第4章-金屬的塑性變形與再結(jié)晶分解

1、工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)討討 論論 p 材料在外力作用下會發(fā)生那些種類的材料在外力作用下會發(fā)生那些種類的變形變形 ？p 鐵絲在室溫下反復(fù)彎折，會越變越硬，鐵絲在室溫下反復(fù)彎折，會越變越硬，直到斷裂，為什么？如果是鉛絲呢？直到斷裂，為什么？如果是鉛絲呢？ 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料第第4 4章章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶 概述概述4.14.1金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形4.24.2塑性變形對金屬組織性能的影響塑性變形對金屬組織性能的影響4.34.3超塑性超塑性4.44.4塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化4.54.54.64.6總結(jié)

2、總結(jié) 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.1 概述概述 材料在外力作用下會發(fā)生變形，這種變形通常包括彈性變形與塑性變形兩種。塑性變形是金屬材料的一種重要加工成形方法，而且更為重要的是塑性變形還可改變材料內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)并影響其宏觀性能。 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.1 概述概述本章討論的重點(diǎn)本章討論的重點(diǎn) v 金屬塑性變形（主要是滑移變形）的特點(diǎn)v 塑性變形對金屬組織、性能的影響（特別是加工硬化現(xiàn)象）v 回復(fù)與再結(jié)晶的有關(guān)概念 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形1、單晶體的塑性變形滑移 和孿生 2、多晶體的塑性變形 主要內(nèi)容包括主要內(nèi)容包括

3、 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料1、單晶體的塑性變形滑移和孿生（1 1）滑移）滑移 在外加切應(yīng)力作用下，在外加切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（滑移面）部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）的一定方向（滑移方向）發(fā)生相對的滑動發(fā)生相對的滑動 。4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形q 正應(yīng)力作用使晶格發(fā)生彈性伸長；正應(yīng)力作用使晶格發(fā)生彈性伸長；，伸長量伸長量，原子間結(jié)合力時(shí)，原子

4、間結(jié)合力時(shí)，拉斷。正應(yīng)力拉斷。正應(yīng)力只能使晶體產(chǎn)生彈性變形只能使晶體產(chǎn)生彈性變形和斷裂，不能使晶體產(chǎn)生塑性變形。和斷裂，不能使晶體產(chǎn)生塑性變形。q 切應(yīng)力作用使晶格發(fā)生彈性歪扭；切應(yīng)力作用使晶格發(fā)生彈性歪扭；c c（臨界切應(yīng)力），臨界切應(yīng)力），變形量變形量，OO，變形恢復(fù)；變形恢復(fù)；c c，發(fā)生滑移，發(fā)生滑移，產(chǎn)生永久塑性變形。產(chǎn)生永久塑性變形。 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形滑移面滑移面 原子排原子排列密度最大的列密度最大的晶面晶面 原 子 排原 子 排列密度最大的列密度最大的方向方向 滑移方向滑移方向+ += =滑移系滑移系 滑 移 面 和滑

5、 移 面 和該面上的一個(gè)該面上的一個(gè)滑移方向滑移方向 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料6 6個(gè)滑移面?zhèn)€滑移面 2 2個(gè)滑移方向個(gè)滑移方向=1212個(gè)滑移系個(gè)滑移系BCC4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形FCC4 4個(gè)滑移面?zhèn)€滑移面 3 3個(gè)滑移方向個(gè)滑移方向=1212個(gè)滑移系個(gè)滑移系 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形1 1個(gè)滑移面?zhèn)€滑移面 3 3個(gè)滑移方向個(gè)滑移方向=3 3個(gè)滑移系個(gè)滑移系HCP 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料滑移與位錯(cuò) v 剛性滑移模型

6、計(jì)算出的臨界切應(yīng)力值實(shí)測值v 滑移的實(shí)現(xiàn) 借助于位錯(cuò)運(yùn)動。 4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料 位錯(cuò)在外加切應(yīng)力的作用下移動位錯(cuò)在外加切應(yīng)力的作用下移動至晶體表面至晶體表面 一個(gè)原子間距的滑移一個(gè)原子間距的滑移臺階臺階 塑性變形塑性變形 。 滑移線（晶體表面滑移線（晶體表面的滑移臺階）的滑移臺階）滑移滑移帶（大量滑移線）帶（大量滑移線） 4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形（2）孿生）孿生 晶體的一切分相對晶體的一切分相對于另一部分沿一定晶面于另一部分沿一定晶面

