《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能

1学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响一、了解塑性变形的本质，单晶体金属塑性变形的主要形状；二、了解压力加工对金属组织与性能的影响；三、了解冷加工和热加工的区别；四、了解断裂的方式和原因。2学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响塑性变形的定义金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变形，去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑性变形。塑性变形对使用性能和加工性能的影响：•抵抗塑性变形是一般工程构件的基本要求，不希望结构件在承载时产生不可恢复的塑性变形；•塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方法，在材料加工过程中，人们希望它易于加工变形。•塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能。3学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1第一节金属的塑性变形1、单晶体的塑性变形2、多晶体的塑性变形3、合金的塑性变形4学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1塑性加工包括锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。5学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1滑移晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动叫滑移。一、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形基本方式：滑移、孪生1.滑移6学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1滑移特征(1)滑移是在切应力作用下发生的：当切应力超过弹性极限，晶体上下部分产生相对滑移。当应力足够大，晶体就会发生断裂。7学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1(2).滑移的结果是使晶体表面形成台阶，产生滑移线和滑移带。8学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1滑移面、滑移方向：晶体中易发生滑移的晶面和晶向分别称为~。2、滑移面、滑移方向和滑移系晶体滑移大多优先发生在原子密度最大的晶面上；滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好；滑移方向对滑移所起的作用比滑移面作用大；面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好；9学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1塑性对比：面心立方体心立方密排六方金属三种常见晶格的滑移系1×3=34×3=126×2=12滑移系3个1103个1112个每个滑移面上的滑移方向{0001}1个{111}4个{110}6个滑移面密排六方晶格面心立方晶格体心立方晶格晶格10学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1课堂思考题1、滑移是在（）的作用下发生的。2、常温下金属塑性变形的主要方式有（）和（）。3、体心立方晶格和面心立方晶格，哪种的塑性好一些？11学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.13.孪生变形在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程发生切变后位向改变的一部分晶体称为孪晶；孪晶与未变形部分晶体原子分布对称。12学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1孪生变形过程示意图13学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1孪生所需的临界切应力比滑移的大得多，孪生只在滑移很难进行的情况下才发生；滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、锌、镉等,容易发生孪生；体心立方晶格金属（如铁）在低温或受冲击时才发生孪生。孪生变形的特征：14学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1晶格取向：滑移前后晶格方向不变，孪生后晶格方向发生变化；发生条件：孪生所需的临界切应力比滑移的大得多，孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。滑移与孪生的区别：15学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1二、多晶体的塑性变形工程上使用的金属绝大部分是多晶体；多晶体中每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同；多晶体材料中，各个晶粒位向不同，存在许多晶界，变形要复杂得多。1.晶界的影响晶界上原子排列不很规则,阻碍位错的运动,使变形抗力增大；金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度和塑性就越大；提示：细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。16学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.12.变形的不均匀性晶粒的位向不同，变形有先后；随着外力的增加，滑移是分批逐次进行的。应力分布有变化，造成不均匀变形。17学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1三、合金的塑性变形合金的组成相为固溶体时，溶质原子会造成晶格畸变，增加滑移抗力，产生固溶强化，塑性变形能力降低。溶质原子常常分布在位错附近，降低了位错附近的晶格畸变，使位错易动性减小，形变抗力增加，强度升高。18学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1课堂思考题1、孪生是在（）的作用下发生的。2、晶体滑移优先发生在原子密度（）的面上。3、孪生变形之后，晶格方向（）变化。4、为什么晶粒越细，材料的塑性、强度越好？19学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2第二节压力加工对金属组织与性能的影响20学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响1.金属组织的变化（1）晶粒发生变形晶粒沿形变方向被拉长或压扁；变形量很大时,晶粒变成细条状(拉伸时),金属中的夹杂物也被拉长,形成纤维组织。变形前变形后21学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.1塑性变形中的组织变化75％变形细条状纤维组织50％变形拉长或压扁的晶粒25％变形滑移线未变形原始晶粒22学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2（2）亚结构形成金属经大的塑性变形时,位错密度增大,大量位错堆积在局部地区,相互缠结,形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,产生亚晶粒。金属经变形后的亚结构23学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2（3）变形织构金属原本是伪各向同性，但金属塑性变形到一定程度时,由于晶粒发生转动,使各晶粒的位向趋近于一致,导致各向异性的产生，这种有序化的结构叫做变形织构。