項目三金屬材料基礎知識課件_任務四

1、項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o任務描述：o本任務主要介紹了金屬材料的塑性變形的含義，并從微觀領域深入分析了金屬材料實現(xiàn)塑性變形的兩種主要形式：滑移和孿生。從而掌握金屬材料冷塑變形對材料組織和性能的影響。另外，還介紹了回復與再結晶的含義，區(qū)分了冷加工和熱加工及其對材料組織和性能的影響。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o知識目標：o掌握塑性變形的方式和含義，了解塑性變形對金屬材料組織和性能的影響；掌握回復和再結晶的含義，學會如何區(qū)分熱加工和冷加工，了解熱加工對金屬材料組織和性能的影響。o能

2、力目標： o通過對塑性變形、回復和再結晶等理論的學習，初步學會對金屬材料選擇的一些要求，以及將來進行熱處理的基本條件，為將來材料選擇和熱處理設計奠定基礎。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o4.1 4.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形o工業(yè)用的金屬材料通常是多晶體，但多晶體的塑性變形工業(yè)用的金屬材料通常是多晶體，但多晶體的塑性變形較為復雜，為了更好的了解多晶體的塑性變形，先了解較為復雜，為了更好的了解多晶體的塑性變形，先了解單晶體塑性變形的特點。單晶體塑性變形的特點。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變

3、形與再結晶o4.1.14.1.1單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形o單晶體的塑性變形方式主要有滑移和孿生兩種單晶體的塑性變形方式主要有滑移和孿生兩種 a) 未變形 b) 滑移 c) 孿生 圖41 單晶體塑性變形主要形式項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o一、滑移一、滑移 o 在切應力的作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面和一定的方向相對于另外一部分產生的相對滑動的現(xiàn)象就稱為滑移。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o滑移的特點：o1、滑移只能在切應力的作用下產生，產生滑移的最小切應力稱為臨界切應力；

4、項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o2、產生滑移的晶面稱為滑移面，產生滑移的晶向稱為滑移方向?；仆ǔＱ刂w中原子排列密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）進行。o一個滑移面和其上的一個滑移方向組成一個滑移系。o晶體內可能滑移的滑移面和滑移方向的乘積叫做滑移系數(shù)。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o表41 三種常見金屬晶格的滑移系 晶格類型體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格滑移面1106個1114個00011個滑移方向2個3個3個滑移系數(shù)目6x2=12個4x3=12個1x

5、3=3個項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o3. 滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍。滑移的結果在晶體表面形成一些臺階，稱為滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。 圖42 滑移線和滑移帶項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o4、滑移的同時伴隨著晶體的轉動。轉動有兩種：o一種是滑移面向外力軸方向轉動；o另外一種是滑移面上滑移方向向最大切應力方向轉動。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o5. 實驗發(fā)現(xiàn)晶體在切應力作用下，一部分相對于另外一

6、部分產生剛性整體移動需要的最小切應力與實際測量需要的切應力相差較大。經過研究發(fā)現(xiàn)，由于晶體中存在位錯，滑移實際上是在切應力的作用下通過位錯線沿滑移面的移動來實現(xiàn)的。 圖43 晶體中通過位錯運動而造成滑移示意圖 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o二、孿生二、孿生 o o孿生是金屬進行塑性變形的另一種基本方式。所謂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)生孿生的部分稱為孿生帶或孿晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱為孿生面。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶圖44 孿生變形項目三

7、 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o孿生與滑移的主要區(qū)別：o1. 孿生通過晶格切變使晶格位向改變，使變形部分與未變形部分呈鏡面對稱；而滑移不引起晶格位向的變化。o2. 孿生時，相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距，而滑移時滑移面兩側晶體的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍。o3. 孿生所需要的切應力比滑移大得多，如鎂的孿生臨界切應力為535MPa，而滑移時臨界切應力僅0.5MPa。因此，只有在滑移難以進行時，才會產生孿生變形。o4. 孿生產生的塑性變形量較小，比滑移產生的變形量小得多。o5. 孿生變形完成得速度極快，接近于聲速。項目三 金屬材料基礎知識

8、任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o4.1.2 4.1.2 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形 o多晶體得塑性變形與單晶體變形方式基本相同，每個晶粒得塑性變形仍然以滑移或孿生方式進行。但由于晶粒之間存在晶界，以及具有不同的晶粒位向，因此多晶體塑性變形就要復雜得多 。項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o1晶界的影響o將兩個晶粒組成的試樣，如圖45所示，進行拉伸試驗，可以看到兩個晶粒在其間結合的晶界處的變形是最小的，因此形成如圖的“竹節(jié)”現(xiàn)象。這是由于在晶界處晶格畸變較大，原子排列很紊亂，同時也是雜質原子和其它缺陷集中的地方，