7、（孿生面）和晶向（孿（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變。生方向）發(fā)生切變。 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料孿生的特點(diǎn)孿生的特點(diǎn) 金屬晶體中金屬晶體中變形部分與未變形部分與未變形部分在孿變形部分在孿生面兩側(cè)形成生面兩側(cè)形成鏡面對稱關(guān)系。鏡面對稱關(guān)系。發(fā)生孿生的發(fā)生孿生的部分（切變部部分（切變部分）稱為孿生分）稱為孿生帶或?qū)\晶。帶或?qū)\晶。4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形滑移和孿生的比較滑移和孿生的比較 滑移和孿生均在切應(yīng)力作用下，沿一定晶面的一定晶向進(jìn)行，產(chǎn)生塑性變形； 孿生借助于切變進(jìn)行，所需切應(yīng)力

8、大，速度快，在滑移較難進(jìn)行時(shí)發(fā)生； 滑移原子移動的相對位移是原子間距的整數(shù)值不引起晶格位向的變化，孿生原子移動的相對位移是原子間距的分?jǐn)?shù)值孿晶晶格位向改變促進(jìn)滑移； 孿生產(chǎn)生的塑性變形量?。ɑ谱冃瘟康?0） 孿生變形引起的晶格畸變大。 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形FCCFCC、BCCBCC和和HCPHCP的比較. FCC金屬一般不發(fā)生孿生，少數(shù)在極低溫度下發(fā)生。. BCC金屬僅在室溫或受沖擊時(shí)發(fā)生。. HCP金屬較容易發(fā)生孿生。 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料（1）影響多晶體塑性變形的因素 晶粒位向 晶界 晶粒位向不一致晶粒位向不一致 .

9、滑移的主要障礙：晶界原子排列較滑移的主要障礙：晶界原子排列較不規(guī)則不規(guī)則缺陷多缺陷多滑移阻力大滑移阻力大變形變形抗力大?？沽Υ?。.協(xié)調(diào)變形：晶界自身變形協(xié)調(diào)變形：晶界自身變形處于不處于不同變形量的相臨晶粒保持連續(xù)。同變形量的相臨晶粒保持連續(xù)。4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形（2 2）細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化 v 晶粒小晶界面積大變形抗力大強(qiáng)度大v 晶粒小晶界附近位錯(cuò)密度小應(yīng)力集中小滑移由這晶粒到另外一個(gè)晶粒機(jī)會少變形困難屈服強(qiáng)度v 晶粒小單位體積晶粒多變形分散減少應(yīng)力集中v 晶粒小晶界多不利于裂紋的傳播斷裂前承

10、受較大的塑性變形 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料（3 3）多晶體的塑性變形的特點(diǎn)多晶體的塑性變形的特點(diǎn) v 加載時(shí)，各晶粒的滑移面和滑移方向相對于受力方向是不相同的，那些受最大或接近最大分切應(yīng)力位向的晶粒處于軟位向。v 分批，逐步的進(jìn)行，從軟位向到硬位向，從少數(shù)晶粒到多數(shù)晶粒，從不均勻變形到均勻變。 4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.2 金屬材料的塑性變形金屬材料的塑性變形 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.3 塑性變形對金屬組織性能的影響塑性變形對金屬組織性能的影響1、晶粒內(nèi)部組織發(fā)生變化，產(chǎn)生、晶粒內(nèi)部組織發(fā)生變化，產(chǎn)生加工硬化加工

11、硬化現(xiàn)象；現(xiàn)象；2、纖維組織纖維組織；3、織構(gòu)織構(gòu)擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向 ；4、殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力 。 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.3 塑性變形對金屬組織性能的影響塑性變形對金屬組織性能的影響1、加工硬化v 金屬在冷態(tài)下進(jìn)行塑性變形時(shí)，隨著變形度的增加，其強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象加工硬化。 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.3 塑性變形對金屬組織性能的影響塑性變形對金屬組織性能的影響低碳鋼的加工硬化現(xiàn)象低碳鋼的加工硬化現(xiàn)象 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.3 塑性變形對金屬組織性能的影響塑性變形對金屬組織性能的影響1）一種強(qiáng)化手段2）冷加工成形得以順利進(jìn)行3）具有過

