第六章金屬的塑性變形

第六章金屬的塑性變形第一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五金屬的塑性加工目的改變材料的尺寸和形狀；改善材料的組織，提高性能。第二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五金屬的塑性加工分類：冷變形加工：塑性變形是在再結晶溫度以下進行的。熱變形加工：塑性變形是在再結晶溫度以上進行的。第三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五金屬的塑性加工金屬的塑性變形不僅是材料成形的重要手段，而且在車、銑、刨、鉆、磨等機械加工過程中也大量存在。第四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)金屬的塑性變形第五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形主要通過滑移和孿生兩種方式進行。第六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五滑移

slip在切應力作用下，單晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面（滑移面）和一定的方向（滑移方向）發(fā)生相對移動的現(xiàn)象。滑移變既不改變晶格結構，也不影響晶體的取向。只是在晶體表面出現(xiàn)了一系列的臺階狀痕跡——滑移帶（SlipBand）和滑移線（SlipLine）。第七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五單晶體的滑移變形與斷裂：彈性變形階段：外力較小時，晶格原子偏離平衡位置，消除外力原晶格回復。塑性變形階段：外力較大時，晶格原子移動超過原子間距，消除外力，原子不能回到原位置，形成新晶格。斷裂階段：外力很大時，原晶格完全被破壞，且不能形成新的晶格。第八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五實際晶體的滑移是通過位錯的運動來實現(xiàn)的在位錯運動時，由于不需整個晶體上下兩部分的原子同時發(fā)生相對移動，而每次只需位錯中心附近的少數(shù)原子作微量運動，那么位錯移動所需臨界切應力大大減小。因此，滑移實際上是在切應力作用下，位錯沿滑移面運動的結果。第九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五滑移的特定晶面被稱為滑移面（SlipPlane）；特定晶向被稱為滑移方向（SlipDirection）——滑移要素滑移面和滑移方向一般為晶體中的原子密排面和密排方向——密排面（方向）之間的間距最大，原子結合力最小。第十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五滑移系（SlipSystem）晶體中一個滑移面和其上的一個滑移方向組成一個滑移系。表示晶體在滑移時可能采取的一個空間位向。一般地，滑移系的數(shù)量（晶體滑移時可能采取的位向）越多，該晶體的塑性越好。在滑移系數(shù)量相同時，滑移方向較多的晶體塑性較高。第十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五孿生Twinning（孿晶Twin）

在切應力的作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面（孿晶面）發(fā)生共格切變（形成鏡面對稱結構）。第十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五孿生與滑移的區(qū)別：滑移僅使滑移面上的原子相對滑動，移動距離為原子間距的整數(shù)倍；孿生則使孿晶帶內所有的面都滑動，且每個面的滑動量和距孿生面的距離成正比；滑移后整個晶體的位向沒有改變；而孿晶部分的位向與基體相對于孿生面呈晶面對稱。孿生所需的切應力比滑移大。第十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五孿生（孿晶）孿生是一種次要的塑變方式，只有在滑移難以進行的條件下才發(fā)生。具有hcp晶格的金屬（Zn、Mg、Be等），由于滑移系數(shù)量較少，孿生就比較容易發(fā)生。具有bcc晶格的金屬，只有在低溫或受到?jīng)_擊時，才會產(chǎn)生孿生變形。具有fcc晶格的金屬，一般不會發(fā)生孿生變形。第十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五多晶體的塑性變形實際金屬一般都是多晶體，其塑性變形的基本方式仍為滑移和孿生——每個晶粒內的塑性變形仍是滑移與孿生；每個晶粒的塑性變形又受到周圍位向不同的晶粒與晶界的約束——需要形變協(xié)調。第十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五晶界的作用：晶界處原子排列不規(guī)則，雜質聚集→晶格畸變，阻礙位錯運動→強度↑晶粒的作用：晶粒細小↑

