廣石化工程材料五材料的變形培訓(xùn)課件

第五章

材料的變形第一節(jié)金屬的塑性變形與再結(jié)晶

第二節(jié)高分子材料的變形第三節(jié)陶瓷材料的變形第一節(jié)金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、金屬的塑性變形與強化二、塑性變形對組織和性能的影響三、變形金屬在加熱過程中組織和性能的變化四、金屬的熱加工

變形后的金屬材料再加熱時，其內(nèi)部組織和性能會發(fā)生很大變化。因此研究金屬材料的塑性變形及變形后不規(guī)則加熱時的組織與性能的變化，對于制定零件的加工工藝和保證零件的質(zhì)量是非常重要的。一、金屬的塑性變形與強化1.單晶體金屬的塑性變形2.滑移的機理3.多晶體金屬的塑性變形與細(xì)晶強化4.合金的塑性變形與強化1.單晶體金屬的塑性變形

單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變形及斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶拉伸照片將表面拋光的純鋅單晶體進(jìn)行拉伸試驗，在試樣的表面上出現(xiàn)了許多互相平行的傾斜線條的痕跡，稱為滑移帶。指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生相對滑動位移的現(xiàn)象?；疲?/p>

晶體滑移后，在其表面上出現(xiàn)滑移痕跡，通常稱為滑移帶。在電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，任何一條滑移帶都是由若干條滑移線組成的。滑移帶：金屬塑性變形最基本的方式是滑移。圖5-2滑移帶和滑移系的示意圖滑移面與滑移方向構(gòu)成一個滑移系滑移變形具有以下特點：（1）滑移在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力。（2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。原子排列最密的晶面和晶向最容易發(fā)生滑移。立方晶格塑性比密排立方晶格好，面心立方晶格塑性比體心立方晶格好。（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。兩種轉(zhuǎn)動：一是滑移面向外力軸向轉(zhuǎn)動；二是在滑移面上滑移方向向最大切應(yīng)力發(fā)行的轉(zhuǎn)動。2.滑移的機理實際上晶體內(nèi)部存在著很多位錯，滑移是通過位錯在滑移面上的運動來實現(xiàn)的。

τ上圖左側(cè)有一個刃型位錯，在切應(yīng)力作用下該位錯沿滑移面逐步向右運動，當(dāng)其運動出晶體時便在右側(cè)表面形成了滑移量為一個原子間距大小的臺階。若有大量位錯移出，則會在金屬表面形成一條滑移線。圖5-3晶體中通過位錯運動而造成滑移的示意圖ττ3.多晶體金屬的塑性變形與細(xì)晶強化晶粒變形的不同時性晶粒間變形的相互約束性晶界的強化作用

處于有利位向（軟位向）的晶粒先滑移；處于不利位向（硬位向）的晶粒后滑移

先滑移的晶粒必然受到在它周圍晶粒的約束；晶粒間的這種約束使晶體的強度提高。

晶界是滑移的障礙，使得晶界變形抗力較大；即晶界導(dǎo)致強度提高。晶粒越小，晶界越多，其強度和硬度就越高。細(xì)晶強化——

通過細(xì)化晶粒來同時提高金屬的強度和硬度、塑性和韌性的方法。

細(xì)晶強化是金屬的一種重要的強韌化手段，在實際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

另,晶粒越細(xì),單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多,在同樣的變形量下同時參與變形的晶粒數(shù)目也越多,變形越均勻,不易造成局部應(yīng)力集中,也不會導(dǎo)致開裂,所以晶粒越細(xì),其塑性和韌性越好。4.合金的塑性變形與強化

