学习情境三金属材料塑性变形对组织性能的影响

知识目标1．了解单晶体金属塑性变形的主要形式；2．了解冷塑性变形对金属组织和性能的影响；3．了解热加工与冷加工的区别；4.了解断裂的方式及断裂发生的原因。金属的塑性变形压力加工对金属组织与性能的影响金属的断裂金属经熔炼浇注成铸锭以后，通常要进行各种压力加工，如轧制、挤压、冷拔、锻压、冲压等，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件，并可以消除铸造过程中的某些缺陷。压力加工的实质就是塑性变形。一、金属材料变形特性材料在外力的作用下，变形过程一般可分三个阶段：弹性变形、塑性变形和断裂。其中对组织和性能影响最大的是塑性变形阶段。单晶体的滑移多晶体单晶体塑性变形基本形式：滑移和孪生。二、单晶体的塑性变形1、滑移定义滑移：指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。滑移带：当试样经过塑性变形后，在显微镜下观察，可在表面看到许多相互平行的线条，称之为滑移带。若干条滑移线组成一个滑移带。（一）滑移2、滑移的特点：正应力只能引起弹性变形及断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶拉伸照片(1)滑移只能在切应力的作用下发生。正应力σ：仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，使将晶体拉断；切应力τ：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑动。产生滑移的最小切应力称临界切应力。——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。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。2、滑移的特点：(2)滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。X62、滑移的特点：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、滑移的特点：2、滑移的特点：切应力达到临界值时，滑移面两原子对间发生切变，发生分离，并使其在相邻位置上形成新的原子对，这一过程不断重复，使两部分晶体发生相互移动。过程结束后，晶体恢复原来的结构，整个滑移的间距为原子的整数倍，并在晶体表面留下台阶。(3)滑移的结果产生滑移带，滑移的距离是原子间距的整数倍转动的原因：晶体滑移使试样两端的拉力不再处于统一轴线，产生一个力矩使滑移面转动转动结果：滑移面趋向与拉伸轴平行，使外力作用在同一直线，使切应力分量大，更易于变形。2、滑移的特点：滑移后,滑移面两侧晶体的结构、位向关系未发生变化。(4)滑移的同时伴随着晶体的转动多脚虫的爬行3、滑移的机理滑移是通过滑移面上位错（一排原子）的运动来实现的。（二）孪生孪生：切应力作用下晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分发生均匀的移动。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。（1）滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进行，产生塑性变形。孪生使一部分晶体发生均匀移动，滑移时伴随的移动只集中在滑移面上。（2）孪生所需要的临界切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近于声速。在滑移较难进行时发生孪生。（3）滑移→位错运动→原子移动的相对位移是原子间距的整数值→不引起晶格位向的变化；孪生→晶格切变→原子移动的相对位移是原子间距的分数值→孪晶晶格位向改变→促进滑移。（4）孪生产生的塑性变形量小，但引起的晶格畸变大。滑移和孪生:（一）晶界及晶粒位向差的影响1.晶界的影响当位错运动到晶界附近时，由于晶界处的原子排列紊乱，缺陷和杂质多，能量高，对位错的滑移起阻碍作用，位错受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。使位错运动阻力增大，从而使金属的变形抗力提高。三、多晶体的塑性变形单个晶粒变形与单晶体相似。而多晶体变形是一个不均匀的塑性变形过程。2.晶粒位向的影响由于各相邻晶粒位向不同，当一处利于滑移方向晶粒发生滑移时，必然受到周围位向不同的其他晶粒的约束，使滑移受到阻碍，从而提高金属塑性变形抗力。（二）晶粒大小的影响细晶强化晶粒越细晶界越，不同位向的晶粒也越滑移抗力强度晶粒越细晶粒数目越变形均匀性应力集中，裂纹过早产生、扩展塑性、韧性晶粒越细，其强度和硬度越高。细晶强化：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。细晶强化是唯一的使材料的强度和塑性同时提高的强化方法。对铸态使用的合金，可控制铸造工艺来细化晶粒；对热轧或冷变形后退火态使用的合金，可调整变形度和再结晶退火温度来细化晶粒；对热处理强化态使用的合金可控制奥氏体化温度，利用相变重结晶来细化晶粒。注意:（三）多晶体金属的塑性变形过程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铜多晶试样拉伸后形成的滑移带σσ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。（一）单相固溶体合金的塑性变形单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。固溶强化四、合金的塑性变形（二元）固溶强化的原因，是由于溶质原子与位错相互作用的结果，溶质原子不仅使晶格发生畸变，阻碍位错运动，而且易被吸附在位错附近，使位错被钉扎住，位错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高。（二）多相合金的塑性变形与弥散强化合金的塑性变形除与合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。1、第二相在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利；2、第二相在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性；珠光体3、第二相在晶内呈颗粒状弥散分布时不可变形颗粒（硬）不易被切变，因而阻碍了位错的运动，形成位错环，提高了变形抗力。颗粒钉扎作用的电镜照片位错切割第二相粒子电镜观察可变形颗粒（软颗粒）将被位错切开，对位错有一定的阻滞作用。