《金属的塑性变形》PPT课件.ppt

第三章第三章 金属的塑性变形金属的塑性变形第一节第一节 单晶体、多晶体单晶体、多晶体的塑性变形的塑性变形基本概念基本概念:金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变形，去除外力后，永远残留的那部分变形叫形，去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑性变形塑性变形。抵抗塑性变形抵抗塑性变形是一般工程构件的基本要求，不希望结构件在是一般工程构件的基本要求，不希望结构件在承载时产生不可恢复的塑性变形；承载时产生不可恢复的塑性变形；塑性变形是金属材料的一种重要塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方法加工成形方法，在材料加工，在材料加工过程中，人们希望它易于加工变形。过程中，人们希望它易于加工变形。塑性变形还可塑性变形还可改变材料内部组织与结构改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能。并影响其宏观性能。压力加工方法压力加工方法一、金属单晶体的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形方式有金属单晶体的塑性变形方式有“滑移滑移”与与“孪生孪生”，但一，但一般大多数情况下都是以滑移方式进行的。般大多数情况下都是以滑移方式进行的。滑移：滑移：在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面发生一定距离的移动，应力去除后不能回复原分沿一定晶面发生一定距离的移动，应力去除后不能回复原状。状。孪生：孪生：在外加切应力作用下，晶在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一体的一部分相对于另一部分沿一定晶面产生一定角度的切变，应定晶面产生一定角度的切变，应力去除后不能回复原状力去除后不能回复原状孪生与滑移的主要区别：孪生与滑移的主要区别：变形方式；变形方式；变形后的位向变形后的位向 孪生是使一部分晶体整体发生均匀的切变；而滑移则集中在一些滑移面上。孪生是使一部分晶体整体发生均匀的切变；而滑移则集中在一些滑移面上。孪生使一个晶体的两部分沿一个公共晶面构成了孪生使一个晶体的两部分沿一个公共晶面构成了镜面对称关系；而滑移则不改变晶体的位向。镜面对称关系；而滑移则不改变晶体的位向。原子位移距离不同原子位移距离不同孪生时，孪晶带中的原子沿孪生方向孪生时，孪晶带中的原子沿孪生方向的位移量为原子间距的的分数值；而的位移量为原子间距的的分数值；而滑移为原子间距的整数倍。滑移为原子间距的整数倍。孪生变形困难孪生变形困难 一般先滑移，滑移困难后，一般先滑移，滑移困难后，发生孪生，二者交替进行发生孪生，二者交替进行。二、单晶体的滑移变形二、单晶体的滑移变形任何应力都可以分解为：任何应力都可以分解为：一个正应力一个正应力()一个切应力一个切应力()正应力正应力_伸长、断裂伸长、断裂切应力切应力_滑移变形滑移变形正应力正应力：仅使晶：仅使晶格产生弹性伸长，格产生弹性伸长，当超过原子间结合当超过原子间结合力时，将晶体力时，将晶体拉断；拉断；切应力切应力 ：使晶：使晶格产生弹性歪扭，格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的引起滑移面两侧的晶体发生晶体发生相对滑动相对滑动。单晶体试样在拉伸实验时，除单晶体试样在拉伸实验时，除了沿滑移面产生滑移外，晶体了沿滑移面产生滑移外，晶体还会产生还会产生转动转动。因为晶体在拉伸过程，当滑移因为晶体在拉伸过程，当滑移面上、下两部分发生微小滑移面上、下两部分发生微小滑移时，时，试样两端的拉力不再处于试样两端的拉力不再处于同一直线上，同一直线上，于是在滑移面上于是在滑移面上形成一力偶，使滑移面产生以形成一力偶，使滑移面产生以外力方向为转向，趋向于与外外力方向为转向，趋向于与外力平行的转动。力平行的转动。滑滑 移移 面：面：晶面上原子间距最小晶面上原子间距最小滑移方向：滑移方向：原子排列密度最大原子排列密度最大三种典型金属晶体结构的滑移系（密排面和密排方向）三种典型金属晶体结构的滑移系（密排面和密排方向）一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑移系，一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑移系，每一个滑移系表示晶体在产生滑移时可能采取的一个空间位向。每一个滑移系表示晶体在产生滑移时可能采取的一个空间位向。滑移系滑移系=滑移面滑移面滑移方向滑移方向体心立方 面心立方 密排六方62=12 43=12 13=3体心立方：体心立方：6个面个面2个方向个方向12面心立方：面心立方：4个面个面3个方向个方向12密排六方：密排六方：1个面个面3个方向个方向3滑移系越多材料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明显！滑移系越多材料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明显！滑移的微观机制滑移的微观机制理论滑移力与实际滑移力（理论滑移力与实际滑移力（Cu）理理6400N/mm2 实实 2晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。