機械工程材料3

1、LogoLogo第三章第三章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶Logo3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形3.1.1 3.1.1 金屬的彈性變形與塑性變形金屬的彈性變形與塑性變形變形：金屬在外力作用下發(fā)生形狀和尺寸的變化。變形：金屬在外力作用下發(fā)生形狀和尺寸的變化。金屬的變形按金屬的變形按其性質(zhì)可分為彈性變形和塑性變形。其性質(zhì)可分為彈性變形和塑性變形。單晶體：單晶體：在正應(yīng)力在正應(yīng)力 N N作用下，晶格被拉長；作用下，晶格被拉長；當(dāng)外力去除后，原子在引力作用下，恢當(dāng)外力去除后，原子在引力作用下，恢復(fù)到原來位置，產(chǎn)生彈性變形；復(fù)到原來位置，產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)正應(yīng)力當(dāng)正應(yīng)力 N

2、N大于原子間引力時，晶體被大于原子間引力時，晶體被拉斷，產(chǎn)生脆性斷裂。拉斷，產(chǎn)生脆性斷裂。晶體在正應(yīng)力作用下只能產(chǎn)生彈性變形晶體在正應(yīng)力作用下只能產(chǎn)生彈性變形和脆性斷裂，不能產(chǎn)生塑性變形。和脆性斷裂，不能產(chǎn)生塑性變形。Logo3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形晶體在切應(yīng)力作用下的變形晶體在切應(yīng)力作用下的變形晶體彈性變形的部分可以回復(fù)，但產(chǎn)生滑動的原子則不能回到它晶體彈性變形的部分可以回復(fù)，但產(chǎn)生滑動的原子則不能回到它原來的位置，這就產(chǎn)生了塑性變形。原來的位置，這就產(chǎn)生了塑性變形。Logo3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形3.1.2 3.1.2 單晶體的塑性變形單晶體的塑性變

3、形單晶體的塑性變形方式有滑移和孿生兩種，其中滑移是主要方式單晶體的塑性變形方式有滑移和孿生兩種，其中滑移是主要方式Logo3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形滑移（Slip）：在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向，相對于另一部分發(fā)生相對滑動位移的現(xiàn)象。產(chǎn)生滑移的晶面和晶向稱為滑移面和滑移方向。Logo3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形特點：特點：只能在切應(yīng)力作用下進(jìn)行； 臨界切應(yīng)力：使晶體開始滑動的切應(yīng)力。臨界切應(yīng)力：使晶體開始滑動的切應(yīng)力。鋅單晶體拉伸試驗示意圖鋁單晶的拉伸變形照片 Logo3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形滑移沿原子密排面(滑移面)、

4、原子密排方向(滑移方向)進(jìn)行?；葡担阂粋€滑移面和其上一個滑移方向構(gòu)成?；葡担阂粋€滑移面和其上一個滑移方向構(gòu)成?；葡翟蕉?，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性越好?；葡翟蕉啵饘侔l(fā)生滑移的可能性越大，塑性越好。Logo3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形拋光后進(jìn)行塑性變形，觀察組織，可以看到滑移帶。拋光后進(jìn)行塑性變形，觀察組織，可以看到滑移帶。每個滑移帶都是由很多平行的滑移線和臺階組成的。兩條滑移每個滑移帶都是由很多平行的滑移線和臺階組成的。兩條滑移線之間的區(qū)域稱為滑移層。線之間的區(qū)域稱為滑移層?；茙В⊿lip Band）和滑移線（Slip Line）滑移帶滑移線210-8mLogo

5、3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形滑移的機制：滑移是通過位錯在滑移面上的運動實現(xiàn)的。晶體通過位錯運動而發(fā)生滑移Logo3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形位錯運動導(dǎo)致滑移的特點： 當(dāng)晶體通過位錯運動產(chǎn)生滑移時，只在位錯中心的少數(shù)原子發(fā)生移動，而且它們移動的距離遠(yuǎn)小于一個原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小。 當(dāng)位錯線掃過滑移面到達(dá)金屬當(dāng)位錯線掃過滑移面到達(dá)金屬表面時，便產(chǎn)生一個原子間距的滑表面時，便產(chǎn)生一個原子間距的滑移量，同一滑移面上若有大量位錯移量，同一滑移面上若有大量位錯移出，則會在金屬表面形成一條滑移出，則會在金屬表面形成一條滑移線。移線。位錯運動時的原子位移 位錯運動越困

