第五章金屬的塑性變形與再結(jié)晶

1、 金屬零件在成型過程中需要有一定的變形能力，如軋制、鍛造、擠壓、拉拔等； 在外力作用下，材料發(fā)生不可恢復(fù)的變形為塑性變形。軋制軋制模鍛模鍛拉拔拉拔5萬(wàn)噸水壓機(jī)萬(wàn)噸水壓機(jī)一、單晶體金屬的塑性變形一、單晶體金屬的塑性變形外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片鋅單晶的拉伸照片韌性斷口韌性斷口脆性解理斷口脆性解理斷口l塑性變形的形式：塑性變形的形式：滑移和孿生滑移和孿生。金金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。 滑移只能在切應(yīng)力的作用下滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱力稱臨界切應(yīng)力臨界切應(yīng)

2、力。 l沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面滑移面和和滑滑移方向移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。 三種典型金屬晶格的滑移系三種典型金屬晶格的滑移系滑移系示意圖滑移系示意圖體心立方晶格體心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格滑移帶和滑移線示意圖滑移帶和滑移線示意圖銅拉伸試樣表面滑移帶銅拉伸試樣表面滑移帶l當(dāng)滑移面、滑移方向與外力方向當(dāng)滑移面、滑移方向與外力方向都呈都呈45角時(shí)，滑移方向上切應(yīng)角時(shí)，滑移方向上切應(yīng)力最大，因而最容易發(fā)生滑移。力最大，因而最容易發(fā)生滑移。l滑移后滑移后, 滑移面兩側(cè)晶體的位向

3、關(guān)系未發(fā)生變化。滑移面兩側(cè)晶體的位向關(guān)系未發(fā)生變化。 （地毯的運(yùn)動(dòng)地毯的運(yùn)動(dòng)）多多 腳腳 蟲蟲 的的 爬爬 行行l(wèi)晶體通過晶體通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，產(chǎn)生滑移時(shí)，只在位錯(cuò)中心的少數(shù)原子發(fā)生只在位錯(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，因而所需臨界一個(gè)原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作位錯(cuò)位錯(cuò)的易動(dòng)性的易動(dòng)性。 孿生示意圖孿生示意圖孿晶組織孿晶組織奧氏體不銹鋼中退火孿晶奧氏體不銹鋼中退火孿晶鈦合金六方相中的形變孿晶鈦合金六方相中的形變孿晶Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位錯(cuò)塞積界的位錯(cuò)塞積 當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近

4、時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積當(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)，稱起來(lái)，稱位錯(cuò)的塞積位錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行，則必須增加。要使變形繼續(xù)進(jìn)行，則必須增加外力，從而使金屬的塑性變形抗力提高。外力，從而使金屬的塑性變形抗力提高。便成為塑性變形晶粒的便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形多晶體金屬的塑性變形抗力提高?？沽μ岣?。 一批晶粒傳遞到另一批晶一批晶粒傳遞到另一批晶粒，粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。的塑性變形。 晶界總面積越大，晶界總面

5、積越大，位錯(cuò)障礙越多；需位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的使金屬塑性變形的抗力越高。抗力越高。晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度關(guān)系晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度關(guān)系的晶粒數(shù)目也越多，的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，變形越均勻，使在斷使在斷裂前發(fā)生較大的塑性裂前發(fā)生較大的塑性變形。強(qiáng)度和塑性同變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加，時(shí)增加，金屬在斷裂金屬在斷裂前消耗的功也大，前消耗的功也大，因因而其韌性也比較好。而其韌性也比較好。應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)力塑性材料塑性材料脆性脆性材料材料鋅單晶和多晶的拉伸曲線鋅單晶和多晶的拉伸曲線珠光體珠光體奧氏體奧氏體Cu-Ni合金成分與性能關(guān)系合金成

6、分與性能關(guān)系 形除與合金基體的性質(zhì)形除與合金基體的性質(zhì)有關(guān)外，還與第二相的有關(guān)外，還與第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。量和分布有關(guān)。第二相第二相可以是純金屬、固溶體可以是純金屬、固溶體或化合物，工業(yè)合金中或化合物，工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物。第二相多數(shù)是化合物。 + 鈦合金鈦合金(固溶體第二相固溶體第二相)顆粒釘扎作用的電鏡照片顆粒釘扎作用的電鏡照片位錯(cuò)繞過第二相粒子位錯(cuò)繞過第二相粒子示意圖示意圖位錯(cuò)切割位錯(cuò)切割第二相粒第二相粒子示意圖子示意圖滑移，滑移面，滑移方向，滑移系，典型金屬的滑移系孿生，細(xì)晶強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化，彌散強(qiáng)化 得模糊不清。得模糊不清。l塑性變形還

