1、2.3 金屬的塑性加工 2.3.1 金屬的塑性變形 金屬材料通過冶煉、鑄造獲得鑄錠后，可通過塑性加工獲得型材、板材、管材或線材及零件毛坯或零件。 塑性加工:鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓,塑性加工方法示意圖,2.3.1 金屬的塑性變形 塑性加工時(shí)，金屬產(chǎn)生塑性變形，對(duì)金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能會(huì)產(chǎn)生重要的影響。,1：塑性變形對(duì)金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能有什么重要影響？ 2：塑性變形后的金屬再加熱時(shí)組織結(jié)構(gòu)和性能有什么變化？,一、單晶體的塑性變形 單晶體的塑性變形基本方式：滑移、孿生 1. 滑移,晶體在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)叫滑移。,滑

2、移,滑移特點(diǎn) 1 滑移只能在切應(yīng)力作用下才會(huì)發(fā)生：不同金屬產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力(稱滑移臨界切應(yīng)力)大小不同，鎢、鉬、鐵的滑移臨界切應(yīng)力比銅、鋁的要大。 2 滑移是晶體內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。,滑移特點(diǎn) 3 總變形量是滑移方向上的原子間距的整數(shù)倍：滑移在表面形成滑移帶。,滑移帶觀察,滑移特點(diǎn) 4 滑移沿著晶體中密排面上的密排方向進(jìn)行：密排面之間、密排方向之間的間距最大，結(jié)合力最弱；密排面是滑移面，密排方向是滑移方向。,提示 滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好； 滑移方向?qū)扑鸬淖饔帽然泼孀饔么螅?面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的塑性更好。,滑移特點(diǎn) 5 滑移時(shí)晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。,

3、一、單晶體的塑性變形 2. 孿生,在切應(yīng)力作用下晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面(孿生面)和晶向(孿生方向)發(fā)生切變的變形過程,發(fā)生切變后位向改變的一部分晶體稱為孿晶； 孿晶與未變形部分晶體原子分布對(duì)稱。,孿生所需的臨界切應(yīng)力比滑移的大得多，孿生只在滑移很難進(jìn)行的情況下才發(fā)生； 滑移系較少的密排六方晶格金屬如鎂、鋅、鎘等, 容易發(fā)生孿生； 體心立方晶格金屬（如鐵）在低溫或受沖擊時(shí)才發(fā)生孿生。,一、單晶體的塑性變形 2. 孿生,二、多晶體的塑性變形 工程上使用的金屬絕大部分是多晶體； 多晶體中每個(gè)晶粒的變形基本方式與單晶體相同； 多晶體材料中，各個(gè)晶粒位向不同，存在許多晶界，變形要復(fù)雜得多。

4、,多晶體的塑性變形,1. 晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 晶界上原子排列不很規(guī)則, 阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng), 使變形抗力增大； 金屬晶粒越細(xì)，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強(qiáng)度就越大；,2. 晶粒分批逐步變形 一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應(yīng)力方向，稱軟位向；一些晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應(yīng)力方向相差較大，稱硬位向； 滑移時(shí)，軟位向晶粒先開始，硬位向晶粒后滑移；晶粒分批變形，變形分散在材料各處； 晶粒越細(xì)，變形越分散，減少了應(yīng)力集中，推遲裂紋形成和發(fā)展，金屬塑性提高； 晶粒細(xì)，金屬的強(qiáng)度高，塑性好，斷裂時(shí)需要消耗較大的功，因而韌性好。,提示：細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種很重要的強(qiáng)韌化手段。,三、合金的塑性變形,

5、合金的組成相為固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子會(huì)造成晶格畸變，增加滑移抗力，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。,溶質(zhì)原子常常分布在位錯(cuò)附近，降低了位錯(cuò)附近的晶格畸變，使位錯(cuò)易動(dòng)性減小，形變抗力增加，強(qiáng)度升高。,合金的組織由固溶體和彌散分布的金屬化合物（稱第二相）組成時(shí)，第二相硬質(zhì)點(diǎn)成為位錯(cuò)移動(dòng)的障礙物。,在外力作用下，位錯(cuò)線遇到第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)發(fā)生彎曲，在第二相質(zhì)點(diǎn)周圍留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán)，位錯(cuò)通過。,第二相硬質(zhì)點(diǎn)的存在增加了位錯(cuò)移動(dòng)的阻力，使滑移抗力增加，從而提高了合金的強(qiáng)度。 這種強(qiáng)化方式叫第二相強(qiáng)化。 也叫彌散強(qiáng)化。,第二相強(qiáng)化,四、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 老師提示：重點(diǎn)內(nèi)容 1.塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響 （1）晶粒發(fā)

