項目四_金屬的塑性變形與再結(jié)晶5

1、1項目四 金屬的塑性變形與再結(jié)晶o 壓力加工：塑性變形是不可恢復(fù)的變形，如把鋼錠鍛造、擠壓、扎制、拉拔成各種型鋼，鋼板、鋼管、鋼絲或其他零件等。o 壓力加工的目的： 1)使鋼材或零件獲得規(guī)定的形狀和尺寸。 2）改變鋼的組織和性能。2o 壓力加工o 變形強化o 切削加工也有塑性變形o 變形后組織、結(jié)構(gòu)和性能的變化規(guī)律的研究必須研究金屬塑性變形的過程和機理3 單晶體的塑性變形的主要方式塑性變形的主要方式是滑移和孿生。其中滑移是最基本、最普遍的塑性變形方式，孿生只是在滑移難以進行的情況下出現(xiàn)。一一.滑移變形的概念滑移變形的概念 1.滑移滑移 是晶體在切應(yīng)力作用下，一部分晶體相對于另一部分沿一定晶面和

2、晶向產(chǎn)生的相對移動。 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)力稱為臨界切應(yīng)力。 一、 單晶體的塑性變形任務(wù)一 金屬的塑性變形4塑性變形的基本方式：滑移 滑移變形的特點：（1）滑移在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生（2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生（3）滑移時兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數(shù)倍（4）滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動5滑移發(fā)生在特定的滑移發(fā)生在特定的晶面和晶向上晶面和晶向上 滑移發(fā)生在滑移發(fā)生在原子排列密度最原子排列密度最大、間距最小大、間距最?。ǘ噜弮删妫ǘ噜弮删娴木嚯x大）的晶的距離大）的晶面和晶向上。見面和晶向上。見（圖（圖36）。 61.單晶體拉伸時的塑性變形：7滑移帶

3、和滑移線的示意圖：滑移帶觀察產(chǎn)生滑移后的金屬表面痕跡，觀察產(chǎn)生滑移后的金屬表面痕跡，滑移帶和滑移線?；茙Ш突凭€。8 每一種晶格都有特定的滑移面和滑移方向構(gòu)成滑移系。晶體滑移系數(shù)愈多（滑移系數(shù)滑移面數(shù)滑移方向數(shù)），金屬塑性愈好。92.滑移的機理：剛性滑動：剛性滑動：10刃型位錯移動產(chǎn)生滑移：11晶體格缺陷是單晶體滑移的內(nèi)因晶體格缺陷是單晶體滑移的內(nèi)因 單晶體的滑移，不是不是晶體的一部份相對于另一部份的剛性整體運動剛性整體運動，而是由于晶格缺陷（組織）晶格缺陷（組織）引起。即在外力作用下空位，位錯等在在晶格之間晶格之間傳遞傳遞的結(jié)果。見圖37。12 孿生晶體的一部分沿一定晶面的晶向，相對于加一

4、部分所產(chǎn)生切變。 主要特點：主要特點： 孿生通過切變使晶格位向改變，使變形部分與未變形部分呈鏡面對稱。 孿生時，相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距。 孿生所需的切應(yīng)力比滑移大得多，變形速度極快。1.孿生孿生 所以孿生常在滑移系較少的密排六方晶格的金屬中產(chǎn)生。 體心立方晶格的金屬只在低溫或受到?jīng)_擊時才發(fā)生孿生變形。 面心立方晶格的金屬一般不發(fā)生孿生變形 。13 對于多晶體的塑性變形，在塑性變形過程中，金屬的晶粒內(nèi)部也是滑移為主要方式，晶粒間也產(chǎn)生了滑移并轉(zhuǎn)動（多晶體的晶間變形）。由于晶界和晶粒位向的影響，位錯的運動阻力加大，致使細(xì)晶粒的金屬的強度增大，即細(xì)晶強化。 晶粒越細(xì)、塑性越好。 其原