12、載能力，使用安全4）塑性，切削性能不利：塑性變形困難中間退火消除硬化。 加工硬化意義 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.3 塑性變形對金屬組織性能的影響塑性變形對金屬組織性能的影響位錯(cuò)強(qiáng)化 塑性變形位錯(cuò)開動位錯(cuò)大量增殖相互作用運(yùn)動阻力加大變形抗力強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性位錯(cuò)強(qiáng)化：位錯(cuò)密度強(qiáng)度、硬度 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.3 塑性變形對金屬組織性能的影響塑性變形對金屬組織性能的影響2 2纖維組織纖維組織 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.3 塑性變形對金屬組織性能的影響塑性變形對金屬組織性能的影響3 3、織構(gòu)、織構(gòu)擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.3

13、塑性變形對金屬組織性能的影響塑性變形對金屬組織性能的影響4 4殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力 v 第一類內(nèi)應(yīng)力第一類內(nèi)應(yīng)力宏觀，表面和心部，宏觀，表面和心部，塑性變形不均塑性變形不均v 第二類內(nèi)應(yīng)力第二類內(nèi)應(yīng)力微觀，晶粒間或晶微觀，晶粒間或晶內(nèi)不同區(qū)域變形不均內(nèi)不同區(qū)域變形不均v 第三類內(nèi)應(yīng)力第三類內(nèi)應(yīng)力超微觀，晶?；兂⒂^，晶?；?機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.4 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 包括以下內(nèi)容： q 回復(fù)回復(fù) q 再結(jié)晶再結(jié)晶 q 晶粒長大晶粒長大 q 熱加工對金屬組織和性能的影響熱加工對金屬組織和性能的影響 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材

14、料料4.4 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 1 1回復(fù)回復(fù) D較小，物理化學(xué)性能恢復(fù)，內(nèi)應(yīng)較小，物理化學(xué)性能恢復(fù)，內(nèi)應(yīng)力顯著降低，強(qiáng)度和硬度略有降低力顯著降低，強(qiáng)度和硬度略有降低去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火。 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.4 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 2 2再結(jié)晶再結(jié)晶v 新核的形成、長大過程，無新相生成；v 加工硬化消除，力學(xué)性能恢復(fù)，顯微組織發(fā)生顯著變化等軸晶粒，強(qiáng)度大大下降；v 再結(jié)晶退火：消除加工硬化的熱處理工藝v 再結(jié)晶溫度：純金屬 TR=0.4-0.35Tm(K) 合金：TR=0.5-0.

15、7Tm(K) 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.4 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 在金屬學(xué)中，冷、熱加工的界限是以 再結(jié)晶溫度來劃分的，銅（m 1084）在室溫下變形加工為（ ） 加工；錫（m ） 在 室 溫 下 的 變 形 加 工 為（ ） 加工；鎢（m 3400）在1100 下的變形加工為（ ）加工。它們的再結(jié)晶退火溫度為多少？ 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.4 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 銅的再結(jié)晶溫度為：銅的再結(jié)晶溫度為： T Z =0.4 (1083+273) 273=269.4 ；銅的再結(jié)晶退火溫

16、度為：銅的再結(jié)晶退火溫度為： 269.4+ 269.4+ （ 100 100 200 200 ） =369.4 =369.4 469.4 469.4 。 常見錯(cuò)誤 ： 運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，將攝氏溫度直接代入而致錯(cuò)； 將最低再結(jié)晶溫度與再結(jié)晶退火溫度混為一談。 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.4 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 溫度TD晶界遷移晶粒長大速度 預(yù)變形度 原始晶粒尺寸 雜質(zhì) 合金元素影響再結(jié)晶晶粒度的因素影響再結(jié)晶晶粒度的因素 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.4 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 機(jī)機(jī) 械械 工

17、工 程程 材材 料料4.4 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.4 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 4熱加工對金屬組織和性能的影響 如何區(qū)分某一加工為熱加工還是冷加工？ 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.4 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 熱加工，不引起加工硬化提高金屬致密度、消除枝晶偏析，打碎柱狀晶，樹枝晶；流線分布；消除鑄造缺陷。 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.4 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化 冷變形加工冷變