6、難，則金屬的強度越高；反之則強度越低，塑性越好。Logo3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形孿生（Twinning） ：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向，相對于另一部分發(fā)生對稱切變的現(xiàn)象。發(fā)生孿生的晶面和晶向分別稱為孿生面和孿生方向，發(fā)生切變，位向改變的這一部分晶體稱為孿晶，孿晶與未變形部分晶體以孿生面為對稱面呈鏡像分布。Logo3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形滑移和孿生的主要區(qū)別：滑移和孿生的主要區(qū)別： ：孿生晶格位向改變，變形晶體與未變形對稱分布；：孿生晶格位向改變，變形晶體與未變形對稱分布； 滑移晶格位相不變?；凭Ц裎幌嗖蛔?。 ：孿生變形位移是原子間距

7、的分?jǐn)?shù)倍，滑移中位移是原子：孿生變形位移是原子間距的分?jǐn)?shù)倍，滑移中位移是原子 間距的整數(shù)倍。間距的整數(shù)倍。 ：只有在滑移變形難于進(jìn)行時，才會產(chǎn)生孿生變形。：只有在滑移變形難于進(jìn)行時，才會產(chǎn)生孿生變形。 ：孿生產(chǎn)生的塑性變形量比滑移小的多。：孿生產(chǎn)生的塑性變形量比滑移小的多。 ：孿生變形速度快。：孿生變形速度快。 Logo3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形3.1.3 3.1.3 多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形多晶體金屬發(fā)生塑性變形的方式仍然是滑移或?qū)\生。 晶粒位向的影響 晶粒間的相互約束提高塑性變形抗力。 因各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個晶粒發(fā)生塑性變形時，為了保因各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)

8、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。力。Logo3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形晶界的影響晶界阻礙位錯運動提高塑性變形抗力。 當(dāng)位錯運動到晶界附近時，晶界成為位錯運動的障礙，于是當(dāng)位錯運動到晶界附近時，晶界成為位錯運動的障礙，于是位錯在晶界處堆積起來，形成位錯塞積。如果要使變形繼續(xù)進(jìn)行位錯在晶界處堆積起來，形成位錯塞積。如果要使變形繼續(xù)進(jìn)行，必須增加外力。，必須增加外力。

9、 多晶體中的晶界和晶粒間存在的位向差提高多晶體金屬的塑性變形抗力，將導(dǎo)致多晶體金屬的強度和硬度增大。雙晶粒試樣拉伸時變形示意圖 Logo3.1 3.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形多晶體金屬的塑性變形過程： 多晶體中首先發(fā)生滑移的是那些滑移系與外力夾角等于或接近于 45 的晶粒，使位錯在晶界附近塞積，當(dāng)塞積位錯前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯開動，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。多晶體拉伸變形示意圖Logo3.2 3.2 冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形對金屬組織和性能的影

10、響3.2.1 3.2.1 冷塑性變形對金屬組織的影響冷塑性變形對金屬組織的影響金屬的冷塑性變形是指在室溫條件下進(jìn)行的塑性變形。金屬的冷塑性變形是指在室溫條件下進(jìn)行的塑性變形。1.1.晶粒變形晶粒變形晶粒被拉長或壓扁，直至纖維狀，晶界模糊不清。形成纖維組織后，金屬的性能產(chǎn)生各向異性。Logo3.2 3.2 冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形對金屬組織和性能的影響2.2.亞結(jié)構(gòu)細(xì)化亞結(jié)構(gòu)細(xì)化隨著變形量的增加，位錯密度不斷增大，晶粒內(nèi)形成許多亞晶粒。變形1%變形3.5%變形9%變形20%Logo3.2 3.2 冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形對金屬組織和性能的影響隨著塑性變形程度增

