華中科技大學(xué)工程材料學(xué)課件第06章-金屬材料的塑性變形

1、第五章 金屬材料的塑性變形,概述單晶體金屬的塑性變形多晶體金屬的塑性變形變形后金屬的加熱變化金屬的熱塑性變形,第一節(jié) 概述,塑性加工包括鍛壓、軋制、 擠壓、拉拔、沖壓等方法。 金屬在承受塑性加工時(shí)， 產(chǎn)生塑性變形，這對金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能會產(chǎn)生重要的影響。,(a)軋制         (b)擠壓    

2、;     (c)拉拔        (d)鍛壓        (e)沖壓 壓力加工方法示意圖,第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形,單晶體的塑性變形的基本方式有兩種：滑移和孿生。 一、滑移概念,1、滑移：在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對晶體

3、的另一部分發(fā)生相對滑動的現(xiàn)象。 ●此晶面稱滑移面，此晶向稱滑移方向，通常是晶體中原子排列最緊密的晶面和晶向。 ●在滑移面及滑移方向上的切應(yīng)力達(dá)到一定大?。ㄅR界值），滑移就開始進(jìn)行。,滑移的結(jié)果——出現(xiàn)滑移帶,二、滑移與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系,第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形,滑移發(fā)生的晶面稱為滑移面，通常為晶體的最密排晶面；滑移滑動的方向稱為滑移方向，通常為晶體的最密排方向； 這是由于密排面之間、密排方向之間的原子間距最大，

4、原子間結(jié)合力最弱，因而所需外力最小。2、滑移系 晶體中的一個(gè)滑移面加上此面上的一個(gè)滑移方向合稱一個(gè)滑移系。 滑移系的數(shù)目越多，一個(gè)滑移面上的滑移方向越多，則晶體的塑性越好。金屬材料中 fcc 的塑性最好，bcc次之，hcp最差。,典型晶格的滑移系,,FCC,第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形,6,三、滑移的本質(zhì),1. 滑移只能在切應(yīng)力作用下才會發(fā)生。 正

5、應(yīng)力只能使晶格的距離加大，不能使其移動； 切應(yīng)力可使晶格沿滑移面上發(fā)生滑移。,第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形,滑移方向上的分切應(yīng)力為：,稱為施密特定律。cos?cos?稱為取向因子。超過臨界切應(yīng)力的滑移系，可以滑移?；频耐瑫r(shí)還會發(fā)生轉(zhuǎn)動。,三、滑移的本質(zhì),研究證明，滑移是由于滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動而造成的。圖示例子表示一刃型位錯(cuò)在切應(yīng)力的作用下在滑移面上的運(yùn)動過程，通過一根位錯(cuò)從滑移面的一側(cè)運(yùn)動到另一側(cè)便造成一個(gè)原子間距的

6、滑移。,第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形,2. 滑移的本質(zhì)是位錯(cuò)的運(yùn)動 剛性滑移所需的臨界切應(yīng)力值太大，不可能發(fā)生。實(shí)際金屬滑移所需的切應(yīng)力比理論值低幾個(gè)數(shù)量級。見書上表6-2。,三、滑移的本質(zhì),滑移時(shí)，僅需位錯(cuò)中心附近的極少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的臨界切應(yīng)力便遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整體剛性滑移。,第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形,3. 滑移時(shí)又會產(chǎn)生大量新的位錯(cuò)，即位錯(cuò)增殖。 4. 任何阻礙位錯(cuò)運(yùn)動

7、的因素都使滑移的阻力增大，增加塑性變形的難度，就可以提高金屬材料的強(qiáng)度。 這就是強(qiáng)化金屬的基本原理。,四、孿生（一般了解）,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)生切變的變形過程稱孿生。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。HCP中常見。,第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形,,第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形,多晶體金屬的塑性變形是由許多位向不同的小晶粒共同參與變形而