5、因在于：晶粒越細(xì)，則晶界越曲折，越不利于裂紋的傳播；晶粒越細(xì)，變形可以分散在更多的晶粒內(nèi)進行，且變形均勻，減少應(yīng)力集中，從而可以在斷裂之前承受更大的塑性變形。 二、多晶體的塑性變形二、多晶體的塑性變形141.不均勻（均一）的塑性變形不均勻（均一）的塑性變形 多晶體中各晶粒位向不同，處于軟位向的晶粒先變形，處于硬位向的轉(zhuǎn)動后再變形或不變，且晶粒內(nèi)部變形也不一致，所以多晶體的塑性變形不一致、不等時的。2.多晶體比單晶體有較高的塑性變形抗力多晶體比單晶體有較高的塑性變形抗力 1）晶粒間位向差阻礙滑移 2）晶界阻礙位錯運動多晶體的塑性變形特點：多晶體的塑性變形特點： 3.多晶體塑性變形時晶粒間相互協(xié)調(diào)

6、和配合多晶體塑性變形時晶粒間相互協(xié)調(diào)和配合 4.只有多個滑移系才能保證多晶體變形的連續(xù)性只有多個滑移系才能保證多晶體變形的連續(xù)性15三 合金的塑性變形與強化 合金中存在晶格畸變，使其性能顯著變化。 根據(jù)合金的組織可將其分為單相固溶體和多單相固溶體和多相混合物相混合物兩大類。 在這兩種不同情況下，合金元素對塑性變形的影響也不相同。 16（1）單相固溶體的塑性變形與固溶強化 單相固溶體合金的組織與純金屬比較相似，所以其塑性變形過程也與多晶體純金屬相似。 固溶體中的溶質(zhì)原子，使其塑性變形抗力增加，強度和硬度提高，而塑性、韌性有所下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強化固溶強化。 固溶強化是提高金屬材料性能的一個重

7、要途徑，如在碳鋼中加入能溶入鐵素體的Mn、Si等合金元素，即可使其力學(xué)性能明顯提高。17 固溶強化的主要原因： 一是溶質(zhì)原子的溶入使固溶體的晶格發(fā)生畸變，對在滑移面上運動的位錯有阻礙作用； 二是在位錯線上偏聚的溶質(zhì)原子對位錯的釘扎作用，使運動位錯受阻，因而提高了固溶體的變形抗力。18（2）多相合金的塑性變形與彌散強化o 多相合金也是多晶體。它們的差別在于：多相合金中有些晶粒是另一相，有些界面是相界面。o 多相合金的塑性變形除與固溶體基體密切相關(guān)以外，還與第二相的性質(zhì)、形狀、大小、第二相的性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量及分布狀況數(shù)量及分布狀況等有關(guān)，在塑性變形時甚至起著決定性的作用。19o 當(dāng)?shù)诙嘣诰?/p>

8、界上呈網(wǎng)狀分布時，對強度和塑性都不利；o 在晶內(nèi)呈片狀和層狀分布時，可提高強度和硬度，但會降低塑性和韌性鎂合金中的網(wǎng)狀共晶體T8中的珠光體20o 在晶內(nèi)呈彌散質(zhì)點分布時，雖塑性、韌性稍會降低，但可顯著提高強度和硬度，而且質(zhì)點越細(xì)、越多，合金的強度、硬度越高。這種合金強化方法稱為彌散強化或沉淀強化彌散強化或沉淀強化，它也是合金的主要強化方法之一。 21任務(wù)二 金屬的冷塑性變形o 冷冷塑性變形時，塑性變形時，多晶體主要是多晶體主要是晶內(nèi)滑移晶內(nèi)滑移變形變形;實質(zhì)上是實質(zhì)上是位錯的移動和增殖的過程位錯的移動和增殖的過程;由于位由于位錯的交互作用錯的交互作用,塑性變形時塑性變形時 產(chǎn)生了加工硬化。產(chǎn)生