7、使塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒破碎為亞晶粒。晶粒。5%冷變形純鋁中的位錯(cuò)網(wǎng)冷變形純鋁中的位錯(cuò)網(wǎng)(a) 正火態(tài)正火態(tài)(c) 變形變形80%(b) 變形變形40%l形變織構(gòu)使金屬呈形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性現(xiàn)各向異性，在深，在深沖零件時(shí)，易產(chǎn)生沖零件時(shí)，易產(chǎn)生“制耳制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)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?？商岣吖桎撈膶?dǎo)磁率。板織構(gòu)板織構(gòu)絲織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖形變織構(gòu)示意圖各向異性導(dǎo)致的銅板各向異性導(dǎo)致的銅板 “制耳制耳”有有無(wú)無(wú)位錯(cuò)密度與強(qiáng)度的關(guān)系位錯(cuò)密度與強(qiáng)度的關(guān)系強(qiáng)度與冷變形量的關(guān)系強(qiáng)度與冷變形量的關(guān)系 就不會(huì)發(fā)生均勻塑性變

8、形。就不會(huì)發(fā)生均勻塑性變形。l加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，手段之一，對(duì)于不能熱處理對(duì)于不能熱處理強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。變形變形20%純鐵中的位錯(cuò)網(wǎng)純鐵中的位錯(cuò)網(wǎng)l內(nèi)應(yīng)力的存在，內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬使金屬耐蝕性下降，耐蝕性下降，引起零件引起零件加工、淬火過程中的變加工、淬火過程中的變形和開裂形和開裂。因此，金屬。因此，金屬在塑性變形后，通常要在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火進(jìn)行退火處理，以消除處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。或降低內(nèi)應(yīng)力。晶界位錯(cuò)塞積所晶界位錯(cuò)塞積所引起的應(yīng)力集中引起的應(yīng)力集中加熱溫度加熱溫度 黃銅黃銅多邊形化示意圖多邊形化示意圖

9、垂直分布，形垂直分布，形成亞晶界，這成亞晶界，這一過程稱一過程稱多邊多邊形化形化。鐵素體變形鐵素體變形80%670加熱加熱650加熱加熱冷變形奧氏體不銹鋼冷變形奧氏體不銹鋼加熱時(shí)的再結(jié)晶形核加熱時(shí)的再結(jié)晶形核SEM-再結(jié)晶晶粒在原再結(jié)晶晶粒在原變形組織晶界上形核變形組織晶界上形核TEM-再結(jié)晶晶粒形核再結(jié)晶晶粒形核于高密度位錯(cuò)基體上于高密度位錯(cuò)基體上冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化 冷變形冷變形(變形量為變形量為38%)黃銅黃銅580C保溫保溫15分后的的再結(jié)晶組織分后的的再結(jié)晶組織580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織580580C C保溫保溫1515分后的組織分

10、后的組織700700C C保溫保溫1010分后的組織分后的組織黃銅再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大黃銅再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大冷變形量為冷變形量為38的組織的組織580C保溫保溫3秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫4秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫15分后的組織分后的組織 700C保溫保溫10分后的組織分后的組織580C保溫保溫3秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫4秒后的組織秒后的組織580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織冷變形冷變形(變形量為變形量為38%)黃銅的再結(jié)晶黃銅的再結(jié)晶T再再與與的關(guān)系的關(guān)系l純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)之間的

11、近似關(guān)系：熔點(diǎn)之間的近似關(guān)系： T再再0.4T熔。熔。 其中其中T再再、T熔熔為絕對(duì)溫度。為絕對(duì)溫度。l金屬熔點(diǎn)越高金屬熔點(diǎn)越高, T再再也越高。也越高。l提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶推遲到較提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶推遲到較高溫度發(fā)生高溫度發(fā)生, 延長(zhǎng)加熱時(shí)間延長(zhǎng)加熱時(shí)間, 使原子使原子擴(kuò)散充分?jǐn)U散充分, 再結(jié)晶溫度降低。再結(jié)晶溫度降低。l生產(chǎn)中，把生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理消除加工硬化的熱處理稱為稱為再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高比再結(jié)晶溫度高100200。 黃銅黃銅580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織黃銅黃銅580C保溫保溫15分后的組織分后的組織再結(jié)晶退火溫度對(duì)晶粒度的影響再結(jié)晶退火溫度對(duì)晶粒度的影響預(yù)先變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒度的影響預(yù)先變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒度的影響不均勻，再結(jié)晶晶粒不均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，易互大小相差懸殊，易互相吞并和長(zhǎng)大，再結(jié)相吞并和長(zhǎng)大，再結(jié)晶后晶粒特別粗大，晶后晶粒特別粗大，這個(gè)變形度稱這個(gè)變形度稱臨界變臨界變形度形度。l對(duì)于某些金屬，當(dāng)變對(duì)于某些金屬，當(dāng)變形量相當(dāng)大時(shí)形量相當(dāng)大時(shí)( 90%)，再結(jié)晶后晶粒又重新再結(jié)晶后晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)