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1、第三章 金属压力加工的金属学基础,潘成刚 主讲,第3章 金属压力加工的金属学基础,第一节 金属的塑性变形机构第二节 加工过程中的硬化和软化第三节 金属的冷变形和热变形第四节 金属的塑性,第一节 金属的塑性变形机构,金属一般由无数个单晶体构成的多晶体，要了解多晶体的塑性变形性质，必须先了解单个晶粒或单晶粒的塑性变形机构。单晶体塑性变形 其塑性变形的最主要方式是滑移。,单晶体的塑性变形方式：1.滑移 滑移系 2.孪生,滑移,滑移：晶体在外力作用下，其中一部分沿着一定晶面（原子密排晶面）和这个晶面上的一定晶向（原子密排晶向）对其另一部分产生的相对滑移，此晶面为滑移面，此晶向称为滑移方向。滑移时原子移
2、动的距离是原子间距的整数倍，滑移后晶体各部分的位向仍然一致。滑移结果：使大量原子逐步地从一个稳定位置移动到另一个稳定位置，晶体产生宏观的塑性变形。,滑移系,滑移面与滑移方向数值的乘积称为滑移系。若使晶体产生滑移只有在作用于滑移面及其滑移方向上的剪应力达到一定数值时才开始开始滑移时作用于滑移方向上的剪应力为临界应力。,作用在横断面F0上的正应力 为作用在滑移面上，沿作用力P方向的应力为作用在滑移面上，沿滑移方向的分切应力为当外力P与滑移面和滑移方向都成45o角时，,临界切应力,其大小与晶体的化学成分、杂质含量、变形温度、变形速度、预先变形程度等因素有关化学成分中两组元在固态互溶的合金中，溶质元素
3、量增大时，合金的临界切应力增大；金属中含有杂质时，临界切应力增大。温度升高，临界切应力降低。预先的塑性变形使临界应力升高。,二、多晶体的塑性变形,多晶体是由许多微小的单个晶粒杂乱组合而成其组织结构上特点：各个晶粒形状和大小是不同的，化学成分和力学性能也不均匀；而各相邻晶粒的取向一般是不一样的；多晶粒中存在大量晶界，晶界的结构和性 质与晶粒本身不同，晶界上聚集着杂质。,晶内变形（低温）：滑移和孪生 晶间变形（高温）：晶粒间的相对滑动和转动。,晶界对塑性变形的影响（细晶强化）：1）强化作用（位错运动受阻）；2）塑性变形更均匀（改善韧性）。,多晶体金属的塑性变形：,多晶体塑性变形主要特点,增强变形与
4、应力的不均匀分布提高变形抗力出现方向性除晶粒内部变形外，在晶界上也发生变形。,增强变形与应力的不均匀分布,A晶粒屈服点高，B晶粒屈服点低。,多晶体中各晶粒的取向不同，会使变形与应力的不均匀分布增强。,在多晶体内通常存在软取向（滑移面和滑移方向与外力成45o角的有利方位）和硬取向（不利方位）的晶粒。,提高变形抗力,多晶体在塑性变形中出现了变形与应力的不均匀分布，将会使多晶体的变形抗力升高和塑性降低。晶粒大学一般介于0.011mm之间，或者更小。晶粒越细小，晶界所占的区域相对的就越大，对变形的阻碍作用也就越大，因此，多晶体的变形抗力也就越大。,晶粒越细小，在一定体积内的晶粒数目越多，在一定变形量下
5、，变形会分散在很多晶粒内进行，变形分布比较均匀，应力集中较小，金属具有较高的塑性和韧性，此规律只适用于低温情况；高温下畸变晶格原子将获得较大的能量，当外力作用时会出现沿晶粒界面的粘滞性流动，而使晶粒间界的强度降低。一般来说，高温时粗晶粒材料要比细晶粒材料有更高的高温强度。如多晶体金属中存在脆而硬的第二相时，它们将分布在具有较高塑性的软基体上，并阻碍基体金属的塑性变形，从而能使多晶体金属的变形抗力增强。,出现方向性,在塑性变形中晶粒形状和取向将发生变化，晶粒的某一同类晶面和晶向沿一定方向排列（出现择优取向），产生了所谓织构，使金属产生各向异性。,除晶粒内部变形外，在晶界上也发生变形,多晶体金属在