按照产品外形，变形织构可分为：丝织构和板织构24学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2形变织构示意图●丝织构各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳钢经大变形量冷拔后,其（100）平行于拔丝方向;●板织构各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向。低碳钢的板织构为{001}（110）。25学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.226学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.22.金属性能的影响（1）力学性能金属发生塑性变形,随变形度增大,金属的强度和硬度显著升高,塑性和韧性明显下降。这种现象称为形变硬化。工程应用：在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。27学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2产生形变硬化的原因:塑性变形时,位错密度增加,位错间的交互作用增强,相互缠结,位错运动阻力增大,塑性变形抗力提高；同时晶粒破碎细化,强度提高。形变硬化28学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2（2）产生各向异性纤维组织和变形织构的形成,使金属产生各向异性；沿纤维方向的强度和塑性高于垂直方向。各向异性有织构的板材冲制筒形零件时,由于各方向上塑性差别很大,零件的边缘出现“制耳”。因形变织构造成深冲制品的制耳示意图29学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2（3）物理、化学性能变化塑性变形可影响金属的物理、化学性能：电阻增大,耐腐性降低。在某些情况下,织构的各向异性有用：制造变压器铁芯的硅钢片,沿[100]方向最易磁化,采用这种织构可使铁损减小,变压器的效率大大提高。30学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.23、产生残余内应力定义：外力去除后，金属内部残留下来的应力。产生原因：金属发生塑性变形时，内部变形不均匀，位错、空位等晶体缺陷增多，会产生残余内应力。1）宏观内应力2）微观残余应力3）晶格畸变应力31课堂思考题1、在冷轧前后，金属由各向同性转变为（）2、形变硬化是如何产生的？学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.232学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大变化；对变形后金属进行加热，其组织结构和性能又会发生变化；随加热温度提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大3个过程。33学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2冷变形金属加热时组织和性能变化34学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.21、回复变形后金属在较低温度加热，发生回复过程。晶粒内部位错等缺陷减少，晶粒仍保持变形后的形态，显微组织不发生明显变化；实际应用：对变形金属进行去应力退火、降低残余内应力，保留加工硬化效果。35学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.22、再结晶定义：变形后的金属在较高温度加热时，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶，这个过程称为再结晶。提示：只有经过塑性变形的金属才会发生再结晶。36学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2(1）.再结晶对金属组织、性能的影响提示：再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。变形金属再结晶后，强度、硬度明显降低，塑性、韧性大大提高，加工硬化现象被消除，内应力全部消失；物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。37学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2(2）.再结晶温度再结晶温度是一温度范围，并非一恒定温度；再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再)：用经过严重冷塑性变形的金属,经1小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度：T再=0.4T熔点式中温度单位为绝对温度(K)。38学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2(3)再结晶温度影响因素：1）变形程度金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度；预先变形度越大,金属的晶体缺陷就越多,组织越不稳定,最低再结晶温度也就越低；当预先变形度达一定大小后,最低再结晶温度趋于某一稳定值。2）金属纯度：纯度越高,最低再结晶温度也就越低。杂质和合金元素（高熔点元素）阻碍原子扩散和晶界迁移,可显著提高最低再结晶温度；高纯度铝(99.999%)最低再结晶温度为80℃；工业纯铝(99.0%)最低再结晶温度提高到290℃。3）加热速度再结晶是一扩散过程,需一定时间才能完成；提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生；原始晶粒越粗大,再结晶温度越高。39学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2加热温度过高或保温时间过长，晶粒会长大，得到粗大晶粒，使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能显著降低。影响再结晶后晶粒大小的因素：1）加热温度和保温时间2）变形度3）加热速度3、晶粒长大及影响再结晶后晶粒大小的因素40学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2三、金属的热加工及其对组织、性能影响钢材的热锻和热轧，温度处于再结晶温度以上发生塑性变形后，随即发生再结晶；塑性变形引起的加工硬化随即消除，使材料保持良好的塑性状态。41学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.21、热加工与冷加工的区别热加工：在再结晶温度以上的塑性变形加工。冷加工：在再结晶温度以下的塑性变形加工。注意：热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于金属的再结晶温度以上还是以下来划分。金属塑性变形加工方法：热加工：热锻、热轧、热挤压、热拔冷加工：冷镦、冷轧、冷挤压、冷冲、切削42学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.22、热加工的特点及其应用热加工变形的优点：（1）变形抗力低，塑性、韧性提高（2）改善铸锭和坯料的组织性能（3）形成热变形纤维组织（如图）（4）生产周期短43（1）.控制较低的加工终了温度（2）.控制较大的变形程度（3）.控制较快的冷却速度学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.23、热加工晶粒大小控制措施44学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响3.2四、金属的断裂1、断裂过程：低碳钢的拉伸过程，微观上其断裂过程：形成缩颈—出现空洞