第五章材料固態(tài)變形過(guò)程微觀(guān)組織轉(zhuǎn)變

第五章材料固態(tài)變形過(guò)程微觀(guān)組織轉(zhuǎn)變ExampleforFormingcoverframeBeforeelasticafterplasticdeformdeformdeformDeformationisdividedintoelasticandplastic.Formingisconcernedwithplasticdeformation塑性變形及隨后的加熱對(duì)金屬材料組織和性能有顯著影響。了解塑性變形本質(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。第一節(jié)純金屬的塑性變形第二節(jié)合金的塑性變形與強(qiáng)化第三節(jié)塑性變形對(duì)組織和性能的影響第四節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶第五節(jié)金屬的熱加工第一節(jié)純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。一、單晶體金屬的塑性變形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分為單晶體和多晶體塑性變形的形式：滑移和孿生。金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。㈠滑移slip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)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。1、滑移變形的特點(diǎn)：⑴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(chēng)臨界切應(yīng)力。⑵滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)發(fā)生，即滑移面一般為密排面，滑移方向一般為密排方向。因原子密度最大的晶面之間面間距最大，結(jié)合力最弱；原子密度最大的晶向原子間距最短，所以產(chǎn)生滑移時(shí)所受點(diǎn)陣阻力最小。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{110}×6{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三種典型金屬晶格的滑移系<111>×2{111}×4<110>×36×2=124×3=12六方底面×1底面對(duì)角線(xiàn)×31×3=3六方底面底面對(duì)角線(xiàn)<111><110>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。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。（面心立方）（密排六方）⑶滑移時(shí)，晶體兩部分的相對(duì)位移量是原子間距的整數(shù)倍?；频慕Y(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱(chēng)滑移線(xiàn)，若干條滑移線(xiàn)組成一個(gè)滑移帶slipband。

銅拉伸試樣表面滑移帶2、滑移的機(jī)理把滑移設(shè)想為剛性整體滑動(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3-4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(chēng)作位錯(cuò)的易動(dòng)性。刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)㈡孿生twinning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(chēng)孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱(chēng)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(chēng)。孿晶組織孿生示意圖與滑移相比：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。鈦合金六方相中的形變孿晶晶體中一般有一定位錯(cuò)密度，晶體發(fā)生塑性變形時(shí)，位錯(cuò)滑移過(guò)程中相互交割，會(huì)阻礙位錯(cuò)的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，或者說(shuō)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要更大的應(yīng)力，這種效應(yīng)稱(chēng)為形變強(qiáng)化或加工硬化(workhardening)二、多晶體金屬的塑性變形單個(gè)晶粒變形與單晶體相似,多晶體變形比單晶體復(fù)雜。㈠晶界及晶粒位向差的影響1、晶界的影響當(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(chēng)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2、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?chē)木ЯＨ舨话l(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。㈡多晶體金屬的塑性變形過(guò)程多晶體中首先發(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)，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。銅多晶試樣拉伸后形成的滑移帶σσ㈢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。晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度關(guān)系Cu-Zn合金金屬的晶粒越細(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。應(yīng)變應(yīng)力塑性材料脆性材料三、形變強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化形變強(qiáng)化也稱(chēng)為加工硬化。這個(gè)現(xiàn)象指金屬材料在冷塑性變形后，金屬的硬度和強(qiáng)度提高，同時(shí)塑性和韌性下降。這個(gè)強(qiáng)化是由于形變過(guò)程中位錯(cuò)增值，使材料中位錯(cuò)密度增大，位錯(cuò)之間的應(yīng)變場(chǎng)相互作用使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，從而提高了材料的強(qiáng)度。變形20%純鐵中的位錯(cuò)通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法稱(chēng)細(xì)晶強(qiáng)化第二節(jié)合金的塑性變形與強(qiáng)化

合金可根據(jù)組織分為單相固溶體和多相混合物兩種。合金元素的存在，使合金的變形與純金屬顯著不同。珠光體奧氏體一、單相固溶體合金的塑性變形與固溶強(qiáng)化單相固溶體合金組織與純金屬相同，其塑性變形過(guò)程也與多晶體純金屬相似。但隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱(chēng)固溶強(qiáng)化。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化solidsolutionstrengthening的原因：溶質(zhì)原子與位錯(cuò)相互作用。溶質(zhì)原子不僅使晶格發(fā)生畸變，而且易被吸附在位錯(cuò)附近形成柯氏氣團(tuán)，使位錯(cuò)被釘扎住，位錯(cuò)要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高。大置換原子與位錯(cuò)的交互作用二、多相合金的塑性變形

