金屬材料及熱處理 課件 項(xiàng)目三 金屬的塑性變形與再結(jié)晶

項(xiàng)目三金屬的塑性變形與再結(jié)晶認(rèn)知任務(wù)一認(rèn)識(shí)金屬的塑性變形任務(wù)二認(rèn)識(shí)冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響任務(wù)三認(rèn)識(shí)冷塑性變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化任務(wù)四認(rèn)識(shí)金屬的熱加工一

單晶體的塑性變形金屬在外力作用下發(fā)生形狀和尺寸的變化稱為變形。彈性變形是指外力去除后能恢復(fù)原來(lái)形狀的變形；塑性變形是指外力去除后不能恢復(fù)而保留下來(lái)的那部分變形。塑性變形又稱永久變形或不可逆變形。

任務(wù)一認(rèn)識(shí)金屬的塑性變形作用于單晶體試樣的拉力F可沿一定的晶面分解為垂直于晶面的正應(yīng)力σN和切應(yīng)力τN

。在正應(yīng)力σN作用下，晶格被拉長(zhǎng)，原子偏離原來(lái)的平衡位置，產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)正應(yīng)力σN大于原子間引力時(shí)，晶體被拉斷，產(chǎn)生脆性斷裂。晶體在正應(yīng)力作用下只能產(chǎn)生彈性變形和脆性斷裂，不能產(chǎn)生塑性變形。

當(dāng)切應(yīng)力較小時(shí)，晶格將產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)切應(yīng)力增大到一定值后，晶體的一部分沿著某一晶面相對(duì)于另一部分產(chǎn)生滑動(dòng)，產(chǎn)生塑性變形。滑動(dòng)的距離為原子間距離的整數(shù)倍。1.滑移

在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面上的一定方向相對(duì)于另一部分產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的現(xiàn)象稱為滑移。產(chǎn)生滑移的晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向?；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(jìn)行。一個(gè)滑移面與其上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系?；葡翟蕉?，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好。晶體通過(guò)位錯(cuò)移動(dòng)而產(chǎn)生滑移時(shí)，并不需要整個(gè)滑移面上的全部原子同時(shí)移動(dòng)，只需位錯(cuò)附近的少量原子作微量的移動(dòng)即可，因而位錯(cuò)移動(dòng)所需的切應(yīng)力就小得多。2.孿生在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生剪切變形的變形方式稱為孿生。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(duì)稱面呈鏡像分布。滑移和孿生的主要區(qū)別：（1）孿生通過(guò)切變使晶格位向改變，且變形晶體與未變形部分呈對(duì)稱分布；滑移是晶體中兩部分晶體的相對(duì)滑動(dòng)，晶格位向不變。（2）孿生變形時(shí)，孿晶帶內(nèi)的原子沿孿生方向的位移都是原子間距的分?jǐn)?shù)倍，而滑移變形時(shí)，原子在滑移方向的位移是原子間距的整數(shù)倍。（3）孿生所需的臨界切應(yīng)力比滑移的大得多。（4）孿生產(chǎn)生的塑性變形量比滑移小得多。（5）孿生變形速度極快，接近聲速。二

多晶體的塑性變形1.晶粒位向的影響在多晶體中，由于各個(gè)晶粒位向不同，在外力作用下，當(dāng)一部分處于有利于滑移方向的晶粒開(kāi)始進(jìn)行滑移時(shí)，必然會(huì)受到另一部分處于不利方向的晶粒的制約，各晶粒必須相互協(xié)調(diào)、相互適應(yīng)才能變形，這樣就使得滑移阻力增加，塑性變形抗力提高。

2.晶界的影響

晶界處的塑性變形抗力比晶粒本身大得多。這是因?yàn)榫Ы绺浇Ц窕兇?，原子排列比較紊亂，同時(shí)也是雜質(zhì)原子和各種缺陷集中的地方，這些都會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高變形抗力。3.多晶體的塑性變形過(guò)程處于軟位向的晶粒首先發(fā)生滑移時(shí)，產(chǎn)生的位錯(cuò)在晶界處受阻逐漸堆積，而其周圍處于硬位向的晶粒還不能進(jìn)行滑移，只能以彈性變形相適應(yīng)。隨著外力的增大，應(yīng)力集中程度也不斷增大，當(dāng)達(dá)到一定程度后，變形將越過(guò)晶界，傳遞到另一批晶粒中，促使其發(fā)生滑移變形。細(xì)化晶?？梢酝瑫r(shí)提高金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性，是強(qiáng)化金屬的重要手段之一。任務(wù)二認(rèn)識(shí)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)金屬組織的影響1.晶粒變形