合金中由于含有合金元素而使其晶格發(fā)生了畸變，因而也使它的性能發(fā)生顯著變化。多相合金的塑性變形與彌散強化單相固溶體的塑性變形與固溶強化單相固溶體體的塑性變變形與固溶溶強化單相固溶體體合金的塑塑性變形過過程與多晶晶體純金屬屬相似。但但由于固溶溶體存在著著溶質(zhì)原子，有固溶強強化現(xiàn)象。。固溶強化是是提高金屬屬材料性能能的一個重重要途徑。。固溶強化原原因：溶質(zhì)原子使使固溶體的的晶格發(fā)生生畸變，阻礙了位位錯的移動動；并且在在位錯線上上偏聚的溶溶質(zhì)原子對對位錯的釘扎作用，使運運動位錯受受阻；這兩兩方面的原原因，提高高了固溶體體的變形抗抗力。多相合金的的塑性變形形與彌散強強化多相合金也也是多晶體體，但其中中有些晶粒粒是另一相相，有些界界面是相界界面。當(dāng)?shù)诙嘞嘣诰Ы缃缟铣示W(wǎng)狀分布時，，對強度度和塑性性都不利；當(dāng)在晶晶內(nèi)呈層片狀分布時，，可提高強度和硬硬度，但但會降低塑性和韌韌性；當(dāng)當(dāng)在晶內(nèi)內(nèi)呈彌散質(zhì)點點分布時，塑性性、韌性性會稍降低，但但可顯著提提高強度度和硬度度，且質(zhì)點點越細(xì)、、越多，，合金的的強度、、硬度越越高。彌散強化化是合金金的主要要強化方方法之一一。二、塑性性變形對對組織和和性能的的影響2.形變織構(gòu)構(gòu)的產(chǎn)生生3.塑性變形形對金屬屬性能的的影響4.殘余內(nèi)應(yīng)應(yīng)力1.塑性變形形對金屬屬顯微組組織的影影響1.塑性變形形對金屬屬顯微組組織的影影響晶粒會沿沿著變形形方向伸伸長成為為長條形形或扁平平形晶粒粒。形成纖維維組織塑性變形形也會使使晶粒內(nèi)內(nèi)部的亞亞結(jié)構(gòu)發(fā)發(fā)生變化化，使晶晶粒破碎碎成亞晶晶粒。2.形變織構(gòu)構(gòu)的產(chǎn)生生當(dāng)金屬的的變形量量很大時時，由于于晶粒的的轉(zhuǎn)動，，會使絕絕大部分分晶粒的的某一位位向與外外力方向向趨于一一致，這這種現(xiàn)象象稱織構(gòu)或擇擇優(yōu)取向向。形變織構(gòu)構(gòu)使金屬屬呈現(xiàn)各各向異性性，在深深沖零件件時，易易產(chǎn)生““制耳””現(xiàn)象，，使零件件邊緣不不齊，厚厚薄不勻勻。但織織構(gòu)可提提高硅鋼鋼片的導(dǎo)導(dǎo)磁率。。板織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖各向異性導(dǎo)致的“制耳”變形前變形后3.塑性變形形對金屬屬性能的的影響在塑性變變形的過過程中，，隨著金金屬內(nèi)部部組織的的變化，，金屬的的性能也也將產(chǎn)生生變化。。隨著變形形程度的的增加，，金屬的的強度、、硬度提提高，而而塑性、、韌性下下降，這這一現(xiàn)象象稱為““加工硬化化”或“形變強化化”。在塑性變變形過程程中晶體體內(nèi)位錯錯、空位位等缺陷陷的密度度逐步增增加，造造成位錯錯間相互互纏結(jié)，，使位錯錯運動困困難，從從而提高高了強度度。加工硬化化產(chǎn)生的的原因：由于加工工硬化現(xiàn)現(xiàn)象使金金屬的塑塑性下降降，會給給材料的的進(jìn)一步加加工帶來來困難，不得不不增加中中間退火火工序，，降低了了生產(chǎn)率率，增加加了生產(chǎn)產(chǎn)成本。。加工硬化化也是強強化金屬屬的重要要手段之之一，尤尤其對于于那些不不能以熱熱處理強強化的金金屬和合合金更為為重要。。但由于加加工硬化化的存在在，使已已變形部部分發(fā)生生硬化而而停止變變形，而而未變形形部分開開始變形形，即加加工硬化化促使金屬變形形更加均均勻。4.殘余內(nèi)應(yīng)應(yīng)力金屬發(fā)生生塑性變變形時，，外力所所做的功功大部分分轉(zhuǎn)化為為熱能，，只有10%留在金屬屬內(nèi)，形形成殘余內(nèi)應(yīng)應(yīng)力。第一類內(nèi)內(nèi)應(yīng)力（（宏觀內(nèi)內(nèi)應(yīng)力））：存在于金金屬表層層與心部部之間；；由于金金屬材料料各個部部分變形形不一致致而形成成的。