武漢理工工程材料6第二章.ppt

1、2.3.1金屬的塑性變形 2.3.2塑性變形后的金屬在加 熱時(shí)組織和性能的變化 2.3.3金屬材料的熱加工和冷加工,2.3 金屬的塑性加工,塑性加工舉例,Hot Rolling,Cold Drawing,2.3.1金屬的塑性變形,1單晶體的塑性變形 2多晶體的塑性變形 3塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響,單晶體的塑性變形,單晶體變形的基本形式彈性變形、塑性變形。 單晶體受力后，外力在任何晶面上都可以分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。 正應(yīng)力只能引起彈性變形及斷裂。 切應(yīng)力作用下，金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。,正應(yīng)力作用下的變形和開裂,塑性變形的實(shí)質(zhì)原子移動(dòng)到新的穩(wěn)定位置。 單晶體塑性變形的基本形式滑移和孿生。

2、 金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。,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)的現(xiàn)象。,滑移變形的特點(diǎn) ： 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。,滑移通常沿著晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因?yàn)樵用芏茸畲蟮木嫔显又g的間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需的切應(yīng)力最小。,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。,密排面和密排方向（了解內(nèi)容）,晶向原子密度: 單位長(zhǎng)度上的原子數(shù)。 晶面原子密度: 單位面積上的原子數(shù)。,體心立方晶格中各主要晶面的原子密度,體心立方晶格中各主要晶向的原子密度,同理得到

3、面心立方晶格中各主要晶向、主要晶面的原子密度，得出面心立方晶格中最密排晶面、最密排晶向。,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:110 111 62=12 面心立方:111 110 43=12 密排六方: 0001 1120 31=3,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)频呢暙I(xiàn)比滑移面要大。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。,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。 滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱為滑移線，若干條滑移線組成一個(gè)滑移帶。,材料：工業(yè)純鐵 狀態(tài)：壓縮變形30% 侵蝕：4%硝酸

4、酒精 倍數(shù)：250X,多腳蟲的爬行,滑移機(jī)制 設(shè)想滑移為剛性的整體移動(dòng)，則滑動(dòng)所需的理論臨界切應(yīng)力值比實(shí)際測(cè)量的臨界切應(yīng)力值要大3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。滑移是通過滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。,滑移的實(shí)現(xiàn) 借助位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。,刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生切變的現(xiàn)象。,黃銅中的孿晶,發(fā)生切變的部分稱為孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的 晶面稱為孿生面。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,孿生所需的臨界切應(yīng)力比滑移大得多，只有在滑移很難進(jìn)行的情況下，晶體才會(huì)發(fā)生孿生。 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

5、才會(huì)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,多晶體的塑性變形,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，稱為位錯(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。,多晶體變形比單晶體復(fù)雜，其中單個(gè)晶粒變形與單晶體相似 。,Cu-4.5Al合金晶界的位錯(cuò)塞積,晶界對(duì)塑性變形的影響,晶粒位向的影響,由于相鄰晶粒位向不同，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，若周圍的晶粒不發(fā)生塑性變形，則必須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力。由于相鄰晶粒之間的相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗

6、力提高。,多晶體的塑性變形 多晶體中每個(gè)晶粒的位向不同。其中滑移面和滑移方向接近于最大切應(yīng)力方向的晶粒先開始滑移。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，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)，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開動(dòng)，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒。當(dāng)大量晶粒發(fā)生滑移，金屬便顯示出明顯的塑性變形。,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)運(yùn)動(dòng)的障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，從而使金屬塑性變形的抗力越高。,金屬的晶粒越細(xì)，塑性和韌性也越高。 因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)

7、目越多，參與變形的晶粒數(shù)目越多，金屬變形越分散、越均勻，減少了應(yīng)力集中，推遲了裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而使金屬在斷裂前可以發(fā)生較大的塑性變形，即塑形好。 金屬強(qiáng)度高，塑性好，在斷裂時(shí)需要消耗較大的功，因而韌性也較好。,晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響,通過細(xì)化晶粒同時(shí)提高金屬強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法，稱為細(xì)晶強(qiáng)化。,3、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響,塑性變形對(duì)金屬組織結(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。,Figure Schematic of rolling,