在外力作用下，內(nèi)部晶粒會(huì)沿變形方向被拉長(zhǎng)或壓扁。當(dāng)變形程度很大時(shí)，各晶粒將會(huì)被拉成細(xì)條狀或纖維狀，晶界變得模糊不清，這種組織稱為纖維組織。形成纖維組織后，金屬的性能產(chǎn)生各向異性。2.亞結(jié)構(gòu)細(xì)化金屬經(jīng)大的塑性變形后，由于位錯(cuò)的密度增大和發(fā)生交互作用，大量位錯(cuò)堆積在局部地區(qū)，并相互纏結(jié)，形成不均勻的分布，使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊，這些小晶塊稱為亞晶粒，這種結(jié)構(gòu)稱為亞結(jié)構(gòu)。3.形變織構(gòu)產(chǎn)生金屬經(jīng)過(guò)大量變形(70%以上)后，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，各晶粒的某一位向?qū)⑴c外力方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱為擇優(yōu)取向，這種有序化的結(jié)構(gòu)稱為形變織構(gòu)?？棙?gòu)的形成使多晶體金屬出現(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)。二

冷塑性變形對(duì)性能的影響1.加工硬化金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，隨著變形程度的增大，強(qiáng)度和硬度逐步提高，塑性和韌性不斷下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，又稱形變強(qiáng)化。

產(chǎn)生加工硬化的原因：塑性變形后，晶界面積增大，位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)間的交互作用增強(qiáng)，造成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力的增大，引起塑性變形抗力的提高。此外，原來(lái)晶粒破碎，形成細(xì)小的亞結(jié)構(gòu)，在亞晶粒邊界上聚集著大量位錯(cuò)，產(chǎn)生嚴(yán)重的晶格畸變，也對(duì)滑移產(chǎn)生巨大阻礙作用。加工硬化的作用：（1）強(qiáng)化金屬（2）使變形均勻（3）提高安全性2.產(chǎn)生各向異性

由于纖維組織和形變織構(gòu)的形成，使金屬的性能產(chǎn)生各向異性，如沿纖維方向的強(qiáng)度和塑性明顯高于垂直方向。織構(gòu)的存在往往會(huì)給金屬的性能帶來(lái)不利影響，如用有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時(shí)，即由于在不同方向上塑性差別很大，零件的邊緣會(huì)出現(xiàn)“制耳”。3.物理、化學(xué)性能變化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。4.產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力是指外力去除后，金屬內(nèi)部殘留下來(lái)的應(yīng)力。（1）宏觀內(nèi)應(yīng)力(第一類內(nèi)應(yīng)力)是指由于金屬材料的各部分變形不均勻而造成的在宏觀范圍內(nèi)互相平衡的內(nèi)應(yīng)力。（2）晶間內(nèi)應(yīng)力(第二類內(nèi)應(yīng)力)是指由于晶粒或亞晶粒之間變形不均勻，在晶?；騺喚ЯＶg形成的內(nèi)應(yīng)力。（3）晶格畸變內(nèi)應(yīng)力(第三類內(nèi)應(yīng)力)是指在金屬塑性變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生的大量位錯(cuò)使晶格畸變形成的內(nèi)應(yīng)力。殘余內(nèi)應(yīng)力有時(shí)是有害的，它會(huì)導(dǎo)致工件變形、開(kāi)裂和抗蝕性降低，使工件降低抗負(fù)荷能力，因此需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚硪韵龤堄鄳?yīng)力。但如果控制得當(dāng)，也可提高工件的抗負(fù)荷能力。任務(wù)三認(rèn)識(shí)冷塑性變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化對(duì)冷變形金屬加熱，使原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，可使金屬恢復(fù)到塑性變形前的穩(wěn)定狀態(tài)。隨著加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，其性能也將發(fā)生變化。一

回復(fù)回復(fù)是指冷塑性變形后的金屬，在加熱溫度較低時(shí)，原子擴(kuò)散能力不大，只能使一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)發(fā)生遷移，使晶格畸變程度降低，內(nèi)應(yīng)力顯著下降的變化過(guò)程。在回復(fù)階段，主要是晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)等缺陷減少，晶粒仍保持變形后的形態(tài)，顯微組織不發(fā)生明顯的變化，材料的強(qiáng)度和硬度只略有降低，塑性略有提高，但殘余應(yīng)力則大大降低。二