第二二類類內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力（（微微觀觀內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力））：：存在在于于晶晶粒粒之之間間；；由由于于晶晶粒粒之之間間變變形形不不均均勻勻造造成成的的。。第三三類類內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力（（點點陣陣畸畸變變））殘余余內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力的的存存在在，，還還會會使使金金屬屬耐耐蝕蝕性性下下降降，，引引起起零零件件加加工工、、淬淬火火過過程程中中的的變變形形和和開開裂裂。。因因此此，，金金屬屬在在塑塑性性變變形形后后，，通常常要要進(jìn)進(jìn)行行退退火火處處理理，以以消消除除或或降降低低內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力。。存在在于于晶晶體體缺缺陷陷中中；；由由于于晶晶體體缺缺陷陷增增加加引引起起點點陣陣畸畸變變而而造造成成的的內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力。。第三三類類內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力是是形形變變金金屬屬中中的的主主要要內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力（（占占90%以上上）），，是是金金屬屬強強化化的的主主要要原原因因。。而而第第一一、、二二類類內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力都都使使金金屬屬強強度度降降低低。。第三三類類內(nèi)內(nèi)應(yīng)應(yīng)力力（（點點陣陣畸畸變變））：：三、、變變形形金金屬屬在在加加熱熱過過程程中中組組織織和和性性能能的的變變化化金屬屬材材料料在在冷冷變變形形加加工工后后，，為為了了消消除除殘殘余余應(yīng)應(yīng)力力或或恢恢復(fù)復(fù)其其某某些些性性能能（（如如提提高高塑塑性性、、韌韌性性，，降降低低硬硬度度等等）），，一一般般要要對對金金屬屬材材料料進(jìn)進(jìn)行行加熱熱處處理理。而而加加工工硬硬化化雖雖然然使使塑塑性性變變形形比比較較均均勻勻，，但但卻卻給給進(jìn)進(jìn)一一步步的的冷冷成成形形加加工工帶帶來來困困難難，，所所以以常常常常需需要要將將金金屬屬加加熱熱進(jìn)進(jìn)行行退火處理，以使其性性能向塑性性變形前的的狀態(tài)轉(zhuǎn)化化。對冷變形金金屬加熱，，會使原子子擴(kuò)散能力力增加，金金屬將依次次發(fā)生：圖5-4變形金屬在在不同加熱熱溫度時晶晶粒大小和和性能的變變化示意圖圖3.晶粒長大1.回復(fù)2.再結(jié)晶回復(fù)時組織織和性能的的變化：組織沒有明明顯變化，，晶粒保持持纖維狀；；強度、硬硬度、塑性性、韌性變變化不大；；殘余應(yīng)力力顯著降低低。應(yīng)用：對加工硬化化的金屬進(jìn)進(jìn)行低溫退退火，使其其內(nèi)應(yīng)力基基本消除，，但同時保保持強化了了的力學(xué)性性能。如冷卷彈簧簧在卷制之之后都要進(jìn)進(jìn)行一次250～300℃的低溫退火火（或稱去去應(yīng)力回火火）。指在加熱溫溫度較低時時，由于金金屬中的點點缺陷及位位錯的近距離遷移移而引起的晶晶內(nèi)某些變變化。晶格格畸變減輕輕，殘余應(yīng)應(yīng)力顯著下下降。1.回復(fù)特點:☆組織發(fā)生變變化；☆加工硬化現(xiàn)現(xiàn)象得到消消除，即強強度硬度顯顯著降低，，塑性韌性性明顯提高高；☆內(nèi)應(yīng)力完全全消除。