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1、工 程 材 料,主讲教师:王亚男,2023/3/29,2,第4章 金属的塑性变形与再结晶,4.1 单晶体的塑性变形4.2 多晶体的塑性变形4.3 合金的塑性变形4.4 塑性变形对金属组织与性能的影响4.5 回复与再结晶4.6 金属的热加工小结思考题,2023/3/29,3,4.1 单晶体金属的塑性变形,1.滑移 在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶面（滑移面）和一定晶向（滑移方向）相对另一部分发生相对位移的现象。,在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过滑移、孪生等方式进行。,2023/3/29,4,外力作用下晶体滑移示意图（微观）,滑移变形的特点：,2023/3/29,5,（1）滑移只能在
2、切应力的作用下发生,不是有切应力作用就能产生滑移，只有在滑移面上沿滑移方向的分切应力达到一定值时，才能发生滑移。能引起滑移的最小分切应力称为临界分切应力，用k表示。以单晶体拉伸为例，求k？,面法向,滑移方向,F,F,A,A/cos,计算分切应力分析图,设单晶体中只有一组滑移面,试样横截面积为A,轴心拉力为F,滑移面的法线与F夹角为,滑移方向与F的夹角为,滑移面面积AA/cos.,2023/3/29,6,外力在滑移面上沿滑移方向的切向分力为：FFcos外力在滑移方向上的分切应力：=F/A=Fcos/(A/cos)=Fcoscos/A F/A，当滑移系中的分切应力达到其临界分切应力值而开始滑移时，
3、S，此时k，所以 kScoscos coscos称为取向因子。,2023/3/29,7,见图镁单晶拉伸时屈服应力与晶体取向的关系。由图可见：当外力与滑移面平行（90）或垂直（90）时，取向因子最小，S为无限大，不可能产生滑移，此时的位向称为硬位向；当外力与滑移面和滑移方向的夹角都接近45时，取向因子最大，S最小，容易产生滑移，此时的位向称为软位向。,2023/3/29,8,屈服应力与晶体取向的关系,2023/3/29,9,（2）滑移沿密排面和密排方向发生,见图4-3，密排面间距最大，结合力最弱，滑移需切应力最小。密排面为滑移面，密排方向为滑移方向。一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来称为一个
4、滑移系。可用hkl来表示。,1 1,1 1,(110),0 1,10,(111),BCC1106 2滑移系数6212,FCC1114 3滑移系数4312,1 0,2023/3/29,10,判断下列晶面及晶向是否构成滑移系？并说明原因。BCC中(110)111、。FCC中(111)110、。,FCC,BCC,2023/3/29,11,实验表明：滑移系越多，滑移越容易，塑性越好。BCC与FCC的滑移系数相同，但滑移方向对塑性变形的作用比滑移面大，所以FCC的塑性比BCC的塑性好。如Cu的塑性比-Fe好。,可知，构成滑移系必须满足两条：1)必须是密排面和密排方向；2)向一定在面上。,2023/3/2
5、9,12,2023/3/29,13,（3）滑移量是滑移方向上原子间距的整数倍，滑移后，在晶体表面形成台阶，见图4-4。,滑移线（小台阶）滑移量 滑移块 滑移带（一组小台阶）,2023/3/29,14,由于晶体的转动，使原来有利于滑移的晶面滑移到一定程度后，变成不利于滑移的晶面；而原来不利于滑移的晶面，则可能转到有利于滑移的方向上，参与滑移。所以，滑移可在不同的滑移系上交替进行，其结果造成晶体的均匀变形。,（4）滑移时伴随着晶体的转动,单晶体滑移时，转动有两种：一是滑移面向外力轴方向转动，二是滑移方向向最大切应力方向转动，见图1和图2。,拉伸时，晶体转动力求使滑移系转到与力轴平行的方向；,压缩时
6、，晶体转动力求使滑移系转到与力轴垂直的方向。,2023/3/29,15,2023/3/29,16,2023/3/29,17,（5）滑移是通过位错运动实现的,晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是借助位错在滑移面上的运动来逐步进行的。当移动到晶体外表面时，晶体沿其滑移面产生了位移量为一个b的滑移。,2023/3/29,18,滑移的位错机制,2023/3/29,19,完整晶体,2.孪生,在切应力作用下，晶体的一部分以一定的晶面(孪生面)为对称面和一定的晶向(孪生方向)与另一部分发生相对切变的现象。,孪生,2023/3/29,20,1)点阵类型不变但晶体位向发生变化，
