晶粒的位向課件

1、第二章 金屬的塑性變形和再結(jié)晶 對(duì)于機(jī)器上的重要零件，常用鍛造成型，工業(yè)上使用的金屬材料中很多需要經(jīng)過壓力加工，例如軋制、拉拔和擠壓等制成。就鍛造而言，它是金屬成型的另一重要手段，同時(shí)又能改善金屬組織，使晶粒細(xì)化，組織均勻和消除成分偏析等，從而提高了金屬零件的性能和產(chǎn)品質(zhì)量。 在工程上重視金屬變形的另一原因是在機(jī)器零件中，如機(jī)床床身、齒輪和軸類等為保證機(jī)器的性能，一般需要提高機(jī)器零件的強(qiáng)度和硬度，以減少或防止變形。 在工業(yè)生產(chǎn)中，一方面是應(yīng)用變形，另一方面是減少或防止變形。第二章 金屬的塑性變形和再結(jié)晶機(jī)械工程材料2.1 金屬的變形現(xiàn)象2.2 金屬的塑性變形2.3 塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影

2、響2.4 變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化2.5 熱加工第二章 金屬的塑性變形和再結(jié)晶機(jī)械工程材料2.1 金屬的變形現(xiàn)象圖2-1 低碳鋼在拉伸時(shí)的-曲線機(jī)械工程材料 金屬在外力作用下發(fā)生形狀和尺寸的改變稱為變形。根據(jù)這種拉伸曲線可把低碳鋼(軟鋼)的變形過程分為四個(gè)階段。(1) Ob段 彈性變形階段(2) cd段 屈服變形階段(3) dB段 均勻塑性變形階段(4) BK段 不均勻塑性變形階段 金屬的變形最基本的有彈性變形和塑性變形兩種。 金屬在外力作用下產(chǎn)生變形，外力不大時(shí)變形也不大，外力去除后變形恢復(fù)到原來的形狀，這種變形稱為彈性變形。2.1.1 彈性變形機(jī)械工程材料 當(dāng)外力增大時(shí)變形也增大，

3、外力去除后變形又恢復(fù)一部分，但不能恢復(fù)到原來的形狀，這種變形稱為彈塑性變形，其中在外力去除后恢復(fù)的部分變形稱彈性變形，不能恢復(fù)而保留下來的部分變形稱塑性變形。2.1.2 塑性變形機(jī)械工程材料 工程上實(shí)際使用的金屬材料大多數(shù)是多晶體，其塑性變形較為復(fù)雜。由于多晶體是由許多晶粒和晶界組成，而晶粒一般可以認(rèn)為近似于單晶體，首先討論單晶體的塑性變形。 2.2 金屬的塑性變形機(jī)械工程材料2.2.1 單晶體的塑性變形1. 滑移 晶體的一部分沿著一定晶面(滑移面)和一定的晶向(滑移方向)相對(duì)于晶體另一部分作相對(duì)移動(dòng)的現(xiàn)象稱為滑移。 (1) 滑移要點(diǎn) 可將滑移變形的要點(diǎn)總結(jié)如下： 滑移只能在切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生

4、 對(duì)金屬單晶體試樣進(jìn)行拉伸時(shí)，外力作用到滑移面上都可分解為正應(yīng)力和切實(shí)力，如圖2-2（a）所示。滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生，而與正應(yīng)力無關(guān)。機(jī)械工程材料2.2.1 單晶體的塑性變形圖2-2 單晶體拉伸變形（a）外力在晶面上的分解（b）在切應(yīng)力作用下的變形（c）鋅單晶體拉伸時(shí)的照片機(jī)械工程材料 滑移是沿著晶體中原子密度最大晶面和晶向發(fā)生 A方向上的原子比B方向上的原子容易產(chǎn)生相對(duì)的移動(dòng)。A方向上比B方向上的原子密度大，所以金屬晶體的滑移是沿著原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。能夠產(chǎn)生滑移的晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向。2.2.1 單晶體的塑性變形機(jī)械工程材料2.2.1 單晶體的塑性變形機(jī)械工

