1、第三章 金屬的塑性變形,第一節(jié) 單晶體、多晶體的塑性變形,基本概念:金屬或合金在外力作用下，都能或多或少地發(fā)生變形，去除外力后，永遠(yuǎn)殘留的那部分變形叫塑性變形。 抵抗塑性變形是一般工程構(gòu)件的基本要求，不希望結(jié)構(gòu)件在承載時(shí)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形； 塑性變形是金屬材料的一種重要加工成形方法，在材料加工過程中，人們希望它易于加工變形。 塑性變形還可改變材料內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)并影響其宏觀性能。,壓力加工方法,一、金屬單晶體的塑性變形,金屬單晶體的塑性變形方式有“滑移”與“孿生” ，但一般大多數(shù)情況下都是以滑移方式進(jìn)行的。 滑移：在外加切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面發(fā)生一定距離的移動(dòng)，應(yīng)

2、力去除后不能回復(fù)原狀。,孿生：在外加切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面產(chǎn)生一定角度的切變，應(yīng)力去除后不能回復(fù)原狀,孿生與滑移的主要區(qū)別：,變形方式；,變形后的位向,孿生是使一部分晶體整體發(fā)生均勻的切變；而滑移則集中在一些滑移面上。,孿生使一個(gè)晶體的兩部分沿一個(gè)公共晶面構(gòu)成了鏡面對(duì)稱關(guān)系；而滑移則不改變晶體的位向。,原子位移距離不同,孿生時(shí)，孿晶帶中的原子沿孿生方向的位移量為原子間距的的分?jǐn)?shù)值；而滑移為原子間距的整數(shù)倍。,孿生變形困難,一般先滑移，滑移困難后，發(fā)生孿生，二者交替進(jìn)行 。,二、單晶體的滑移變形,任何應(yīng)力都可以分解為： 一個(gè)正應(yīng)力( ) 一個(gè)切應(yīng)力() 正應(yīng)力_伸長、

3、斷裂 切應(yīng)力_滑移變形,正應(yīng)力：僅使晶格產(chǎn)生彈性伸長，當(dāng)超過原子間結(jié)合力時(shí)，將晶體拉斷； 切應(yīng)力 ：使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，在超過滑移抗力時(shí)引起滑移面兩側(cè)的晶體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。,單晶體試樣在拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，除了沿滑移面產(chǎn)生滑移外，晶體還會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。 因?yàn)榫w在拉伸過程，當(dāng)滑移面上、下兩部分發(fā)生微小滑移時(shí)，試樣兩端的拉力不再處于同一直線上，于是在滑移面上形成一力偶，使滑移面產(chǎn)生以外力方向?yàn)檗D(zhuǎn)向，趨向于與外力平行的轉(zhuǎn)動(dòng)。,滑 移 面：晶面上原子間距最小 滑移方向：原子排列密度最大,三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的滑移系（密排面和密排方向）,一個(gè)滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系， 每一個(gè)滑移系表示晶體在產(chǎn)生滑

4、移時(shí)可能采取的一個(gè)空間位向。 滑移系=滑移面滑移方向,體心立方：6個(gè)面2個(gè)方向12 面心立方：4個(gè)面3個(gè)方向12 密排六方：1個(gè)面3個(gè)方向3,滑移系越多材料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明顯！,滑移的微觀機(jī)制,理論滑移力與實(shí)際滑移力（Cu）,理6400N/mm2 實(shí) 1.0N/mm2,晶體的塑性變形是晶體內(nèi)相鄰部分滑移的綜合表現(xiàn)。但晶體內(nèi)相鄰兩部分之間的相對(duì)滑移，不是滑移面兩側(cè)晶體之間的整體剛性滑動(dòng)，而是由于晶體內(nèi)存在位錯(cuò)，因位錯(cuò)線兩側(cè)的原子偏離了平衡位置，這些原子有力求達(dá)到平衡的趨勢(shì)。 當(dāng)晶體受外力作用時(shí)，位錯(cuò)（刃型位錯(cuò)）將垂直于受力方向，沿著一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐步移動(dòng)到晶

5、體的表面，形成一個(gè)原子間距的滑移量。一個(gè)滑移帶就是上百個(gè)或更多位錯(cuò)移動(dòng)到晶體表面所形成的臺(tái)階。,發(fā)生了滑移的金屬試樣表面狀態(tài),二、多晶體的塑性變形,金屬材料大多為位向、形狀、大小不同的晶粒組成的多晶體，因此多晶體的變形是許多單晶體變形的綜合作用的結(jié)果。,1、晶粒本身的變形（滑移變形）主要的2、晶粒之間的變形（晶間變形）次要的,主要影響因素：晶界、位向 晶界： 滑移的主要障礙：原子混亂排列區(qū)，較不規(guī)則缺陷、雜質(zhì)集中。滑移不能從一個(gè)晶粒直接延續(xù)到另一個(gè)晶粒中去。 協(xié)調(diào)變形：晶界自身變形以維持相鄰晶粒變形保持連續(xù)。 位錯(cuò)塞積位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近，受到晶界阻礙而堆積起來。 晶粒愈細(xì)，金屬的強(qiáng)度便愈高 ，