→晶界面積↑→材料的強度↑

晶粒細小↑

→晶粒數(shù)目↑→

每個晶粒內塑變分量↓→材料塑性↑∴多晶體材料晶粒細化，會引起材料的σ、HB、δ、aK提高。晶粒位向：晶粒的塑變受到周圍不同位向晶粒的約束和阻礙，導致材料的變形抗力↑→強度↑。第十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五合金的塑性變形第十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)冷塑性變形對金屬組織與性能的影響第十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五產(chǎn)生加工硬化金屬材料經(jīng)過冷塑性變形以后，出現(xiàn)強度、硬度提高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化可強化金屬，提高金屬的強度、硬度和耐磨性。第二十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五產(chǎn)生纖維狀組織金屬材料在塑性變形時，隨著外形的變化，內部的晶粒形狀也由等軸狀晶粒轉變?yōu)槔w維狀的晶?！刈畲笾髯冃畏较虮焕L、拉細/壓扁。形成纖維組織后，金屬會具有明顯的方向性——縱向力學性能高于橫向力學性能。第二十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五形成亞結構，細化亞組織金屬塑性變形時，由于位錯密度加大和發(fā)生交互作用，使得大量位錯堆積在局部區(qū)域，導致晶粒分化成許多位向略有不同的亞晶粒。隨著塑性變形程度的增大，變形亞組織將逐漸增多并細化，使亞晶界顯著增多。亞晶界越多，位錯密度↑→金屬塑性變形抗力↑。第二十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五產(chǎn)生形變織構金屬發(fā)生塑性變形時，晶粒在滑移過程中按一定方向轉動，當變形量很大時，各個晶粒的晶格位向趨于一致，該過程稱為擇優(yōu)取向，會導致金屬的性能出現(xiàn)明顯的各向異性。具有擇優(yōu)取向的晶體結構稱為形變織構（deformationtexture）。第二十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第二十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五產(chǎn)生殘余內應力殘余內應力residualstress：是指當作用于金屬材料上的外力去除后，仍殘留在金屬內部的應力。是一種彈性應力，成對平衡于材料內部。按作用范圍，殘余應力分為：宏觀內應力晶間內應力晶格畸變內應力第二十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五宏觀內應力（第一類內應力）：由于金屬內部各部分變形不均勻而造成的內應力。第二十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五晶間內應力（微觀內應力、第二類內應力）：由于各晶粒、亞晶粒的變形不均勻而在晶粒、亞晶粒之間產(chǎn)生的內應力。第二十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五晶格畸變內應力（第三類內應力）：由于晶格畸變而產(chǎn)生的內應力。是存在于變形金屬中最主要的內應力。第二十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五殘余內應力對金屬零件/構件性能的影響：當殘余內應力與工作應力相反時，可提高工件的疲勞應力，使疲勞強度增加（見P19）。當殘余內應力與工作應力一致時，會降低工件的實際應力，導致工件的承載能力、疲勞強度下降；若工件的內應力松弛或重新分布，會導致工件發(fā)生變形；導致工件的耐腐蝕能力下降（應力腐蝕）。殘余內應力的消除：去應力退火機械處理第二十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)冷變形金屬在加熱時的變化第三十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五冷變形金屬在加熱時的變化金屬經(jīng)過冷塑性變形后，能量增大晶格畸變、位錯密度提高、殘余內應力等，處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，具有自發(fā)恢復到冷塑性變形前的狀態(tài)的傾向。但在室溫下，原子活動能力很弱，這種不穩(wěn)定的狀態(tài)不能改變。當溫度提高時，原子活動能力增強，轉變開始進行。第三十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五隨著加熱溫度的提高，變化過程可分為：回復再結晶晶粒長大

三個階段。冷變形金屬在加熱時的變化第三十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五回復Recovery冷塑性變形的金屬在加熱溫度不太高時，組織和性能無明顯變化，但殘余內應力明顯下降，這一階段的變化稱為回復。第三十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五回復的特點：溫度較低，：T回復≈(0.25~0.3)*T熔