當(dāng)合金的組織由多相混合物組成時(shí)，合金的塑性變形除與合金基體的性質(zhì)有關(guān)外，還與第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物。+鈦合金中的固溶體第二相DD398高溫合金中的化合物第二相當(dāng)在晶界呈網(wǎng)狀分布時(shí)，對(duì)合金的強(qiáng)度和塑性不利;當(dāng)在晶內(nèi)呈片狀分布時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度，但會(huì)降低塑性和韌性；珠光體當(dāng)在晶內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時(shí)，第二相顆粒越細(xì)，分布越均勻，合金的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性略有

下降，這種強(qiáng)化方法稱(chēng)彌散強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化(dispersingorprecipitationstrengthening。彌散強(qiáng)化的原因是由于硬的顆粒不易被切變，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了變形抗力。高溫合金中的顆粒狀第二相第三節(jié)塑性變形對(duì)組織和性能的影響

一、塑性變形對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響金屬發(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。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀，晶界變得模糊不清。塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。變形前變形后工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化(a)正火態(tài)(c)變形80%(b)變形40%變形20%純鐵中的位錯(cuò)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位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱(chēng)織構(gòu)texture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)，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，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)二、加工硬化workhardening

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(chēng)加工硬化。冷塑性變形量，%屈服強(qiáng)度，MPa1040鋼(0.4%C)黃銅銅冷塑性變形量，%伸長(zhǎng)率，%1040鋼(0.4%C)黃銅銅位錯(cuò)密度與強(qiáng)度關(guān)系產(chǎn)生加工硬化的原因是:1、隨變形量增加,位錯(cuò)密度增加，由于位錯(cuò)之間的交互作用(堆積、纏結(jié))，使變形抗力增加。2.隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化3.隨變形量增加,空位密度增加4.幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)引起由于加工硬化,使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形,而未變形部分開(kāi)始變形。沒(méi)有加工硬化,金屬就不會(huì)發(fā)生均勻塑性變形。加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，對(duì)于不能熱處理強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。變形20%純鐵中的位錯(cuò)未變形純鐵第四節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶一、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。加熱溫度℃黃銅間隙原子小置換原子空位大置換原子㈠回復(fù)點(diǎn)缺陷在加熱時(shí)運(yùn)動(dòng)，目標(biāo):降低體系的自由能位錯(cuò)引起周?chē)鷳?yīng)力場(chǎng)變化回復(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。最終位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使其由冷塑性變形時(shí)的無(wú)序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植?，形成亞晶界，這一過(guò)程稱(chēng)多邊形化。在回復(fù)階段，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(chēng)去應(yīng)力退火。80%冷變形Al合金回復(fù)后的TEM明場(chǎng)像㈡再結(jié)晶當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活動(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牡容S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(chēng)再結(jié)晶。鐵素體變形80%670℃加熱650℃加熱再結(jié)晶也是晶核形成和長(zhǎng)大的過(guò)程，但不是相變過(guò)程，再結(jié)晶前后晶粒的晶格類(lèi)型和成分完全相同。Al合金再結(jié)晶晶粒在原變形組織晶界上形核冷變形奧氏體不銹鋼加熱時(shí)再結(jié)晶晶粒形核于高密度位錯(cuò)基體上由于再結(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，加工硬化效應(yīng)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580oC保溫15分后的的再結(jié)晶組織㈢再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升溫或延長(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580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC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580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織二、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(chēng)再結(jié)晶溫度。580oC保溫8秒后的組織580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織冷變形(變形量為38%)黃銅的再結(jié)晶T再與ε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(chēng)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（K）≈熔（K）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)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=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.純度對(duì)鋁再結(jié)晶溫度的影響3、再結(jié)晶加熱速度和加熱時(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。生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理稱(chēng)為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100~200℃。黃銅580oC保溫8秒后的組織黃銅580oC保溫15分后的組織三、影響再結(jié)晶退火后晶粒度的因素1、加熱溫度和保溫時(shí)間加熱溫度越高，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2、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)，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶。當(dāng)變形達(dá)到2~10%時(shí)，只有部分晶粒變形，變形極預(yù)先變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒度的影響不均勻，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(chēng)臨界變形度。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)晶后晶粒又出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認(rèn)為這與形成織構(gòu)有關(guān)。再結(jié)晶圖第五節(jié)金屬的熱加工

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(chēng)為冷加工，而高于再結(jié)晶溫度的加工稱(chēng)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Pb(熔點(diǎn)為327℃)的再結(jié)晶溫度為-33℃，則其在室