11、大，變形的晶粒逐漸被隨著塑性變形程度增大，變形的晶粒逐漸被細(xì)化成許多細(xì)小的亞結(jié)構(gòu)，亞晶界增加，位細(xì)化成許多細(xì)小的亞結(jié)構(gòu)，亞晶界增加，位錯密度顯著增大，對滑移變形過程有巨大阻錯密度顯著增大，對滑移變形過程有巨大阻礙作用，顯著提高晶體的變形抗力，對強化礙作用，顯著提高晶體的變形抗力，對強化金屬起著十分重要的作用金屬起著十分重要的作用Logo3.2 3.2 冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形對金屬組織和性能的影響3.3.形變織構(gòu)產(chǎn)生形變織構(gòu)產(chǎn)生在塑性變形過程中，當(dāng)變形達(dá)到一定程度（70%以上）時，會使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱為形變織構(gòu)或擇優(yōu)取向。形變織構(gòu)的性質(zhì)與金

12、屬的變形方式有關(guān)，使金屬呈現(xiàn)各向異性，形變織構(gòu)的性質(zhì)與金屬的變形方式有關(guān)，使金屬呈現(xiàn)各向異性，有利也有弊。有利也有弊。利：可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。弊：在深沖零件時，使厚薄不勻，邊緣不齊，產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象絲織構(gòu)示意圖板織構(gòu)示意圖Logo3.2 3.2 冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形對金屬組織和性能的影響3.2.2 3.2.2 冷塑性變形對性能的影響冷塑性變形對性能的影響1.1.加工硬化加工硬化金屬在冷變形過程中，隨變形量增加，強度和硬度升高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象稱為加工硬化或形變強化。原理：冷變形使位錯密度增大，甚至形成位錯纏結(jié)，同時，亞晶粒越 加細(xì)小，對位錯運動產(chǎn)生阻礙，從而使變形抗

13、力增大，塑性降低。 由于加工硬化的存在，使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形，而未由于加工硬化的存在，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，因此，沒有加工硬化，金屬就不會發(fā)生均勻變形部分開始變形，因此，沒有加工硬化，金屬就不會發(fā)生均勻塑性變形。塑性變形。加工硬化是強化金屬的重要手段之一，尤其對于那些不能通過熱處理強化的金屬和合金更為重要。Logo3.2 3.2 冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形對金屬組織和性能的影響工業(yè)純鐵45鋼金屬拉拔示意圖強度、硬度升高，塑性、韌性下降Logo3.2 3.2 冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形對金屬組織和性能的影響2.2.產(chǎn)生各向

14、異性產(chǎn)生各向異性由于纖維組織和形變織構(gòu)的形成，由于纖維組織和形變織構(gòu)的形成，是金屬的性能產(chǎn)生各向異性?？検墙饘俚男阅墚a(chǎn)生各向異性?？棙?gòu)的存在往往會給金屬的性能帶構(gòu)的存在往往會給金屬的性能帶來不利影響。來不利影響。3.3.物理物理、化學(xué)性能變化化學(xué)性能變化塑性變形可影響金屬的物理塑性變形可影響金屬的物理、化學(xué)性能，如使電阻增大，耐腐蝕性降低。Logo3.2 3.2 冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形對金屬組織和性能的影響4.4.產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力是指外力去除后，金屬內(nèi)部殘留下來的應(yīng)力。殘余內(nèi)應(yīng)力是指外力去除后，金屬內(nèi)部殘留下來的應(yīng)力。產(chǎn)生原因：塑性變形時，產(chǎn)生的變形不

15、均勻，位錯，空位等晶體產(chǎn)生原因：塑性變形時，產(chǎn)生的變形不均勻，位錯，空位等晶體缺陷增多。缺陷增多。殘余內(nèi)應(yīng)力的類別：第一類內(nèi)應(yīng)力：存在于金屬表層與心部之間的內(nèi)應(yīng)力，又稱為宏觀內(nèi)應(yīng)力。產(chǎn)生原因：表層與心部變形不一致。第二類內(nèi)應(yīng)力存在于晶粒之間或晶粒內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力，又稱為微觀內(nèi)應(yīng)力。產(chǎn)生原因：晶粒之間的變形不均勻。Logo3.2 3.2 冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形對金屬組織和性能的影響第三類內(nèi)應(yīng)力存在于晶體缺陷中的內(nèi)應(yīng)力，又稱為點陣畸變。金屬塑性變形時所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力主要表現(xiàn)為第三類內(nèi)應(yīng)力。產(chǎn)生原因：晶體缺陷增加引起畸變增大。殘余內(nèi)應(yīng)力的危害：引起壓力加工、熱處理過程中零件的變形和開裂

