金屬塑型變形

1、第6章 金屬的塑性變形及再結(jié)晶塑性變形塑性變形及隨后的加熱對(duì)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(shí)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。 5萬(wàn)噸水壓機(jī)第一節(jié) 金屬的塑性變形一、單晶體金屬的塑性變形單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。方式：滑移和孿生外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片（一）滑移（1）滑移帶和滑移線試樣預(yù)經(jīng)拋光而后變形，再到顯微鏡下去觀察時(shí)，則可在試樣的表面上看到一條條的變形痕跡，這些變形痕跡叫“滑移帶”。在電子顯微鏡

2、下觀察，發(fā)現(xiàn)任一條滑移帶是由許多條反映著這種臺(tái)階的“滑移線”所組成。 銅拉伸試樣表面滑移帶滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生距離為原子間距整數(shù)倍的位移的現(xiàn)象。發(fā)生滑移后滑移面兩側(cè)的晶體位向保持不變。 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力. （2）滑移系沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。 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。一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格11011

3、1110111晶格滑移面滑移方向滑移系三種典型金屬晶格的滑移系滑移系越多，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。因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格, 體心立方晶格好于密排六方晶格。（3）滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)有兩種：滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移面上滑移方向向最大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。切應(yīng)力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)滑移面、滑移方向與外力方向都呈45角時(shí)，滑移方向上切應(yīng)力最大，因而最容易發(fā)生滑移.滑移的轉(zhuǎn)動(dòng)使原來(lái)的有利位向轉(zhuǎn)動(dòng)到不利位向而停止滑移，而不利位向的滑移系則轉(zhuǎn)動(dòng)到有利位向而滑移。從而產(chǎn)生均勻變形。（4）滑移的機(jī)理把滑移設(shè)想為剛性整體滑

4、動(dòng)所需的理論臨界切應(yīng)力值比實(shí)際測(cè)量臨界切應(yīng)力值大34個(gè)數(shù)量級(jí)?；剖峭ㄟ^(guò)滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。晶體通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，只在位錯(cuò)中心的少數(shù)原子發(fā)生移動(dòng)，它們移動(dòng)的距離遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作位錯(cuò)的易動(dòng)性。刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)（二）孿生孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶帶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面。孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱。 孿晶組織孿生示意圖與滑移的主要區(qū)別：孿生使部分晶體發(fā)生均勻切應(yīng)變；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(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量

5、小于一個(gè)原子間距。密排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，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，這是由于相變過(guò)程中原子重新排列時(shí)發(fā)生錯(cuò)排而產(chǎn)生的，稱退火孿晶。奧氏體不銹鋼中退火孿晶鈦合金六方相中的形變孿晶二、多晶體金屬的塑性變形（一）特點(diǎn)單個(gè)晶粒變形與單晶體相似，每個(gè)晶粒的塑性變形仍以滑移或?qū)\生方式進(jìn)行 由于晶界的存在，晶粒間位向的差異，以及變形過(guò)程中晶粒之間的互相牽制多晶體變形比單晶體復(fù)雜。（二）晶界及晶粒位向差的影響晶界的影響晶界處的原于是雜亂的，晶格嚴(yán)重畸變，加之雜質(zhì)原子比較集中(增大了晶格畸變)，因而使該處滑

6、移時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力(即塑性變形抗力)增大，難以發(fā)生變形。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來(lái),稱位錯(cuò)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。晶界對(duì)塑性變形的影響Cu-4.5Al合金晶界的位錯(cuò)塞積晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，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(lái)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。 多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45的晶粒。當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，

7、使相鄰晶粒中原來(lái)處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)，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。 （三）晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。因?yàn)榻饘倬ЯＴ郊?xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高。因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加,金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。第二節(jié) 冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響一、冷塑性變形對(duì)性能的影響加工硬化：

