工程材料學(xué)5變形與再結(jié)晶1

1、第四章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶,塑性變形及隨后的加熱對(duì)金屬材料組織和性能有顯著的影響。了解塑性變形的本質(zhì),塑性變形及加熱時(shí)組織的變化，有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，正確確定加工工藝。,第一節(jié) 純金屬的塑性變形,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解理斷裂。切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。,一、單晶體金屬的塑性變形,解理斷裂：是金屬在正應(yīng)力作用下，由于原子結(jié)合鍵破壞而造成的沿一定的晶體學(xué)

2、平面（即解理面）快速分離的過(guò)程，是一種脆性斷裂。,（一） 滑移 滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。,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。,1、滑移變形的特點(diǎn) ： ⑴ 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力.,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(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑

3、移所需切應(yīng)力最小。,沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。,圖4-3 面心立方晶格金屬中不同晶面的面間距,一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。,滑移系數(shù)目↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑,（滑移方向的作用大于滑移面的作用）因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格, 體心立方晶格好于密排六方晶格。,⑶滑移時(shí)，晶體兩部分的相對(duì)位移量是原子間距的整數(shù)倍.滑移的結(jié)果在晶體表面

4、形成臺(tái)階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個(gè)滑移帶。,⑷ 滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)有兩種：滑移面上滑移方向向最大切應(yīng)力方向（450）轉(zhuǎn)動(dòng)?；泼嫦蛲饬S方向轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)原因：晶體滑移后使正應(yīng)力分量σn、σn`和切應(yīng)力分量τb、τb`組成了力偶,當(dāng)滑移面、滑移方向與外力方向都呈45°角時(shí)，滑移方向上切應(yīng)力τs、τs`最大，因而最容易發(fā)生滑移.滑移后, 滑移面兩側(cè)晶體的位向關(guān)系未發(fā)生變化。,A0,(5)滑移是通過(guò)滑移面上位

5、錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。滑移的機(jī)理把滑移設(shè)想為剛性整體滑動(dòng)所需的理論臨界切應(yīng)力值比實(shí)際測(cè)量臨界切應(yīng)力值大3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。,刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),㈡ 孿生孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。,圖4-9 孿生變形示意圖,發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面。孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱。,孿晶組織,孿生示意圖,與滑移相比：孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多, 變形速度極快

6、, 接近聲速;孿生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距.,在常見(jiàn)的晶格類型中，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，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，這是由于相變過(guò)程中原子重新排列時(shí)發(fā)生錯(cuò)排而產(chǎn)生的，稱退火孿晶。,二、多晶體金屬的塑性變形,單個(gè)晶粒變形與單晶體相似,多晶體變形比單晶體復(fù)雜。㈠晶界及晶粒位向差的影響,1、晶界的影響當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到

7、晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來(lái),稱位錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行, 則必須增加外力, 從而使金屬的變形抗力提高。,晶界對(duì)塑性變形的影響,Cu-4.5Al合金晶界的位錯(cuò)塞積,2、晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，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(lái)與之協(xié)調(diào)。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。,㈡ 多晶體金

8、屬的塑性變形過(guò)程多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45°的晶粒。當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰晶粒中原來(lái)處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開動(dòng)，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。,1）金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。因?yàn)榻饘倬ЯＴ郊?xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。,晶

9、粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度關(guān)系,㈢ 晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響,因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加，金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。,通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法稱細(xì)晶強(qiáng)化。,2）金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高,第二節(jié) 合金的塑性變形與強(qiáng)化,根據(jù)組織分為單相固溶體和多相混合物兩種.合金元素的存在，使合金的變形

10、與純金屬顯著不同.,,,一、單相固溶體合金的塑性變形與固溶強(qiáng)化單相固溶體合金組織與純金屬相同，其塑性變形過(guò)程也與多晶體純金屬相似。但隨溶質(zhì)含量↑，固溶體的強(qiáng)度↑、硬度↑，塑性↓、韌性↓，稱固溶強(qiáng)化。,產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因：是由于溶質(zhì)原子與位錯(cuò)相互作用的結(jié)果，溶質(zhì)原子不僅使晶格發(fā)生畸變，而且易被吸附在位錯(cuò)附近形成柯氏氣團(tuán)，使位錯(cuò)被釘扎住，位錯(cuò)要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高.,Cu-Ni合金成分與性能關(guān)系,二、多相合金的塑性變

11、形與彌散強(qiáng)化當(dāng)合金的組織由多相混合物組成時(shí)，合金的塑性變形除與合金基體的性質(zhì)有關(guān)外，還與第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。,?+?鈦合金(固溶體第二相),第二相在晶體呈網(wǎng)狀公布，對(duì)合金的強(qiáng)度和韌性不利； 當(dāng)在晶體內(nèi)呈片狀頒布時(shí)，可提高強(qiáng)度和硬度，但降低塑性和韌性。,當(dāng)在晶內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時(shí)，第二相顆粒越細(xì)，分布越均勻，合金的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性略有下降，這種強(qiáng)化方法稱彌散強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化。彌散強(qiáng)化的原因是由

12、于硬的顆粒不易被切變，因而阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了變形抗力。,顆粒釘扎作用的電鏡照片,第三節(jié) 塑性變形對(duì)組織和性能的影響,一、塑性變形對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響 金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長(zhǎng)或壓扁。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀，晶界變得模糊不清。,塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒，圖4-13工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化。,工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化,圖4-13 工業(yè)純鐵在朔性變形后的組

13、織變化,由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度（>70%）時(shí)，會(huì)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(gòu)或擇優(yōu)取向,如圖4-14。,形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時(shí)，易產(chǎn)生“制“耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻?？棙?gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率,軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象,二、加工硬化（塑性變形對(duì)金屬性能的影響）,隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。,冷塑性變形與性能關(guān)系,產(chǎn)

14、生加工硬化的原因是:1、隨變形量增加, 位錯(cuò)密度增加，由于位錯(cuò)之間的交互作用(堆積、纏結(jié))，使變形抗力增加. 2. 隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化3. 隨變形量增加, 空位密度增加4. 幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)引起,由于加工硬化存在, 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(méi)有加工硬化, 金屬就不會(huì)發(fā)生均勻塑性變形。加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，對(duì)于不能熱處理強(qiáng)化的金屬和合金更為重要。合金尤為重要。,三、殘余內(nèi)應(yīng)力

15、,內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力時(shí), 內(nèi)部變形不均勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時(shí),外力所做的功只有10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中. 內(nèi)應(yīng)力分為三類：第一類內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間 (宏觀內(nèi)應(yīng)力)。使金屬?gòu)?qiáng)度降低。第二類內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間, (微觀內(nèi)應(yīng)力)。使金屬?gòu)?qiáng)度降低。第三類內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。使金屬?gòu)?qiáng)度增高,內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降；引起零件加工、淬火過(guò)程中的變形