5、程材料圖2-3 滑移面示意圖 滑移的距離一般為原子 間距的整數(shù)倍。 滑移發(fā)生后滑移面要轉(zhuǎn) 動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。 滑移面的轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)將力圖使和減小。結(jié)果使滑移面和滑移方向逐漸趨向外力P方向。2.2.1 單晶體的塑性變形機(jī)械工程材料圖2-4 單晶體滑移時(shí)的應(yīng)力分解圖(2) 滑移系 在金屬的塑性變形中可用滑移系表明金屬的變形能力。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，因此滑移系的數(shù)目可用滑移面數(shù)和滑移方向數(shù)的乘積來表示。2.2.1 單晶體的塑性變形 滑移系數(shù)目愈大，則產(chǎn)生滑移愈容易，金屬的塑性愈好。經(jīng)研究還證實(shí)滑移方向比滑移面在塑性變形中的作用要大，因?yàn)榛品较蜻m應(yīng)外力使之產(chǎn)生變形的能力比滑移面要大，

6、故當(dāng)滑移系數(shù)目相同時(shí)，滑移方向愈多，滑移愈容易，產(chǎn)生塑性變形的能力愈強(qiáng)。所以面心立方晶體比體心立方晶體的塑性變形能力好。機(jī)械工程材料 13=3 43=12 62=12滑移系 底面對(duì)角線 3 3 2滑移方向六方底 面1111 4110 6滑移面密排六方晶格面心立方晶格體心立方晶格晶格表2-1 三種典型金屬晶格的滑移系2.2.1 單晶體的塑性變形機(jī)械工程材料機(jī)械工程材料第六講學(xué)時(shí)：48主講教師：陳積偉(3) 滑移線和滑移帶 滑移線 晶體中產(chǎn)生滑移在其表面出現(xiàn)的滑移痕跡稱為滑移線。它是晶體中滑移面與晶體表面的交界線。 滑移帶 由許多滑移線組成的帶稱為滑移帶。金屬晶體中滑移一般都集中在滑移帶內(nèi)進(jìn)行?；?/p>

7、移是由于晶體內(nèi)部的相對(duì)移動(dòng)而產(chǎn)生，所以滑移不引起晶體結(jié)構(gòu)的變化，即滑移前后晶體結(jié)構(gòu)相同。2.2.1 單晶體的塑性變形圖2-5 Al單晶體的滑移帶和滑移線示意圖機(jī)械工程材料 (4) 關(guān)于位錯(cuò)的二個(gè)基本類型 以簡單立方晶體結(jié)構(gòu)為例。當(dāng)晶體受力后，若在其內(nèi)部產(chǎn)生滑移在晶體中一定的滑移面上出現(xiàn)已滑移區(qū)B和未滑移區(qū)A，已滑移區(qū)B和未滑移區(qū)A的分界線構(gòu)成了位錯(cuò)線。環(huán)中E部位形成了刃型位錯(cuò)，環(huán)中S部位形成了螺型位錯(cuò)。2.2.1 單晶體的塑性變形圖2-6 位錯(cuò)產(chǎn)生示意圖（a）位錯(cuò)環(huán) （b）刃型位錯(cuò) （c）螺型位錯(cuò)機(jī)械工程材料 圖（a）中AB線上部分原子面像刀刃一樣存在于晶體中而得名稱為刃型位錯(cuò)。而(b)圖的晶

8、體部分中原子1，2，8等分布在一個(gè)螺旋線上得名稱為螺型位錯(cuò)。原子排列介于刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)之間形態(tài)的位錯(cuò)稱為混合型位錯(cuò)。2.2.1 單晶體的塑性變形圖2-7 簡單立方結(jié)構(gòu)位錯(cuò)原子分布示意圖（a）刃型位錯(cuò)的原子分布 （b）螺型位錯(cuò)的原子分布機(jī)械工程材料剛性錯(cuò)開的模型2.2.1 單晶體的塑性變形機(jī)械工程材料刃型位錯(cuò)2.2.1 單晶體的塑性變形機(jī)械工程材料刃型位錯(cuò)2.2.1 單晶體的塑性變形機(jī)械工程材料螺型位錯(cuò)2.2.1 單晶體的塑性變形機(jī)械工程材料機(jī)械工程材料第七講學(xué)時(shí)：48主講教師：陳積偉2. 孿生 在切應(yīng)力作用下晶體的一部分相對(duì)于另一部分以一定的晶面(孿生晶面)及晶向(孿生方向)產(chǎn)生剪切變形，