9、這些都會對位錯的運動產生阻礙作用，從而提高了抵抗變形的能力。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶圖45 兩個晶粒組成試樣 圖46 鋅的拉伸曲線拉伸試驗示意圖 1-多晶體試樣 2單晶體試樣項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o2. 晶粒位向的影響o 多晶體中具有很多不同晶粒位向的晶粒，在外力作用下，一些晶粒發(fā)生滑移時會受到其它具有不同晶粒位向的晶粒的制約。這樣就會增加晶粒發(fā)生滑移的阻力，如圖46所示，使塑性變形的抵抗力提高 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形

10、與再結晶o3. 多晶體的塑性變形過程o在多晶體金屬中，出于晶粒間的位向不同。會使塑性變形產生不均勻性。由材料力學可知，拉伸時，在與外力成45方向上的切應力最大。偏移該方向越遠，則切應力越小(與外力平行或垂直方向的切應力等于零)。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o細晶強化o晶粒越細，在同等體積內的晶粒數(shù)量就越多，晶界面積和不同位向的晶粒也就越多，在進行塑性變形是遇到的抵抗力就越大，因此可以有較高的強度和硬度；同時，變形時可能發(fā)生滑移的晶粒也會越多，總的變形量就分布到更多的晶粒中，這樣使變形更加的均勻，不容易出現(xiàn)應力集中，故而可以承受較大的塑性

11、變形，因此其塑性和韌性越大?？梢钥闯鐾ㄟ^細化晶?？梢蕴岣呓饘俨牧系膹姸?、硬度、塑性和韌性，是一種十分有效的強化金屬材料的方法。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o4.2 4.2 冷塑變形對金屬組織和性能的影響冷塑變形對金屬組織和性能的影響o4.2.1 4.2.1 冷塑變形對金屬組織的影響冷塑變形對金屬組織的影響o冷塑變形就是指金屬在室溫下進行的塑性變形。在冷塑變形后不冷塑變形就是指金屬在室溫下進行的塑性變形。在冷塑變形后不但改變了材料的外形，也會改變其內部的組織結構。但改變了材料的外形，也會改變其內部的組織結構。 項目三 金屬材料基礎知識 任

12、務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o1晶粒的變形 o金屬在外力作用下產生塑性變形時，隨著變形量的增加，晶粒形狀也發(fā)生變化。通常晶粒沿變形方向被拉長、變細或壓扁，如圖48所示。 a) 變形前 b) 變形后 圖48變形前后晶粒形狀變化示意圖項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o2. 亞結構細化o金屬的塑性變形，除了產生滑移帶、孿晶帶之外，還會使晶粒逐漸碎化成許多位向略有不同（位向差不大于1）的小晶塊，就象是在原晶粒內又出現(xiàn)許多小晶粒似的，這種組織稱為亞結構。每個小晶塊稱為亞晶粒，亞晶粒邊界排列著許多位錯。經塑性變形后，亞晶粒將進

13、一步細化，位錯的密度進一步增高。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o3. 形變織構產生o金屬在接受拔絲、軋制等單向塑性變形時，各個晶粒在發(fā)生滑移變形的同時，還會發(fā)生晶體的轉動。在變形量較大的情況下，拔絲使各個晶粒的某一晶向轉向與拉拔方向平行，軋制時則會使晶粒的某一晶向轉向與軋制方向平行。變形越大，這種現(xiàn)象越明顯。這一現(xiàn)象稱為“擇優(yōu)取向”。擇優(yōu)取向的結果形成具有明顯方向性的組織，稱為“織構”。由于是變形過程中產生的，故稱為“形變織構”，拔絲產生的織構又稱為絲織構，軋制產生的織構又稱為板織構。項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形

14、與再結晶金屬的塑性變形與再結晶圖49 形變織構示意圖項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o4.2.2 4.2.2 冷塑變形對金屬性能的影響冷塑變形對金屬性能的影響o一、加工硬化o塑性變形過程中，隨著變形程度的增加，金屬的強度和硬度增加，而塑性和韌性降低，這一現(xiàn)象稱為加工硬化或形變強化。o產生加工硬化的主要原因：一是隨著塑性變形量的不斷增大，位錯密度不斷增加，使位錯間的交互作用不斷增強，使變形抗力增加；二是隨著塑性變形量的增大，晶粒變形、破碎形成亞晶粒，亞晶界阻止位錯運動，使強度和硬度提高。項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再