8、完成的。每個(gè)晶粒可視為單晶體，因而它們的主要變形方式仍為滑移與孿生。,,一、多晶體塑性變形特點(diǎn)1.不均勻的塑性變形過程 各晶粒的滑移系所受分切應(yīng)力的大小不一，達(dá)到臨界值的先后不一，故變形不均勻。,2.晶粒間位向差阻礙滑移 鄰近晶粒之間存在位向差。一個(gè)晶?；茣r(shí)，也要引起周圍的晶?；?，否則就不能保持晶粒間的連續(xù)性。因此，晶粒塑性變形的抗力增大。,,一、多晶體塑性變形特點(diǎn),第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形,3.晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)

9、動 位錯(cuò)運(yùn)動到晶界時(shí)，由于各個(gè)晶粒的位向不同，不能直接從一個(gè)晶粒移動到另一晶粒，便塞積起來；需要更大的外力才能繼續(xù)變形，所以晶界的存在可以提高材料的強(qiáng)度。,二、細(xì)晶粒鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,1、晶粒越細(xì)，則晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動更困難，強(qiáng)度就越高。 Hall-Petch公式： σs =σ0 + Kd –1/22、晶粒越細(xì)，變形分散，晶粒轉(zhuǎn)動的阻力小，晶粒間易于協(xié)調(diào)，產(chǎn)生較均勻的變形，使得應(yīng)力集中小，裂紋不易產(chǎn)

10、生和發(fā) 展，塑性和韌性就越好。,第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形,三、 塑性變形對金屬的影響,第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形,1、對組織結(jié)構(gòu)的影響 ⑴產(chǎn)生纖維組織 晶粒及夾雜物沿變形方向伸長及分布，使縱向力學(xué)性能大于橫向。,,變形前后晶粒形狀變化,變形后晶粒內(nèi)滑移帶增多,晶粒被拉長,,第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形,⑵亞結(jié)構(gòu)細(xì)化 因塑性變形時(shí)的位錯(cuò)運(yùn)動、增殖和其間復(fù)雜的交互作用，位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生位錯(cuò)

11、纏結(jié)，使晶粒碎化成更小的亞晶粒。位錯(cuò)密度的提高將降低了材料的耐腐蝕性。,(3)產(chǎn)生形變織構(gòu)：當(dāng)金屬經(jīng)受大量(70%以上)的一定方向的變形之后,由于晶粒的轉(zhuǎn)動造成晶粒位向趨于一致，形成了“擇優(yōu)取向”，即某一晶面在某個(gè)方向出現(xiàn)的幾率明顯高于其他方向，這種有序化結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。例如低碳鋼經(jīng)高度冷拔后, 其平行于拔絲方向，各晶粒的{100}平行于軋制板面。形變織構(gòu)使金屬材料表現(xiàn)出明顯的各向異性。,第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形,對工程應(yīng)用的影

12、響：大多數(shù)情況下不利，如深沖之后零件的邊緣不齊出現(xiàn)“制耳”現(xiàn)象。但織構(gòu)有時(shí)也能帶來好處，制造變壓器鐵芯的硅鋼片，最易磁化，可大大提高變壓器的效率。,(1)產(chǎn)生加工硬化：隨著塑性變形量的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度顯著提高，而塑性、韌性明顯下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。也叫形變強(qiáng)化或冷變形強(qiáng)化。,第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形,2、對力學(xué)性能的影響,位錯(cuò)密度及其它晶體缺陷的增加是加工硬化的原因,加工硬化的工程意義：加工硬化是強(qiáng)化材料的重要手段，尤

13、其是對于那些不能用熱處理方法強(qiáng)化的金屬材料。例如，在生產(chǎn)中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強(qiáng)度。如何消除——再結(jié)晶退火(后面）,2、對力學(xué)性能的影響,(2)產(chǎn)生殘余應(yīng)力：塑性變形后材料內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力明顯增加，它主要是由于材料在外力作用下內(nèi)部變形不均勻所造成的。,第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形,材料表層和心部變形不均勻或這一部分和那一部分變形不均勻，會造成平衡于它們之間的宏觀內(nèi)應(yīng)力，通常稱為第一類內(nèi)應(yīng)力。相鄰晶粒取向不同引起變形不均勻