9、這種變形方式稱為孿生。 滑移和孿生雖然都是在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生，但孿生所需要切應(yīng)力比滑移所需要的切應(yīng)力要大得多。2.2.1 單晶體的塑性變形圖2-8 孿生變形機(jī)械工程材料 實(shí)際使用的金屬材料絕大多數(shù)是多晶體，它是由晶界和許多不同位向的晶粒組成。2.2.2 多晶體的塑性變形1. 晶界的作用 由于晶界是處于兩個(gè)晶粒之間的過渡區(qū)域，因此原子排列不規(guī)則，晶格歪扭，并有雜質(zhì)和顯微孔洞存在，其位錯(cuò)密度很大。室溫下的晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)強(qiáng)度。金屬多晶體的強(qiáng)度比單晶體高。2. 晶粒位向的作用 切應(yīng)力是在與外力成45方向上為最大，凡是滑移面和滑移方向處于或接近于與外力成45夾角位向的晶粒必將首先產(chǎn)生滑移變形。晶粒滑移

10、變形在多晶體中是遂次產(chǎn)生的。有的變形小，有的產(chǎn)生塑性變形，有的還處于彈性變形階段。機(jī)械工程材料 每個(gè)晶粒變形必將影響到其周圍的晶粒，同時(shí)也將受到其周圍晶粒的限制。晶粒之間互相影響，結(jié)果阻礙滑移，變形困難，多晶體金屬強(qiáng)度增加?？傊?，多晶體金屬晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度越高。同時(shí)金屬晶粒越細(xì)，也會(huì)使變形分散到較多的晶粒內(nèi)，而不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，金屬多晶體能夠承受較大的塑性變形，即多晶體金屬的塑性好，而且晶粒越細(xì)，其塑性越好。 2.2.2 多晶體的塑性變形機(jī)械工程材料2.2.2 多晶體的塑性變形 常溫下細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬的強(qiáng)度和塑性都好，而且韌性也好。金屬只有強(qiáng)度和塑性都好時(shí)，其韌性才好。鋼的強(qiáng)度和塑性都好

11、，其韌性才好。而鑄鐵的強(qiáng)度高，塑性不好，鉛雖然塑性好，但強(qiáng)度低，所以鑄鐵和鉛的韌性都不好。機(jī)械工程材料2.3.1 對(duì)金屬組織和結(jié)構(gòu)的影響圖2-11 純銅經(jīng)不同程度冷變形后的顯微組織（a）30%壓下量；（b） 50%壓下量； （c）99 %壓下量(1) 晶粒破碎、亞結(jié)構(gòu)細(xì)化和位錯(cuò)密度增加。(2) 晶粒沿變形方向被拉長，并形成“纖維組織”。 機(jī)械工程材料 (3) 形變織構(gòu)形成 當(dāng)金屬經(jīng)過大量變形后，晶粒的位向，例如，滑移方向力圖與外力方向一致，結(jié)果造成了晶粒位向的一致性，金屬經(jīng)變形后形成晶粒位向的這種有序結(jié)構(gòu)稱為織構(gòu)。由于它是由變形而造成，也稱為變形織構(gòu)。 2.3.1 對(duì)金屬組織和結(jié)構(gòu)的影響機(jī)械工

12、程材料(1) 產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象 真實(shí)應(yīng)力是瞬時(shí)載荷除以瞬時(shí)面積。曲線的特點(diǎn)是應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而一直升高。金屬變形使強(qiáng)度增加，塑性降低的性質(zhì)稱為加工硬化，也稱冷作硬化或變形強(qiáng)化。 2.3.2 對(duì)金屬性能的影響 產(chǎn)生加工硬化的原因是在實(shí)際金屬晶體原有晶粒、亞結(jié)構(gòu)、晶格畸變和位錯(cuò)等基礎(chǔ)上，由于變形使晶粒和亞結(jié)構(gòu)碎化，晶格畸變機(jī)率和嚴(yán)重程度增加以及大量位錯(cuò)的產(chǎn)生，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜的交互作用，使位錯(cuò)堆積和纏結(jié)現(xiàn)象出現(xiàn)。這成為進(jìn)一步滑移的障礙，使金屬變形抗力增大，產(chǎn)生加工硬化，直到斷裂。機(jī)械工程材料 加工硬化的應(yīng)用 坦克和拖拉機(jī)履帶板、破碎機(jī)的顎板和鐵路的道岔等利用加工硬化提高硬度和耐磨性。在金屬的冷拔和

