金屬的塑性變形

金屬的塑性變形1第1頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)單晶體的塑性變形一、單晶體純金屬的塑性變形se

在應力低于彈性極限σe時，材料發(fā)生的變形為彈性變形；應力在σe到σb之間將發(fā)生的變形為均勻塑性變形；在σb之后將發(fā)生頸縮；在K點發(fā)生斷裂。

彈性變形的實質是：在應力的作用下，材料內部的原子偏離了平衡位置，但未超過其原子間的結合力。晶格發(fā)生了伸長(縮短)或歪扭。原子的相鄰關系未發(fā)生改變，故外力去除后，原子間結合力便可以使變形完全恢復。2第2頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四P

PPPP：載荷：正應力：切應力單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應力（垂直晶面）和切應力（平行晶面）。正應力只能引起彈性變形,當超過原子間結合力時，晶體斷裂。只有在切應力的作用下金屬晶體才能產生塑性變形。外力在晶面上的分解切應力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片塑性變形的實質是：在應力的作用下，材料內部原子相鄰關系已經發(fā)生改變，故外力去除后，原子到了另一平衡位置，物體將留下永久變形。塑性變形3第3頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四滑移是指當應力超過材料的彈性極限后，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動位移的現(xiàn)象。在應力去除后，位移不能恢復，在金屬表面留下變形的痕跡塑性變形的形式：滑移和孿生金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形㈠滑移4第4頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四⑴滑移只能在切應力的作用下發(fā)生。1、滑移變形的特點5第5頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四⑵

滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結合力最弱，產生滑移所需切應力最小。6第6頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四沿其發(fā)生滑移的晶面叫做滑移面；沿其發(fā)生滑移的晶向叫做滑移方向；它們通常是晶體中的密排面和密排方向。一個滑移面和其上的一個滑移方向構成一個滑移系。滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向對塑性的貢獻比滑移面更大。7第7頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四FCC6金屬的塑性：fcc＞bcc＞chp8第8頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四哪個滑移系先滑移？當作用于滑移面上滑移方向的切應力分量c（分切應力）大于等于一定的臨界值（臨界切應力，決定于原子間結合力），才可進行。取向因子最先達到c的滑移系先開始滑移滑移時9第9頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四⑶滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍?；频慕Y果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。

銅拉伸試樣表面滑移帶10第10頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四⑷

滑移的同時伴隨著晶體的轉動。

轉動的原因：晶體滑移后使正應力分量和切應力分量組成了力偶.11第11頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四韌性斷口12第12頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四把滑移設想為剛性整體滑動——滑移面上每一個原子都同時移到另一個平衡位置，外加的切應力必須同時克服滑移面上所有原子間的結合力。所需理論臨界切應力值比實際測量值大3-4個數(shù)量級?；剖峭ㄟ^滑移面上位錯的運動來實現(xiàn)的。2、滑移的機理13第13頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四刃位錯的運動滑移過程中會生成許多位錯：塑性變形量增加，晶體中位錯密度增大晶體通過位錯運動產生滑移時，只需要在位錯中心的少數(shù)原子發(fā)生移動，它們移動的距離遠小于一個原子間距，因而所需臨界切應力小，這種現(xiàn)象稱作位錯的易動性。14第14頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的切變，發(fā)生在滑移系較少或滑移受限制情況下。發(fā)生切變的部分稱孿生帶或孿晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面。㈡孿生15第15頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四孿生的結果使孿生面兩側的晶體呈鏡面對稱。孿生示意圖16第16頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應力比滑移大得多，變形速度極快，接近聲速;孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距（滑移是原子間距的整數(shù)倍）。與滑移相比：密排六方晶格金屬：滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬：只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬：一般不發(fā)生孿生變形。17第17頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四單個晶粒變形與單晶體相似，多晶體變形更復雜。二、多晶體純金屬的塑性變形多晶體是由眾多取向不一的單晶體組成。在某一單向外力作用下各晶體的滑移面上的分切應力不同，只有一些達到臨界切應力的滑移系才發(fā)生滑移。由于晶體之間的相互制約，首先滑移的晶體會引起自身或相鄰晶體的轉動，從而使原來啟動的滑移系偏離最大切應力方向，而停止滑移。另一些原來不能啟動的滑移系開動，進而使整個晶體的塑性變形協(xié)調發(fā)展。

軟位向硬位向晶粒所處的位向為易滑移的位向稱為“軟位向”反之謂“硬位向”。先發(fā)生于軟位向晶粒，然后到硬位向。1、不均勻的塑性變形18第18頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發(fā)生塑性變形時，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。

2、晶粒位向差阻礙滑移19第19頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來，稱位錯的塞積。要使變形繼續(xù)進行，則必須增加外力，從而使金屬的變形抗力提高。3、晶界的影響20第20頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四晶界對塑性變形的影響Cu-4.5Al合金晶界的位錯塞積21第21頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協(xié)調的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高，另外，一定的變形量由更多晶粒分散承擔，不會造成局部的應力集中，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形，強度和塑性同時增加，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也較好。晶粒大小對塑性變形的影響22第22頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四三、塑性變形對組織、性能的影響1、對組織結構的影響

