机械工程材料第三章

第三章金属的塑性变形与再结晶§3.1金属的塑性变形§3.2.冷塑性变形对金属组织和性能的影响§3.3回复与再结晶塑性变形及其随后的加热对金属材料的组织和性能有着显著的影响。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，正确确定加工工艺。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一节金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形如拉伸时，滑移面上的外力P分解为正应力σ和切应力τ。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。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。塑性变形有两种形式：滑移和孪生。在多数情况下，金属的塑性变形是以滑移方式进行的。（一）滑移1、滑移与滑移带1)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：⑴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。⑵滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。滑移面或滑移方向:沿其发生滑移的晶面或晶向，通常是晶体中的密排面和密排方向。因为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。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。滑移带和滑移线示意图铜拉伸试样表面滑移带2)滑移带⑶滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。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，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。2、滑移系一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。如FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC，金属塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。因此金属的塑性，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、滑移时晶面的转动①外力错动→力偶使滑移面转动→滑移面∥拉伸轴。②以滑移面的法线为转轴的转动→滑移方向∥最大切应力方向。4.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。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。位错的易动性：晶体通过位错运动产生滑移时，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的现象。㈡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。二、多晶体金属的塑性变形单个晶粒变形与单晶体相似。而多晶体变形比单晶体复杂得多位错塞积示意图㈠晶界及晶粒位向差的影响1、晶界的影响位错的塞积：当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起。要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的塑性变形抗力提高。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的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。㈡多晶体金属的塑性变形过程铜多晶试样拉伸后形成的滑移带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。㈢晶粒大小对金属力学性能的影响因为金属晶粒越细，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、强度和硬度也越高。晶粒大小与金属强度的关系金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量，既表现出较高的塑性。细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中少），也不宜传播（晶界曲折多），因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。锌单晶和多晶的拉伸曲线第二节塑性变形对组织和性能的影响一、塑性变形对组织结构的影响1.晶粒变形金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。工业纯铁在塑性变形前后的组织变化5%冷变形纯铝中的位错网(a)正火态(c)变形80%(b)变形40%2、形变织构板织构丝织构形变织构示意图各向异性导致的“制耳”变形前变形后在塑性变形过程中，由于晶粒的转动，当变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，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，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。二、冷塑性变形对金属组织性能的影响1．加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）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。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、缠结等)，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。加工硬化对塑性变形的影响：2、物理化学性能的变化1、由于加工硬化的存在，使已变形部分发生硬化而停止变形，而未变形部分开始变形，因此，没有加工硬化，金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一，尤其对于那些不能以热处理强化的金属和合金更为重要。经冷塑性变形以后，金属的物理、化学性能也会发生明显的变化，如磁导率、电导率、电阻温度系数等下降，而磁矫顽力等增加。由于塑性变形提高了金属的内能，加快了金属中的扩散过程，提高了金属的化学活性，故金属的耐蚀性下降。3.残余内应力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。金属发生塑性变形时，外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中。内应力分为三类：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。第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。残余应力的影响：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。第三节回复与再结晶金属经冷塑性变形后，组织处于不稳定状态(内部能量高)，有自发恢复到变形前组织状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可以维持相当长时间，而加热则使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。㈠回复多边形化示意图由于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。是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错的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。在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留加工硬化，这种热处理方法称去应力退火。㈡再结晶铁素体变形80%650℃加热670℃加热1、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。再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，因为再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。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。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2、再结晶温度T再与ε的关系3、影响再结晶温度的因素为：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。纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系：T再≈0.4T熔。其中T再、T熔为绝对温度。金属的熔点越高，T再也越高。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，使金属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。工业生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度常比再结晶温度高100200℃。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。580ºC保温8秒后的组织580ºC保温15分后的组织700ºC保温10分后的组织黄铜再结晶后晶粒的长大㈢再结晶后的晶粒长大晶粒长大二维模拟第四节金属的热塑性加工一、冷加工与热加工的区别轧制模锻拉拔在金属学中，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为冷加工，而高于再结晶温度的加工为热加工。如Fe的再结晶温度为451℃，其在400℃以下的加工仍为冷加工。而Pb的再结晶温度为-33℃，则其在室温下的加工为热加工。巨型自由锻件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。金属的冷热加工模锻自由锻轧制正挤压反挤压拉拔冲压二、热加工对金属组织和性能的影响热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或拄状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。热加工动态再结晶示意图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，在制定加工工艺时，应使流线分布合理，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带状组织：在加工亚共析钢时，发现钢中的F与P呈带状分布的组织。带状组织与枝晶偏析被沿加工方向拉长有关。可通过多次正火或扩散退火消除。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。蒸汽-空气锤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。作业题：（P65）3-1,3-2,3-3思考题3-1的参考答案：因为金属晶粒越细，晶界总面积越大或晶界越多，位错障碍越多，变形抗力越大；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、强度和硬度也越高。晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量，既表现出较高的塑性。细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中少），也不宜传播（晶界曲折多），因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。思考题3-2的参考答案：产生加工硬化的主要原因：金属在塑性变形过程中产生晶粒滑移，随着亚晶粒的增多、位错密度和晶格畸变增加，位错间的交互作用增强，位错滑移发生困难，残余应力和金属塑性变形抗力增加，因而继续塑性变形就变得困难，从而引起加工硬化。