15、結晶金屬的塑性變形與再結晶o 加工硬化在工業(yè)生產中具有重要意義：o1. 它是提高金屬強度、硬度和耐磨性的重要手段之一，特別是對那些不能進行熱處理強化的金屬及合金尤為重要。如冷卷彈簧高錳鋼制造的坦克或拖拉機的履帶板，破碎機的顎板等。o2. 加工硬化有利于金屬變形均勻。因為金屬已經變形的部分出現(xiàn)加工硬化，繼續(xù)變形將主要在未變形的部分進行，使變形更加均勻。如在加工杯裝零件時，已變形部分因為強化不再繼續(xù)變形，而未變形部分繼續(xù)變形，從而得到壁厚一致的產品。o3. 加工硬化可以使材料具有很好的形變強化能力，在短時超載時可避免出現(xiàn)突然斷裂，提高安全性。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形

16、與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o加工硬化的不利影響o1、造成金屬塑性下降，給進一步的塑性變形帶來困難。o2、為了恢復金屬的塑性不得不進行退火，這樣將延長生產周期，增加生產成本。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o二、產生各向異性o由于纖維組織和形變織構的產生，使金屬的性能產生各向異性，如沿纖維方向的強度和塑性明顯高于垂直方向?？棙嬁赡軐饘傩阅軒聿焕绊?，如用有織構的板材沖壓筒形零件可能產生上面說過的“制耳”現(xiàn)象， 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶 a) 無制耳 b) 有制耳 圖411 沖

17、壓件的制耳現(xiàn)象項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o三、物理、化學性能的變化三、物理、化學性能的變化 o 塑性變形還會對金屬的物理和化學性能發(fā)生明顯的變化，如導電性下降，化學活性提高和耐腐蝕性下降等。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o四、產生殘余應力 o殘余應力是指外力撤除后，殘留在金屬內部的應力。內應力主要是由于金屬在外力作用下，內部變形不均勻而引起的。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o 內應力可分為三類：o第一類內應力即宏觀內應力，系平

18、衡于金屬各部分之間的應力，這是由于金屬各部分變形不均所造成的；o第二類內應力即微觀內應力，系平衡于晶粒之間或晶粒內不同區(qū)域之間的應力，這是由于相鄰晶粒變形不均或晶粒不同部位變形不均造成的；o第三類內應力即晶格畸變內應力，是由于位錯、空位及間隙原子等晶體缺陷而引起的。項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o第一、二類內應力約占殘余應力的10，它們可引起構件變形、開裂和耐蝕性降低等，通常采用退火處理進行消除或降低。而第三類內應力占整個內應力的90以上，是使金屬強化的主要原因。o殘余應力有時是有害的，它將導致工件變形、開裂、抗蝕性和抗外負荷能力降低，為此

19、需進行適當?shù)臒崽幚硪韵龤堄鄳?。當然有時殘余應力也可以被利用，以提高工件的抗負荷能力，如對彈簧、齒輪等零件進行噴丸處理將會提高抗疲勞強度 。項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o4.3 4.3 回復與再結晶回復與再結晶o加熱則使原子擴散能力提高，隨加熱溫度的提高，加工加熱則使原子擴散能力提高，隨加熱溫度的提高，加工硬化金屬的組織和性能就會出現(xiàn)如圖硬化金屬的組織和性能就會出現(xiàn)如圖412412所示的顯著所示的顯著變化，這些變化過程可劃分為回復、再結晶和晶粒長大變化，這些變化過程可劃分為回復、再結晶和晶粒長大三個階段。三個階段。 項目三 金屬材料基礎

20、知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶圖412 冷塑變形金屬加熱時組織和性能變化圖項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o4.3.1 4.3.1 回復回復o加熱溫度較低時，變形金屬發(fā)生回復過程。此時原子的活動能力不大，變形金屬的顯微組織不發(fā)生顯著的變化。金屬的變形使空位濃度和位錯密度增大。當在低溫加熱時，空位和位錯開始移動，到達表面、晶界等處消失，因而減少了晶格畸變。另外，回復過程中，位錯的運動使其變?yōu)榇怪狈植?，形成亞晶界，這一過程稱為多邊形化，使位錯間的作用力減少，因而使晶體過渡為較穩(wěn)定的狀態(tài)。 項目三 金屬材料基礎知識

