华南理工大学机械工程材料第三章

1第一节金属的变形特性和常用力学性能指标第二节金属的塑性变形第五节金属的热加工第四节回复与再结晶第三节塑性变形对组织和性能的影响2铸态组织：晶粒粗大、组织不均匀、成分偏析及组织疏松第三章金属的塑性变形与再结晶压力加工（塑性变形）：1、得到预期外形的工件2、改善金属内部组织，提高金属的强度和韧性16第二节金属的塑性变形滑移——主要变形方式晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)发生相对位移。一、单晶体的塑性变形—滑移、孪生单晶体滑移示意图锌单晶的拉伸照片17(1)只能在切应力作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力.外力分解：切应力：平行于滑移面。使晶格在发生弹性歪扭之后进一步造成滑移。正应力：垂直于滑移面，使晶格弹性伸长，甚至进一步把晶体拉断（正断）。一、单晶体的塑性变形——滑移的特点第二节金属的塑性变形18(2)沿晶体中原子密度最大的晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)发生因为最密排晶面之间的面间距和最密排晶向之间的原子列间距最大，因而原子结合力最弱，所以在最小的切应力下便能引起它们之间的相对滑动。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、单晶体的塑性变形——滑移的特点第二节金属的塑性变形在体心立方晶格中，具有最大原子密度的晶面是{110}，具有最大原子密度的晶向是111在面心立方晶格中，具有最大原子密度的晶面是{111}，具有最大原子密度的晶向是11019滑移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系。滑移系数：滑移面数×滑移面上的滑移方向数滑移系数↑（滑移系相同时滑移方向↑），塑性↑一、单晶体的塑性变形——滑移的特点第二节金属的塑性变形晶体结构材料滑移面滑移方向面心立方Al、Cu、Ni{111}110体心立方α-Fe{110}{112}{123}111Mo、Nb、Ta{110}111密排六方Be、Co、Mg、Zn、Cd{0001}1120α-Ti{1010}112020bcc:{110}6×1112=12fcc:{111}4×1103=12第二节金属的塑性变形bccfcc21第二节金属的塑性变形hcphcp:{0001}1×11203=322一、单晶体的塑性变形——滑移的特点第二节金属的塑性变形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bcc:{110}6×1112=12fcc:{111}4×1103=12hcp:{0001}1×11203=323滑移系数越多，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。因而金属的塑性，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。第二节金属的塑性变形24(3)滑移是由于滑移面上的位错运动造成的滑移线：因位错滑移导致大量的位错线不断移出而在晶体表面形成的滑移台阶。位错运动方向额外半原子面额外半原子面一、单晶体的塑性变形——滑移的特点第二节金属的塑性变形额外半原子面25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。当一根位错移动到晶体表面时，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，则在晶体表面形成一条滑移线。滑移带：多根滑移线构成一条滑移带。一、单晶体的塑性变形——滑移的特点第二节金属的塑性变形26滑移的临界分切应力—开始滑移所需要的最小分切应力一、单晶体的塑性变形——滑移的特点第二节金属的塑性变形设：一圆柱形单晶体受到轴向拉力F的作用，晶体的横截面积为A，F与滑移方向的夹角为Φ，那么滑移面的面积为A/cosΦ，F在滑移方向上的分力为Fcosλ。coscoscos/cosΦAFΦAF外力F在滑移方向上的分切应力为：当外力F增加，使某一滑移系上的分切应力达到某一临界值，滑移就会在该滑移系上进行，此时，F/A=σs（屈服极限）。27滑移的临界分切应力(τk)—开始滑移所需要的最小分切应力。称为取向因子或coscoscoscoscoscoskssk软位向：Φ=45°,λ=45°.当滑移面法线、滑移方向、外力轴处于同一平面，且Φ=45°、λ=45°，取向因子=0.5，分切应力最大，最有利于滑移。硬位向：Φ=900或λ=900∵外力∥滑移面(Φ=900)或垂直(λ=900)时，取向因子=0，σs=∞，滑移无法进行。一、单晶体的塑性变形——滑移的特点第二节金属的塑性变形28(4)滑移的同时伴随着晶体的转动。一、单晶体的塑性变形——滑移的特点第二节金属的塑性变形外力作用在单晶体上，它在某晶面上所分解的切应力使晶体发生滑移，而正应力则组成一力偶，使晶体滑移面向外力方向转动，滑移方向向最大切应力方向转动。A0A1FF滑移时晶体转动示意图转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶。29(4)滑移的同时伴随着晶体的转动因晶体的转动使滑移面法向与外力轴的夹角越来越远离45°，滑移越来越困难，这种现象称为“几何硬化”一、单晶体的塑性变形——滑移的特点第二节金属的塑性变形A0A1FF滑移时晶体转动示意图(5)滑移前后晶体点阵类型不变，晶体位向也不变。30在切应力的作用下晶体的一部分沿一定的晶面(孪生面)和一定的晶向(孪生方向)相对于另一部分作均匀切变。一、单晶体的塑性变形——孪生第二节金属的塑性变形孪生变形示意图31在切变区域内，与孪晶面平行的每层原子的切变量与它距孪晶面的距离成正比，并且不是原子间距的整数倍。