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1、1,第四章 金属的塑性变形,塑性变形及随后的加热，对金属材料组织和性能有显著的影响。了解塑性变形的本质、塑性变形及加热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺,单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 变形后金属的回复与再结晶金属的热塑性变形,2,第一节 单晶体的塑性变形,一、单晶体纯金属的塑性变形,在应力低于弹性极限e时，材料发生的变形为弹性变形；应力在e到b之间将发生的变形为均匀塑性变形；在b之后将发生颈缩；在K点发生断裂。,弹性变形的实质是：在应力的作用下，材料内部的原子偏离了平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶格发生了伸长(缩短)或歪扭。原子的相邻关系未发生改变，故外力去除
2、后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。,3,单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力（垂直晶面）和切应力（平行晶面）。正应力只能引起弹性变形,当超过原子间结合力时，晶体断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。,塑性变形的实质是：在应力的作用下，材料内部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原子到了另一平衡位置，物体将留下永久变形。,塑性变形,4,滑移是指当应力超过材料的弹性极限后，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。在应力去除后，位移不能恢复，在金属表面留下变形的痕迹,塑性变形的形式：滑移和孪生金属常以滑移方式发生塑性变形,滑移,5,滑移只能在切
3、应力的作用下发生。,1、滑移变形的特点,6,滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。,7,沿其发生滑移的晶面叫做滑移面；沿其发生滑移的晶向叫做滑移方向；它们通常是晶体中的密排面和密排方向。,一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。,滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。,8,FCC,6,金属的塑性：fccbccchp,9,哪个滑移系先滑移？当作用于滑移面上滑移方向的切应力分量c（分切应力）大于等于一定的临界值（临界切应力，决定于原子间结合力），才可进行。,
4、最先达到c的滑移系先开始滑移滑移时,10,滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。,铜拉伸试样表面滑移带,11,滑移的同时伴随着晶体的转动。,转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶.,12,韧性断口,13,把滑移设想为刚性整体滑动滑移面上每一个原子都同时移到另一个平衡位置，外加的切应力必须同时克服滑移面上所有原子间的结合力。所需理论临界切应力值比实际测量值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。,2、滑移的机理,14,刃位错的运动,滑移过程中会生成许多位错：塑性变形量增加，晶体中位错
5、密度增大,晶体通过位错运动产生滑移时，只需要在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。,15,孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变，发生在滑移系较少或滑移受限制情况下。,发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。,孪生,16,孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。,孪生示意图,17,孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近声速;孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距（滑移是原子间距的整数倍）。,与滑移相比：,密排六方晶格金属：滑移系少，常以孪生方式变
6、形。体心立方晶格金属：只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属：一般不发生孪生变形。,18,单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形更复杂。,二、多晶体纯金属的塑性变形,多晶体是由众多取向不一的单晶体组成。在某一单向外力作用下各晶体的滑移面上的分切应力不同，只有一些达到临界切应力的滑移系才发生滑移。由于晶体之间的相互制约，首先滑移的晶体会引起自身或相邻晶体的转动，从而使原来启动的滑移系偏离最大切应力方向，而停止滑移。另一些原来不能启动的滑移系开动，进而使整个晶体的塑性变形协调发展。,晶粒所处的位向为易滑移的位向称为“软位向”反之谓“硬位向”。先发生于软位向晶粒，然后到硬位向。,1、不
7、均匀的塑性变形,19,由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。,这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。,2、晶粒位向差阻碍滑移,20,当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的变形抗力提高。,3、晶界的影响,21,晶界对塑性变形的影响,Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积,22,晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高，另外
8、，一定的变形量由更多晶粒分散承担，不会造成局部的应力集中，使在断裂前发生较大的塑性变形，强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也较好。,晶粒大小对塑性变形的影响,23,三、塑性变形对组织、性能的影响,1、对组织结构的影响,1）、组织纤维化（晶粒变形）：随着塑性变形量增大，原来的等轴晶相应地被拉长或压扁，形成长条状或纤维状，使材料产生各向异性。,24,2）、亚晶粒的增多：变形前，位错分布均匀。塑性变形伴随着大量位错产生，由于位错运动和相互间交互作用，并使晶粒“碎化”成许多位向略有差异的亚晶块（或称亚晶粒）。亚晶粒间界是由位错堆积而成的。,3、产生织构：金属中的晶粒的取向一般是无
9、规则的随机排列，尽管每个晶粒是各向异性的，宏观性能表现出各向同性。当金属经受大量(70%以上)的一定方向的变形之后,由于晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致，形成了“择优取向”，即某一晶面（晶向）在某个方向出现的几率明显高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构，它使金属材料表现出明显的各向异性。,25,由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。,形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐、厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。,26,Small angle grain boun
10、dary,27,1）加工硬化,随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。,2.对力学性能的影响,28,1、随变形量增加,位错密度增加.,产生加工硬化的原因,29,位错密度与强度关系,由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加，塑性降，强度、硬度升高.,30,2.随变形量增加，亚结构细化；3.随变形量增加，空位密度增加；4.几何硬化：由晶粒转动引起。,加工硬化使已变形部分发生硬化而停止变形，而未变形部分开始变形。没有加工硬化，金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。,31,3、残余内应力,内应