21、 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o回復的作用o加工硬化后的強度和硬度略有下降，塑性略有回升，而內應力和電阻明顯下降。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o4.3.2 4.3.2 再結晶再結晶o一、再結晶的過程o冷變形金屬加熱到一定溫度后，由于原子獲得更大活動能力，顯微組織發(fā)生明顯變化，在原來的變形組織中重新產生了新的等軸晶粒，加工硬化現(xiàn)象消除，力學性能和物理性能恢復到變形前的水平，這個過程稱為再結晶。 o再結晶與重結晶(即同素異晶轉變)的共同點是：兩者都是形核與長大的過程。兩者的區(qū)別是：再結晶前后各晶粒的晶格類型不變

22、，成分不變；而重結晶則發(fā)生了晶格類型的變化。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o二、再結晶溫度o變形后金屬發(fā)生再結晶的溫度不是一個恒定的溫度，而是一個溫度范圍。再結晶溫度是指開始再結晶的最低溫度。工程上通常規(guī)定，經過大于70的冷塑變形的金屬，在一小時加熱能完成再結晶過程的最低溫度，稱為再結晶溫度。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o最低再結晶溫度影響因素：o1. 變形度o 金屬再結晶前塑性變形的相對變形量，即變形度越大，金屬的晶體缺陷越多，組織就越不穩(wěn)定，開始再結晶的溫度也就越低。當變形度達

23、到一定值后，再結晶溫度將趨近某個最低值，這個溫度就被稱為最低再結晶溫度。o 2. 原始晶粒大小 金屬原始晶粒越小，則變形抗力越大，變形后儲存的能量就越高，再結晶溫度就越低。項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o3. 金屬的熔點o 各種純金屬的最低再結晶溫度與其自身的熔點有關，具有如下的關系： T再（0.350.4）T熔點 T再最低再結晶溫度（K）； T熔點純金屬熔點（K）。o4. 雜質和合金元素o由于雜質和合金元素特別是一些熔點較高的元素存在于金屬中，將會阻礙原子擴散和晶界遷移，故將提高金屬的最低再結晶溫度。如純鐵的最低再結晶溫度在450C左右，

24、當在其中加入碳元素后，其最低再結晶溫度提高到540C左右。各種工業(yè)用合金的最低再結晶溫度大約為： T再（0.50.7）T熔點項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o5. 加熱速度和保溫時間o因為再結晶是原子的擴散過程，故需要一定的時間完成。提高加熱的速度可使再結晶溫度提高；保溫時間的延長，可使原子擴散更加充分，故再結晶溫度降低。在生產中把為消除加工硬化而進行的熱處理稱為再結晶退火，其溫度應比再結晶溫度高100200C。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o4.3.3 4.3.3 晶粒長大晶粒長大o再

25、結晶完成后，得到的是等軸的再結晶初始晶粒。隨著加熱溫度的升高或保溫時間的延長，晶粒之間就會互相吞并而長大，這一現(xiàn)象稱為晶粒長大。 o再結晶后的晶粒長大，對金屬的力學性能是不利的，它會使金屬的塑性和韌性明顯下降，所以應正確控制再結晶退火的加熱溫度和保溫時間，以避免晶粒粗化。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o 影響晶粒長大的主要因素o1. 加熱溫度o再結晶時加熱溫度越高，則原子的活性越強，晶界移動就越容易，晶粒長大就越快；o2變形度o變形度的影響實際上是一個變形均勻的問題。變形度愈大，變形便愈均勻再結晶后的晶粒度便愈細。當變形度很小時，由于晶格

26、畸變小，不足以引起再結晶，故晶粒度保持原祥。當變形度在210時再結晶后的晶粒十分粗大因此時晶體中僅有部分晶粒發(fā)生變形，變形很不均勻。再結晶時的形核數(shù)目少。再結晶后的晶體顆粒度不均勻，故晶粒極易吞并長大。這個變形度稱為“臨界變形度”生產中應設法避免。項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o4.4 4.4 金屬的熱加工金屬的熱加工 o4.4.1 4.4.1 熱加工與冷加工的區(qū)別熱加工與冷加工的區(qū)別o金屬的冷加工和熱加工是以再結晶溫度劃分的。凡在金屬的再結晶溫度以下進行的加工變形稱為冷加工，而在再結晶溫度以上的加工變形稱為熱加工。例如，鎢的最低再結晶溫度為1200C，錫的最低再結晶溫度為7C。那么錫在室溫下進行加工，已屬熱加工了。而鎢在低于1200以下的加工變形還是屬于冷加工。 項目三 金屬材料基礎知識 任務四任務四 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變形與再結晶o4.4.2 4.4.2 熱加工對金屬組織和性能的影響熱加工對金屬組織和性能的影響o一、改善鑄態(tài)金屬的組織和性能o通過熱加工可使鋼錠中的氣孔、縮孔大部分焊合