1、1,第四章 金屬的塑性變形,塑性變形及隨后的加熱，對金屬材料組織和性能有顯著的影響。了解塑性變形的本質(zhì)、塑性變形及加熱時組織的變化，有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，正確確定加工工藝,單晶體的塑性變形 多晶體的塑性變形 變形后金屬的回復(fù)與再結(jié)晶 金屬的熱塑性變形,2,第一節(jié) 單晶體的塑性變形,一、單晶體純金屬的塑性變形,在應(yīng)力低于彈性極限e時，材料發(fā)生的變形為彈性變形；應(yīng)力在e到b之間將發(fā)生的變形為均勻塑性變形；在b之后將發(fā)生頸縮；在K點發(fā)生斷裂。,彈性變形的實質(zhì)是：在應(yīng)力的作用下，材料內(nèi)部的原子偏離了平衡位置，但未超過其原子間的結(jié)合力。晶格發(fā)生了伸長(縮短)或歪扭。原子的相鄰關(guān)系未發(fā)生改變，故外力去

2、除后，原子間結(jié)合力便可以使變形完全恢復(fù)。,3,單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力（垂直晶面）和切應(yīng)力（平行晶面） 。 正應(yīng)力只能引起彈性變形,當(dāng)超過原子間結(jié)合力時，晶體斷裂。 只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。,塑性變形的實質(zhì)是：在應(yīng)力的作用下，材料內(nèi)部原子相鄰關(guān)系已經(jīng)發(fā)生改變，故外力去除后，原子到了另一平衡位置，物體將留下永久變形。,塑性變形,4,滑移是指當(dāng)應(yīng)力超過材料的彈性極限后，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動位移的現(xiàn)象。在應(yīng)力去除后，位移不能恢復(fù)，在金屬表面留下變形的痕跡,塑性變形的形式：滑移和孿生 金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形, 滑移,5,

3、 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。,1、滑移變形的特點,6, 滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。,7,沿其發(fā)生滑移的晶面叫做滑移面； 沿其發(fā)生滑移的晶向叫做滑移方向； 它們通常是晶體中的密排面和密排方向。,一個滑移面和其上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系。,滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移面更大。,8,FCC,6,金屬的塑性：fccbccchp,9,哪個滑移系先滑移？ 當(dāng)作用于滑移面上滑移方向的切應(yīng)力分量c（分切應(yīng)力）大于等于一定的臨界值（臨界切應(yīng)力，決定于原子間

4、結(jié)合力），才可進(jìn)行。,最先達(dá)到c的滑移系先開始滑移 滑移時,10, 滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍。 滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。,銅拉伸試樣表面滑移帶,11, 滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動。,轉(zhuǎn)動的原因：晶體滑移后使正應(yīng)力分量和切應(yīng)力分量組成了力偶.,12,韌性斷口,13,把滑移設(shè)想為剛性整體滑動滑移面上每一個原子都同時移到另一個平衡位置，外加的切應(yīng)力必須同時克服滑移面上所有原子間的結(jié)合力。所需理論臨界切應(yīng)力值比實際測量值大3-4個數(shù)量級。 滑移是通過滑移面上位錯的運(yùn)動來實現(xiàn)的。,2、滑移的機(jī)理,14,刃位錯的運(yùn)動,滑移過程中會生成許多

5、位錯：塑性變形量增加，晶體中位錯密度增大,晶體通過位錯運(yùn)動產(chǎn)生滑移時，只需要在位錯中心的少數(shù)原子發(fā)生移動，它們移動的距離遠(yuǎn)小于一個原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作位錯的易動性。,15,孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的切變，發(fā)生在滑移系較少或滑移受限制情況下。,發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面。, 孿生,16,孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對稱。,孿生示意圖,17,孿生使晶格位向發(fā)生改變； 所需切應(yīng)力比滑移大得多，變形速度極快，接近聲速; 孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距（滑移是原子間距的整數(shù)倍）。,與滑移相比：,密排

6、六方晶格金屬：滑移系少，常以孿生方式變形。 體心立方晶格金屬：只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。 面心立方晶格金屬：一般不發(fā)生孿生變形。,18,單個晶粒變形與單晶體相似，多晶體變形更復(fù)雜。,二、多晶體純金屬的塑性變形,多晶體是由眾多取向不一的單晶體組成。在某一單向外力作用下各晶體的滑移面上的分切應(yīng)力不同，只有一些達(dá)到臨界切應(yīng)力的滑移系才發(fā)生滑移。由于晶體之間的相互制約，首先滑移的晶體會引起自身或相鄰晶體的轉(zhuǎn)動，從而使原來啟動的滑移系偏離最大切應(yīng)力方向，而停止滑移。另一些原來不能啟動的滑移系開動，進(jìn)而使整個晶體的塑性變形協(xié)調(diào)發(fā)展。,晶粒所處的位向為易滑移的位向稱為“軟位向” 反之謂“硬位向”

