金屬的塑性加工

金屬的塑性加工一、單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形的基本方式有兩種：滑移和孿生。

滑移

晶體在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發(fā)生滑動。第2頁,共18頁，2024年2月25日，星期天滑移特點：

（1）滑移只能在切應(yīng)力作用下才會發(fā)生，不同金屬產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力(稱滑移臨界切應(yīng)力)大小不同。鎢、鉬、鐵的滑移臨界切應(yīng)力比銅、鋁的要大。（2）滑移是晶體內(nèi)部位錯在切應(yīng)力作用下運動的結(jié)果?；撇⒎鞘蔷w兩部分沿滑移面作整體的相對滑動,而是通過位錯的運動來實現(xiàn)的。（3）由于位錯每移出晶體一次即造成一個原子間距的變形量，因此晶體發(fā)生的總變形量一定是這個方向上的原子間距的整數(shù)倍。(4)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，這是由于密排面之間、密排方向之間的間距最大，結(jié)合力最弱。因此滑移面為該晶體的密排面，滑移方向為該面上的密排方向。（5）滑移時晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動。第3頁,共18頁，2024年2月25日，星期天2孿生

在切應(yīng)力作用下晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面(孿生面)和晶向(孿生方向)發(fā)生切變的變形過程發(fā)生切變、位向改變的這一部分晶體稱為孿晶。孿晶與未變形部分晶體原子分布形成對稱。孿生所需的臨界切應(yīng)力比滑移的大得多。孿生只在滑移很難進(jìn)行的情況下才發(fā)生。

體心立方晶格金屬（如鐵）在室溫或受沖擊時才發(fā)生孿生。

滑移系較少的密排六方晶格金屬如鎂、鋅、鎘等,則比較容易發(fā)生孿生。第4頁,共18頁，2024年2月25日，星期天二、多晶體的塑性變形1.晶界阻礙位錯運動晶界上原子排列不很規(guī)則,阻礙位錯的運動,使變形抗力增大。

金屬晶粒越細(xì)，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強(qiáng)度就越大。2.晶粒分批逐步變形

多晶體中每個晶粒位向不一致。晶粒越細(xì)，金屬的變形越分散，減少了應(yīng)力集中，推遲裂紋形成和發(fā)展，金屬在斷裂前可發(fā)生較大的塑性變形，金屬塑性提高。細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種很重要的強(qiáng)韌化手段。第5頁,共18頁，2024年2月25日，星期天三、塑性變形對金屬組織和性能的影響

1.塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響（1）纖維組織形成、晶粒發(fā)生變形（3）形變織構(gòu)產(chǎn)生：絲結(jié)構(gòu)、板結(jié)構(gòu)（2）亞結(jié)構(gòu)形成第6頁,共18頁，2024年2月25日，星期天2.塑性變形對金屬性能的影響（1）形變強(qiáng)化金屬發(fā)生塑性變形,隨變形度的增大,金屬的強(qiáng)度和硬度顯著提高,塑性和韌性明顯下降。這種現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化，也叫加工硬化。產(chǎn)生加工硬化的原因

1.金屬發(fā)生塑性變形時,位錯密度增加,位錯間的交互作用增強(qiáng),相互纏結(jié),造成位錯運動阻力的增大,引起塑性變形抗力提高。2.另一方面由于晶粒破碎細(xì)化,使強(qiáng)度得以提高。

在生產(chǎn)中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強(qiáng)度。

第7頁,共18頁，2024年2月25日，星期天（2）產(chǎn)生各向異性如沿纖維方向的強(qiáng)度和塑性明顯高于垂直方向的。

用有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時,即由于在不同方向上塑性差別很大,零件的邊緣出現(xiàn)“制耳”。

（4）產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力

由于金屬在發(fā)生塑性變形時，金屬內(nèi)部變形不均勻，位錯、空位等晶體缺陷增多，金屬內(nèi)部會產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。（3）物理、化學(xué)性能變化

塑性變形可影響金屬的物理、化學(xué)性能。如使電阻增大,耐腐蝕性降低。由于纖維組織和形變織構(gòu)的形成,使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。第8頁,共18頁，2024年2月25日，星期天2.3.2塑性變形后的金屬在加熱時組織和性能的變化一、回復(fù)