1）、組織纖維化（晶粒變形）：隨著塑性變形量增大，原來的等軸晶相應地被拉長或壓扁，形成長條狀或纖維狀，使材料產生各向異性。

23第23頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四2）、亞晶粒的增多：變形前，位錯分布均勻。塑性變形伴隨著大量位錯產生，由于位錯運動和相互間交互作用，并使晶?！八榛背稍S多位向略有差異的亞晶塊（或稱亞晶粒）。亞晶粒間界是由位錯堆積而成的。3、產生織構：金屬中的晶粒的取向一般是無規(guī)則的隨機排列，盡管每個晶粒是各向異性的，宏觀性能表現(xiàn)出各向同性。當金屬經受大量(70%以上)的一定方向的變形之后,由于晶粒的轉動造成晶粒取向趨于一致，形成了“擇優(yōu)取向”，即某一晶面（晶向）在某個方向出現(xiàn)的幾率明顯高于其他方向。金屬大變形后形成的這種有序化結構叫做變形織構，它使金屬材料表現(xiàn)出明顯的各向異性。

24第24頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四由于晶粒的轉動，當塑性變形達到一定程度時，會使絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構或擇優(yōu)取向。形變織構使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時，易產生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊、厚薄不勻。但織構可提高硅鋼片的導磁率。板織構絲織構形變織構示意圖各向異性導致的銅板“制耳”有無25第25頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四Smallanglegrainboundary26第26頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四1）加工硬化

隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。2.對力學性能的影響

27第27頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四1、隨變形量增加,位錯密度增加.變形20%純鐵中的位錯未變形純鐵產生加工硬化的原因28第28頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四位錯密度與強度關系由于位錯之間的交互作用(堆積、纏結)，使變形抗力增加，塑性降，強度、硬度升高.29第29頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四2.隨變形量增加，亞結構細化；3.隨變形量增加，空位密度增加；4.幾何硬化：由晶粒轉動引起。加工硬化使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形，而未變形部分開始變形。沒有加工硬化，金屬就不會發(fā)生均勻塑性變形。加工硬化是強化金屬的重要手段之一，對于不能熱處理強化的金屬和合金尤為重要。30第30頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四3、殘余內應力內應力是指平衡于金屬內部的應力。是由于金屬受力時,內部變形不均勻而引起的。晶界位錯塞積所引起的應力集中金屬發(fā)生塑性變形時，外力所做的功只有10%轉化為內應力殘留于金屬中。

31第31頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四第三類內應力是形變金屬中的主要內應力，也是金屬強化的主要原因。而第一、二類內應力都使金屬強度降低。內應力的存在，使金屬耐蝕性下降；引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進行退火處理，以消除或降低內應力。第一類內應力平衡于表面與心部之間(宏觀內應力)。第二類內應力平衡于晶粒之間或晶粒內不同區(qū)域之間(微觀內應力)。第三類內應力是由晶格缺陷引起的畸變應力。

32第32頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四四、變形后金屬的加熱變化

(回復與再結晶)引言

金屬塑性變形后，出現(xiàn)晶粒拉長，位錯增多，內應力升高等現(xiàn)象，他們會引起材料體系能量提高，處于一個高能亞穩(wěn)態(tài)，有向低能態(tài)轉變的傾向。

在加熱過程中，形變了的材料會發(fā)生回復、再結晶和晶粒長大三個過程，如右圖所示?；貜汀⒃俳Y晶和晶粒的長大，他們都是減少或消除結構缺陷的過程。相應地,材料的結構和性能也發(fā)生對應變化。加熱促使轉變進行33第33頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四1、回復

1）、回復概念

經冷加工的材料在較低的溫度保溫，這時材料發(fā)生點缺陷消失，位錯重排，應力下降的過程為回復。利用回復現(xiàn)象將冷變形金屬進行低溫加熱，既可穩(wěn)定組織又保留了加工硬化效果的方法為去應力退火

2）、回復引起材料組織和性能變化

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宏觀應力（第一類應力）基本消除，但微觀應力（第二、第三類）仍然殘存。l

力學性質，如強度、硬度（略下降）和塑性（略升高）沒有明顯變化。34第34頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四當變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，在亞晶界或晶界處形成了新的結晶核心，并不斷以等軸晶形式生長，取代被拉長及破碎的舊晶粒，這一過程稱為再結晶。這種冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程稱再結晶。鐵素體變形80%670℃加熱650℃加熱2.再結晶35第35頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四再結晶也是一個晶核形成和長大的過程，但不是相變過程，再結晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。核心出現(xiàn)在位錯聚集的地方，原子能量最高，最不穩(wěn)定。它只是一個形態(tài)上的變化。新晶粒中缺陷減少，內應力消失了

