第三章金属的塑性变形

工程材料材料与表面工程研究所第三章金属的塑性变形与再结晶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5万吨水压机工程材料材料与表面工程研究所第一节单晶体、多晶体的塑性变形1、滑移:滑移是晶体的一部分沿一定晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动。2、孪生:一、塑性变形的基本形式工程材料材料与表面工程研究所二、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。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。1、塑性变形特点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工程材料材料与表面工程研究所韧性断口脆性解理断口工程材料材料与表面工程研究所㈠滑移金属常以滑移方式发生塑性变形。工程材料材料与表面工程研究所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.工程材料材料与表面工程研究所⑵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工程材料材料与表面工程研究所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。工程材料材料与表面工程研究所多脚虫的爬行2、塑性变形的实质滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。工程材料材料与表面工程研究所工程材料材料与表面工程研究所三、多晶体金属的塑性变形㈠晶界和晶粒位向的影响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。工程材料材料与表面工程研究所晶界对塑性变形的影响Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积工程材料材料与表面工程研究所2、晶粒位向的影响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。工程材料材料与表面工程研究所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工程材料材料与表面工程研究所金属的晶粒越细，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。应变塑性材料脆性材料工程材料材料与表面工程研究所第二节塑性变形对金属组织和性能的影响一、塑性变形对组织结构的影响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工程材料材料与表面工程研究所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%工程材料材料与表面工程研究所织构或择优取向形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生板织构丝织构形变织构示意图各向异性导致的铜板“制耳”有无“制耳”现象工程材料材料与表面工程研究所轧制铝板的“制耳”现象工程材料材料与表面工程研究所二、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)黄铜铜工程材料材料与表面工程研究所冷塑性变形与性能关系工程材料材料与表面工程研究所加热温度℃黄铜第三节变形金属在加热时的组织和性能的变化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。工程材料材料与表面工程研究所一、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。工程材料材料与表面工程研究所工业上，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。工程材料材料与表面工程研究所二、再结晶（一）变形金属的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℃加热工程材料材料与表面工程研究所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工程材料材料与表面工程研究所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工程材料材料与表面工程研究所（二）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%)黄铜的再结晶工程材料材料与表面工程研究所响再结晶温度的因素为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℃工程材料材料与表面工程研究所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分后的组织工程材料材料与表面工程研究所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分后的组织工程材料材料与表面工程研究所预先变形程度对再结晶晶粒尺寸的影响变形83%变形88%变形93%工程材料材料与表面工程研究所再结晶图工程材料材料与表面工程研究所第四节金属的热加工一、热加工的概念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。轧制模锻拉拔工程材料材料与表面工程研究所如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。巨型自由锻件自由锻工程材料材料与表面工程研究所二、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。锻压热加工动态再结晶示意图工程材料材料与表面工程研究所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工程材料材料与表面工程研究所热加工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-空气锤工程材料材料与表面工程研究所第五节超塑性按产生超塑性的冶金因素不同，可将其分为两类：（1）微晶超塑性（组织超塑性）（2）相变超塑性目前研究最多的是微晶超塑性工程材料材料与表面工程研究所工程材料材料与表面工程研究所重点要求1.金属在冷加工时组织和性能的变化。2.金属再结晶时组织和性能的变化。3.加工硬化、细晶强化的概念。4塑性变形的本质。小结工程材料材料与表面工程研究所