變形后的金屬在較低溫度進(jìn)行加熱，會發(fā)生回復(fù)過程。T回復(fù)=(0.25～0.3)T熔點

工業(yè)上利用回復(fù)過程對變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火、以降低殘余內(nèi)應(yīng)力，保留加工硬化效果。隨著加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程。第9頁,共18頁，2024年2月25日，星期天二、再結(jié)晶1.再結(jié)晶過程及其對金屬組織、性能的影響變形金屬進(jìn)行再結(jié)晶后，金屬的強(qiáng)度和硬度明顯降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象被消除，此時內(nèi)應(yīng)力全部消失，物理、化學(xué)性能基本上恢復(fù)到變形以前的水平。

再結(jié)晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前、變形后的晶格類型均一樣。2.再結(jié)晶溫度

最低再結(jié)晶溫度與該金屬的熔點有如下關(guān)系：

T再=(0.35～0.4)T熔點

式中的溫度單位為絕對溫度(K)。只適用于純鐵。

第10頁,共18頁，2024年2月25日，星期天最低再結(jié)晶溫度與下列因素有關(guān)：（1）預(yù)先變形度

－－預(yù)先變形度越大,金屬的晶體缺陷就越多,組織越不穩(wěn)定,最低再結(jié)晶溫度也就越低。

（2）金屬的熔點

－－

熔點越高,最低再結(jié)晶溫度也就越高。（3）雜質(zhì)和合金元素

－－由于雜質(zhì)和合金元素特別是高熔點元素,阻礙原子擴(kuò)散和晶界遷移,可顯著提高最低再結(jié)晶溫度。高純度鋁(99.999%)的最低再結(jié)晶溫度為80℃；工業(yè)純鋁(99.0%)的最低再結(jié)晶溫度提高到了290℃。

（4）加熱速度和保溫時間

－－保溫時間越長,再結(jié)晶溫度越低。第11頁,共18頁，2024年2月25日，星期天3.再結(jié)晶后晶粒的晶粒度

（1）加熱溫度

加熱溫度越高,原子擴(kuò)散能力越強(qiáng),則晶界越易遷移,晶粒長大也越快。影響再結(jié)晶退火后晶粒度的主要因素是加熱溫度和預(yù)先變形度。（2）預(yù)先變形度

變形度的影響主要與金屬變形的均勻度有關(guān)。變形越不均勻,再結(jié)晶退火后的晶粒越大。第12頁,共18頁，2024年2月25日，星期天三、晶粒長大再結(jié)晶完成后的晶粒是細(xì)小的,如果加熱溫度過高或保溫時間過長時，晶粒會明顯長大，最后得到粗大晶粒的組織,使金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等機(jī)械性能都顯著降低。

一般情況下晶粒長大是應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生的現(xiàn)象。不均勻的長大過程類似于再結(jié)晶的生核(較大穩(wěn)定亞晶粒生成)和長大(吞食周圍的小亞晶粒)的過程,所以稱為二次再結(jié)晶,它大大降低金屬的機(jī)械性能。第13頁,共18頁，2024年2月25日，星期天2.3.3金屬材料的熱加工與冷加工

金屬塑性變形的加工方法有熱加工和冷加工兩種。一、金屬的熱加工及其對組織、性能的影響

在金屬的再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工稱為熱加工。為了保證熱加工能夠充分進(jìn)行，生產(chǎn)實際中采用的熱加工溫度常常比再結(jié)晶溫度高得多。（1）熱加工能使鑄態(tài)金屬中的氣孔、疏松、微裂紋焊合，提高金屬的致密度；減輕甚至消除樹枝晶偏析和改善夾雜物、第二相的分布等；提高金屬的機(jī)械性能，特別是韌性和塑性。第14頁,共18頁，2024年2月25日，星期天（2）熱加工能打碎鑄態(tài)金屬中的粗大樹枝晶和柱狀晶，并通過再結(jié)晶獲得等軸細(xì)晶粒，而使金屬的機(jī)械性能全面提高。

第15頁,共18頁，2024年2月25日，星期天（3）熱加工能使金屬中殘存的枝晶偏析、可變形夾雜物和第二相沿金屬流動方向被拉長，形成纖維組織(或稱“流線”)，使金屬的機(jī)械性能具有明顯的方向性。因此熱加工時應(yīng)力求工件流線分布合理。鍛造曲軸的流線分布合理，曲軸不易斷裂。

切削加工制成的曲軸流線分布不合理，易沿軸肩發(fā)生斷裂。第16頁,共18頁，2024年2月25日，星期天二、金屬的冷加工及其對組織、性能的影響在金屬的再結(jié)晶溫度以下的塑性變形加工稱為冷加工。

如低碳鋼的冷軋、冷拔、冷沖等。與冷加工前相比，金屬材料的強(qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性下降，即產(chǎn)生加工硬化的現(xiàn)象。加工硬化具有極重要的實際意義。(1)它是一