14、，或晶內(nèi)不同部位變形不均勻，會造成微觀內(nèi)應(yīng)力，通常稱為第二類內(nèi)應(yīng)力。由于位錯(cuò)等缺陷的增加，會造成晶格畸變，通常也稱為第三類內(nèi)應(yīng)力。 其中，第三類內(nèi)應(yīng)力占絕大部分，這是使變形金屬強(qiáng)化的主要原因。但會使材料，如金屬的耐腐蝕性下降。第一、二類內(nèi)應(yīng)力占的比例不大，但當(dāng)進(jìn)一步加工會打破原有平衡，引起材料的變形；或者和零件使用應(yīng)力發(fā)生疊加，引起材料的破壞。所以一般都要用退火的辦法盡量將其消除。,第四節(jié) 變形后金屬的加熱變化,引言,塑性變形

15、后金屬的狀態(tài) ： 塑性變形后金屬加工硬化且有內(nèi)應(yīng)力殘留，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。加熱促使原子運(yùn)動，引起組織變化來改變性能。,一、塑性變形后的材料加熱轉(zhuǎn)變,隨著加熱的溫度升高，分為三個(gè)階段：回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。它們都是減少或消除結(jié)構(gòu)缺陷的過程。材料的內(nèi)應(yīng)力、晶粒尺寸、強(qiáng)度、塑性等性能也發(fā)生對應(yīng)變化。,第四節(jié) 金屬的熱塑性變形,二、回復(fù),第四節(jié) 金屬的熱塑性變形,回復(fù)是在加熱溫度較低時(shí)，僅因金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位

16、錯(cuò)的遷移而引起的某些晶內(nèi)的變化?；貜?fù)階段一般加熱溫度在T再（約0.4T熔）以下。 只發(fā)生晶格內(nèi)部的變化，變形晶粒外形不變，加工硬化保留，但內(nèi)應(yīng)力下降。 應(yīng)用：去應(yīng)力退火，用于去除冷塑性變形后的殘留應(yīng)力。,三、再結(jié)晶,第四節(jié) 金屬的熱塑性變形,溫度大于T再時(shí)，在位錯(cuò)或其他缺陷等變形嚴(yán)重處形核，消耗周圍發(fā)生過變形的晶體而不斷長大，逐漸形成與原始變形晶粒晶格相同的等軸晶粒，稱為再結(jié)晶。這個(gè)過程也是一個(gè)形核和長大過程。

17、 T再＝0.4Tm（用熱力學(xué)溫度K計(jì)算）,加工硬化、內(nèi)應(yīng)力完全消除。應(yīng)用：再結(jié)晶退火，用于冷壓力加工中的中間退火。,三、再結(jié)晶,第四節(jié) 金屬的熱塑性變形,特點(diǎn),(1)再結(jié)晶過程不是相變。變化前后晶粒成分相同，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，屬于同一個(gè)相。,(2)再結(jié)晶在一定溫度范圍內(nèi)完成。它沒有確定的轉(zhuǎn)變溫度，再結(jié)晶是在溫度達(dá)到一定程度后，原子活動能力增強(qiáng)發(fā)生遷移進(jìn)行晶格位置的重排，溫度愈高，完成愈快，沒有固定溫度，但有

18、一溫度下限，這個(gè)溫度稱為再結(jié)晶開始溫度。,三、再結(jié)晶,第四節(jié) 金屬的熱塑性變形,決定再結(jié)晶溫度的因素有：材料冷變形程度愈大，畸變能越高，向低能量態(tài)轉(zhuǎn)變傾向越強(qiáng)烈，再結(jié)晶開始溫度愈低；金屬純度越低，雜質(zhì)原子多，原子擴(kuò)散困難，再結(jié)晶開始溫度愈高；延長加熱的保溫時(shí)間可以在較低溫度下達(dá)到同樣效果。,四、晶粒長大,第四節(jié) 金屬的熱塑性變形,1.長大動力,晶界的界面能減小是晶粒長大的驅(qū)動力。,2.晶粒的正常長大,在長大過程中，所有能長大晶