第二相在晶内呈弥散质点分布时，可显著提高材料的强度和硬度，且分散的质点越多、越细，这种对材料的强化作用越强。这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。弥散强化纤维组织形成金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成所谓纤维组织。1.金属组织的变化一、冷塑性变形对金属组织与性能的影响1）晶粒被拉长成纤维状金属经大的塑性变形时，由于位错的密度增大和发生交互作用，大量位错堆积在局部地区，并相互缠结，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，而在晶粒内产生亚晶粒。5%冷变形纯铝中的位错网金属变形后的亚结构2）亚结构细化金属塑性变形到很大程度(70%以上)时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋近于一致，形成特殊的择优取向，这种有序化的结构叫做形变织构。板织构丝织构形变织构示意图各向异性导致的“制耳”变形前变形后丝织构——各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向板织构——各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向3）变形织构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。加工硬化原因：塑性变形→位错移动→位错大量增殖→相互作用→运动阻力加大→变形抗力↑→强度↑、硬度↑、塑性、韧性↓2.金属性能的变化1）性能影响使金属的性能产生各向异性。影响金属的物理、化学性能金属经塑性变形后，使电阻增大，耐蚀性降低。加工硬化意义：1）一种有效的强化手段，对不能用热处理方法强化的合金尤其重要；2）均匀塑性变形和压力加工的保证；3）金属具有较好的变形强化能力，具有防止短时超载断裂能力，保证构件安全性；4）↓塑性，↑切削性能不利：塑性变形困难，给进一步变形带来困难→中间退火→消除wC=0.27%的碳钢冷拔时力学性能的变化（去除外力后残留于且平衡于金属内部的应力）。第一类内应力——宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；第二类内应力——微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均；第三类内应力——超微观，晶格畸变（90%）。内应力（特别是第一、二类）的存在，使金属强度降低，易产生应力腐蚀，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3.产生残余内应力金属经冷变形后,组织处于不稳定状态,有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。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。加热温度℃黄铜二、冷塑性变形金属在加热过程中的组织和性能变化冷变形金属在加热时的组织性能变化回复、再结晶和晶粒的长大都是减少或消除结构缺陷的过程。相应材料的内应力、晶粒尺寸、强度、塑性等性能也发生对应变化。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。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，但仍保持高密度位错。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。（1）宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；（2）力学性能，如硬度和强度稍有降低，塑性稍有提高；（3）光学金相组织看不出任何变化。回复带来的组织性能变化工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火、以降低残余内应力，保留加工硬化效果。二、再结晶再结晶：被拉长（或压扁）、破碎的晶粒沿着高密度位错的原晶粒边界，通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶，位错数目大大减少，基本消失。铁素体变形80%670℃加热650℃加热再结晶的特点不是相变，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同；是形核与长大的过程；再结晶没有确定的转变温度。纯金属：TR=0.4-0.35Tm(K)合金：TR=0.5-0.7Tm(K)再结晶带来的组织、性能变化（1）变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显，而塑性和韧性，加工硬化现象被消除，此时内应力全部消失，（2）物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。（3）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。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℃。影响再结晶温度的因素（1）预先变形度预先变形度越大，晶粒破碎越严重，缺陷越多，组织越不稳定，再结晶温度越低。但变形量达一定值后，再结晶温度变化很小。纯金属TR≈0.4Tm(K)；（2）金属的纯度杂质或合金元素，特别是高熔点元素，会阻碍原子的扩散或晶界的迁移，提高再结晶温度。合金：TR=0.5~0.7Tm(K)（3）退火加热速度加热速度越快，再结晶温度越低。三、再结晶后的晶粒长大再结晶完成后，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三、影响再结晶退火后晶粒度的因素（1）加热温度加热温度越，原子扩散能力越，则晶界越易迁移，晶粒长大也越。再结晶退火温度对晶粒度的影响（2）预先变形程度的影响临界变形度：不足以引起再结晶=临界变形度：再结晶晶核，晶粒大小相差极临界变形度：变形度越，再结晶核心越，再结晶后的晶粒越变形度过大（约≥90%)：再次出现异常长大（由形变织构造成）热加工再结晶温度冷加工热加工时: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。原晶粒变形晶粒新形成的小晶粒全部新晶粒残留的变形晶粒三、热压力加工对金属组织和性能的影响1.热加工与冷加工的区别热加工与冷加工的特点热加工的特点：不显示加工硬化现象，变形后获得再结晶组织冷加工的特点：有加工硬化现象，变形后获得加工硬化组织2.热