8、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。除力學(xué)性能外，金屬的某些物理、化學(xué)性能在冷加工塑性變形以后也會(huì)發(fā)生變化。例如，金屬的電阻增加，導(dǎo)磁性和耐蝕性降低等。冷塑性變形與性能關(guān)系加工硬化在金屬加工中的作用金屬的加工硬化在生產(chǎn)中是強(qiáng)化金屬的重要手段。特別是熱處理無(wú)法強(qiáng)化的金屬材料，如純金屬、某些銅合金和鎳鉻不銹鋼等；加工硬化由于塑性的降低，可能給金屬材料進(jìn)一步變形加工帶來(lái)困難；某些物理、化學(xué)性能的變壞，也會(huì)影響一些零件的使用。二、冷塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響 （一）形成纖維組織金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長(zhǎng)或壓扁。變形量很大

9、時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀，晶界變得模糊不清，稱之為冷加工纖維組織。纖維組織能使金屬的力學(xué)性能具有明顯的方向性，即造成各向異性，沿著纖維方向的強(qiáng)度大于垂直纖維方向的。 工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化5%冷變形純鋁中的位錯(cuò)網(wǎng)(a) 正火態(tài)(c) 變形80%(b) 變形40%（二）亞組織的細(xì)化隨著變形的增加，位錯(cuò)纏結(jié)現(xiàn)象的進(jìn)一步發(fā)展，便會(huì)把各晶粒破碎成為細(xì)碎的亞晶粒。變形愈大，晶粒的碎細(xì)程度便愈大，亞晶界也愈多，位錯(cuò)密度顯著增加。同時(shí)，細(xì)碎的亞晶粒也隨著變形的方向被拉長(zhǎng)。亞組織細(xì)化和位錯(cuò)密度增加是加工硬化的主要原因 （三）產(chǎn)生變形織構(gòu)由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一

10、位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱變形織構(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(shí)，由于各方向上的塑性、強(qiáng)度不同會(huì)導(dǎo)致非均勻變形。使筒形零件的邊緣出現(xiàn)嚴(yán)重不齊的現(xiàn)象，稱為“制耳”，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。板織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖各向異性導(dǎo)致的銅板 “制耳”有無(wú)軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象(三)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(shí), 內(nèi)部變形不均勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，外力所做的功只有10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中.。內(nèi)應(yīng)力分為三類：第一類內(nèi)應(yīng)力平衡于各部分（如表面與心部之間),又稱為宏觀內(nèi)應(yīng)力，通常為0.1% 。第二類內(nèi)應(yīng)力平

11、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)，通常為1%2% 。第三類內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力，通常為90%以上。 第一、二類內(nèi)應(yīng)力雖然占的比例不大，但是在一般情況下都會(huì)降低材料的性能，而且還會(huì)因應(yīng)力松弛或重新分布而引起材料的變形。是有害的內(nèi)應(yīng)力。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?gòu)?qiáng)化的主要原因。而第一、二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬?gòu)?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(guò)程中的變形和開(kāi)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。第三節(jié) 冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化 金屬經(jīng)冷變形后, 組織處于不穩(wěn)定狀態(tài), 有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾

12、向。但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可長(zhǎng)時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大三個(gè)過(guò)程。 加熱溫度 黃銅 （一）回復(fù)回復(fù)是指在加熱溫度較低時(shí)，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等。總之：點(diǎn)缺陷減少，晶格畸變減輕，（亞組織的尺寸沒(méi)有明顯變化）金屬組織變化不明顯，其強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降。工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法稱去應(yīng)力退火。（二）再結(jié)晶當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原

13、子活動(dòng)能力增大，晶粒的形狀開(kāi)始發(fā)生變化，由破碎拉長(zhǎng)的晶粒變?yōu)橥暾募?xì)等軸晶粒。這種冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的過(guò)程稱再結(jié)晶。鐵素體變形80%670加熱650加熱（一）再結(jié)晶過(guò)程再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成和長(zhǎng)大的過(guò)程，但不是相變過(guò)程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。加熱溫度 黃銅由于再結(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。冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化 冷變形(變形量為38%)黃銅580C保溫15分后的的再結(jié)晶組織（二）再結(jié)晶溫度再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過(guò)程，它是自某一溫度開(kāi)始，在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過(guò)程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。580C保