13、深沖壓等工藝上要利用加工硬化敏感的性質(zhì)來保證金屬的均勻變形，否則這個(gè)工藝很難完成。 2.3.2 對(duì)金屬性能的影響 加工硬化的缺點(diǎn) 它使金屬進(jìn)一步加工變形困難，汽車上用的薄板是用冷軋工藝制成的，在軋制過程中必須安排一些中間退火的工序，通過加熱消除加工硬化現(xiàn)象，也稱消除硬化退火或再結(jié)晶退火。機(jī)械工程材料 金屬強(qiáng)度和位錯(cuò)的關(guān)系 滑移是由于滑移面上的位錯(cuò)在滑移方向的運(yùn)動(dòng)造成的，而且滑移的過程又是以位錯(cuò)依次破壞原子間結(jié)合的方式進(jìn)行的?；剖怯捎诰w中局部區(qū)域位錯(cuò)的逐步移動(dòng)而引起，即滑移是由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而逐步進(jìn)行的，位錯(cuò)容易移動(dòng)的性質(zhì)稱為位錯(cuò)的易動(dòng)性，它使晶體容易產(chǎn)生滑移變形，要求金屬晶體中位錯(cuò)越少越好。當(dāng)晶

14、體中位錯(cuò)密度極少或沒有時(shí)金屬晶體即可接近或達(dá)到其理論強(qiáng)度。2.3.2 對(duì)金屬性能的影響機(jī)械工程材料圖2-14 位錯(cuò)移動(dòng)示意圖2.3.2 對(duì)金屬性能的影響機(jī)械工程材料 在位錯(cuò)密度較低時(shí)位錯(cuò)的增加會(huì)使金屬強(qiáng)度降低，位錯(cuò)愈多則金屬強(qiáng)度愈低， 時(shí)金屬強(qiáng)度達(dá)到最低值，它相當(dāng)于金屬的退火狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上位錯(cuò)密度再增加，由于它們相互作用的增強(qiáng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，使位錯(cuò)堆集和纏結(jié)阻礙了滑移，位錯(cuò)密度越大，位錯(cuò)的易動(dòng)性越差，阻礙作用就越大，金屬的強(qiáng)度也越高，最終形成了金屬強(qiáng)度 和位錯(cuò)密度之間的關(guān)系曲線。2.3.2 對(duì)金屬性能的影響機(jī)械工程材料2.3.2 對(duì)金屬性能的影響圖2-15 金屬強(qiáng)度與位錯(cuò)密度之間的關(guān)系曲

15、線機(jī)械工程材料(2) 使金屬具有方向性 變形量很大時(shí)，晶粒變?yōu)榧?xì)條狀，金屬多晶體形成“纖維組織”，多晶體金屬性能具有方向性，垂直纖維方向的強(qiáng)度和塑性都低，而沿著纖維方向的強(qiáng)度和塑性都高。 2.3.2 對(duì)金屬性能的影響 當(dāng)變形量達(dá)到一定值時(shí)，晶粒位向的轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，使之逐漸趨于外力的方向，而形成織構(gòu)組織，在垂直織構(gòu)方向上，其強(qiáng)度和塑性都低，沿著織構(gòu)方向則高。機(jī)械工程材料 (3) 使金屬產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力 外力對(duì)金屬所做的功，除用于改變形狀外，其中約有90%以上的能量變成熱能使金屬溫度升高，隨后散失掉。而小于10%的能量被保留在金屬內(nèi)部稱為儲(chǔ)存能，其表現(xiàn)方式為殘余應(yīng)力。金屬表層和心部之間或其它不同部位之間變