16、。降低金屬的強度（第一、二類內(nèi)應(yīng)力）。降低金屬的耐腐蝕性。殘余內(nèi)應(yīng)力的消除：去應(yīng)力退火或低溫回火。Logo3.3 3.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶冷變形金屬在加熱時的組織和性能變化金屬經(jīng)冷變形后，組織處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，有自發(fā)恢復(fù)到變形前狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小，亞穩(wěn)定狀態(tài)可以維持相當(dāng)長時間。加熱可以增加原子擴(kuò)散能力，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。與此同時，變形金屬的組織與性能也發(fā)生相應(yīng)的變化。冷變形金屬在不同加熱溫度時組織和性能的變化Logo3.3 3.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶3.3.1 3.3.1 回復(fù)回復(fù)冷變形金屬在較低溫度加熱時，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前所產(chǎn)生的某

17、些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過程稱為回復(fù)。組織、結(jié)構(gòu)方面：顯微組織沒有明顯變化。亞結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，表現(xiàn)為晶體缺陷數(shù)量減少。材料的強度和硬度略有降低，塑性略有提高，殘余應(yīng)力降低。Logo3.3 3.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶去應(yīng)力退火（Stress-relief Annealing）： 將已經(jīng)加工硬化的金屬在較低的溫度下加熱，使其內(nèi)應(yīng)力基本消除，同時保持加工硬化的工藝方法。 冷卷彈簧制品，在成型后進(jìn)行一次250300C的低溫加熱，充分消除殘余內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，改善性能。 冷沖壓黃銅工件在變形后要進(jìn)行去應(yīng)力退火，以防止晶間開裂。Logo3.3 3.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶3.3.2 3.3.2

18、再結(jié)晶再結(jié)晶冷變形金屬在加熱到一定溫度后，在已變形組織中重新產(chǎn)生無畸變的新晶粒，性能發(fā)生明顯的變化，并恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)的過程稱為再結(jié)晶。Logo3.3 3.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶1.組織、結(jié)構(gòu)方面：變形的晶粒完全恢復(fù)為等軸狀晶粒。晶體缺陷數(shù)量明顯減少。2.性能方面：強度和硬度顯著下降，塑性和韌性顯著升高。冷變形時的加工硬化完全消失，金屬恢復(fù)到變形前的性能。內(nèi)應(yīng)力基本被消除。 3.工業(yè)應(yīng)用： 將已經(jīng)加工硬化的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，使其發(fā)生再結(jié)晶，以消除加工硬化的工藝方法。 冷拉鋼絲時，每拉拔一次，中間均進(jìn)行再結(jié)晶退火，消除加工硬化，以便于下一次拉拔。Logo3.3 3.3 回復(fù)與再結(jié)

19、晶回復(fù)與再結(jié)晶再結(jié)晶溫度冷變形金屬發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度。再結(jié)晶不是一個恒溫過程，沒有恒定的轉(zhuǎn)變溫度。因此，再結(jié)再結(jié)晶不是一個恒溫過程，沒有恒定的轉(zhuǎn)變溫度。因此，再結(jié)晶溫度的意義是開始發(fā)生再結(jié)晶的溫度，即在畸變的晶粒中產(chǎn)晶溫度的意義是開始發(fā)生再結(jié)晶的溫度，即在畸變的晶粒中產(chǎn)生無畸變等軸晶粒的最低溫度。生無畸變等軸晶粒的最低溫度。影響因素：影響因素：（1 1）預(yù)先變形度）預(yù)先變形度（2 2）金屬的熔點）金屬的熔點（3 3）雜質(zhì)和合金元素）雜質(zhì)和合金元素（4 4）加熱速度和保溫時間）加熱速度和保溫時間Logo3.3 3.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶3.3.3 3.3.3 晶粒長大晶粒長大 冷變形金屬