14、溫3秒后的組織580C保溫4秒后的組織580C保溫8秒后的組織冷變形(變形量為38%)黃銅的再結(jié)晶T再與的關(guān)系影響再結(jié)晶溫度的因素為：（1）金屬的預(yù)先變形程度：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(diǎn)之間的近似關(guān)系：T再0.4T熔其中T再、T熔為絕對(duì)溫度，金屬熔點(diǎn)越高, T再也越高。T再 = (T熔+273)0.4273，如Fe的T再=(1538+273)0.4273=451（2）金屬的純度金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點(diǎn)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.（3）再結(jié)晶加熱速度

15、和加熱時(shí)間提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶推遲到較高溫度發(fā)生, 延長(zhǎng)加熱時(shí)間, 使原子擴(kuò)散充分, 再結(jié)晶溫度降低。黃銅580C保溫8秒后的組織黃銅580C保溫15分后的組織 （三）再結(jié)晶退火 在對(duì)金屬材料進(jìn)行塑性變形加工（拉深、冷拔等）時(shí)為了消除加工硬化需要進(jìn)行再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火是指：把變形金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上的溫度保溫，使變形金屬完成再結(jié)晶過(guò)程的熱處理工藝。為了盡量縮短退火周期并且不使晶粒粗大，一般情況下把退火工藝溫度取為最低再結(jié)晶溫度以上100 C 200C。三、再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，這是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。黃銅再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大580

16、C保溫8秒后的組織580C保溫15分后的組織700C保溫10分后的組織晶粒的長(zhǎng)大是通過(guò)晶界遷移進(jìn)行的，是大晶粒吞并小晶粒的過(guò)程。晶粒粗大會(huì)使金屬的強(qiáng)度，尤其是塑性和韌性降低 。原子穿過(guò)晶界擴(kuò)散晶界遷移方向黃銅再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大各個(gè)階段的金相照片冷變形量為38的組織580C保溫3秒后的組織580C保溫4秒后的組織580C保溫8秒后的組織580C保溫15分后的組織700C保溫10分后的組織（一）加熱溫度和保溫時(shí)間的影響加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，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(duì)晶粒度的影響（二）預(yù)先變形度預(yù)先變形度的影響，實(shí)質(zhì)上是變形均勻程度的影響。當(dāng)變形度很小時(shí)，晶格畸變

17、小，不足以引起再結(jié)晶.當(dāng)變形達(dá)到210%時(shí)，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(zhǎng)大,再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個(gè)變形度稱臨界變形度。預(yù)先變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒度的影響當(dāng)超過(guò)臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越來(lái)越均勻，再結(jié)晶時(shí)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(duì)于某些金屬，當(dāng)變形量相當(dāng)大時(shí)(90%)，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).第四節(jié) 金屬的熱塑性變形（熱變形加工） 一、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(lái)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

18、稱為熱加工。軋制模鍛拉拔如 Fe 的再結(jié)晶溫度為451，其在400 以下的加工仍為冷加工。而 Sn 的再結(jié)晶溫度為-7，則其在室溫下的加工為熱加工。熱加工時(shí)產(chǎn)生加工硬化和再結(jié)晶產(chǎn)生軟化同時(shí)進(jìn)行。熱變形溫度較低時(shí)，再結(jié)晶不充分，則會(huì)存在加工硬化現(xiàn)象。若熱變形溫度過(guò)高，再結(jié)晶組織會(huì)粗大，所以不同的金屬材料會(huì)有不同的熱變形溫度范圍。金屬的冷熱加工模鍛自由鍛軋制正擠壓反擠壓拉拔沖壓 二、熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響 （一）消除鑄態(tài)金屬的某些缺陷熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合，使粗大的樹(shù)枝晶或柱狀晶破碎，改善夾雜分布，消除部分偏析，從而使組織致密、成分均勻、晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高。 狀態(tài)b(N/mm2)s(N/mm2)(%)(%)K (J/cm2)鑄態(tài)500280152735鍛態(tài)530310204570（二）形成流線熱加工使鑄態(tài)金屬中的非金屬夾雜沿變形方向拉長(zhǎng)，形成彼此平行的宏觀條紋，稱作流線，由這種流線體現(xiàn)的組織稱纖維組織。它使鋼產(chǎn)生各向異性。在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，都必須使零件工作時(shí)的最大拉應(yīng)力方向和流線方向重合，最大切應(yīng)力方向和流線方向垂直，使流線方向能與零件的輪廓