（采用絕對溫標，單位K）顯微組織無明顯變化，一般仍為纖維狀晶粒。晶體點缺陷得以消除：位錯/空位對消，晶格畸變減輕。性能：加工硬化仍保留，但內應力明顯下降。第三十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五回復的應用：去應力退火/低溫退火——目的是消除殘余內應力，防止工件變形和應力腐蝕開裂。例如：冷拉鋼絲繩，在250~300℃溫度下退火，既能保持加工硬化的強化效果，又能消除內應力。第三十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五再結晶Recrystallization冷塑性變形的金屬在較高溫度下加熱，通過新的晶核的形成和長大，由纖維狀晶粒轉變?yōu)榈容S晶粒（晶格類型不變!），加工硬化和殘余內應力完全消除，這一轉變過程稱為再結晶。第三十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五再結晶的特點：轉變溫度較高：

純金屬：T再≈0.4*T熔

（采用絕對溫標，單位K）

合金：T再≈0.6*T熔

顯微組織發(fā)生明顯變化：通過新的晶核的形成和長大，纖維狀組織消除，獲得細小的等軸晶粒。改變晶粒外形，不改變晶格類型——無相變。

性能：加工硬化消除，內應力完全消除，材料塑性恢復。第三十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五再結晶的應用再結晶退火——目的是消除加工硬化，恢復材料的塑性以便繼續(xù)加工。例如：

沖壓加工過程中，應考慮在多次拉深中間安排再結晶退火。思考：冷拉鋼絲繩，能否進行再結晶退火？第三十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五晶粒長大GrainGrowth冷塑性變形的金屬在加熱溫度過高或保溫時間過長時，再結晶后形成的晶粒會逐漸長大，導致金屬材料的機械性能下降。注：晶粒長大是自發(fā)現(xiàn)象第三十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五

變形80%變形80%、400℃退火8小時變形80%、600℃退火8小時工業(yè)純鐵的再結晶退火顯微照片100×第四十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五影響再結晶后晶粒度的因素加熱溫度和保溫時間冷變形程度第四十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五加熱溫度和保溫時間：加熱溫度過高或保溫時間過長，都會導致晶粒長大，特別是加熱溫度的影響尤為明顯。第四十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五冷變形程度當變形度很小時，不會發(fā)生再結晶，晶粒度保持不變；在變形度為2~10%（臨界變形程度）時，金屬變形度不大而且不均勻，再結晶時形核數(shù)目少，晶粒異常長大；變形度較大時，各晶粒變形均勻，再結晶時形核數(shù)目增大，再結晶后的晶粒也比較細小、均勻。第四十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)金屬的熱塑性變形

（熱變形加工）第四十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五熱變形和冷變形熱變形加工再結晶溫度以上的加工變形，變形過程中發(fā)生再結晶，會消除加工硬化。冷變形加工……以下……，……不發(fā)……，不會……，產(chǎn)生……。例如：鎢的再結晶溫度約為1200℃，因此鎢在1000℃下的加工變形仍為冷變形。錫的再結晶溫度為-7℃，因此錫在室溫下的加工變形仍為熱變形。第四十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五熱變形對金屬組織和性能的影響改善鑄造組織，提高性能鑄態(tài)金屬中的氣孔、疏松被焊合，材料的致密度提高，鑄態(tài)的大枝晶粒被打碎，獲得細小的等軸晶粒。第四十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五熱變形對金屬組織和性能的影響形成熱變形加工的纖維組織——流線熱變形時，鑄態(tài)組織中的偏析物和夾雜物會沿變形方向拉長，形成“流線”，使材料的性能具有方向性，沿流線方向的性能比垂直流線方向更好。因此，制造工件時，應盡量使工件的流線與受力方向一致。第四十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五第四十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期五熱變形對金屬組織和性能的影響熱變形溫度的影響加熱溫度過低，引起加工硬化，造成殘余內應力；加熱溫度過高，會引起材料的晶粒長大，力學性能下降。第四十九頁，共五十一頁