7、呈镜面对称；2)孪生是一种均匀切变，每层原子面的位移量与该原子面到孪生面的距离成正比，其相邻原子面的相对位移量相等，且小于一个原子间距，即孪生时切变量是原子间距的分数倍；3)孪生变形速度很快，接近声速。,滑移与孪生的区别：,孪生的特点：,2023/3/29,21,2.晶粒在变形中的作用 多晶体的屈服强度S与晶粒平均直径d的关系可用著名的霍尔佩奇（Hall-Petch）公式表示：soKd-1/2 式中，o反映晶内对变形的阻力，相当于单晶体的屈服强度；K反映晶界对变形的影响系数，与晶界结构有关。,1.晶界在变形中的作用 主要作用是提高变形抗力。见图4-12竹节状变形。,4.2 多晶体金属的塑性变形
8、,2023/3/29,22,由此可知：Sd-1/2 即d，S，细晶强化。实验表明：晶粒越细，不仅强度高，而且塑韧性也好。强度高，是因为晶粒细，单位面积上的晶粒数多，晶界的总面积大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数多，对塑性变形的抗力大；塑韧性好，是因为晶粒细，单位体积中的晶粒数越多，变形可在更多的晶粒中发生，且比较均匀，减少了应力集中，使金属发生很大的塑性变形也不断裂。,2023/3/29,23,多晶体是由单晶体组成的，在同样的外力作用下，不同晶粒滑移系上的切应力不一样，处于软位向的首先开始滑移，如：A晶粒，它周围的晶粒B、C处于硬位向，未发生塑性变形，只能以弹性变形来协调已变形晶粒A，因而限制了
9、A晶粒的继续发展。,3.多晶体金属的塑性变形过程,2023/3/29,24,当外力进一步增加时，位错在A晶粒晶界附近堆积，这样就产生了应力集中，达到一定程度时，变形就会越过晶界，传到它附近的晶粒B、C中，A晶粒也可能发生转动，转到硬位向，不再继续变形，另一批B、C晶粒开始发生变形。,2023/3/29,25,总之，多晶体塑性变形总是一批一批晶粒逐步地发生，从少量晶粒开始逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形。,特点：,各晶粒变形具有不同时性；,各晶粒变形具有相互协调性。,2023/3/29,26,1.单相固溶体合金的塑性变形,溶质原子对合金塑性变形的影响主要表现在固溶强化作
10、用上。固溶强化：溶质原子的存在及其固溶度的增加，使基体金属的变形抗力提高。,4.3 合金的塑性变形,合金是在纯金属的基础上又加入其它元素，使相结构发生了变化，也改变了基体金属的变形抗力，使强度、硬度提高，塑性、韧性降低。,2023/3/29,27,2.多相合金的塑性变形,多相合金与单相固溶体合金的不同之处是除基体相外，还有第二相存在，第二相的数量、尺寸、形状和分布不同，使多相合金的塑性变形更加复杂。,(1)脆的第二相呈不连续的网状分布在晶界上，使塑性、韧性大大降低。,(2)第二相在晶粒内部呈片层状分布，使其强度、硬度比基体金属要高得多，使塑性、韧性下降。,2023/3/29,28,(3)第二相
11、在晶粒内呈弥散点状分布，使硬度和强度大大提高，对塑性、韧性影响不大，这是最有利的分布，这种由于第二相呈点状弥散分布在基体内，使其强度、硬度明显升高的现象叫弥散强化。第二相粒子的强化作用是通过其对位错运动的阻碍作用而表现出来的。,2023/3/29,29,4.4 塑性变形对金属组织与性能的影响,1.显微组织的变化,随着变形量的增加，原来的等轴晶粒将逐渐沿其变形方向伸长，出现各向异性。(见图4-13a-c),2.亚结构的变化,经一定量的塑性变形后，晶体中的位错线通过运动与交互作用，形成位错缠结，进一步增加变形量时，大量位错发生聚集，并由缠结的位错组态变成胞状亚结构(见图4-13d)，随着变形量的增
12、加，变形胞的数量增多，尺寸减小。,2023/3/29,30,3.形变织构,由于变形而使晶粒具有择优取向的组织，称为形变织构。有两种类型：拔丝时形成的织构称为丝织构，其主要特征为各晶粒的某一晶向趋于平行于拉拔方向。轧板时形成的织构称为板织构，其主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向分别趋于平行轧制面和轧制方向。,形成织构引起各向异性。织构有有利的一面，也有有害的一面。如生产上可利用织构提高硅钢片某一方向的导磁率；在冲压薄板件时，它会带来不均匀的塑性变形，而产生“制耳”现象(见图4-15)，这是不希望产生的。,2023/3/29,32,4.性能的变化,产生加工硬化即金属材料经冷加工变形后，强度、硬度显著