6、對(duì)抗塑性變形的能力也就越大。細(xì)晶強(qiáng)化,多晶體的變形抗力總是高于單晶體 晶粒愈細(xì)，單位體積內(nèi)的晶粒越多，金屬的變形可以分散，變形均勻； 晶粒愈細(xì)，晶界越曲折，可阻礙裂紋擴(kuò)展； 細(xì)晶粒的金屬具有良好的韌性和塑性,多晶體的塑性變形過程,第二節(jié) 塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響,經(jīng)過塑性變形，可使金屬的組織和性能發(fā)生一系列重大的變化，這些變化大致可以分為如下四個(gè)方面。 產(chǎn)生纖維組織，性能趨于各向異性； 織構(gòu)現(xiàn)象的產(chǎn)生 ； 晶粒破碎，位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生加工硬化 ； 殘余內(nèi)應(yīng)力 。,1.晶粒變形，形成纖維組織： 晶粒被拉長或被壓扁，當(dāng)變形足夠大時(shí)，晶界變得模糊不清，不易分辨。 雜質(zhì)呈細(xì)帶狀或鏈狀分布。,變形

7、前,變形后,工業(yè)純鐵表面的滑移帶,工業(yè)純鐵變形度為80%的顯微組織,2.亞結(jié)構(gòu)形成，材料加工硬化(work hardened )： 加工硬化：金屬材料經(jīng)冷塑性變形后，隨變形度增加，強(qiáng)度硬度升高，塑性韌性降低的現(xiàn)象稱為加工硬化或形變強(qiáng)化。加工硬化是提高材料強(qiáng)度的有效手段之一。,例如，純鐵和低碳鋼經(jīng)70%變形度的冷軋變形后，抗拉強(qiáng)度能提高400500MPa。 高強(qiáng)度鋼絲是將含碳量為1.0%的高碳鋼處理成細(xì)片狀珠光體，然后冷拔變形90%以上，抗拉強(qiáng)度可高達(dá)3000MPa。,強(qiáng)度、硬度，塑性、韌性,加工硬化對(duì)力學(xué)性能的影響 強(qiáng)化金屬的重要途徑； 利 提高材料使用安全性； （2）利弊 材料加工成型的保證

8、。 弊 變形阻力提高，動(dòng)力消耗增大； 脆斷危險(xiǎn)性提高。,3.織構(gòu)的形成： 隨著變形量的增大，各晶粒的位向?qū)⒀刂冃蔚姆较虬l(fā)生轉(zhuǎn)變，當(dāng)變形量足夠大（70% 90%）時(shí)，絕大部分晶粒的某一方向趨向大體一致，使材料呈現(xiàn)各向異性，甚至退火也難消除。,絲織構(gòu),板織構(gòu),制 耳,織構(gòu)的作用：（1）一般情況下，對(duì)加工成型極為不利；（2）有些情況下，可以利用織構(gòu)的作用-硅鋼片,5.其他性能的影響：電阻增加，耐腐蝕性能降低等,第一類內(nèi)應(yīng)力 第二類內(nèi)應(yīng)力 第三類內(nèi)應(yīng)力,宏觀應(yīng)力,微觀應(yīng)力,由整個(gè)物體變形不均勻引起,由晶粒變形不均勻引起,晶格畸變,由位錯(cuò)、空位等引起,變形甚至開裂,晶間腐蝕,加工硬化,4.內(nèi)應(yīng)力（金屬

9、在外力作用下各部分發(fā)生不均勻的塑性變形所導(dǎo)致）：,殘余內(nèi)應(yīng)力1,宏觀殘余內(nèi)應(yīng)力： 由于金屬材料各部分變形不均勻而造成的宏觀范圍內(nèi)殘余應(yīng)力。,彎曲變形后,殘余內(nèi)應(yīng)力2,微觀殘余內(nèi)應(yīng)力： 多晶體的各晶粒的變形不均勻，而使各晶粒間產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。,殘余內(nèi)應(yīng)力3,晶格畸變應(yīng)力：金屬在塑性變形后，增加了位錯(cuò)及空位等晶體缺陷，使晶體中一部分原子其偏離平衡而造成晶格畸變，從而產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力。需要部分原子范圍內(nèi)（幾百，幾千）來相互平衡。,殘余內(nèi)應(yīng)力：殘留金屬內(nèi)部用于平衡的內(nèi)部應(yīng)力。 類別：1、宏觀殘余內(nèi)應(yīng)力 2、微觀殘余內(nèi)應(yīng)力 3、晶格畸變應(yīng)力 引起殘余內(nèi)應(yīng)力的原因： 塑性變形、溫度急劇變化、結(jié)晶、固態(tài)相變