6、塑性变形过程中，晶粒的形状和取向发生改变的同时，晶粒彼此间也发生了相对的移动。,第二节 加工过程中的硬化和软化,多晶体塑性变形将导致金属的力学、物理及化学性能的改变。随着变形程度的增加，变形抗力的所有指标（屈服极限、强度极限和硬度）都增大，而塑性指标（伸长率、断面收缩率）都减小，同时使电阻升高、抗腐蚀性和导热性下降。金属在塑性变形过程中产生这些力学性能和物理化学性能变化的综合现象叫加工硬化。,加工硬化的原因,几何硬化 由于滑移过程中，滑移面的方位改变，使产生滑移的滑移面偏离有利的滑移方向，为使金属继续变形则必须加大外力。物理硬化 在滑移过程中，原子的滑移层晶格畸变及破坏，阻碍了滑移面进一步滑移
7、而使变形抗力增加。,加工硬化的原因,在多晶体中，由于在变形过程中晶粒间相对转动，使晶界遇到破坏使塑性指标下降或由于晶粒转动结果产生几何硬化。在多晶体中，由于组织不均匀和不均匀变形引起的附加应力及残余应力，从而使其塑性降低变形抗力增加。,影响加工硬化的因素,金属本身的性质变形程度的大小 变形程度增加，则加工硬化程度也增加。变形速度的高低 变形速度增加，加工硬化程度加剧，但当变形速度达到一定值时，由于热效应作用使金属温度升高而产生了软化现象。,加工硬化现象的实际意义,从变形角度：金属仅有塑性变形而无加工硬化，就难以得到截面均匀一致的冷变形。从改善性能角度：加工硬化对用一般热处理无法使其强化的无相变
8、的金属材料是更加重要的强化手段。不利一面：冷轧、冷拔等冷加工过程中由于变形抗力的升高和塑性的降低，往往使其继续加工困难，需在工艺过程中增加退火工序，以消除加工硬化。,有利一面,加工硬化金属其组织特点之一是晶粒被拉长,金属在冷变形中，其内部晶粒形状沿最大变形方向被拉长、拉细或压扁。晶粒被拉长程度取决于主变形图示和变形程度。变形织构：金属的多晶体是由许多不规则的晶粒组成，在加工变形达到一定程度以后，各晶粒内晶格取向发生了转动，使其特定的晶面和晶向趋于排列成一定方向，金属所形成的这种组织结构叫做变形织构。,加工硬化金属的力学性能改变的因素,在变形中产生晶格畸变，晶粒的拉长和细化及不均匀变形等，使金属
9、的变形抗力指标随变形程度增加而增加。变形过程中产生晶内和晶间的破坏以及不均匀变形等，使金属塑性指标随着变形程度增加而降低。,二、加工软化过程,金属的回复和再结晶过程就是软化过程。回复：依靠对变形金属的加热，而使其原子运动的动能增加，借以增加其热振动，使偏离稳定位置的原子恢复到稳定位置。回复结果：部分恢复了由变形所改变的力学、物理及物理化学性质，不能改变晶粒形状和方向性，同时也不能回复晶粒内及晶间的破坏现象。,再结晶,由于加热温度的升高，原子获得了巨大的活动能力，金属的晶粒开始发生变化，有破碎的晶粒变为整齐的晶粒，有拉长的晶粒变为等轴晶粒，此结晶过程称为金属的再结晶。,再结晶结果,完全消除了加工
10、硬化的一切后果。,再结晶温度影响因素,再结晶温度：开始再结晶的最低温度。影响因素：变形程度的影响 保温时间的影响 保温时间越长，再结晶温度越低 合金元素的影响 合金元素越多，再结晶温度越高。,在一定温度下，使晶粒增长突然加大的变形程度称为临界变形程度，在临界变形程度以前不会发生再结晶现象。,压力加工过程中两种再结晶,加工硬化金属在退火操作时的再结晶和金属在热变形时再结晶过程热处理退火与金属的相变点有关。碳钢退火在高于临界点Ac3以上温度进行加工硬化后的再结晶退火则是在Ac3温度下进行的,第三节 金属的冷变形和热变形,金属的塑性变形分为冷变形、热变形、不完全冷变形和不完全热变形,冷变形,金属压力
