第三章金屬材料的塑性變形(熱)

第三章金屬的塑性變形

金屬經(jīng)熔煉澆注成鑄錠以后，通常要進(jìn)行各種塑性加工，如軋制、擠壓、冷拔、鍛壓、沖壓等，以獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的型材、板材、管材或線材，以及零件毛坯或零件。

（各種加工方法）

3.1單晶體和多晶體的塑性變形

3.1.1塑性變形的基本形式

單晶體的塑性變形有兩種,即滑移和孿生。

1.滑移

滑移是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對(duì)于另一部分發(fā)生的滑動(dòng)。拉伸時(shí)，外力（F）在某晶面上產(chǎn)生的應(yīng)力可分解為正應(yīng)力（σ）及切應(yīng)力（τ）。正應(yīng)力只能引起晶格的彈性伸長，而切應(yīng)力則可使使晶體發(fā)生滑移?；频慕Y(jié)果會(huì)在晶體的表面留下滑移痕跡，稱為滑移帶。

2.孿生

在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面（孿晶面）和晶向（攣晶方向）相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變稱為孿生。

孿生與滑移的區(qū)別是：

1）孿生所需要的臨界切應(yīng)力比滑移大得多，變形速度極快。

2）孿生通過晶格切變使晶格位向改變，發(fā)生切變、位向改變的這一部分晶體稱為孿晶帶或?qū)\晶。3.1.2單晶體的塑性變形滑移變形具有以下特點(diǎn)：（1）滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。

（2）滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）進(jìn)行。

⑶滑移時(shí)晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿滑移方向位移的距離為原子間距的整數(shù)倍。滑移是通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。⑷滑移的同時(shí)必然伴隨有晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，使滑移面趨向與拉伸軸平行。2.塑性變形的實(shí)質(zhì)

位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖

3.1.3多晶體的塑性變形

1.不均勻的塑性變形過程

在多晶體中，各個(gè)晶粒內(nèi)原子排列的位向不一致，這樣不同晶粒的滑移系的取向就會(huì)不同。當(dāng)對(duì)多晶體施以拉伸時(shí)，作用在不同晶?；葡瞪系姆智袘?yīng)力會(huì)有差別，分切應(yīng)力最大的那些晶粒最先開始滑移，有些晶粒所受到的分切應(yīng)力最小，最難發(fā)生滑移，由此可見，多晶體金屬的塑性變形將會(huì)在不同晶粒中逐批發(fā)生，是個(gè)不均勻的塑性變形過程。

2.晶粒取向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊?/p>

在多晶體中晶粒間有位向差，使變形不能同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，周圍的晶粒如不發(fā)生塑性變形，則必須要產(chǎn)生彈性變形來與之協(xié)調(diào)配合，就意味著增大了晶粒變形的抗力，阻礙滑移的進(jìn)行。

3.晶界對(duì)塑性變形的影響

在多晶體中存在晶界，其原子排列不規(guī)則，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到這一區(qū)域附近時(shí)將會(huì)受到晶界的阻礙而堆積起來，形成位錯(cuò)塞積。欲使變形繼續(xù)進(jìn)行，就必須要增加外力，即變形抗力增大。金屬晶粒越細(xì)，同體積的晶界越多，因而變形抗力越大，金屬的強(qiáng)度越大。

另外，金屬晶粒越細(xì)，在外力作用下有利于滑移和能夠參與滑移的晶粒數(shù)目也越多，使一定的變形量分散在更多的晶粒之中，表現(xiàn)出塑性的提高。因此，細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種很重要的強(qiáng)韌化手段。

3.2.1形變強(qiáng)化現(xiàn)象⑴產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象隨著塑性變形量的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，也稱形變強(qiáng)化。

⑵使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。⑶影響金屬的物理、化學(xué)性能，金屬經(jīng)塑性變形

后，使電阻增大，耐蝕性降低。

3.2塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響3.2.2塑性變形后金屬的組織結(jié)構(gòu)的變化

⑴纖維組織形成金屬在外力作用下發(fā)生塑性變形時(shí)，隨著變形量的增加晶粒形狀發(fā)生變化，沿變形方向被拉長或壓扁。當(dāng)拉伸變形量很大時(shí)，晶粒變成細(xì)條狀，金屬中的夾雜物也被拉長，形成所謂纖維組織。