8、變形10% 100,變形40% 100,變形80%纖維組織100,工業(yè)純鐵不同變形度下的顯微組織,晶粒拉長(zhǎng)，出現(xiàn)纖維組織，導(dǎo)致金屬各向異性，沿纖維方向的強(qiáng)度、塑性最大。,由于晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)使金屬絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱為織構(gòu)或擇優(yōu)取向。 織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，深沖零件時(shí)，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，使零件不齊，厚薄不勻。 織構(gòu)應(yīng)用：如提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。,織構(gòu)：絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，性能出現(xiàn)各向異性。,晶粒被拉長(zhǎng)，還未出現(xiàn)織構(gòu)。,晶粒被拉長(zhǎng)，已出現(xiàn)織構(gòu)。,塑性變形對(duì)金屬性能的影響,1、加工硬化 2、殘余內(nèi)應(yīng)力,隨著塑性變形量的增

9、加，金屬強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱為加工硬化，也叫形變強(qiáng)化。,強(qiáng)度和塑性與變形量的關(guān)系,產(chǎn)生加工硬化的原因：隨變形量增加， 位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)之間的交互作用（堆積、纏結(jié)）增強(qiáng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，引起塑性變形抗力的增加。,位錯(cuò)密度與強(qiáng)度關(guān)系,Si中的位錯(cuò)源,殘余內(nèi)應(yīng)力,殘余內(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，有10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬內(nèi)部。 內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬塑性變形后，通常需要進(jìn)行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。,2.3.2 塑性變形后的金屬

10、在加 熱時(shí)組織和性能的變化,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。 常溫下，原子擴(kuò)散能力小，不穩(wěn)定狀態(tài)可維持較長(zhǎng)時(shí)間。 加熱使原子的擴(kuò)散能力增加，金屬依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。,1回復(fù) 2再結(jié)晶 3晶粒長(zhǎng)大,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，從而使缺陷數(shù)量減少等。,1、回復(fù)(Recovery),回復(fù)階段，金屬組織不發(fā)生明顯變化，強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高，但殘余內(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，以降低內(nèi)應(yīng)力，保留加工

11、硬化效果，這種熱處理方法稱為去應(yīng)力退火。,回復(fù)溫度： T回復(fù) =（0.25 0.30）T0 T0金屬熔點(diǎn)，單位為絕對(duì)溫度( K )。,2、再結(jié)晶(Recrystallization) 當(dāng)變形后的金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子擴(kuò)散能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，被拉長(zhǎng)、壓扁的晶粒，通過重新形核、長(zhǎng)大，變?yōu)樾碌募?xì)小的均勻的等軸晶粒。,再結(jié)晶是一個(gè)晶核形成和長(zhǎng)大的過程，再結(jié)晶前后，新舊晶粒的晶格類型完全相同。再結(jié)晶不是相變過程。,由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而金屬的強(qiáng)度和硬度明顯降低，塑性和韌性大大提高，即加工硬化現(xiàn)象被消除。,3、再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大,再結(jié)晶完成后，晶粒是細(xì)小的，若繼續(xù)升高加熱溫度

12、或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒的異常長(zhǎng)大，得到晶粒異常粗大的組織，使金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等機(jī)械性能顯著降低。這是一種不均勻、不連續(xù)的長(zhǎng)大過程，又稱為二次再結(jié)晶。,黃銅再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大,晶粒的異常長(zhǎng)大是通過晶界遷移進(jìn)行的，是大晶粒迅速吞食周圍大量小晶粒的過程。晶粒粗大會(huì)使金屬機(jī)械性能降低，尤其是塑性和韌性。,冷變形黃銅回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大的金相照片,4、再結(jié)晶溫度,變形后的金屬再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的。,一般所說的再結(jié)晶溫度指的是最低再結(jié)晶溫度。 生產(chǎn)上通常用經(jīng)大變形量（70%以上）冷塑性變形的金屬，經(jīng)1小時(shí)加熱能完全再結(jié)晶的最低溫度，稱為最