19、粒都處在大致相同的環(huán)境，長大后的晶粒大小分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果相同，所以把這種晶粒的均勻長大稱為正常長大。長大方式以大吃小的兼并方式進(jìn)行。晶粒長大的最終結(jié)果是材料的晶粒平均尺寸變大。,3.晶粒的非正常長大,少數(shù)晶粒處在特別優(yōu)越的環(huán)境，這些大量吞食周圍晶粒，迅速長大，這種現(xiàn)象稱為晶粒的異常長大。,晶粒非正常長大圖片,第四節(jié) 金屬的熱塑性變形,(1)預(yù)先變形量：在臨界變形量(不同材料不相同，一般金屬在2-10%之間)以下，材料不發(fā)生再結(jié)晶，維持原來

20、的晶粒尺寸；在臨界變形量附近，只有部分晶粒變形，以致只能形成少量核心并長大，,導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒特別粗大；一般情況隨著變形量的增加，再結(jié)晶后的晶粒尺寸不斷減?。划?dāng)變形量過大(>70%)后，可能產(chǎn)生明顯織構(gòu)，在退火溫度高時(shí)發(fā)生晶粒的異常長大，稱為二次再結(jié)晶。,4. 晶粒長大影響因素,第四節(jié) 金屬的熱塑性變形,(2) 加熱溫度和時(shí)間：其他條件相同時(shí)，加熱溫度高、保溫時(shí)間長，所得到的晶粒尺寸愈大。加熱溫度的影響尤為明顯。 再結(jié)晶退

21、火一般均采用保溫 2小時(shí)，保證再結(jié)晶充分完成而晶粒不過分長大，延長保溫時(shí)間顯然會造成晶粒尺寸的長大。,第四節(jié) 金屬的熱塑性變形,第五節(jié) 金屬的熱塑性變形,一、熱加工與冷加工的區(qū)分 把金屬的塑性變形稱為加工，凡是在其再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行加工變形稱為熱加工，反之在其再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的加工變形稱為冷加工。,例如：鉛的再結(jié)晶溫度在 0℃以下，在室溫下進(jìn)行變形是屬于熱加工，鐵的再結(jié)晶溫度為450℃左右，在400℃進(jìn)行變形仍屬于冷加工,

22、而鎢在1000℃進(jìn)行變形也屬于冷加工。,注意：熱加工和冷加工不是根據(jù)變形時(shí)是否加熱來區(qū)分，而是根據(jù)變形時(shí)的溫度處于再結(jié)晶溫度以上還是以下來劃分的。,,第五節(jié) 金屬的熱塑性變形,一、熱加工與冷加工的區(qū)分,,第五節(jié) 金屬的熱塑性變形,二、熱加工對金屬組織與性能的影響,消除鑄態(tài)金屬的組織缺陷（晶粒粗大、不致密等）。形成熱加工流線 在熱加工時(shí)，僅在一個(gè)方向上變形，如熱軋、拔長等，會造成可變形夾雜物和第二相沿金屬

23、流動方向被拉長，也形成纖維組織(或稱“流線”)。通?？v向的強(qiáng)度、塑性和韌性顯著大于橫向。讓流線與零件的受力方向成合理分布，才能保證或提高零件的質(zhì)量水平。,第五節(jié) 金屬的熱塑性變形,(a) 鍛造曲軸    (b) 切削加工曲軸,強(qiáng)化金屬的基本原理和方法,一、基本原理 提高塑性變形抗力的過程稱為材料的強(qiáng)化。強(qiáng)化的方法就是設(shè)法增大位錯(cuò)運(yùn)動的阻力。二