工程材料-第五章_金属的塑性变形与再结晶

第五章金属的塑性变形与再结晶Chapter5PlasticDeformationandRecrystallizationofMetals主要内容：金属的塑性变形塑性变形对金属组织和性能的影响回复与再结晶金属的热加工第五章金属的塑性变形与再结晶两个方面的问题：塑性变形（PlasticDeformation）各种压力加工，如轧制、挤压、拉拔、锻压、冲压等，均能使金属发生塑性变形。一般来说，金属在常温下发生的塑性变形是冷塑性变形。金属发生冷塑性变形后，其内部组织、结构和性能均将发生变化，宏观性能表现为强度和硬度、电阻率升高，塑性和韧性、耐腐蚀性降低。回复与再结晶（RecoveryandRecrystallization）经过冷塑性变形的金属被重新加热后，其内部组织、结构和性能又将发生变化，宏观性能表现为强度和硬度降低，塑性和韧性升高。第五章金属的塑性变形与再结晶轧制（Rolling）挤压（Extruding）拉拔（Drawing）锻压（Forging）冲压（Pressing）压力加工方法示意图未变形滑移孪生第一节金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形变形方式：滑移（Slip）：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向，相对于另一部分发生相对滑动位移的现象。孪生（Twinning）：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向，相对于另一部分发生对称切变的现象。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形1.滑移变形的特点滑移只能在切应力的作用下发生产生滑移所需的最小切应力称为临界切应力（CriticalShearStress）。重要现象：当外力与滑移所发生的晶面之间呈45时,临界切应力最小,即当单晶体在外力作用下,首先开始滑移所在的晶面总是与该外力呈45角的面。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形锌单晶体拉伸试验示意图铝单晶的拉伸变形照片滑移面（SlipPlane）滑移方向（SipDirection）滑移系（SipSystem）体心立方晶格(bcc)面心立方晶格(fcc)密排六方晶格(hcp){110}111{111}110第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形滑移沿原子密度最大的晶面和原子密度最大的晶向发生重要结论：滑移系越多，则金属发生滑移的可能性越大，该金属的塑性也越好。如果滑移系数目相同，则滑移方向越多，塑性越好。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形体心立方晶格(bcc){110}111面心立方晶格(fcc){111}110密排六方晶格(hcp)滑移系：12（6×2）有6个{110}面，每个{110}面上有2个111方向。-Fe,Cr,W,Mo,V,Nb。滑移系：12（4×3）有4个{111}面，每个{111}面上有3个110方向。-Fe,Cu,Al,Ni,Au,Ag。滑移系：3（3×1）有1个底面，每个底面上有3个滑移方向。Mg,Zn,Cd,Be,-Ti。滑移的结果会在金属表面造成台阶。滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形滑移带（SlipBand）和滑移线（SlipLine）滑移带滑移线≈2×10-8m滑移的同时伴随着晶体的转动单晶体拉伸变形过程a)原试样；b)自由滑移变形；c)受夹头限制时的变形第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形2、滑移的机理历史回顾：1926年，物理学家Frank将滑移设想为晶体中相邻上、下两列原子的刚性移动，并据此估算出晶体的理论剪切强度。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形Frank计算出的晶体的理论剪切强度：比较：Cu的理论剪切强度m＝1500MPaCu的实际剪切强度m＝0.98MPa两者相差1500多倍。结论：Frank的滑移理论不正确，即滑移不是晶体原子作整体刚性滑动。2Gm1934年，物理学家G.I.Taylor、M.Polanyi和E.Orowan几乎同时提出了晶体中位错的概念，Taylor还将位错与滑移变形联系了起来，最终圆满解释了晶体的滑移机理。滑移的机制：滑移是通过位错在滑移面上的运动实现的。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形晶体通过位错运动而发生滑移位错运动导致滑移的特点：当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，而且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。当位错线扫过滑移面到达金属表面时，便产生一个原子间距的滑移量，同一滑移面上若有大量位错移出，则会在金属表面形成一条滑移线。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形结论：位错运动越困难，则金属的强度越高；反之则强度越低，塑性越好。位错运动时的原子位移二、多晶体金属的塑性变形多晶体金属发生塑性变形的方式仍然是滑移或孪生。1.晶界和晶粒位向对多晶体塑性变形的影响晶界的影响晶界阻碍位错运动提高塑性变形抗力。当位错运动到晶界附近时，晶界成为位错运动的障碍，于是位错在晶界处堆积起来，形成位错塞积。如果要使变形继续进行，必须增加外力。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形位错的塞积（PilingofDislocation）晶界位错塞积群晶粒位向的影响晶粒间的相互约束提高塑性变形抗力。因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。结论：多晶体中的晶界和晶粒间存在的位向差提高多晶体金属的塑性变形抗力，将导致多晶体金属的强度和硬度增大。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形双晶粒试样拉伸时变形示意图多晶体金属的塑性变形过程：多晶体中首先发生滑移的是那些滑移系与外力夹角等于或接近于45的晶粒，使位错在晶界附近塞积，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。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形多晶体拉伸变形示意图2.