13、提高，而塑性、韧性下降的现象。产生原因：变形量不大时，晶界附近产生位错堆积；随变形量增加，位错之间产生交互作用，出现缠结现象，使晶粒破碎成为亚晶粒；变形越大，晶粒越碎，亚晶界增多，位错密度增大，变形抗力增大，表现出：强度、硬度升高，塑性、韧性降低，即产生了加工硬化。,2023/3/29,33,加工硬化是强化材料的一种主要手段。如拖拉机的履带，铁路的道叉等都是利用加工硬化来提高硬度及耐磨性的。但有时也会使进一步加工带来困难。如钢板冷轧、钢丝冷拔等过程中，需要安排中间退火工艺，消除加工硬化。其它性能也有变化，如电阻率增高，电阻温度系数下降，磁导率下降，腐蚀速度加快等。,2023/3/29,34,5
14、.残余应力,残余应力是一种内应力，在工件中处于自相平衡状态，其产生是由于工件内部各区域变形不均匀及相互间的牵制作用所致。P68,（1）宏观残余应力：是工件不同部分的宏观变形不均引起的。,（2）微观残余应力：是晶粒或亚晶粒之间的变形不均产生的。,（3）点阵畸变应力：是工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。,内应力的产生，使材料变脆，耐蚀性降低。,2023/3/29,35,4.5 回复与再结晶,金属和合金经塑性变形后，由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能的升高将使其处于热力学不稳定的高自由能状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势，但在室温下，因温度低
15、，原子活动能力小，恢复很慢，一旦受热，温度较高时，原子扩散能力提高，组织、性能会发生一系列变化。,2023/3/29,36,4.5.1 冷变形金属在加热时组织和性能的变化,分为三个阶段:,回复：指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。在此阶段，组织：由于不发生大角度晶界的迁移，晶粒的形状和大小与变形态相同，仍为纤维状或扁平状。性能：强度与塑性变化很小，内应力、电阻明显下降。,R,2023/3/29,37,再结晶：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程。在此阶段，组织：首先在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改组为新
16、的、无畸变的细等轴晶粒为止。性能：强度与硬度明显下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢复到变形前的程度。,2023/3/29,38,2023/3/29,39,晶粒长大：指再结晶结束之后晶粒的继续长大。在此阶段，在晶界表面能的驱动下，新晶粒相互吞食而长大，最后得到较稳定尺寸的晶粒。回复、再结晶过程的组织变化见图4-17。P69,2023/3/29,40,4.5.2 再结晶温度及其影响因素,再结晶温度:冷变形金属开始进行再结晶的 最低温度称为再结晶温度。,对纯金属：T再0.4T熔（K）K 273,一般再结晶退火温度比T再要高出100200，目的：消除加工硬化现象。,如：Fe：T熔1538 T再0
17、.4(1538273)273451.4,2023/3/29,41,T再,变形度,影响再结晶温度的因素有：,(1)变形程度：随冷变形程度增加，储能增多，再结晶的驱动力增大，再结晶容易发生，再结晶温度低。当变形量达到一定程度，T再趋于一定值，见图4-18。,2023/3/29,42,(2)微量溶质原子：微量溶质原子可显著提高T再，原因是溶质原子与位错和晶界间存在着交互作用，使溶质原子在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移与攀移和晶界的迁移起阻碍作用，不利于再结晶的形核和长大，阻碍再结晶过程，因而使T再提高。,(5)再结晶退火工艺参数：加热速度过慢或极快，均使T再升高（过慢有足够的时间回复，点阵畸变度降低
