金属的塑性变形与再结晶.ppt

第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形第二节第二节 冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形对金属组织和性能的影响第三节第三节 冷塑性变形后的金属在加热时组织和冷塑性变形后的金属在加热时组织和 性能的变化性能的变化第四节第四节 金属的热变形加工金属的热变形加工金属经熔炼浇注成铸锭以后，通常要进行各种塑金属经熔炼浇注成铸锭以后，通常要进行各种塑性加工，如轧制、挤压、冷拔、锻压、冲压等，性加工，如轧制、挤压、冷拔、锻压、冲压等，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件，并可板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件，并可以消除铸造过程中的某些缺陷。以消除铸造过程中的某些缺陷。压力加工的实质就是塑性变形。压力加工的实质就是塑性变形。退火低碳钢的力退火低碳钢的力伸长量曲线伸长量曲线E ES SB BK K伸长量伸长量l/mml/mmO O拉伸力拉伸力F/NF/NF Fe eF Fs sF Fb b弹性变形屈服塑性变形缩颈断裂1.1.弹性变形阶段弹性变形阶段2.2.屈服阶段屈服阶段3.3.变形强化阶段变形强化阶段4.4.形成缩颈，局部变形阶段形成缩颈，局部变形阶段 塑性变形及随后的加热对塑性变形及随后的加热对金属材料组织和性能有显著的金属材料组织和性能有显著的影响。影响。了解塑性变形的本质，塑了解塑性变形的本质，塑性变形及加热时组织的变化，性变形及加热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，有助于发挥金属的性能潜力，正确制订加工工艺。正确制订加工工艺。5 5万吨水压机万吨水压机第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形 单晶体受力后，外单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分力在任何晶面上都可分解为解为正应力正应力和和切应力切应力。正应力正应力切应力切应力晶体内部晶格位向（原子晶体内部晶格位向（原子排列方向）完全一致的晶排列方向）完全一致的晶体为体为单晶体单晶体第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形l正应力只能引起弹性变形及拉断晶体。正应力只能引起弹性变形及拉断晶体。l只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。外外力力在在晶晶面面上上的的分分解解切切应应力力作作用用下下的的变变形形锌锌单单晶晶的的拉拉伸伸照照片片塑性变形有两种形式：塑性变形有两种形式：滑移和孪生滑移和孪生。在多数情况下，金属在多数情况下，金属的塑性变形是以滑移的塑性变形是以滑移方式进行的。方式进行的。1.1.滑移滑移 滑移滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和是指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。晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。弹性歪扭弹性歪扭塑性变形塑性变形（滑移滑移）F 因因原原子子密密度度最最大大的的晶晶面面和和晶晶向向之之间间原原子子间间距距最最大大，结结合合力力最最弱弱，产产生生滑滑移移所需切应力最小。所需切应力最小。沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。滑移面和滑移方向。1 1）滑移变形的特点）滑移变形的特点 ：滑移只能在切应力的作用下发生。滑移只能在切应力的作用下发生。滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。滑移时，晶体两部分的相对位移量是滑移时，晶体两部分的相对位移量是 原子间距的整数倍原子间距的整数倍。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。条滑移线组成一个滑移带。滑移带和滑移线示意图滑移带和滑移线示意图铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带 滑移的同时伴随着晶体的转动。滑移的同时伴随着晶体的转动。原因是晶体发生滑移后，原因是晶体发生滑移后，作用于试样两端的拉力作用于试样两端的拉力不再处于同一轴线上，不再处于同一轴线上，因此产生一个力矩迫使因此产生一个力矩迫使滑移面转动。转动的结滑移面转动。转动的结果，使滑移面趋向与拉果，使滑移面趋向与拉伸轴平行。滑移产生转伸轴平行。滑移产生转移，晶体产生大量塑性移，晶体产生大量塑性变形。变形。多多 脚脚 虫虫 的的 爬爬 行行2 2）滑移的机理）滑移的机理 滑移是通过滑移面滑移是通过滑移面上位错的运动上位错的运动来来实现的。实现的。2 2、孪生、孪生 孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一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。部分所发生的切变。发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶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。面称孪生面。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。与滑移相比：与滑移相比：孪生使晶格位向发生改变；孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多；所需切应力比滑移大得多；孪生时相邻原子面的相对位孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。移量小于一个原子间距。多晶体与单晶体的区别在于：多晶体是有不同多晶体与单晶体的区别在于：多晶体是有不同位向的晶粒组成，且各晶粒间存在晶界。