18、形加工和和熱變形加工的比較熱變形加工的比較 變形類型變形類型工藝方法工藝方法組織變化組織變化 性能變化性能變化冷變冷變形形加工加工冷軋、拉拔、冷擠壓、冷沖壓、冷鐓等晶粒沿變形方向伸長，形成冷加工纖維組織趨于各向異性晶粒破碎，形成亞結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)密度增加強(qiáng)度提高，塑性下降，產(chǎn)生加工硬化。冷拉、冷軋等晶粒位向趨于一致，形成形變織構(gòu)趨于各向異性熱變熱變形形 加工加工自由鍛、模鍛、熱軋、熱擠壓等焊合鑄造組織中存在的氣孔，縮松等缺陷力學(xué)性能提高，密度提高擊碎鑄造柱狀晶粒、粗大枝晶及碳化物，偏析減少，晶粒細(xì)化夾雜物沿變形方向伸長，形成流線組織，緩慢冷卻可形成帶狀組織趨于各向異性，沿流線方向力學(xué)性能提高 機(jī)機(jī)

19、械械 工工 程程 材材 料料4.5 超塑性超塑性v 超塑性：某些合金在特定的條件下進(jìn)行拉伸時(shí)，其延伸率可達(dá)到100%-1000%。而所需的變形應(yīng)力卻很小，稱這種現(xiàn)象為“超塑性“。v 1.微細(xì)晶粒超塑性 v 2. 相變超塑性 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料4.6 總結(jié)總結(jié) 滑移及孿晶的概念，特點(diǎn)及異同；滑移及孿晶的概念，特點(diǎn)及異同； 三種典型的晶體結(jié)構(gòu)滑移特點(diǎn)的比較；三種典型的晶體結(jié)構(gòu)滑移特點(diǎn)的比較； 多晶體的塑性變形特點(diǎn)；多晶體的塑性變形特點(diǎn)； 冷塑性變形對金屬性能的影響；冷塑性變形對金屬性能的影響； 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化；塑性變形金屬在加熱時(shí)組織性能變化； 再結(jié)晶溫度與再結(jié)晶

20、退火溫度。再結(jié)晶溫度與再結(jié)晶退火溫度。 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料 課堂練習(xí)課堂練習(xí)一、填空一、填空1金屬材料經(jīng)壓力加工變形后，不僅改變了金屬材料經(jīng)壓力加工變形后，不僅改變了 ，而且改變了而且改變了 。2彈性變形的本質(zhì)是外力克服彈性變形的本質(zhì)是外力克服 ，使原子間距發(fā)，使原子間距發(fā)生改變。生改變。 3多晶體內(nèi)晶界對塑性變形有較大的多晶體內(nèi)晶界對塑性變形有較大的 作用，這是作用，這是因?yàn)榫Ы缣幵优帕斜容^因?yàn)榫Ы缣幵优帕斜容^ ，阻礙了，阻礙了 的移動，的移動，所以晶界越多，多晶體的所以晶界越多，多晶體的 越大。越大。4.從金屬學(xué)觀點(diǎn)來說，凡在從金屬學(xué)觀點(diǎn)來說，凡在 溫度以下進(jìn)行的加工溫

21、度以下進(jìn)行的加工稱為稱為 ，在，在 溫度以上進(jìn)行的加工稱為溫度以上進(jìn)行的加工稱為 。 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料二、判斷對錯(cuò)二、判斷對錯(cuò)1 1一般來說，晶體內(nèi)滑移面和滑移方向越多，則金屬的一般來說，晶體內(nèi)滑移面和滑移方向越多，則金屬的塑性越好。塑性越好。2 2實(shí)際上滑移是借助于位錯(cuò)的移動來實(shí)現(xiàn)的，故晶界處實(shí)際上滑移是借助于位錯(cuò)的移動來實(shí)現(xiàn)的，故晶界處滑移阻力最小。滑移阻力最小。3 3塑性變形只改變金屬的力學(xué)性能。塑性變形只改變金屬的力學(xué)性能。4 4回復(fù)時(shí)，金屬的顯微組織沒有明顯變化?；貜?fù)時(shí)，金屬的顯微組織沒有明顯變化。5 5金屬鑄件可以用再結(jié)晶退火來細(xì)化晶粒。金屬鑄件可以用再結(jié)晶退火來細(xì)化晶粒。6 6為保持冷變形金屬的強(qiáng)度和硬度，應(yīng)采用再結(jié)晶退火。為保持冷變形金屬的強(qiáng)度和硬度，應(yīng)采用再結(jié)晶退