⑵亞結(jié)構(gòu)形成金屬經(jīng)大量的塑性變形后，由于位錯(cuò)密度的增大和位錯(cuò)間的交互作用，使位錯(cuò)分布變得不均勻。大量的位錯(cuò)聚集在局部地區(qū)，并將原晶粒分割成許多位向略有差異的小晶塊，即亞晶粒。

⑶形變織構(gòu)的產(chǎn)生由于塑性變形過程中晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度（70%以上）時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向。擇優(yōu)取向的結(jié)果形成了具有明顯方向性的組織，稱為織構(gòu)。

殘余應(yīng)力:

金屬表層與心部的變形量不同會(huì)形成表層與心部之間的宏觀內(nèi)應(yīng)力；晶粒彼此之間或晶內(nèi)不同區(qū)域之間的變形不均勻會(huì)形成微觀內(nèi)應(yīng)力；因位錯(cuò)等晶格缺陷增多而引起的內(nèi)應(yīng)力稱為晶格畸變內(nèi)應(yīng)力。（4）塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力的危害:(1)降低工件的承載能力

(2)使工件的形狀和尺寸發(fā)生變化

(3)降低工件的耐蝕性

3.3塑性變形金屬在加熱時(shí)組織和性能變化

3.3.1回復(fù)

對(duì)變形后的金屬在較低溫度下進(jìn)行加熱，會(huì)發(fā)生回復(fù)?；貜?fù)不能使金屬的晶粒大小和形態(tài)發(fā)生明顯的變化，故金屬的強(qiáng)度和硬度只略有降低，塑性略有升高。工業(yè)上常利用回復(fù)過程對(duì)變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火，以降低殘余應(yīng)力，保留加工硬化效果

3.3.2再結(jié)晶

1.再結(jié)晶

當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，被拉長及破碎的晶粒通過重新生核、長大，變成新的均勻、細(xì)小的等軸晶粒。這個(gè)過程稱為再結(jié)晶。變形金屬發(fā)生再結(jié)晶后，其強(qiáng)度和硬度明顯降低，塑性和韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象被消除。

2.再結(jié)晶溫度及其影響因素

再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過程，而是發(fā)生在一個(gè)溫度范圍之內(nèi)。能夠進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度。純金屬的再結(jié)晶溫度與該金屬的熔點(diǎn)有如下關(guān)系：式中的溫度單位為絕對(duì)溫度（K）。金屬的熔點(diǎn)越高，其再結(jié)晶溫度也越高。

影響再結(jié)晶溫度的主要因素有以下幾點(diǎn)：⑴金屬的預(yù)先變形程度，金屬的預(yù)先變形程度越大，其晶體缺陷就越多，組織越不穩(wěn)定，因而再結(jié)晶溫度便越低。當(dāng)預(yù)先變形程度達(dá)到一定數(shù)值之后，再結(jié)晶溫度趨于定值。

⑵金屬的純度金屬中存在的微量雜質(zhì)和合金元素，特別是那些高熔點(diǎn)元素，常常會(huì)阻礙原子的擴(kuò)散和遷移，可顯著提高金屬的再結(jié)晶溫度。⑶加熱速度和保溫時(shí)間提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶溫度被推遲到較高溫度下發(fā)生。而保溫時(shí)間越長，再結(jié)晶溫度越低。3.晶粒長大

再結(jié)晶后晶粒的長大受以下幾個(gè)因素的影響：

（1）加熱溫度和時(shí)間的影響

加熱溫度越高，時(shí)間越長，晶粒便越大。

（2）預(yù)先變形程度的影響

當(dāng)變形度達(dá)到2%～10%時(shí)，金屬中變形極不均勻，只有部分晶粒發(fā)生變形，形成的再結(jié)晶晶核少，可以充分長大，從而造成再結(jié)晶后的晶粒特別粗大。使金屬獲得粗大的再結(jié)晶晶粒的變形度稱為臨界變形度。

3.4金屬的熱加工凡在金屬的再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形稱為冷加工；而在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形稱為熱加工。

熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響：1）熱加工提高了金屬的致密度，明顯改善材料的塑性和韌性。

2）熱加工可獲得細(xì)小均勻、等軸的再結(jié)晶晶粒，從而使金屬的力學(xué)性能全面提高。

3）熱加工可使各種可變形的夾雜物會(huì)沿變形方向拉長呈流線分布，也稱纖維組織。熱加工時(shí)應(yīng)力求使流線合理分布。纖維組織不能用熱處理方法消除.

3.5超塑性

某些合金在特定條件下拉伸時(shí)，其伸長率可達(dá)100～1000%，而所需的變形