9、了加工硬化。加工硬化：金屬在冷變形時，隨著變形程度的增加工硬化：金屬在冷變形時，隨著變形程度的增加強度硬度有所提高，加強度硬度有所提高， 塑性韌性有所下降的現(xiàn)象塑性韌性有所下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。稱為加工硬化。有利有弊有利有弊22 塑性變形對組織和性能的影響1塑性變形對金屬顯微組織的影響o 外形發(fā)生變化23o 內(nèi)部的晶粒形狀被拉長或壓扁。 當(dāng)變形量很大時，晶粒將被拉長成纖維狀，晶界變得模糊不清。此時，金屬的性能將會有明顯的各向異性，如縱向的性能明顯優(yōu)于橫向。24o 使晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使晶粒破碎成亞晶粒。 這是因為塑性變形會促使晶體內(nèi)部的位錯發(fā)生增殖和纏結(jié)，進而使各晶粒破碎成細(xì)碎的亞晶

10、粒。252形變織構(gòu)的產(chǎn)生 當(dāng)金屬的變形量很大時，由于晶體的轉(zhuǎn)動，使多晶體中原為任意取向的各個晶粒會逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致。 這種由于塑性變形的結(jié)果而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫做“形變織構(gòu)”。26 當(dāng)出現(xiàn)織構(gòu)以后，多晶體金屬就表現(xiàn)出一定程度的各向異性，這對材料的性能和加工工藝有很大的影響。 例如當(dāng)用有織構(gòu)的板材沖壓杯狀的薄壁零件時，容易產(chǎn)生所謂的“制耳”現(xiàn)象，使邊緣不齊，厚薄不均。 但織構(gòu)有時也有有利的一面，比如用有織構(gòu)的硅鋼片制作變壓器鐵芯具有更高的導(dǎo)磁率。 27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”有有無無28軋制鋁板的軋

11、制鋁板的“制耳制耳”現(xiàn)象現(xiàn)象293塑性變形對金屬性能的影響o 在塑性變形的過程中，隨著金屬內(nèi)部組織的變化，金屬的性能也將產(chǎn)生變化。隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這一現(xiàn)象稱為“加工硬化加工硬化”或或“形變強化形變強化”。o 一般認(rèn)為產(chǎn)生加工硬化的原因是晶體內(nèi)部位錯的增殖，造成位錯間相互纏結(jié)，使位錯運動困難，從而提高了強度。（滑移是位錯的移動）30o 加工硬化使金屬繼續(xù)變形更加困難，常常造成生產(chǎn)中生產(chǎn)工序的增加和能耗的提高，對材料的加工是不利的。 但加工硬化促使金屬塑性變形更加均勻，還可提高金屬的強度，所以加工硬化也是金屬強化的重要手段之一。o 塑性變形還會使金屬的電

12、阻增大，耐蝕性能下降。 314殘余內(nèi)應(yīng)力o 金屬在塑性變形時，外力所作的功大部分轉(zhuǎn)化為熱能，但尚有小部分（約10%）保留在金屬內(nèi)部，形成殘余內(nèi)應(yīng)力。o 內(nèi)應(yīng)力分為三類： 第一類內(nèi)應(yīng)力又叫宏觀內(nèi)應(yīng)力，是由于金屬表層與心部變形不一致造成的，所以存在于表層與心部之間； 第二類內(nèi)應(yīng)力又叫微觀內(nèi)應(yīng)力，是由于晶粒之間變形不均勻造成的，所以存在于晶粒與晶粒之間； 第三類內(nèi)應(yīng)力又叫點陣畸變，是由于晶體缺陷增加引起點陣畸變增大而造成的內(nèi)應(yīng)力，所以存在于晶體缺陷中。32o 第三類內(nèi)應(yīng)力是變形金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力（占90%以上），因而是金屬強化的主要原因。而第一、第二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬的強度降低。o 殘余內(nèi)應(yīng)力還會使金

13、屬耐蝕性下降，引起加工、淬火過程中零件的變形和開裂。 因此，金屬在塑性變形后，通常要進行退火處理，以消除或降低殘余內(nèi)應(yīng)力。 33341回復(fù) 冷變形金屬加熱時，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前（即再結(jié)晶晶粒形成前）所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過程。 宏觀層面宏觀層面：顯微組織無變化，機械性能無明顯變化，但內(nèi)應(yīng)力顯著降低。 微觀層面微觀層面：點缺陷及位錯的近距離遷移，引起的晶內(nèi)某些變化。35回復(fù)的機理：回復(fù)的機理： 加熱溫度不太高，原子擴散能力較低，原子只能作短距離擴散，使某些晶體缺陷相互抵消，導(dǎo)致缺陷數(shù)量減少，晶格畸變程度減輕。 如空位與其它缺陷（如間隙原子）合并，同一滑移面上的異號位錯的相互抵消，這