7、。先發(fā)生于軟位向晶粒，然后到硬位向。,1、不均勻的塑性變形,19,由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個晶粒發(fā)生塑性變形時，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。,這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。 由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。,2、晶粒位向差阻礙滑移,20,當(dāng)位錯運(yùn)動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來，稱位錯的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行，則必須增加外力，從而使金屬的變形抗力提高。,3、晶界的影響,21,晶界對塑性變形的影響,Cu-4.5Al合金晶界的位錯塞積,22,晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同

8、位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高，另外，一定的變形量由更多晶粒分散承擔(dān)，不會造成局部的應(yīng)力集中，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形，強(qiáng)度和塑性同時增加，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也較好。,晶粒大小對塑性變形的影響,23,三、塑性變形對組織、性能的影響,1、對組織結(jié)構(gòu)的影響,1）、組織纖維化（晶粒變形）：隨著塑性變形量增大，原來的等軸晶相應(yīng)地被拉長或壓扁，形成長條狀或纖維狀，使材料產(chǎn)生各向異性。,24,2）、亞晶粒的增多：變形前，位錯分布均勻。塑性變形伴隨著大量位錯產(chǎn)生，由于位錯運(yùn)動和相互間交互作用，并使晶?！八榛背稍S多位向略有差異的亞晶塊（或稱亞晶粒）。亞晶粒間界是由位錯堆積而成

9、的。,3、產(chǎn)生織構(gòu)：金屬中的晶粒的取向一般是無規(guī)則的隨機(jī)排列，盡管每個晶粒是各向異性的，宏觀性能表現(xiàn)出各向同性。當(dāng)金屬經(jīng)受大量(70%以上)的一定方向的變形之后,由于晶粒的轉(zhuǎn)動造成晶粒取向趨于一致，形成了“擇優(yōu)取向”，即某一晶面 （晶向）在某個方向出現(xiàn)的幾率明顯高于其他方向。金屬大變形后形成的這種有序化結(jié)構(gòu)叫做變形織構(gòu)，它使金屬材料表現(xiàn)出明顯的各向異性。,25,由于晶粒的轉(zhuǎn)動，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時，會使絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。,形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊、厚薄不勻。 但織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。,

10、26,Small angle grain boundary,27,1）加工硬化,隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。,2.對力學(xué)性能的影響,28,1、隨變形量增加, 位錯密度增加.,產(chǎn)生加工硬化的原因,29,位錯密度與強(qiáng)度關(guān)系,由于位錯之間的交互作用(堆積、纏結(jié))，使變形抗力增加，塑性降，強(qiáng)度、硬度升高.,30,2. 隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化； 3. 隨變形量增加，空位密度增加； 4. 幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動引起。,加工硬化使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形，而未變形部分開始變形。沒有加工硬化，金屬就不會發(fā)生均勻塑性變形。 加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，對于

11、不能熱處理強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。,31,3、殘余內(nèi)應(yīng)力,內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力時, 內(nèi)部變形不均勻而引起的。,晶界位錯塞積所引起的應(yīng)力集中,金屬發(fā)生塑性變形時，外力所做的功只有10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中。,32,第三類內(nèi)應(yīng)力是形變金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力，也是金屬強(qiáng)化的主要原因。而第一、二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬強(qiáng)度降低。,內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降；引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。,第一類內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間(宏觀內(nèi)應(yīng)力)。 第二類內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間 (微觀內(nèi)應(yīng)力)。 第三

12、類內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。,33,四、變形后金屬的加熱變化(回復(fù)與再結(jié)晶 ),引言,金屬塑性變形后，出現(xiàn)晶粒拉長，位錯增多，內(nèi)應(yīng)力升高等現(xiàn)象，他們會引起材料體系能量提高，處于一個高能亞穩(wěn)態(tài)，有向低能態(tài)轉(zhuǎn)變的傾向。 在加熱過程中，形變了的材料會發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個過程，如右圖所示 。,回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒的長大，他們都是減少或消除結(jié)構(gòu)缺陷的過程。相應(yīng)地,材料的結(jié)構(gòu)和性能也發(fā)生對應(yīng)變化。,加熱促使轉(zhuǎn)變進(jìn)行,34,1、回復(fù),1）、回復(fù)概念,經(jīng)冷加工的材料在較低的溫度保溫， 這時材料發(fā)生點缺陷消失，位錯重排，應(yīng)力下降的過程為回復(fù)。 利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬進(jìn)行低溫加熱，既可穩(wěn)定組織又