18、，储能减小，使再结晶驱动力减小，T再升高；极快因各温度下停留时间过短而来不及形核与长大，使T再升高）。保温时间越长，T再越低。,2023/3/29,43,4.5.3 再结晶后的晶粒大小,再结晶后的晶粒大小d取决于形核率N和长大速率G，它们之间有下列关系：d=C(G/N)1/4 C为系数可见：N，G，d。即凡影响N、G的因素，均影响再结晶后的晶粒大小。,影响再结晶后晶粒大小的因素:,2023/3/29,44,（1）变形度：,当变形程度很小时，晶粒大小没有变化，因为变形量过小，造成的储存能不足以驱动再结晶。当变形量达到一定值时，再结晶后的晶粒特别粗大，把这个变形量称为“临界变形量”，一般金属的临界
19、变形量为210。因为金属在临界变形量下，只部分晶粒破碎，大部分晶粒未破碎，此时，晶粒不均匀程度很大，最易大晶粒吞并小晶粒，故晶粒很容易粗化。当变形量大于临界变形量之后，再结晶后晶粒细化，且变形量越大，晶粒越细化。因为变形量越大，驱动形核和长大的储存能不断增加大，且形核率增大较快，使G/N变小，因此细化。,2023/3/29,45,（2）退火温度：提高退火温度，使再结晶速度加快，晶粒长大。,（3）合金元素和不熔杂质：越多，会阻碍再结晶晶粒长大，则再结晶晶粒越细小。,（4）加热速度：越快，再结晶温度越高，推迟再结晶形核和长大过程，所以再结晶晶粒细小。,2023/3/29,46,4.6 金属的热加工
20、,1.冷热加工的划分,小于再结晶温度的加工称为冷加工；大于再结晶温度的加工称为热加工。,例如：（1）钨（W）在1100加工，锡（Sn）在室温下加工变形，各为何种加工？（钨的熔点为3410，锡的熔点为232）经计算：T钨再1200，T锡再71所以，钨为冷加工，锡为热加工。,2023/3/29,47,热加工过程中，在金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。,（2）在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又向最初一样柔软，这是什么原因？（铅的熔点为327.5）经计算：T铅再33所以，室温下弯折属于热加工，消除了加工硬化。,2023/3/29,48,2.热加工对
21、金属组织及性能的影响,(1)热加工对室温力学性能的影响,热加工可使气孔、疏松焊合，提高致密度；,热加工可消除或减轻铸锭组织、成分不均匀性；,热加工可使粗大组织破碎并均匀分布，细化晶 粒。所以，热加工可提高力学性能。,2023/3/29,49,(2)热加工材料的组织特征1)形成“流线”，出现各向异性,夹杂物一般沿晶界分布，热加工时，晶粒变形，夹杂物也变形，晶粒发生再结晶形成等轴晶粒，而夹杂仍沿变形方向呈纤维状分布，这种夹杂的分布叫“流线”。出现流线使性能出现明显的各向异性，因此热加工时应力求使工件具有合理的流线分布，见图4-21。,2023/3/29,52,2)形成“带状组织”,热加工不当，亚共
22、析钢中的F与P会呈层状分布，在层与层之间还有一些被拉长的夹杂物，这种层状分布的组织称为“带状组织”，见图4-22。带状组织具有严重的各向异性，使性能变坏。严重时报废，轻微时用扩散退火或正火消除。,防止方法：,不在两相区变形；,减少夹杂元素含量。,2023/3/29,53,2023/3/29,54,小 结,1.概念 滑移，滑移系，孪生，固溶强化，弥散强化，加工硬化，变形织构，冷加工，热加工。2.单晶体塑性变形：变形方式，产生条件；滑移系判定；滑移与孪生区别。3.多晶体塑性变形：晶界作用；晶粒越细，不仅强度高，且塑韧性好？多晶体塑性变形特点？,2023/3/29,55,4.合金塑性变形：单相固溶体
23、合金：溶质原子固溶强化；多相合金：第二相弥散强化。5.塑性变形对金属的组织和性能的影响：5点。6.冷变形金属在加热时组织和性能的变化 再结晶温度：T再0.4T熔（K）再结晶退火温度：T再(100200)影响再结晶后晶粒大小的因素：4点。7.金属的热加工 判断冷热加工；热加工对金属组织和性能的影响。,2023/3/29,56,思考题,1.为什么在常温下晶粒越细，不仅强度高，而且塑性、韧性也好 2.简述塑性变形对材料的组织和性能的影响。3.简述滑移与孪生的异同点。4.简述常温下单晶体塑性变形的主要方式，并说明其产生条件。5.冷变形金属在加热时组织和性能有何变化？6.计算纯铁的最低再结晶温度，指出纯铁在400加工时，属于何种加工？并估计其再结晶退火温度。,