14、些結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致了內(nèi)應(yīng)力的降低。（消除第三類應(yīng)力）回復(fù)的應(yīng)用：回復(fù)的應(yīng)用： 在較低溫度下加熱，使加工硬化金屬的內(nèi)應(yīng)力基本消除，同時又保持其機械性能。這叫做去去應(yīng)力退火應(yīng)力退火。 如冷拔鋼絲，在250300低溫加熱，以消除內(nèi)應(yīng)力使其定型。362再結(jié)晶 冷變形金屬在一定溫度保溫后，變形組織中重新產(chǎn)生無畸變的新晶粒，性能也發(fā)生明顯變化，并完全軟化，這個過程稱為再結(jié)晶再結(jié)晶。 再結(jié)晶的驅(qū)動力是冷變形所產(chǎn)生的儲存能，隨著儲存能的釋放，應(yīng)變能也逐漸降低。新的無畸變等軸晶粒的形成及長大，使之在熱力學(xué)上變得更加穩(wěn)定。 37 再結(jié)晶的過程也是一個形核和長大的過程，它是以破碎晶粒中無畸變的小晶塊為核心并進行長大的

15、。 不是相變過程不是相變過程。再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同，不同的只是再結(jié)晶后因塑性變形而造成的各種晶體缺陷減少了，內(nèi)應(yīng)力消失。38再結(jié)晶溫度：再結(jié)晶溫度： 沒有恒定的轉(zhuǎn)變溫度，而是自某一溫度開始，隨著溫度的升高而進行的過程。通常的再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度是指再結(jié)晶開始溫度，也就是能夠進行再結(jié)晶的最低溫度。 一般定義：經(jīng)過嚴(yán)重冷變形（變形度在70%以上）的金屬，保溫一小時能夠完成再結(jié)晶（95%轉(zhuǎn)變量）的溫度。 39o 純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點之間的近純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點之間的近似關(guān)系似關(guān)系: T再（再（K）0.4T熔（熔（K）o 其中其中T再、再、T熔為絕對溫度熔為絕

16、對溫度.o 金屬熔點越高金屬熔點越高, T再也越高再也越高.T再再 = (T熔熔+273)0.4273，如如Fe的的T再再=(1538+273)0.4273=45140再結(jié)晶的應(yīng)用：再結(jié)晶退火： 把冷變形金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，使其發(fā)生再結(jié)晶的處理過程。 再結(jié)晶退火溫度比理論再結(jié)晶溫度高 100-150 生產(chǎn)中，采用再結(jié)晶退火來消除經(jīng)冷變形加工產(chǎn)品的加工硬化和各向異性，提高其塑性。 在冷變形加工過程中間，進行再結(jié)晶退火，可恢復(fù)塑性，便于繼續(xù)加工。 41再結(jié)晶可以作為控制晶粒大小的手段。在不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬中，再結(jié)晶可以使粗晶粒轉(zhuǎn)變細(xì)晶粒，但材料必須預(yù)進行塑性變形，以提供在結(jié)晶的驅(qū)動力4

17、23晶粒長大 冷變形金屬剛剛結(jié)束再結(jié)晶時的晶粒是比較細(xì)小均勻的等軸晶粒，如果再結(jié)晶后不控制其加熱溫度或時間，繼續(xù)升溫或保溫，晶粒之間便會相互吞并而長大，這一階段稱為晶粒長大。 晶粒長大是自發(fā)過程。 晶粒長大分為兩種： 正常長大；反常長大或二次再結(jié)晶。 43o 再結(jié)晶完成后，正常的晶粒應(yīng)是均勻的、連續(xù)的。但在某些情況下，晶粒的長大只是少數(shù)晶粒突發(fā)性地、迅速地粗化，使晶粒之間的尺寸差別越來越大。這種不正常的晶粒長大稱為晶粒的反常長大。這種晶粒的不均勻長大就好像在再結(jié)晶后均勻細(xì)小的等軸晶粒中又重新發(fā)生了再結(jié)晶，所以稱為二次再結(jié)晶。444影響再結(jié)晶后晶粒度的因素 影響再結(jié)晶后晶粒度的因素很多，最主要的