16、形不均勻造成的內(nèi)應(yīng)力稱為第一類內(nèi)應(yīng)力，也稱為宏觀內(nèi)應(yīng)力。相鄰晶?；蚓Я?nèi)不同部位變形不均勻造成的微觀內(nèi)應(yīng)力稱為第二類內(nèi)應(yīng)力。由于位錯(cuò)、空位等缺陷的增加，使原子偏離平衡位置產(chǎn)生晶格畸變造成原子間的內(nèi)應(yīng)力稱為第三類內(nèi)應(yīng)力，它是變形金屬的主要內(nèi)應(yīng)力。在變形金屬儲(chǔ)存能中有80%90%是屬于晶格畸變能。2.3.2 對(duì)金屬性能的影響機(jī)械工程材料機(jī)械工程材料第八講學(xué)時(shí)：48主講教師：陳積偉2.4 變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化 加熱過程是原子擴(kuò)散的過程，也是畸變狀態(tài)消除的過程。隨加熱溫度的升高，在變形金屬內(nèi)的變化，可分成三個(gè)階段，即回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個(gè)階段。機(jī)械工程材料 當(dāng)加熱溫度低時(shí)，由于原子活動(dòng)

17、能力小，只能是原子產(chǎn)生短距離的移動(dòng)，使晶格逐漸恢復(fù)較規(guī)則狀態(tài)，內(nèi)應(yīng)力基本消除。位錯(cuò)密度晶粒大小和形狀尚無明顯變化。 在工業(yè)生產(chǎn)中利用冷變形金屬的回復(fù)現(xiàn)象，在較低溫度下進(jìn)行加熱，消除內(nèi)應(yīng)力，這種處理稱為去應(yīng)力退火。 2.4.1 回復(fù) 隨著加熱溫度升高，原子活動(dòng)能力增加，當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)，在變形金屬內(nèi)重新進(jìn)行生核和晶核長大的結(jié)晶過程。 在變形金屬內(nèi)由于加熱重新形成晶核和晶核長大，也是結(jié)晶過程，為了和液態(tài)金屬結(jié)晶相區(qū)別，把這一結(jié)晶過程稱為再結(jié)晶。 再結(jié)晶溫度與其熔化溫度之間有如下關(guān)系： （K） 2.4.2 再結(jié)晶機(jī)械工程材料 晶界一般都是畸變嚴(yán)重的部位，并處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，所以它有向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的

18、趨勢。新的等軸大晶粒會(huì)以 “吞并”小晶粒的方式進(jìn)行長大，即由細(xì)晶粒變?yōu)榇志Я?。引起晶粒粗化?2.4.3 二次再結(jié)晶晶粒長大 很容易發(fā)生大晶?！巴滩ⅰ毙【Я?，出現(xiàn)晶粒長大現(xiàn)象，從而得到異常粗大的晶粒。再結(jié)晶是一個(gè)不可逆過程，如果再結(jié)晶后晶粒長大，除非經(jīng)過再次冷壓力加工是不可能細(xì)化的。機(jī)械工程材料2.4. 3 二次再結(jié)晶晶粒長大圖2-18 晶粒長大示意圖機(jī)械工程材料(1) 加熱溫度和保溫時(shí)間的影響 加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長，晶粒越大。2.4.4 影響再結(jié)晶后晶粒大小的因素 (2) 變形度的影響 沒有變形就沒有再結(jié)晶。當(dāng)變形度很小時(shí)可形核的數(shù)目少，其它部位沒有變形，也沒有長大的條件，不能引起再結(jié)晶，因此晶粒保持原來大小和形狀。當(dāng)變形度達(dá)到一定程度時(shí)，畸變狀態(tài)能夠形核的數(shù)目達(dá)到一定值時(shí)，形核并長大，且長大的很顯著，形核少，長大條件好造成的。晶粒急劇長大的變形度稱為臨界變形度。臨界變形度為2%10%，在生產(chǎn)上要盡量避免采用在臨界變形度范圍內(nèi)進(jìn)行冷加工變形。變形度大，形核幾率增加，相互影響，限制長大，結(jié)果形成細(xì)小晶粒。在冷軋金屬薄板時(shí)一般采用30%60%