11、加工过程中，只有加工硬化作用而无回复与再结晶现象的变形过程，叫做冷变形。冷变形温度：在低于再结晶温度条件下。其产品强度指标增加，塑性指标降低，致使金属硬化。继续塑性加工，必须软化退火。,热变形,对于在再结晶温度以上，且再结晶的速度大于加工硬化速度的变形过程，即在变形过程中，由于完全再结晶的结果而全部消除加工硬化现象的变形过程称为热变形。提高金属塑性，降低变形抗力，变形后金属获得等轴的再结晶显微组织。,热变形,改变铸造金属组织，增加了密度，改善了力学性能和降低化学成分的偏析与组织的不均匀性。改善热变形金属的本身性质。热变形过程中，扩散和再结晶可使其化学成分变得更加均匀，随着变形程度增加，晶粒越小
12、，其力学性能越高。但热变形不能改变非金属夹杂物所造成的纤维组织。,不完全冷变形,在金属压力加工过程中具有加工硬化及回复现象，而无再结晶现象的变形称为不完全冷变形。其产品：加工硬化现象和残余应力减少，变形抗力降低，塑性提高。这种变形可在室温下采用高变形速度获得，提高设备生产能量，不需中间退火，降低成本。,不完全热变形,金属在变形过程中，除有加工硬化外，同时尚有回复与部分的再结晶变形过程，称不完全热变形。其产品：金属组织不均，金属塑性降低，变形抗力升高，金属中可能部分破裂而未恢复，并且有设备破坏可能。实际生产中应尽量避免。,第四节 金属的塑性,金属塑性：在外力作用下发生永久变形而不损害其整体性的性
13、能。柔软性：表示金属的软硬程度。塑性不仅取决于金属的自然性质，而且取决于压力加工过程中的外界条件。,二、塑性指数,常有的主要指标：在材料试验机上进行拉伸试验求得的破断前的总伸长率破断前断面积的总收缩率在轧机、锻锤或材料试验机上作压缩试验时所得的出现第一个裂纹前总压缩率冲击试验所获得的冲击韧性指数扭转试验时破坏前扭转360o角的次数工艺弯曲试验，以破坏前的弯曲次数,三、影响金属塑性的因素,金属的成分与组织影响温度对金属塑性影响变形速度对塑性影响变形力学图示对金属塑性的影响变形速度对塑性影响,金属的成分与组织影响,化学成分对塑性的影响纯金属及呈固溶体状的合金塑性最好，而呈化合物或机械混合物状态的合
14、金塑性最差。合金钢、高合金钢的合金成分对塑性影响是多样性的。气体及非金属夹杂物，当其在晶界上分布时同样降低金属的塑性，氢气是钢中产生“白点”缺陷的主要原因。,金属组织结构对塑性影响,晶粒界面强度、金属密度越大，晶粒大小、晶粒形状、化学成分、杂质分布均匀及金属可能的滑移面与滑移方向越多时，则金属塑性越高。多相合金的塑性大小取决于强化相的性质、析出的形状和分散度，还取决于强化相在基体中分布的特点、溶解度以及强化相的熔点。强化相硬度和强度越高、熔点越低、分散度越小，都使合金塑性降低。,温度对金属塑性影响,随温度升高，金属塑性降低，当温度升至低塑性区，使金属塑性降低。,变形速度对塑性影响,变形速度增加：如果在变形过程中加工硬化发生速度超过硬化解除速度；如果在由于变形热效应作用，使变形物体的温度升高，处于金属的脆性区域时。都会使塑性降低。变形速度增加：如果在变形过程中金属软化发生速度超过硬化速度；如果在由于变形热效应作用，使变形物体的温度升高，处于金属的塑性区域时。都会使塑性提高。,变形力学图示对金属塑性的影响,应力状态图示的改变，将会在很大程度上改变金属的塑性。,变形程度对塑性影响,冷变形，变形程度越大，加工硬化越严重，则金属塑性降低；热变形，随变形程度增加，晶粒细化且分散均匀，故使金属塑性提高。,