如果將變形形金屬加熱熱到更高溫溫度，使原原子具有更更強的擴(kuò)散散能力，就就會以滑移移面上的碎碎晶塊為晶晶核，結(jié)晶晶為細(xì)小均均勻的無變變形的等軸晶粒，這個過程程稱為再結(jié)晶。2.再結(jié)晶鐵素體變形形后，加熱熱時所發(fā)生生的顯微組組織變化，，變形后為為破碎拉長長的晶粒，，經(jīng)過再結(jié)結(jié)晶，得到到了新的等等軸晶粒。。鐵素體變形80%650℃加熱670℃加熱再結(jié)晶不是是一個恒溫溫過程，它它是自某一一溫度開始始，在一個個溫度范圍圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)進(jìn)行的過程程，發(fā)生再再結(jié)晶的最最低溫度稱稱再結(jié)晶溫溫度。其中T再、T熔為絕對溫度度，單位為K。金屬的熔點點越高，T再也越高。T再≈0.4T熔再結(jié)晶也是是一個晶核核（以碎晶晶或雜質(zhì)為為核心）形形成和長大大的過程，，但不是相變過過程，它沒有新新相產(chǎn)生。。再結(jié)晶前后新舊晶粒的的晶格類型型和成分完全相同。再結(jié)晶剛剛剛完成后的的晶粒是無無畸變的等等軸晶粒，，如果繼續(xù)續(xù)升高溫度或或延長保溫溫時間，晶粒之間間就會相互互吞并而長長大。使金屬的強強度顯著降降低。3.晶粒長大580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大冷變形量為38％的組織580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織黃銅再結(jié)晶晶和晶粒長長大各個階階段的金相相照片4.影響再結(jié)晶晶后晶粒度度的因素（1）加熱溫度度與保溫時時間的影響響再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響加熱溫度越越高，保溫溫時間越長長，金屬的的晶粒越粗粗大，加熱熱溫度的影影響尤為顯顯著。這是是由于加熱熱溫度升高高，原子擴(kuò)擴(kuò)散能力和和晶界遷移移能力增強強，有利于于晶粒長大大。（2）預(yù)先變形形程度的影影響大于臨界變變形度時，，變形度越越大，退火火后晶粒尺尺寸越小。。臨界變形度度:金屬冷變形形后再結(jié)晶晶時晶粒極極易長得粗粗大，這時時所對應(yīng)的的應(yīng)變量，，稱為臨界界變形度。。金屬材材料的臨界界變形度一一般為（2%～10％）。圖5-6預(yù)先變形程程度對晶粒粒度的影響響60%變形純鐵不同退火溫溫度對再結(jié)結(jié)晶后晶粒粒大小的影影響（純鐵鐵經(jīng)60%變形）60%變形后450℃退火60%變形后500℃退火60%變形后700℃退火60%變形后600℃退火60%變形后800℃退火3%變形后經(jīng)550℃退火6%變形后經(jīng)550℃退火9%變形后經(jīng)550℃退火12%變形后經(jīng)550℃退火15%變形后經(jīng)550℃退火冷加工變形形度對再結(jié)結(jié)晶后晶粒粒大小的影影響（純鋁鋁片試樣））四、金屬的的熱加工熱加工——在再結(jié)晶溫溫度以上的的加工過程程；冷加工——在再結(jié)晶溫溫度以下的的加工過程程。1.熱加工與冷冷加工的區(qū)區(qū)別如Fe的最低再結(jié)結(jié)晶溫度為為450℃，故即使它它在400℃進(jìn)行加工變變形仍應(yīng)屬屬于冷變形形；而Pb的再結(jié)晶溫溫度為-33℃℃，則其在室室溫下的加加工也是熱熱加工。熱變形加工工在變形的的同時進(jìn)行行著動態(tài)再再結(jié)晶；即熱加工時時產(chǎn)生的加加工硬化很很快被再結(jié)結(jié)晶產(chǎn)生的的軟化所抵抵消，因而而熱加工不不會帶來加加工硬化效效果。熱加工動態(tài)態(tài)再結(jié)晶示示意圖2.熱加工對金金屬組織和和性能的影影響（1）改善鑄錠錠組織可消除鋼錠錠中的某些些缺陷，如如將疏松和和氣泡焊合合，粗大柱柱狀晶打碎碎，提高鋼鋼的性能。。（2）帶狀組織織復(fù)相合金中中的各個相相，在熱加加工時沿著著變形方向向交替地呈呈帶狀分布布，這種組組織稱為帶帶狀組織。。帶狀組織帶狀組織會會降低金屬屬的強度、塑性和和沖擊韌性性，對性能極為為不利。