6、生變形 晶粒沿形變方向被拉長(zhǎng)或壓扁； 變形量很大時(shí), 晶粒變成細(xì)條狀(拉伸時(shí)), 金屬中的夾雜物也被拉長(zhǎng), 形成纖維組織。,變形前 變形后,（2）亞結(jié)構(gòu)形成 金屬經(jīng)大的塑性變形時(shí), 位錯(cuò)密度增大, 大量位錯(cuò)堆積在局部地區(qū), 相互纏結(jié), 形成不均勻的分布, 使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊, 產(chǎn)生亞晶粒。,金屬經(jīng)變形后的亞結(jié)構(gòu),（3）形變織構(gòu)產(chǎn)生 金屬塑性變形到很大程度(70%以上)時(shí), 由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), 使各晶粒的位向趨近于一致,這種有序化的結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。,2.塑性變形對(duì)金屬性能的影響 （1）形變強(qiáng)化,金屬發(fā)生塑性變形, 隨變形度增大, 金屬的強(qiáng)度和硬度顯著升高, 塑性和韌性明顯下降

7、。這種現(xiàn)象稱為加工硬化，也叫形變強(qiáng)化。,工程應(yīng)用：在生產(chǎn)中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強(qiáng)度。,產(chǎn)生加工硬化的原因: 塑性變形時(shí), 位錯(cuò)密度增加, 位錯(cuò)間的交互作用增強(qiáng), 相互纏結(jié), 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大, 塑性變形抗力提高； 同時(shí)晶粒破碎細(xì)化, 強(qiáng)度提高。,加工硬化,（2）產(chǎn)生各向異性 纖維組織和形變織構(gòu)的形成, 使金屬產(chǎn)生各向異性； 沿纖維方向的強(qiáng)度和塑性高于垂直方向。,各向異性,在某些情況下, 織構(gòu)的各向異性有用：制造變壓器鐵芯的硅鋼片, 沿100方向最易磁化, 采用這種織構(gòu)可使鐵損減小, 變壓器的效率大大提高。,（3）物理、化學(xué)性能變化 塑性變形可影響金屬的物理、化學(xué)性能：電阻增大, 耐

8、腐性降低。 （4）產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力 外力去除后，金屬內(nèi)部殘留下來的應(yīng)力。 金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，內(nèi)部變形不均勻，位錯(cuò)、空位等晶體缺陷增多，會(huì)產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。 殘余內(nèi)應(yīng)力使金屬耐蝕性降低，較大時(shí)可導(dǎo)致零件變形或開裂； 齒輪表面通過噴丸處理，產(chǎn)生較大殘余壓應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度。,2.3.2 塑性變形后的金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化 金屬經(jīng)塑性變形后，組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生很大變化； 對(duì)變形后金屬進(jìn)行加熱，其組織結(jié)構(gòu)和性能又會(huì)發(fā)生變化； 隨加熱溫度提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大過程。,變形金屬加熱時(shí)組織和性能變化,一、回復(fù) 變形后金屬在較低溫度加熱，發(fā)生回復(fù)過程。 回復(fù)溫度：T回復(fù)=(0.25

9、0.3)T熔點(diǎn) T熔點(diǎn)為金屬熔點(diǎn)(K)。,晶粒內(nèi)部位錯(cuò)等缺陷減少，晶粒仍保持變形后的形態(tài)，顯微組織不發(fā)生明顯變化； 材料的強(qiáng)度和硬度略有降低，塑性有增高，殘余應(yīng)力大大降低； 實(shí)際應(yīng)用：對(duì)變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火、降低殘余內(nèi)應(yīng)力，保留加工硬化效果。,二、再結(jié)晶 1.再結(jié)晶對(duì)金屬組織、性能的影響,變形后的金屬在較高溫度加熱時(shí)，被拉長(zhǎng)（或壓扁）、破碎的晶粒通過重新生核、長(zhǎng)大變成新的均勻、細(xì)小的等軸晶，這個(gè)過程稱為再結(jié)晶。,變形金屬再結(jié)晶后，強(qiáng)度、硬度明顯降低，塑性、韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象被消除，內(nèi)應(yīng)力全部消失；物理、化學(xué)性能基本上恢復(fù)到變形以前的水平。,提示：再結(jié)晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前

10、、變形后的晶格類型均一樣。,2.再結(jié)晶溫度 再結(jié)晶溫度是一溫度范圍，并非一恒定溫度； 再結(jié)晶溫度指的是最低再結(jié)晶溫度(T再)：用經(jīng)大變形量(70%以上)的冷塑性變形的金屬,經(jīng)1小時(shí)加熱后能完全再結(jié)晶的最低溫度來表示。 最低再結(jié)晶溫度： T再=(0.350.4)T熔點(diǎn) 式中溫度單位為絕對(duì)溫度(K)。,最低再結(jié)晶溫度影響因素： （1）預(yù)先變形度 金屬再結(jié)晶前塑性變形的相對(duì)變形量稱為預(yù)先變形度； 預(yù)先變形度越大, 金屬的晶體缺陷就越多, 組織越不穩(wěn)定, 最低再結(jié)晶溫度也就越低； 當(dāng)預(yù)先變形度達(dá)一定大小后, 最低再結(jié)晶溫度趨于某一穩(wěn)定值。,（2）金屬的熔點(diǎn)：熔點(diǎn)越高, 最低再結(jié)晶溫度也就越高。 （3）