晶粒大小对多晶体金属力学性能的影响对硬度和强度的影响晶粒越细小，强度和硬度越高。原理：晶粒越细小，晶界总面积越大，位错障碍越多，同时需要协调的具有不同位向的晶粒越多，因此金属的强度和硬度越高。对塑性和韧性的影响晶粒越细小，塑性和韧性越高。原理：晶粒越细小，单位体积内晶粒数目越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使在断裂前发生较大的塑性变形。在强度和塑性同时增加的情况下，金属在断裂前消耗的功也越大，因此其韧性也越好。细晶强化（GrainRefiningStrengthening）：通过细化晶粒同时提高金属的强度和硬度、塑性和韧性的方法。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形三、合金的塑性变形1.单相固溶体合金的塑性变形固溶体中存在溶质原子，造成晶格畸变，从而对位错的运动有阻碍作用，使合金的强度和硬度升高。溶质原子在位错线上的偏聚，会对位错起“钉扎”作用，使位错运动困难，也使合金的强度和硬度升高。固溶强化（SolutionStrengthening）：通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属的强度和硬度提高、塑性和韧性降低，这种金属强化方式称为固溶强化。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形2.多相合金的塑性变形多相合金的组织中通常有两类不同的相，一是连续分布的基体相，二是以一定的形状和数量分布在基体相中的分散相（又称第二相）。在工业合金中，基体相一般是固溶体，第二相多数是金属化合物。多相合金的塑性变形和力学性能除与基体相的性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数量及分布有关。多相合金组织中两类相的常见组合形式：①固溶体为基体相，金属化合物呈层片状与固溶体相间分布；②固溶体为基体相，金属化合物呈网状分布在固溶体的晶界上；②固溶体为基体相，金属化合物以颗粒状均匀分布在固溶体中。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形讨论：第二相以层片状分布在基体相中当第二相以层片状相间地分布在基体相中时，合金的强度和硬度提高，塑性和韧性降低。如共析钢平衡组织中的Fe3C。具有层片状组织的合金，其力学性能决定于层片的粗细程度，如果层片越细，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好。一般来说，组织越细密，总是可以同时提高强度、硬度、塑性、韧性，这类强化方式可以统称为细化组织强化。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形共析钢平衡组织，P讨论（续）：第二相以网状分布在晶界上当第二相以网状分布在基体相的晶界上时，合金的强度和韧性同时降低。如过共析钢平衡组织中的Fe3CⅡ。原理：Fe3C硬度高，P硬度低，当受到外力作用时，P部分容易变形，但Fe3C部分却变形困难，因此在晶界处因应力集中而易萌生裂纹，使强度降低，同时也使韧性下降。一般来说，在“软”基体的晶界上分布着连续的“硬”相，均严重降低强度和韧性。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形过共析钢的平衡组织P＋Fe3CⅡ讨论（续）：第二相以颗粒状分布在基体相中当第二相颗粒状均匀弥散地分布在基体中时，合金的强度和硬度显著提高，而塑性和韧性略有降低。如钢中的颗粒状合金碳化物。原理：基体中均匀弥散分布的第二相对位错的运动会产生很大的阻力，从而提高合金的变形抗力。一般来说，第二相颗粒越细小，数量越多，分布越均匀，则合金的强度、硬度越高。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形钢中的颗粒状合金碳化物黄铜中围绕着Al2O3颗粒的位错环Al2O3位错环位错线Ni3Al粒子在Ni-Cr-Al合金中位错切过Ni3Al粒子第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.1金属的塑性变形弥散强化（DispersionStrengthening）：通过第二相以颗粒状细小、均匀、弥散地分布在基体相中，以显著提高合金强度和硬度的方法。又称为分散强化、第二相强化、沉淀强化（PrecipitationStrengthening）。第二节塑性变形对金属组织和性能的影响一、塑性变形对金属组织和结构的影响1.晶粒形状发生变化晶粒被拉长或压扁，直至纤维状，晶界模糊不清。等轴状晶粒伸长纤维状第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.2塑性变形对金属组织和性能的影响第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.2塑性变形对金属组织和性能的影响2.晶粒破碎成亚晶粒随着变形量的增加，位错密度不断增大，晶粒内形成许多亚晶粒。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.2塑性变形对金属组织和性能的影响变形1%变形3.5%变形9%变形20%3.产生形变织构形变织构（DeformationTexture）：在塑性变形过程中，当变形达到一定程度（70%以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，这种现象称为形变织构或择优取向（PreferredOrientation）。形变织构使金属呈现各向异性，有利也有弊。利：可提高硅钢片的导磁率。弊：在深冲零件时，使厚薄不匀，边缘不齐，即产生“制耳”现象。第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.2塑性变形对金属组织和性能的影响丝织构示意图板织构示意图深冲件的制耳第五章金属的塑性变形与再结晶－§5.2塑性变形对金属组织和性能的影响二、塑性变形对金属性能的影响1.产生加工硬化加工硬化（WorkHardening）：金属在冷变形过程中，随变形量增加，强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象称为加工硬化或形变强化（DeformationStrengthening）。原理：冷变形使位错密度增大，甚至形成位错缠结，同时，亚晶粒越加细小，对位错运动产生阻碍，从而使变形抗力增大，塑性降低。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