13、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=（0.35-0.40）T熔 其中T再、T熔為絕對(duì)溫度。 該公式只適用于純金屬。,純金屬最低再結(jié)晶溫度常用的計(jì)算公式： T再 = (T熔+273)0.4273， 例：Fe的T再=(1538+273)0.4273=451。,T再與變形度的關(guān)系,最低再結(jié)晶溫度的影響因素： 預(yù)先變形度 金屬預(yù)先變形程度越大, 金屬組織越不穩(wěn)定，再結(jié)晶溫度越低。當(dāng)預(yù)先變形程度達(dá)到一定大小后，金屬的最低再結(jié)晶溫度趨于某一穩(wěn)定值。,金屬熔點(diǎn) 金屬熔點(diǎn)越高, T再也越高。,金屬的純度 金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，特別是高熔點(diǎn)元素阻礙原子擴(kuò)散和晶界遷移作用，

14、使最低再結(jié)晶溫度顯著提高。,再結(jié)晶加熱速度和保溫時(shí)間,再結(jié)晶是擴(kuò)散過程。提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶推遲到較高溫度下發(fā)生；延長(zhǎng)保溫時(shí)間，使原子擴(kuò)散充分進(jìn)行，再結(jié)晶溫度降低。 生產(chǎn)中把消除加工硬化現(xiàn)象、恢復(fù)金屬塑性變形能力的熱處理工藝稱為再結(jié)晶退火。 為縮短熱處理時(shí)間，再結(jié)晶退火溫度通常比該金屬的最低再結(jié)晶溫度高100-200。,再結(jié)晶后晶粒度的影響因素主要有：,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,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210%時(shí)，只

15、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，使再結(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,預(yù)先變形度,當(dāng)超過臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再結(jié)晶時(shí)的形核量大而且均勻，使再結(jié)晶后的晶粒細(xì)而均勻，達(dá)到一定變形量后，晶粒度基本不變化。,當(dāng)變形量相當(dāng)大時(shí)(90%)，再結(jié)晶后晶粒可能再次出現(xiàn)異常長(zhǎng)大現(xiàn)象。一般認(rèn)為這種現(xiàn)象與形變織構(gòu)有關(guān)。,預(yù)先變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒度的影響,2.3.3 金屬的熱加工與冷加工,冷加工與熱加工的區(qū)別 金屬學(xué)中冷、熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃分，不是以是否加熱來劃分。 低于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工。

16、 高于再結(jié)晶溫度的加工稱為熱加工。,如Fe的再結(jié)晶溫度為451，其在400以下的加工 仍為冷加工。Sn的再結(jié)晶溫度為-71， Sn在室溫 下的加工為熱加工。,巨型自由鍛件,Rolling,熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響,熱加工后的組織 （1）改善鑄錠組織。氣泡、疏松、微裂紋焊合、打碎粗大的碳化物、細(xì)化晶粒、降低偏析。 （2）形成纖維組織（流線）。枝晶、偏析、夾雜物等沿變形方向被拉長(zhǎng)，形成纖維組織。,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，稱為流線，由這種流線體現(xiàn)的組織稱為纖維組織。它使鋼產(chǎn)生各向異性，在制定加工工藝時(shí)，應(yīng)使流線分布合理，盡量與拉應(yīng)力方向一致。,吊鉤中的纖維組織,1、熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔、疏松等焊合，使粗大的樹枝晶或柱狀晶破碎，減輕偏析，使組織致密、成分均勻、晶粒細(xì)化，從而明顯提高金屬的力學(xué)性能。,熱加工后的性能,2、各向異性，沿流線方向性能明顯提高，縱向性能明顯大于橫向性能。,冷加工對(duì)組織和性能的影響,冷加工 在 TR 溫度以下進(jìn)行的變形加工， 如低碳鋼的冷拔、冷沖。 冷加工時(shí)沒有再結(jié)晶過程，冷加工對(duì)組織和性能的影響與前述塑性變形對(duì)組織和性能的影響相同。 組織晶粒被拉長(zhǎng)壓扁，產(chǎn)生纖維組織和織構(gòu)等。 性能加工硬化、各向異性、殘余內(nèi)應(yīng)力等。,加工