再結(jié)晶當(dāng)加熱溫度比回復(fù)階段更高時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，金屬的顯微組織發(fā)生明顯的變化，被拉長(zhǎng)、壓扁或破碎的晶粒通過(guò)重新生核、長(zhǎng)大，形成新的、均勻細(xì)小的等軸晶粒，這個(gè)過(guò)程稱為再結(jié)晶。變形后的金屬發(fā)生再結(jié)晶的溫度并非某一恒定溫度，而是一個(gè)溫度范圍。通常再結(jié)晶溫度是指開(kāi)始再結(jié)晶的最低溫度。工程上通常規(guī)定，經(jīng)過(guò)大于70%的冷塑性變形的金屬，在一小時(shí)加熱內(nèi)能完成再結(jié)晶過(guò)程的最低溫度，稱為再結(jié)晶溫度。

最低再結(jié)晶溫度與下列因素有關(guān)：（1）預(yù)先變形度金屬再結(jié)晶前塑性變形的相對(duì)變形量稱為預(yù)先變形度。

（2）金屬的熔點(diǎn)T再=(0.35～0.4)T熔點(diǎn)（3）雜質(zhì)和合金元素

T再=(0.5～0.7)T熔點(diǎn)（4）加熱速度和保溫時(shí)間提高加熱速度將使再結(jié)晶在較高溫度下發(fā)生，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，再結(jié)晶溫度就越低。

為了縮短退火周期，工業(yè)上選擇再結(jié)晶溫度時(shí)，一般比最低再結(jié)晶溫度高100～200℃。

三

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，則再結(jié)晶形成的均勻細(xì)小的等軸晶粒會(huì)逐漸長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大的實(shí)質(zhì)是一個(gè)晶粒邊界向另一個(gè)晶粒遷移的過(guò)程。通過(guò)大晶粒的邊界向小晶粒遷移，將小晶粒的晶格位向逐步改變?yōu)榕c大晶粒相同的晶格位向，于是大晶粒以“吞并”小晶粒的方式長(zhǎng)大，成為一個(gè)粗大晶粒。四

影響再結(jié)晶晶粒大小的因素1.加熱溫度再結(jié)晶時(shí)加熱溫度越高，則原子活動(dòng)能力越強(qiáng)，晶界遷移越容易，晶粒長(zhǎng)大也越快。2.變形度當(dāng)變形度很小時(shí)，金屬晶格畸變很小，不足以引起再結(jié)晶，晶粒保持不變。當(dāng)變形度達(dá)到2～10%時(shí)，金屬中部分晶粒發(fā)生變形，但變形分布很不均勻，再結(jié)晶時(shí)生成的晶核少，晶粒大小相差極大，非常有利于晶粒發(fā)生吞并過(guò)程而很快長(zhǎng)大，結(jié)果得到極粗大的晶粒。超過(guò)臨界變形度之后，隨變形度的增大，晶粒變形趨于均勻，再結(jié)晶核心越來(lái)越多，因此再結(jié)晶后的晶粒越來(lái)越細(xì)小均勻。任務(wù)四認(rèn)識(shí)金屬的熱加工一

熱加工與冷加工的區(qū)別冷熱加工根據(jù)金屬的再結(jié)晶溫度來(lái)劃分的。

在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形稱為冷加工，在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形稱為熱加工。金屬冷變形后，會(huì)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。而在熱變形的過(guò)程中，再結(jié)晶也會(huì)同時(shí)發(fā)生，使塑性變形產(chǎn)生的加工硬化立即被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化效果所抵消，金屬將不顯示加工硬化現(xiàn)象。二

熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響1.改善鑄態(tài)金屬的組織和性能熱加工溫度處于再結(jié)晶溫度以上，變形加工后隨即發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，使金屬的組織和性能發(fā)生顯著改變。2.細(xì)化晶粒熱加工的金屬經(jīng)過(guò)塑性變形和再結(jié)晶的作用，一般可以使晶粒細(xì)化，從而提高金屬的力學(xué)性能。3.形成鍛造流線鑄態(tài)組織中的夾雜物在高溫下具有一定的塑性，熱加工時(shí)，金屬中的各種夾雜物