10、等 有害影響：1、降低工件的承載能力 2、 使工件尺寸和形狀發(fā)生變化 3、降低工件的耐蝕性,回復(fù)recovery 再結(jié)晶recrystallization 晶粒長大,第三節(jié) 變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能的變化,冷變形后 回復(fù) 再結(jié)晶 晶粒長大,1. 回復(fù)階段,原理：溫度較低，原子的活動(dòng)能力不大，這時(shí)金屬的晶粒大小和形狀沒有明顯的變化，只是在晶內(nèi)發(fā)生點(diǎn)缺陷的消失以及位錯(cuò)的遷移等變化 性能變化：強(qiáng)度、硬度和塑性等機(jī)械性能變化不大，內(nèi)應(yīng)力及電阻率等性能顯著降低。 應(yīng)用：工業(yè)將金屬在低溫下加熱，進(jìn)行“消除內(nèi)應(yīng)力退火” 處理，以保留金屬的變形強(qiáng)化性能,2 .再結(jié)晶,原理：當(dāng)它被加熱到較高的溫度時(shí)，原子也

11、具有較大的活動(dòng)能力，使晶粒的外形開始變化。從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒。和變形前的晶粒形狀相似，晶格類型相同，把這一階段稱為“再結(jié)晶”。 再結(jié)晶過程同樣是通過形核和長大兩個(gè)過程進(jìn)行的。 再結(jié)晶結(jié)束后，金屬中內(nèi)應(yīng)力全部消除，顯微組織恢復(fù)到變形前的狀態(tài)，其所有性能也恢復(fù)到變形前的數(shù)值，消除了加工硬化。 再結(jié)晶退火消除加工硬化的熱處理工藝,影響再結(jié)晶粒大小的因素,1）變形度影響 當(dāng)變形量很小時(shí)，由于晶格畸變很小，不足以引起再結(jié)晶； 當(dāng)變形度達(dá)到某一臨界值時(shí)，由于此時(shí)金屬中只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結(jié)晶晶核少，且晶粒極易相互吞并長大，因而再結(jié)晶后晶粒粗大，此變形度即為臨界變形度； 當(dāng)變形度

12、大于臨界變形度時(shí)，隨變形量的增加，越來越多的晶粒發(fā)生了變形，變形愈趨均勻，晶格畸變大，再結(jié)晶的晶核多，再結(jié)晶后晶粒愈來愈細(xì)。 可見冷壓加工應(yīng)注意避免在臨界變形度范圍內(nèi)加工，以免再結(jié)晶后產(chǎn)生粗晶粒。,2）再結(jié)晶溫度的影響,再結(jié)晶是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，若溫度過低不能發(fā)生再結(jié)晶；若溫度過高，則會(huì)發(fā)生晶粒長大，因此要獲得細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，必須在一個(gè)合適的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行加熱 再結(jié)晶退火溫度必須在T再以上，生產(chǎn)上實(shí)際使用的再結(jié)晶溫度通常是比T再高150250，這樣就既可保證完全再結(jié)晶，又不致使晶粒粗化。,再結(jié)晶溫度：純金屬 TR=0.4-0.35Tm(K) 合金：TR=0.5-0.7Tm(K),3 .

13、晶粒長大,再結(jié)晶結(jié)束后，升溫或保溫，晶界遷移位向改變，晶粒被吞并而長大 晶粒長大對(duì)材料的機(jī)械性能極不利，強(qiáng)度、塑性、韌性下降。且塑性與韌性下降的更明顯。,三、熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響,熱加工相關(guān)概念：再結(jié)晶溫度是熱加工與冷加工的分界線，高于再結(jié)晶溫度的壓力加工是熱加工hot working ，低于再結(jié)晶溫度的壓力加工是冷加工cold working 。 區(qū)別：熱加工變形量大，表面粗糙，無加工硬化現(xiàn)象，有再結(jié)晶。 冷加工變形量小，表面光滑，有加工硬化現(xiàn)象，無再結(jié)晶。 用途：熱變形加工多用于形狀較復(fù)雜的零件毛坯及大件毛坯的鍛造和熱軋鋼錠成鋼材等。而冷變形加工多用于截面尺寸較小，要求表面粗糙度值低的零件和坯料。,如：金屬鉛在室溫下變形屬熱加工,金屬鎢在1000時(shí)變形屬冷加工,冷加工與熱加工組織的變化,冷加工,熱加工,熱變形加工在變形的同時(shí)伴隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，變形停止后在冷到室溫過程中繼續(xù)有再結(jié)晶發(fā)生。所以熱變形加工基本沒有加工硬化現(xiàn)象。,熱加工的優(yōu)點(diǎn)： 可使鑄態(tài)金屬中的氣孔焊合，從而使其致密度得以提高