。冷變形奧氏體不銹鋼加熱時的再結晶形核SEM-再結晶晶粒在原變形組織晶界上形核TEM-再結晶晶粒形核于高密度位錯基體上36第36頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四由于再結晶后組織的復原，因而金屬的強度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化冷變形(變形量為38%)黃銅580oC保溫15分后的的再結晶組織37第37頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四再結晶溫度再結晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個溫度范圍內連續(xù)進行的過程，發(fā)生再結晶的最低溫度稱再結晶溫度。580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織冷變形(變形量為38%)黃銅的再結晶38第38頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四T再與ε的關系金屬預先變形程度越大,再結晶溫度越低。當變形度達到一定值后，再結晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結晶溫度。純金屬的最低再結晶溫度與其熔點之間的近似關系:

T再≈0.4T熔其中T再、T熔為絕對溫度.如Fe：T再=(1538+273)×0.4–273=451℃影響再結晶溫度的因素1）、金屬的預先變形程度39第39頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四金屬中的微量雜質或合金元素，尤其高熔點元素，起阻礙擴散和晶界遷移作用，使再結晶溫度顯著提高。2）、金屬的純度40第40頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四3）、再結晶加熱速度和加熱時間提高加熱速度會使再結晶推遲到較高溫度發(fā)生；延長加熱時間，使原子擴散充分，再結晶溫度降低。生產中把消除加工硬化的熱處理稱為再結晶退火。再結晶退火溫度比再結晶溫度高100~200℃。

黃銅580oC保溫8秒后的組織黃銅580oC保溫15分后的組織41第41頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四再結晶完成后，若繼續(xù)升高溫度或延長保溫時間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個自發(fā)的過程。黃銅再結晶后晶粒的長大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3.晶粒長大42第42頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四1．長大驅動力 再結晶完成后，金屬獲得均勻細小的晶粒，但有長大的趨勢，因為長大有利于減少界面，降低界面能。這種自由能的降低即為晶粒長大的驅動力。

2．正常長大和非正常長大

正常長大：再結晶晶粒均勻長大。方式：相互兼并，組織均勻。

非正常長大：一些晶粒迅速長大，并吞并臨近小晶粒，造成組織不均勻。

晶粒的長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。43第43頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。再結晶退火溫度對晶粒度的影響1、加熱溫度和保溫時間影響因素44第44頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四預先變形度對再結晶晶粒度的影響2、預先變形量當變形量達到2~10%時，只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長大，再結晶后晶粒特別粗大，這個變形量稱臨界變形量。預先變形量的影響，實質是變形均勻程度的影響。當變形量很小時，晶格畸變小，不足以引起再結晶。45第45頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四當超過臨界變形量后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再結晶時形核量大而均勻，使再結晶后晶粒細而均勻，達到一定變形量之后，晶粒度基本不變。對某些金屬，當變形量相當大(90%)時，再結晶后晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認為這與形成織構有關。46第46頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四五、金屬的熱加工1、冷加工與熱加工的區(qū)別軋制模鍛拉拔在金屬學中，冷熱加工的界限是以再結晶溫度來劃分的。低于再結晶溫度的加工稱為冷加工，而高于再結晶溫度的加工稱為熱加工。47第47頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四熱加工時產生的加工硬化很快被再結晶產生的軟化所抵消，因而熱加工不會帶來加工硬化效果。巨型自由鍛件區(qū)別冷加工：加工硬化，晶粒變形熱加工：加工硬化和再結晶過程同時發(fā)生，加工硬化消失

為什么進行熱加工 金屬材料的強度和硬度會隨溫度的上升而下降，塑性會隨溫度的升高而升高，因此在較高的溫度下進行塑性變形，材料的抗力小，易成型。48第48頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四2.熱加工對金屬組織和性能的影響1）熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合，使粗大的樹枝晶或拄狀晶破碎，從而使組織致密、成分均勻、晶粒細化，力學性能提高。

鍛壓熱加工動態(tài)再結晶示意圖49第49頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四它使鋼產生各向異性，在制定加工工藝時，應使流線分布合理，盡量與拉應力方向一致。滾壓成型后螺紋內部的纖維分布吊鉤中的纖維組織2）形成熱加工流線。熱加工過程中，各種可變形的夾雜物會沿形變方向拉長，呈流線分布，從而造成各向異性。在流線方向，性能較好，而在垂直于流線方向上性能相對較差。有這種流線體型的組織稱纖維組織。50第50頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四熱加工能量消耗小，但鋼材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、變形量大、在室溫下加工困難的工件。冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光潔度要求高的工件。蒸汽-空氣錘51第51頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四3、金屬的強化一、基本原理 由于塑性變形的本質是位錯的滑移。因此，提高強度就是設法阻止位錯運動。主要有以下幾種途徑：1、細晶