11、力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,内部变形不均匀而引起的。,晶界位错塞积所引起的应力集中,金属发生塑性变形时，外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中。,32,第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。,内应力的存在，使金属耐蚀性下降；引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。,第一类内应力平衡于表面与心部之间(宏观内应力)。第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间(微观内应力)。第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。,33,四、变形后金属的加热变化(回
12、复与再结晶),引言,金属塑性变形后，出现晶粒拉长，位错增多，内应力升高等现象，他们会引起材料体系能量提高，处于一个高能亚稳态，有向低能态转变的倾向。在加热过程中，形变了的材料会发生回复、再结晶和晶粒长大三个过程，如右图所示。,回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。相应地,材料的结构和性能也发生对应变化。,加热促使转变进行,34,1、回复,1）、回复概念,经冷加工的材料在较低的温度保温，这时材料发生点缺陷消失，位错重排，应力下降的过程为回复。利用回复现象将冷变形金属进行低温加热，既可稳定组织又保留了加工硬化效果的方法为去应力退火,2）、回复引起材料组织和性能变化,l宏观应力
13、（第一类应力）基本消除，但微观应力（第二、第三类）仍然残存。l 力学性质，如强度、硬度（略下降）和塑性（略升高）没有明显变化。,35,当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，在亚晶界或晶界处形成了新的结晶核心，并不断以等轴晶形式生长，取代被拉长及破碎的旧晶粒，这一过程称为再结晶。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。,2.再结晶,36,再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。核心出现在位错聚集的地方，原子能量最高，最不稳定。它只是一个形态上的变化。新晶粒中缺陷减少，内应力消失了。,37,由于
14、再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。,38,再结晶温度,再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。,39,T再与的关系,金属预先变形程度越大,再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。,纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系:T再0.4T熔其中T再、T熔为绝对温度.,如Fe：T再=(1538+273)0.4273=451,影响再结晶温度的因素,1）、金属的预先变形程度,40,金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素，起阻碍扩散和晶界迁移作用
15、，使再结晶温度显著提高。,2）、金属的纯度,41,3）、再结晶加热速度和加热时间,提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生；延长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低。生产中把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度高100200。,42,再结晶完成后，若继续升高温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。,3.晶粒长大,43,1长大驱动力,再结晶完成后，金属获得均匀细小的晶粒，但有长大的趋势，因为长大有利于减少界面，降低界面能。这种自由能的降低即为晶粒长大的驱动力。,2正常长大和非正常长大,正常长大：再结晶晶粒均匀长大。方式：相互兼并，组织均匀。非正常长大
16、：一些晶粒迅速长大，并吞并临近小晶粒，造成组织不均匀。,晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。,44,加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。,再结晶退火温度对晶粒度的影响,1、加热温度和保温时间,影响因素,45,预先变形度对再结晶晶粒度的影响,2、预先变形量,当变形量达到210%时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大，再结晶后晶粒特别粗大，这个变形量称临界变形量。,预先变形量的影响，实质是变形均匀程度的影响。,当变形量很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。,46,当超过临界变形量后，随变形程度增加，变形越
17、来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。,对某些金属，当变形量相当大(90%)时，再结晶后晶粒又重新出现粗化现象，一般认为这与形成织构有关。,47,五、金属的热加工,1、冷加工与热加工的区别,在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。,48,热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。,巨型自由锻件,区别 冷加工：加工硬化，晶粒变形 热加工：加工硬化和再结晶过程同时发生，加工硬化消失,为什么进行热加工 金属材料的强度和硬度会随温
18、度的上升而下降，塑性会随温度的升高而升高，因此在较高的温度下进行塑性变形，材料的抗力小，易成型。,49,2.热加工对金属组织和性能的影响,1）热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或拄状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。,50,它使钢产生各向异性，在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。,滚压成型后螺纹内部的纤维分布,吊钩中的纤维组织,2）形成热加工流线。热加工过程中，各种可变形的夹杂物会沿形变方向拉长，呈流线分布，从而造成各向异性。在流线方向，性能较好，而在垂直于流线方向上性能相对较差。有这种流线体型的组织称纤维组织。,51,热加工能量
19、消耗小，但钢材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。,蒸汽-空气锤,52,3、金属的强化,一、基本原理由于塑性变形的本质是位错的滑移。因此，提高强度就是设法阻止位错运动。主要有以下几种途径：,1、细晶强化 细化晶粒 依靠晶界阻止位错运动。晶粒愈小，强度愈高。强度s=0+Kd-1/2 0：位错在晶内运动的总阻力K：常数，表征晶界对变形的影响，与晶界结构有关,提高塑性变形抗力的过程绝大多数零件不允许产生塑性变形。在给定外加载荷的条件下，零件是否发生塑性变形，取决于截面大小及材料的屈服强度,53,2、固溶
20、强化 形成固溶体 由于溶质原子与溶剂原子在尺寸和性质上的不同，固溶原子引起晶格畸变，产生应力场阻止位错运动。产生固溶强化的原因，是由于溶质原子与位错相互作用的结果，溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被吸附在位错附近，使位错被钉扎住，位错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高,54,4、弥散强化在基体中形成弥散分布的第二相质点，阻碍位错运动。有时称为沉淀强化。第二相：固溶析出相 复合材料中的添加物,3、加工硬化进行冷加工，使材料位错密度增加，发生缠结，阻碍位错运动。,55,当第二相在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利；,珠光体,当第二相在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性；,56,当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切割，因而阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。,颗粒钉扎作用的电镜照片,57,