18、是退火溫度、保溫時間和預(yù)先變形程度。（1）加熱溫度與保溫時間的影響 再結(jié)晶加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越大，其中加熱溫度的影響尤為顯著。 T再再 加熱溫度圖5-5 加熱溫度對晶粒度的影響晶粒大小45（2）預(yù)先變形程度的影響預(yù)先變形程度的影響實質(zhì)： 變形均勻程度的影響。當(dāng)變形程度很小時，由于金屬的畸變能也很小，不足以引起再結(jié)晶，因而晶粒仍保持原來的形狀。臨界變形度：臨界變形度： 得到特別粗大晶粒的變形度。晶粒大小 臨界變形度 預(yù)先變形程度圖5-6 預(yù)先變形程度對晶粒度的影響4647加熱溫度加熱溫度 黃銅黃銅48鐵素體變形鐵素體變形80%670加熱加熱650加熱加熱49o 再結(jié)晶后的晶粒

19、長大再結(jié)晶后的晶粒長大o 再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升升溫或延長保溫時間，將發(fā)溫或延長保溫時間，將發(fā)生晶粒長大，生晶粒長大，這是一個自這是一個自發(fā)的過程。發(fā)的過程。黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大580C保溫保溫8秒后的組織秒后的組織580C580C保溫保溫1515分后的組織分后的組織700C700C保溫保溫1010分后的組織分后的組織50任務(wù)三 金屬的熱塑性變形1熱加工與冷加工的區(qū)別 生產(chǎn)上：熱加工通常是指將金屬材料加熱至高溫進行鍛造、熱軋等的壓力加工過程。 學(xué)術(shù)上：熱加工是指在再結(jié)晶溫度以上的加工過程；在再結(jié)晶溫度以下的加工過程稱為冷加工。 例如鉛的再結(jié)晶溫度低于

20、室溫，因此在室溫下對鉛進行塑性加工屬于熱加工。而鎢的再結(jié)晶溫度約為1200，所以即使在1000拉制鎢絲也屬于冷加工。51動態(tài)再結(jié)晶： 熱加工是在高于再結(jié)晶溫度以上的塑性變形過程，因塑性變形引起的硬化過程和回復(fù)再結(jié)晶引起的軟化過程同時存在。 由此，在熱加工過程中，金屬內(nèi)部同時進行著加工硬化與回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個相反的過程，塑性變形所產(chǎn)生的加工硬化將很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消。 522熱加工對金屬組織和性能的影響（1）改善鑄錠組織 使鑄態(tài)組織缺陷得到改善。 使氣泡、疏松大部分得到焊合， 材料的致密度增大， 改善夾雜物與脆性相的形態(tài)、大小及分布； 可以部分地消除枝晶偏析； 還可將粗大的柱狀晶和樹枝晶

21、砸碎而成細(xì)小均勻的晶粒。 5350m54（2）熱加工流線 在熱加工過程中，鑄錠中的粗大枝晶和各種夾雜物都要沿變形方向伸長，這樣就使枝晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向逐漸與變形方向一致。 脆性夾雜物破碎成鏈狀， 塑性夾雜物變成條帶狀、線狀或片層狀，宏觀上，存在著沿變形方向的一條條細(xì)線，這就是熱加工中的流線。由一條條流線溝劃出來的組織，叫做纖維組織。 55纖維組織對性能的影響： 使金屬的性能呈現(xiàn)各向異性。順纖維方向具有較高的機械性能，而垂直于流線方向的性能則較低，特別是塑性和韌性表現(xiàn)得更加明顯。在制定熱加工工藝時，應(yīng)盡量使流線與工件所受的最大拉應(yīng)力方向一致，而與外剪切應(yīng)力或沖擊應(yīng)力的方向垂直。 （a） （b）圖5-7 曲軸