位向的晶粒组成，且各晶粒间存在晶界。单个晶粒变形与单晶体相似，因此，只要研究单个晶粒变形与单晶体相似，因此，只要研究晶粒位向晶粒位向和和晶界晶界在多晶体塑性变形中的作用即可。在多晶体塑性变形中的作用即可。二、二、多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形1 1、晶界的影响、晶界的影响阻碍滑移阻碍滑移塑性变形抗力提高。塑性变形抗力提高。当位错运动到晶界附近时，由于晶界处当位错运动到晶界附近时，由于晶界处的原子排列紊乱，缺陷和杂质多，能量的原子排列紊乱，缺陷和杂质多，能量高，对位错的滑移起阻碍作用。高，对位错的滑移起阻碍作用。受到晶界的阻碍的位错堆积起来，称位受到晶界的阻碍的位错堆积起来，称位错的塞积。要使变形继续进行，则必须错的塞积。要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的塑性变形抗力增加外力，从而使金属的塑性变形抗力提高。提高。Cu-4.5AlCu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积双晶粒拉伸试验示意图双晶粒拉伸试验示意图变形前变形前变形后变形后2 2、晶粒位向的影响、晶粒位向的影响塑性变形抗力提高塑性变形抗力提高 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了变形时，为了保持金属的连续性保持金属的连续性，周围的晶粒若不发，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调弹性变形来与之协调。由于晶粒。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间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。提高。3 3、金属的晶粒越细小，晶界越多，变形阻力越大，强、金属的晶粒越细小，晶界越多，变形阻力越大，强度提高。度提高。第二节第二节 冷塑性变形对组织和性能的影响冷塑性变形对组织和性能的影响 一、形成一、形成纤维组织纤维组织，性能趋于各向异性，性能趋于各向异性 金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。的晶粒也相应地被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状或纤维状变成细条状或纤维状纤维组织。纤维组织。纤维组织的出现造成材料在不同方向上表现出不同的力纤维组织的出现造成材料在不同方向上表现出不同的力学性能学性能(各向异性各向异性)，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于垂，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于垂直方向。直方向。(c)变形变形80%(b)变形变形40%(a)变形前变形前二、产生二、产生冷形变强化冷形变强化 随随着着塑塑性性变变形形量量的的增增加加，金金属属的的强强度度、硬硬度度升升高高，塑塑性性、韧韧性性下下降降，这这种种现现象象称称为为冷冷形形变强化或加工硬化。变强化或加工硬化。1 1）一种重要的强化手段，对不能用热处理方法强化的）一种重要的强化手段，对不能用热处理方法强化的 合金（如铝铜或不锈钢等单相合金）尤其重要，加合金（如铝铜或不锈钢等单相合金）尤其重要，加 工硬化是提高强度的有效方法；工硬化是提高强度的有效方法；2 2）是工件能够用塑性变形方法成形的重要原因；）是工件能够用塑性变形方法成形的重要原因；3 3）金属具有较好的变形强化能力，具有防止短时超载）金属具有较好的变形强化能力，具有防止短时超载 断裂能力，保证构件安全性；加工硬化给金属的继断裂能力，保证构件安全性；加工硬化给金属的继 续变形造成了困难续变形造成了困难 4 4）塑性，塑性，切削性能切削性能 不利：塑性变形困难，给进一步变形带来困难不利：塑性变形困难，给进一步变形带来困难 中间退火中间退火消除消除 如冷压成型时，材料强度提高，所需动力增加，而且被如冷压成型时，材料强度提高，所需动力增加，而且被加工的材料塑性随变形程度的增加而降低，若强力使其加工的材料塑性随变形程度的增加而降低，若强力使其变形则会断裂，因而应进行退火处理。变形则会断裂，因而应进行退火处理。意意 义：义：由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度（由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度（70%70%）时，会）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。称织构或择优取向。形变织构使金属呈现各向异性。多数情况下都不利，织构可形变织构使金属呈现各向异性。多数情况下都不利，织构可提高硅钢片的导磁率。提高硅钢片的导磁率。三、三、形成变形织构形成变形织构轧制铝板的轧制铝板的轧制铝板的轧制铝板的“制耳制耳制耳制耳”现象现象现象现象四、产生残余应力四、产生残余应力第一类内应力第一类内应力宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；第二类内应力第二类内应力微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均；微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均；第三类内应力第三类内应力超微观，晶格畸变（超微观，晶格畸变（90%90%），材料产生强化），材料产生强化 内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,内内部变形不均匀而引起的。部变形不均匀而引起的。内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬火过内应力的存在，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。退火处理，以消除或降低内应力。