13、保留了加工硬化效果的方法為去應(yīng)力退火,2）、回復(fù)引起材料組織和性能變化,l宏觀應(yīng)力（第一類應(yīng)力）基本消除，但微觀應(yīng)力（第二、第三類）仍然殘存。 l 力學(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)度、硬度（略下降）和塑性（略升高）沒有明顯變化。,35,當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，在亞晶界或晶界處形成了新的結(jié)晶核心，并不斷以等軸晶形式生長，取代被拉長及破碎的舊晶粒，這一過程稱為再結(jié)晶。 這種冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程稱再結(jié)晶。,2. 再結(jié)晶,36,再結(jié)晶也是一個晶核形成和長大的過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。核心出現(xiàn)在位錯聚集的地方，原子

14、能量最高，最不穩(wěn)定。它只是一個形態(tài)上的變化。新晶粒中缺陷減少，內(nèi)應(yīng)力消失了 。,37,由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而金屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。,38,再結(jié)晶溫度,再結(jié)晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。,39,T再與的關(guān)系,金屬預(yù)先變形程度越大, 再結(jié)晶溫度越低。當(dāng)變形度達(dá)到一定值后，再結(jié)晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結(jié)晶溫度。,純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點之間的近似關(guān)系: T再0.4T熔 其中T再、T熔為絕對溫度.,如Fe：T再=(1538+273)0.4273=451,影響再結(jié)晶溫度的因素,1）

15、、金屬的預(yù)先變形程度,40,金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點元素，起阻礙擴(kuò)散和晶界遷移作用，使再結(jié)晶溫度顯著提高。,2）、金屬的純度,41,3）、再結(jié)晶加熱速度和加熱時間,提高加熱速度會使再結(jié)晶推遲到較高溫度發(fā)生； 延長加熱時間，使原子擴(kuò)散充分，再結(jié)晶溫度降低。 生產(chǎn)中把消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100200。,42,再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高溫度或延長保溫時間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個自發(fā)的過程。,3. 晶粒長大,43,1長大驅(qū)動力,再結(jié)晶完成后，金屬獲得均勻細(xì)小的晶粒，但有長大的趨勢，因為長大有利于減少界面，降低界面能。這種自由能的降低即為晶粒長大

16、的驅(qū)動力。,2正常長大和非正常長大,正常長大：再結(jié)晶晶粒均勻長大。方式：相互兼并，組織均勻。 非正常長大：一些晶粒迅速長大，并吞并臨近小晶粒，造成組織不均勻。,晶粒的長大是通過晶界遷移進(jìn)行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。,44,加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。,再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響,1、加熱溫度和保溫時間,影響因素,45,預(yù)先變形度對再結(jié)晶晶粒度的影響,2、預(yù)先變形量,當(dāng)變形量達(dá)到210%時，只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長大，再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個變形量稱臨界變形量。,預(yù)先變形量的影響，實質(zhì)是變形均勻程度的

17、影響。,當(dāng)變形量很小時，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶。,46,當(dāng)超過臨界變形量后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再結(jié)晶時形核量大而均勻，使再結(jié)晶后晶粒細(xì)而均勻，達(dá)到一定變形量之后，晶粒度基本不變。,對某些金屬，當(dāng)變形量相當(dāng)大(90%)時，再結(jié)晶后晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認(rèn)為這與形成織構(gòu)有關(guān)。,47,五、 金屬的熱加工,1、冷加工與熱加工的區(qū)別,在金屬學(xué)中，冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃分的。低于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工，而高于再結(jié)晶溫度的加工稱為熱加工。,48,熱加工時產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消，因而熱加工不會帶來加工硬化效果。,巨型自由鍛件,區(qū)別 冷加工：加工硬化，

18、晶粒變形 熱加工：加工硬化和再結(jié)晶過程同時發(fā)生，加工硬化消失,為什么進(jìn)行熱加工 金屬材料的強(qiáng)度和硬度會隨溫度的上升而下降，塑性會隨溫度的升高而升高，因此在較高的溫度下進(jìn)行塑性變形，材料的抗力小，易成型。,49,2.熱加工對金屬組織和性能的影響,1） 熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合，使粗大的樹枝晶或拄狀晶破碎，從而使組織致密、成分均勻、晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高。,50,它使鋼產(chǎn)生各向異性，在制定加工工藝時，應(yīng)使流線分布合理，盡量與拉應(yīng)力方向一致。,滾壓成型后螺紋內(nèi)部的纖維分布,吊鉤中的纖維組織,2）形成熱加工流線。熱加工過程中，各種可變形的夾雜物會沿形變方向拉長，呈流線分布，從而造成各向異性。在流線方向，性能較好，而在垂直于流線方向上性能相對較差。有這種流線體型的組織稱纖維組織。,51,熱加工能量消耗小，但鋼材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、變形量大、在室溫下加工困難的工件。 冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光潔度要求高的工件。,蒸汽-空氣錘,52,3、金屬的強(qiáng)化,一、基本原理 由于塑性變形的本質(zhì)是位錯的滑移。因此，