20、在再結(jié)晶結(jié)束后，繼續(xù)升高溫度或延長保溫時間，晶粒就會不斷長大，這一過程即稱為晶粒長大。 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。過程。 晶粒粗大會使金屬的強度，尤其是塑性和韌性降低晶粒粗大會使金屬的強度，尤其是塑性和韌性降低 金屬冷塑性變形不均勻，再結(jié)晶后得到的晶粒大小差別大金屬冷塑性變形不均勻，再結(jié)晶后得到的晶粒大小差別大，大晶粒很容易吞并小晶粒而越長越大，這種晶粒不均勻急劇，大晶粒很容易吞并小晶粒而越長越大，這種晶粒不均勻急劇長大的現(xiàn)象稱為二次再結(jié)晶。長大的現(xiàn)象稱為二次再結(jié)晶。Logo3.3 3.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再

21、結(jié)晶晶粒長大示意圖Logo3.3 3.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶3.3.4 3.3.4 影響再結(jié)晶晶粒大小的因素影響再結(jié)晶晶粒大小的因素1.加熱溫度和保溫時間 加熱溫度越高、保溫時間越長，晶粒越粗大。 其中溫度的影響尤其顯著。其中溫度的影響尤其顯著。加熱溫度對晶粒度的影響Logo3.3 3.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶2.變形程度變形量較小 不發(fā)生再結(jié)晶，晶粒保不發(fā)生再結(jié)晶，晶粒保持原狀、大小。持原狀、大小。變形量達(dá)到210% 再結(jié)晶后的晶粒異常粗再結(jié)晶后的晶粒異常粗大。大。210%的變形量稱為臨界變形度。變形量超過臨界變形度 隨變形程度的增加，晶隨變形程度的增加，晶粒細(xì)小而均勻。粒細(xì)小而均

22、勻。預(yù)先變形程度對晶粒度的影響Logo3.4 3.4 金屬的熱加工金屬的熱加工3.4.1 3.4.1 熱加工與冷加工的區(qū)別熱加工與冷加工的區(qū)別 工業(yè)生產(chǎn)中，熱加工通常指將金屬材料加熱至高溫進(jìn)行鍛造、軋制等壓力加工過程。 金屬學(xué)角度的冷、熱加工： 熱加工（Hot Working）：指在再結(jié)晶溫度以上的加工過程。 冷加工（Cold Working）：指在再結(jié)晶溫度以下的加工過程。 Fe的再結(jié)晶溫度T再450C，在400C對其加工，則為冷加工。 Pb的再結(jié)晶溫度T再-33C，在25C(常溫)對其加工，則為熱加工。Logo3.4 3.4 金屬的熱加工金屬的熱加工特點：特點：冷加工：晶粒壓扁或拉長冷加工

23、：晶粒壓扁或拉長 變形過程不發(fā)生再結(jié)晶變形過程不發(fā)生再結(jié)晶 產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象 精度高，表面粗糙度值低，適用于塑性較好的材料精度高，表面粗糙度值低，適用于塑性較好的材料熱加工：容易變形熱加工：容易變形 同時進(jìn)行著加工硬化和再結(jié)晶軟化過程同時進(jìn)行著加工硬化和再結(jié)晶軟化過程 易發(fā)生氧化，表面精度、光潔度低。易發(fā)生氧化，表面精度、光潔度低。 Logo3.4 3.4 金屬的熱加工金屬的熱加工3.4.2 3.4.2 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熱加工不會引起金屬的加工硬化，但由于溫度處于再結(jié)晶溫度熱加工不會引起金屬的加工硬化，但由于溫度處于再結(jié)晶溫度以上，變形加工后隨即發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，使金屬的組織和性以上，變形加工后隨即發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，使金屬的組織和性能發(fā)生顯著改變。能發(fā)生顯著改變。1.1.改善鑄態(tài)金屬的組織和性能改善鑄態(tài)金屬的組織和性能 a. a. 氣孔閉合，致密度增加；氣孔閉合，致密度增加； b. b. 粗