輕微的帶帶狀組織可可以通過正正火來消除除。（3）熱加工流流線曲軸中的的流線分分布（a）鍛造變變形；（（b）切削加加工左圖所示示鍛造而而成曲軸軸流線分分布合理理，而右右圖曲軸軸是由切切削加工工而成，，其流線分布不不合理，，在軸肩肩處容易易斷裂。。第二節(jié)高高分子子材料的的變形一、高聚聚物的物物理狀態(tài)態(tài)二、高聚聚物的變變形特點點一、高聚聚物的物物理狀態(tài)態(tài)1.線型非晶晶態(tài)高聚聚物的物物理狀態(tài)態(tài)玻璃在玻玻璃化溫溫度Tg以下只發(fā)發(fā)生彈性性形變，，在Tg以上產(chǎn)生生粘性流流動。（1）玻璃態(tài)態(tài)高聚物處處于線彈彈性階段段，應(yīng)力力與應(yīng)變變成正比比，外力力去除，，變形立立即消失失，變形形量很小小。（2）粘粘彈態(tài)與與高彈態(tài)態(tài)高彈態(tài)高高聚物的的重要特特征：可回復(fù)的的彈性變變形量高高達(dá)100％～1000％；彈性模量量比普通通彈性材材料小三個數(shù)數(shù)量級；；高彈態(tài)高高聚物變變形時生生熱，回彈時放放熱。（3）粘粘流態(tài)2.結(jié)晶高聚聚物的物物理狀態(tài)態(tài)如果高聚聚物是完完全結(jié)晶晶的，和和低分子子晶體材材料類似似；部分分結(jié)晶時時，未結(jié)結(jié)晶區(qū)域域?qū)⒈３殖志€型非非晶態(tài)高高聚物的的特性。。部分結(jié)結(jié)晶的高高聚物存存在有一一種既韌又硬硬的皮革態(tài)。隨著結(jié)晶晶度的增增加，熔熔點提高高，高彈彈態(tài)縮小小，至完完全結(jié)晶晶時高彈彈態(tài)消失失。3.高聚物的的交聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)對其其物理狀狀態(tài)的影影響不同組成成、相對對分子質(zhì)質(zhì)量大小小、結(jié)晶晶度和交交聯(lián)密度度的高分分子材料料，對各各種外部部條件的的反應(yīng)特特性不同同，其敏敏感性及及變化幅幅度都比比金屬材材料大。。二、高聚聚物的變變形特點點1.高聚物的的彈性變變形高聚物具具有高彈彈性的必必要條件件是要有有柔性鏈鏈，但是是柔性好好的鏈容容易引起起鏈間滑滑動而造造成粘性性流動。。所以必必須采用用分子鏈鏈間的適適當(dāng)交聯(lián)聯(lián)防止鏈鏈間的滑滑動。2.高聚物的的粘彈性性變形皮革態(tài)的的變形是是粘彈性性變形。。理想的的彈性固體體材料受受力時產(chǎn)產(chǎn)生彈性性變形與與時間無關(guān)，，即變形形與外力力同步。。高聚物受受力后產(chǎn)產(chǎn)生的宏宏觀變形形，通過過調(diào)整內(nèi)部部分子鏈鏈構(gòu)象來來實現(xiàn)。。3.線型高聚聚物的變變形特點點冷變形：：對無定形形塑料在在Tg以下約50℃左右，對對結(jié)晶態(tài)態(tài)塑料在在晶體相相熔點以以下。線型高聚聚物的變變形行為為主要取取決于玻玻璃化溫溫度Tg。4.體型高聚聚物的變變形特點點熱固性塑塑料是剛剛硬的三三位網(wǎng)絡(luò)絡(luò)結(jié)構(gòu)，，分子不不易運動動。拉伸伸時，表表現(xiàn)出脆脆性金屬屬一樣的的變形特特性；壓壓縮時，，容易剪剪切屈服服，并有有大量變變形。在在屈服之之后有“應(yīng)變變軟軟化化”現(xiàn)象象。。第三三節(jié)節(jié)陶陶瓷瓷材材料料的的變變形形一、、陶陶瓷瓷材材料料的的彈彈性性變變形形二、、陶陶瓷瓷材材料料的的塑塑性性變變形形及及蠕蠕變變?nèi)?、、陶陶瓷瓷材材料料的的強強度度、、硬硬度度和和斷斷裂裂一、、陶陶瓷瓷材材料料的的彈彈性性變變形形陶瓷瓷材材料料在在彈彈性性變變形形階階段段后后，，立立即即發(fā)發(fā)生生脆脆性性斷斷裂裂。。與與金金屬屬材材料料比比，，陶陶瓷瓷材材料料的的彈彈性性模模量量有有如如下下特特點點：：1）陶陶瓷瓷材材料料的的彈彈性性模模量量比比金金屬屬大大得得多多，，常常相相差差數(shù)數(shù)倍倍；；2）