这种切变不会改变晶体的点阵类型，但可使变形部分的位向发生变化。变形部分与未变形部分的晶体以孪晶面为分界面构成镜面对称的位向关系。通常把对称的两部分晶体称为孪晶或双晶。形成孪晶的过程称为孪生。一、单晶体的塑性变形——孪生第二节金属的塑性变形32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。第二节金属的塑性变形一、单晶体的塑性变形——孪生33基本形式：滑移、孪生不同点：晶界、位向差●特点:(1)不同时性——逐批进行(2)相互协调性——变形抗力比单晶体高(3)不均匀性——造成内应力二、多晶体的塑性变形第二节金属的塑性变形立体图前视图一、单晶体的两种塑性变形比较34●晶粒大小的影响晶粒细而均匀：(1)σb↑:晶界↑，塑变抗力↑，强度↑——晶界强化细晶强化——工业生产中重要的强化方法；(2)塑性、韧性↑：变形分散、均匀，变形量↑→塑性、韧性↑；(3)内应力↓。二、多晶体的塑性变形第二节金属的塑性变形35（1）纤维组织：金属经塑性变形后晶粒沿变形方向拉长、压扁，当变形量↑↑时,成细条状或纤维状——性能具有明显的方向性第三节塑性变形对组织和性能的影响1、晶粒变形变形晶粒新形成的小晶粒全部新晶粒残留的变形晶粒原晶粒全部新晶粒新形成的小晶粒残留的变形晶粒变形晶粒原晶粒36变形10%100×变形40%100×变形80%100×纤维组织工业纯铁不同变形度的显微组织第三节塑性变形对组织和性能的影响当金属中有杂质存在时，杂质也会沿变形方向拉长为细带状（塑性杂质）或粉碎成链状（脆性杂质）。37亚结构直径：10-2cm→10-4～10-6cm→位错密度↑（2）亚结构细化、位错密度增加第三节塑性变形对组织和性能的影响金属冷加工后的亚结构示意图5%冷变形纯铝中的位错网38加工硬化：塑性变形程度↑，强度、硬度↑，塑性、韧性↓意义：1.使压力加工制品截面均匀；2.提高金属强度、硬度和耐磨性。——不能热处理强化的纯金属和某些合金3.不利于继续变形—须用再结晶退火消除之。产生原因：位错运动、互相交割→塞积、割阶、固定、缠结等→阻碍位错进一步运动→变形抗力↑2、产生加工硬化第三节塑性变形对组织和性能的影响39当变形量↑↑↑时，因晶粒转动而使各晶粒的取向会趋于一致而形成的结构。●某晶面（晶向）//外力方向：板（丝）织构；●产生织构后：性能有方向性，纵优于横，一般不利（如冲压时的制耳现象有时可利用，如硅钢片〈100〉丝织构，导磁率↑3、变形织构第三节塑性变形对组织和性能的影响铁的变形织构示意图40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。各向异性导致的铜板“制耳”有无3、变形织构41(1)宏观内应力（第一类）——各部分变形不均匀而造成(2)微观内应力（第二类）——各晶粒或亚晶粒内变形不均匀而造成(3)点阵畸变(第三类）——缺陷（位错和空位）↑↑①强度、硬度↑②变形金属能量↑——热力学不稳定状态“回复与再结晶”驱动力4、残留内应力和点阵畸变第三节塑性变形对组织和性能的影响金属塑性变形时，外力所作的功大部分转化为热能，还有一小部分(10%)保留在金属内部，成为储存能，表现为残留内应力和点阵畸变。42(3)点阵畸变（第三类）——缺陷（位错和空位）↑↑4、残留内应力和点阵畸变第三节塑性变形对组织和性能的影响畸变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。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。43第四节回复与再结晶经过塑性变形的金属，其组织结构发生了变化，即晶格畸变严重，位错密度增加，晶粒碎化，并因金属各部分变形不均匀，引起金属内部残留内应力，这都使金属处于不稳定状态，使它具有恢复到原来稳定状态的自发趋势。在常温下，由于金属原子的活动能力很弱，这种恢复过程很难进行。如对塑性变形的金属进行加热，则因原子活动能力增强，就会发生，一系列组织与性能的变化。随着加热温度的升高，这种变化过程可分为回复、再结晶及晶粒长大三个阶段。44温度↑，保温时间↑→回复、再结晶和晶粒长大第四节回复与再结晶变形金属在加热时组织与性能变化示意图45特点：组织、性能变化不大，但电阻率和微观内应力显著降低第四节回复与再结晶随T↑，分两个阶段：1.点缺陷密度↓:点缺陷运动→晶界、位错或相互作用消失电阻率↓。2.多边形化：位错从高能量混乱排列→低能量规则排列，成小角度亚晶界内应力↓↓一、回复——去应力退火回复温度=(0.25~0.3)T0T0—金属熔点温度46再结晶与重结晶的异同：①都是形核与长大的过程②再结晶的晶格类型、成分不变，在一个温度范围内进行③重结晶的晶格类型变化——相变过程，恒温进行T↑↑，原子活动能力↑↑●显微组织明显变化→新的等轴晶●加工硬化↓↓，力学性能和物理性能恢复再结晶退火：消除加工硬化二、再结晶——再结晶过程第四节回复与再结晶重结晶：固态金属及合金在加热(或冷却)通过相变点时，从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。47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。二、再结晶——再结晶温度第四节回复与再结晶最低再结晶温度TR纯金属TR=（0.35~0.4）T0合金TR=（0.5~0.7）T0温度单位：绝对温度(K)预变形度对TR的影响：金属的变形程度越大，再结晶温度越低最低再结晶温度T再48影响因素：(1)变形度变形度↑，T再↓。变形度达到一定值后，T再也趋于一定值（最低再结晶温度T再)(2)金属的纯度纯度↓，T再↑二、再结晶——再结晶温度第四节回复与再结晶49(1)加热温度(T)和时间(t)T、t↑，晶粒尺寸d↑(4)杂质及合金元素杂质及合金元素阻碍原子扩散，使d↓2%～10%临界变形度(2)变形度在临界变形度（a=2-10%）,d↑↑——应避免变形度↑↑↑产生织构，会使d↑↑——常用a=30-60%(3