第三节第三节 冷塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化冷塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化 金属经冷变形后金属经冷变形后,组织处于不稳定状态组织处于不稳定状态,有自发恢复到有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，不稳定状稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生发生回复、再结晶和晶粒长大回复、再结晶和晶粒长大。加热温度加热温度 黄黄铜铜 一、回复一、回复 在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，以工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，以降低残余应力，又保留加工硬化效果。这种热处理方法称降低残余应力，又保留加工硬化效果。这种热处理方法称去应力退火去应力退火。二、再结晶二、再结晶 当变形金属被加热到较当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒生变化，由破碎拉长的晶粒变为新的均匀、细小、完整变为新的均匀、细小、完整的等轴晶粒。这种冷变形组的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。发生再结晶过程称再结晶。发生再结晶的最低温度称再结晶温度。的最低温度称再结晶温度。T T再熔再熔铁素体变形铁素体变形80%80%650650加热加热670670加热加热变形金属发生再结晶后，其强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大变形金属发生再结晶后，其强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除。工业生产中，把消除加工硬化的热处提高，加工硬化现象被消除。工业生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度常比再结晶温度高理称为再结晶退火。再结晶退火温度常比再结晶温度高100 200100 200。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。再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。580C580C保温保温3 3秒后的组织秒后的组织580C580C保温保温4 4秒后的组织秒后的组织580C580C保温保温8 8秒后的组织秒后的组织冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)38%)黄铜的再结晶黄铜的再结晶 三、再结晶后的晶粒长大三、再结晶后的晶粒长大三、再结晶后的晶粒长大三、再结晶后的晶粒长大l再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生再结晶完成后，若继续升高加热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。晶粒的长大是通过晶界迁移晶粒长大，这是一个自发的过程。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。晶粒粗大会使金属的强进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低度，尤其是塑性和韧性降低 。580C580C保温保温8 8秒后的组织秒后的组织580C580C保温保温1515分后的组织分后的组织700C700C保温保温1010分后的组织分后的组织黄铜再结晶后晶粒的长大黄铜再结晶后晶粒的长大四、四、影响再结晶后晶粒尺寸的主要因素：影响再结晶后晶粒尺寸的主要因素：1.1.加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响加热温度越高，时间越长，加热温度越高，时间越长，晶粒便越大。晶粒便越大。2.2.变形度变形度的影响的影响 当变形度达到当变形度达到2%2%10%10%时，时，金属中变形极不均匀，金属中变形极不均匀，只有部分晶粒发生变形，只有部分晶粒发生变形，形成的再结晶晶核少，形成的再结晶晶核少，可以充分长大，从而造成可以充分长大，从而造成再结晶后的晶粒特别粗大。再结晶后的晶粒特别粗大。使金属获得粗大的再结晶晶粒的变形度称为临界变形度。使金属获得粗大的再结晶晶粒的变形度称为临界变形度。再结晶退火温度对晶粒度的影响再结晶退火温度对晶粒度的影响第四节第四节 金属的热变形加工金属的热变形加工 一、冷加工与热加工的区别一、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。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低于再结晶温度的加工称为冷加工冷加工，而高于再结晶温度的加，而高于再结晶温度的加工称为工称为热加工热加工。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，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。因而热加工不会带来加工硬化效果。轧制轧制模锻模锻拉拔拉拔二、热加工对金属组织与性能的影响二、热加工对金属组织与性能的影响1 1）热热加加工工可可使使各各种种可可变变形形的的夹夹杂杂物物会会沿沿变变形形方方向向拉拉长长呈呈流流线线分分布布，也也称称纤纤维维组组织织。热热加加工工时时应应力力求求使使流流线线合理分布。合理分布。2 2）热热加加工工可可获获得得细细小小均均匀匀、等等轴轴的的再再结结晶晶晶晶粒粒，从从而而使金属的力学性能全面提高。使金属的力学性能全面提高。3 3）热热加加工工可可使使铸铸态态金金属属与与合合金金中中的的气气孔孔焊焊合合，使使粗粗大大的的树树枝枝晶晶或或柱柱状状晶晶破破碎碎，从从而而使使组组织织致致密密、成成分分均均匀匀、晶粒细化晶粒细化，力学性能提高，力学性能提高。本章重点本章重点1.1.理解金属的滑移；理解金属的滑移；2.2.塑性变形对金属组织与性能的影响；塑性变形对金属组织与性能的影响；3.3.回复与再结晶的概念。回复与再结晶的概念。