及加热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正确制订加工工艺。5万吨水压机前言5.1.1单晶体金属的塑性变形单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。应力在晶面上的分解第一节金属材料的塑性变形特征外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片正应力只能引起弹性变形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。韧性断口脆性解理断口塑性变形的形式：主要分为滑移(fcc、bcc)和孪生(hcp)。1.滑移滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。滑移变形的特点：a）滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。——原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。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。b）滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。X6滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。就塑性而言，fcc＞bcc＞hcp。.滑移的结果是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C）滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。§5.1金属材料的塑性变形特征d）滑移的同时伴随着晶体的转动。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。滑移后,滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。滑移面、滑移方向与外力方向都呈45°角时，滑移方向上切应力最大，因而最容易发生滑移。滑移与外力方向的关系——施密特定律coscoscoscosAFcoscossc当σ=σs时：韧性断口（2）滑移的机理：把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3-4个数量级！金属计算值(MN/m2)实测值(MN/m2)计算值与实测值之比铜银金镍镁锌64004500450011000300048001.00.50.925.80.830.94640090004900190036005100滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。×√多脚虫的爬行产生滑移的位错移动模型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。§5.1金属材料的塑性变形特征思考：滑移的结果使晶体中的位错扫过滑移面而移到晶体表面。——随着塑性变形的进行，晶体中的位错数量将不断减少？§5.1金属材料的塑性变形特征答案是相反的——位错的增殖弗兰克-瑞德位错增殖机理Si晶体中观察到的弗兰克-瑞德增殖位错2.孪生孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。与滑移相比：孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近声速；孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶多晶体与单晶体的区别在于：多晶体是有不同位向的晶粒组成，且各晶粒间存在晶界。单个晶粒变形与单晶体相似，因此，只要研究晶粒位向和晶界在多晶体塑性变形中的作用即可。5.1.2多晶体的塑性变形1.晶界及晶粒位向差的影响(1)晶界的影响当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。§5.1金属材料的塑性变形特征Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积(2)晶粒位向的影响由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。2.多晶体金属的塑性变形过程多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45°的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移铜多晶试样拉伸后形成的滑移带σσ由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。3.晶粒大小对金属力学性能的影响金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。晶粒大小与金属强度关系Hall-Pitch公式:金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形,强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。应变塑性材料脆性材料晶界原子排列较不规则，阻碍位错运动，使形抗力增大。晶粒小→晶界多→变形抗力大→强度，硬度↑（细晶强化）晶粒小→变形分散，应力集中小→塑性↑，韧性↑多晶体的塑性变形细晶强化5.1.3合金的塑性变形与强化合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种。合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。珠光体奥氏体1.单相固溶体合金的塑性变形单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。固溶强化产生固溶强化的原因，是由于溶质原子与位错相互作用的结果，溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被吸附在位错附近，使位错被钉扎住，位错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高。Cu-Ni合金成分与性能关系2.多相合金的塑性变形与弥散强化合金的塑性变形除与合金基体的性质有关外，还与第二相(纯金属、固溶体或化合物，工业合金中第二相多数是化合物)的性质、形态、大小、数量和分布有关。+钛合金(第二相为固溶体)§5.1金属材料的塑性变形特征(1)第二相在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利；(2)第二相在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性；珠光体(3)第二相在晶内呈颗粒状弥散分布时硬的颗粒不易被切变，因而阻碍了位错的运动，形成位错环，提高了变形抗力。颗粒钉扎作用的电镜照片电镜观察软颗粒将被位错切开，对位错有一定的阻滞作用。第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降。这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。弥散强化陶瓷颗粒弥散强化铜材5.2.1塑性变形对组织结构的影响1.晶粒变形：金属塑性变形时，随着外形的改变，内部晶粒的形状也相应变化。通常晶粒沿变形方向被拉长(拉伸)或压扁(压缩)。第二节塑性应变对组织与性能的影响§5.2塑性应变对组织与性能的影响2.晶界模糊：当变形量很大时，晶界变得模糊不清，这是由于位错移出晶粒在边界造成的台阶使晶界交错，同时也进一步降低了晶界的耐腐蚀性。3.纤维组织：变形较大时，金属中的夹杂物也沿变形方向被拉长，形成了纤维组织。纤维组织的出现造成材料在不同方向上表现出不同的力学性能(各向异性)，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于垂直方向。4.形成亚结构：在大量变形之后，由于位错的运动和交互作用，位错不均匀分布，使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。亚晶粒边界上聚集大量位错，而内部的位错密度相对低得多。降低了材料的耐腐蚀性。5%冷变形纯铝中的位错网金属变形后的亚结构工业纯铁在塑性变形前后的组织变化(a)正火态(c)变形80%(b)变形40%由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度（＞70%）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。形变织构使金属呈现各向异性。多数情况下都不利，织构可提高硅钢片的导磁率。板织构丝织构形变织构示意图5.产生变形织构轧制铝板的“制耳”现象由于变形织构的存在，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。5.2.2塑性变形对力学性能的影响——加工硬化随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。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)黄铜铜冷塑性变形与性能关系产生加工硬化的原因：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；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。位错密度与强度关系加工硬化的工程意义：1.加工硬化是强化材料的重要手段。2.加工硬化有利于金属进行均匀变形。3.加工硬化给金属的继续变形造成了困难。变形20%纯铁中的位错未变形纯铁形变强化内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,内部变形不均匀而引起的。分为三类：宏观内应力：平衡于表面与心部之间；微观内应力：平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间；畸变应力：由晶格缺陷引起的。5.2.3增加了残余应力第三类内应力是形变金属中主要内应力，也是金属强化的主要原因（第一、二类内应力都使金属强度降低）.内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。晶界位错塞积所引起的应力集中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。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。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。加热温度℃黄铜第三节回复与再结晶回复、再结晶和晶粒的长大都是减少或消除结构缺陷的过程。相应材料的内应力、晶粒尺寸、强度、塑性等性能也发生对应变化。5.3.1.回复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。如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等。位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，这一过程称多边形化。a.宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；b.电阻率，有明显降低；c.力学性能，如硬度和强度，觉察不到有明显的变化；d.光学金相组织看不出任何变化。回复带来的组织性能变化5.3.2.再结晶当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组的过程称再结晶。铁素体变形80%670℃加热650℃加热1.再结晶的特点a.不是相变，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同；b.是形核与长大的过程；c.再结晶没有确定的转变温度。§5.3回复与再结晶2.再结晶对性能的影响__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3.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。580ºC保温3秒后的组织580ºC保温4秒后的组织580ºC保温8秒后的组织冷变形(变形量为38%)黄铜的再结晶影响再结晶温度的因素a.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