11、雜質(zhì)和合金元素 雜質(zhì)和合金元素（高熔點(diǎn)元素）阻礙原子擴(kuò)散和晶界遷移, 可顯著提高最低再結(jié)晶溫度； 高純度鋁(99.999%)最低再結(jié)晶溫度為80 ； 工業(yè)純鋁(99.0%)最低再結(jié)晶溫度提高到290 。,（4）加熱速度和保溫時(shí)間 再結(jié)晶是一擴(kuò)散過程, 需一定時(shí)間才能完成； 提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶在較高溫度下發(fā)生； 保溫時(shí)間越長(zhǎng), 再結(jié)晶溫度越低。,3. 再結(jié)晶后晶粒的晶粒度 （1）加熱溫度 加熱溫度越高, 原子擴(kuò)散能力越強(qiáng), 則晶界越易遷移, 晶粒長(zhǎng)大也越快。,加熱溫度對(duì)再結(jié)晶后晶粒大小的影響,（2）預(yù)先變形度 變形度的影響主要與金屬變形的均勻度有關(guān)； 變形越不均勻, 再結(jié)晶退火后的晶粒越大。

12、,預(yù)先變形度對(duì)再結(jié)晶后晶粒大小的影響,變形度很小時(shí)，不足以引起再結(jié)晶，晶粒不變。,變形度達(dá)210%時(shí)，少數(shù)晶粒變形，且不均勻，再結(jié)晶時(shí)生成晶核少，得到極粗晶粒。 塑性變形后的金屬再結(jié)晶時(shí)，晶粒發(fā)生異常長(zhǎng)大的變形度稱作臨界變形度。,變形度繼續(xù)增大，晶粒變形厲害、均勻，再結(jié)晶核心越多，再結(jié)晶后的晶粒越細(xì)小。,當(dāng)變形度過大（約90%)時(shí), 晶?？赡茉俅纬霈F(xiàn)異常長(zhǎng)大,由形變織構(gòu)造成。,再結(jié)晶實(shí)際應(yīng)用： 用再結(jié)晶退火消除塑性變形產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)金屬塑性變形的能力，以便繼續(xù)進(jìn)行形變加工； 如生產(chǎn)鐵鉻鋁電阻絲時(shí)，在冷拔到一定的變形度后，要進(jìn)行氫氣保護(hù)再結(jié)晶退火，以便繼續(xù)冷拔獲得更細(xì)的絲材。,注意：為

13、了縮短處理時(shí)間，實(shí)際采用的再結(jié)晶退火溫度比該金屬的最低再結(jié)晶溫度要高。 再結(jié)晶退火溫度=T再+（100 200）,三、晶粒長(zhǎng)大 加熱溫度過高或保溫時(shí)間過長(zhǎng)，晶粒會(huì)長(zhǎng)大，得到粗大晶粒，使金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等機(jī)械性能顯著降低； 這種不均勻的長(zhǎng)大過程稱為二次再結(jié)晶,一般情況下應(yīng)當(dāng)避免。,2.3.3 金屬材料的熱加工與冷加工 金屬塑性變形加工方法： 熱加工：熱鍛、熱軋、熱擠壓、熱拔 冷加工：冷鐓、冷軋、冷擠壓、冷沖、切削,熱加工：在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工。 冷加工：在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形加工。,特別注意：熱加工和冷加工不是根據(jù)變形時(shí)是否加熱來區(qū)分，而是根據(jù)變形時(shí)的溫度處于金屬的再結(jié)

14、晶溫度以上還是以下來劃分的。,一、金屬的熱加工及其對(duì)組織、性能影響 鋼材的熱鍛和熱軋，溫度處于再結(jié)晶溫度以上發(fā)生塑性變形后，隨即發(fā)生再結(jié)晶；塑性變形引起的加工硬化隨即消除，使材料保持良好的塑性狀態(tài)。,提示：熱加工提高金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性，使金屬的機(jī)械性能全面提高。,熱加工能使鑄態(tài)金屬中的氣孔、疏松、微裂紋焊合，提高金屬的致密度；減輕或消除枝晶偏析和改善夾雜物、第二相的分布等； 熱加工能打碎鑄態(tài)金屬中的粗大樹枝晶和柱狀晶，并通過再結(jié)晶獲得等軸細(xì)晶粒。,二、金屬的冷加工及其對(duì)組織、性能的影響 冷軋、冷拔、冷沖等屬于冷加工：加工溫度處于再結(jié)晶溫度以下, 金屬材料發(fā)生塑性變形時(shí)不發(fā)生再結(jié)晶過程； 冷加工發(fā)生塑性變形，金屬晶粒變形、組織細(xì)化、缺陷增加； 與冷加工前相比，金屬材料的強(qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性下降，即產(chǎn)生加工硬化的現(xiàn)象； 加工硬化具有極重要的實(shí)際意義。,想一想: 加工硬化在實(shí)際工程中有什么重要的應(yīng)用？,噴丸強(qiáng)化,噴丸強(qiáng)化,齒輪表面通過噴丸處理，表面發(fā)生加工硬化，同時(shí)產(chǎn)生較大的