但晶体内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两但晶体内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两侧晶体之间的侧晶体之间的整体刚性滑动整体刚性滑动，而是由于晶体内存在，而是由于晶体内存在位位错错，因位错线两侧的原子偏离了平衡位置，这些原子，因位错线两侧的原子偏离了平衡位置，这些原子有力求达到平衡的趋势。有力求达到平衡的趋势。当晶体受外力作用时，当晶体受外力作用时，位错位错（刃型位错）将垂直于受（刃型位错）将垂直于受力方向，沿着一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐力方向，沿着一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐步移动到晶体的表面，形成一个原子间距的滑移量。步移动到晶体的表面，形成一个原子间距的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错移动到晶体表面所一个滑移带就是上百个或更多位错移动到晶体表面所形成的台阶。形成的台阶。发生了滑移的金属试样表面状态发生了滑移的金属试样表面状态二、二、多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形金属材料大多为位向、形状、大小不同的晶粒组金属材料大多为位向、形状、大小不同的晶粒组成的多晶体，因此多晶体的变形是许多单晶体变形的成的多晶体，因此多晶体的变形是许多单晶体变形的综合作用的结果。综合作用的结果。1、晶粒本身的变形（滑移变形）、晶粒本身的变形（滑移变形）主要的主要的2、晶粒之间的变形（晶间变形）、晶粒之间的变形（晶间变形）次要的次要的主要影响因素：晶界、位向主要影响因素：晶界、位向晶界晶界：1.滑移的主要障碍滑移的主要障碍：原子混乱排列区，较不规则：原子混乱排列区，较不规则缺陷、杂质缺陷、杂质集中。滑移不能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒中去。集中。滑移不能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒中去。2.协调变形协调变形：晶界自身变形：晶界自身变形以维持相邻晶粒变形保持连续。以维持相邻晶粒变形保持连续。3.位错塞积位错塞积位错运动到晶界附近，受到晶界阻碍而堆积起位错运动到晶界附近，受到晶界阻碍而堆积起来。来。4.晶粒愈细，金属的强度便愈高晶粒愈细，金属的强度便愈高，对抗塑性变形的能力也就越，对抗塑性变形的能力也就越大。大。细晶强化细晶强化多晶体的变形抗力总是高于单晶体多晶体的变形抗力总是高于单晶体晶粒愈细，单位体积内的晶粒越多，金属的变形可以分散，晶粒愈细，单位体积内的晶粒越多，金属的变形可以分散，变形均匀；变形均匀；晶粒愈细，晶界越曲折，可阻碍裂纹扩展；晶粒愈细，晶界越曲折，可阻碍裂纹扩展；细晶粒的金属具有良好的韧性和塑性细晶粒的金属具有良好的韧性和塑性多晶体的塑性变形过程多晶体的塑性变形过程 第二节第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响 经过塑性变形，可使金属的经过塑性变形，可使金属的组织和性能组织和性能发生一系列重大发生一系列重大的变化，这些变化大致可以分为如下四个方面。的变化，这些变化大致可以分为如下四个方面。1.1.产生产生纤维组织纤维组织，性能趋于各向异性；，性能趋于各向异性；2.2.织构织构现象的产生现象的产生；3.3.晶粒破碎，位错密度增加，产生晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化加工硬化 ；4.4.残余内应力残余内应力 。1.晶粒变形，形成纤维组织晶粒变形，形成纤维组织：晶粒被拉长或被压扁，当变形足够晶粒被拉长或被压扁，当变形足够大时，晶界变得模糊不清，不易分辨。大时，晶界变得模糊不清，不易分辨。杂质呈细带状或链状分布。杂质呈细带状或链状分布。变形前变形后工业纯铁表面的滑移带工业纯铁表面的滑移带工业纯铁变形度为工业纯铁变形度为80%的显微组织的显微组织2.亚结构形成，材料加工硬化亚结构形成，材料加工硬化(work hardened)：加工硬化：加工硬化：金属材料经冷塑性变形后，随变形度增加，强度金属材料经冷塑性变形后，随变形度增加，强度硬度升高，塑性韧性降低的现象称为加工硬化或形变强化。硬度升高，塑性韧性降低的现象称为加工硬化或形变强化。加工加工硬化是提高材料强度的有效手段之一。硬化是提高材料强度的有效手段之一。例如，纯铁和低碳钢经例如，纯铁和低碳钢经70%变形度的冷轧变形后，变形度的冷轧变形后，抗拉强度能提高抗拉强度能提高400500MPa。高强度钢丝是将含碳量为高强度钢丝是将含碳量为1.0%的高碳钢处理成的高碳钢处理成细片状珠光体，然后冷拔变形细片状珠光体，然后冷拔变形90%以上，抗拉强以上，抗拉强度可高达度可高达3000MPa。强度强度、硬度硬度，塑性塑性、韧性韧性加工硬化对力学性能的影响加工硬化对力学性能的影响 强化金属的重要途径；强化金属的重要途径；利利 提高材料使用安全性；提高材料使用安全性；（2 2）利弊）利弊 材料加工成型的保证。材料加工成型的保证。弊弊 变形阻力提高，动力消耗增大；变形阻力提高，动力消耗增大；脆断危险性提高。脆断危险性提高。3.织构的形成织构的形成：随着变形量的增大，各晶粒的位向将沿着变形的方向发生转变，随着变形量的增大，各晶粒的位向将沿着变形的方向发生转变，当变形量足够大（当变形量足够大（70%90%）时，绝大部分晶粒的某一方向趋）时，绝大部分晶粒的某一方向趋向大体一致，使材料呈现各向异性，甚至退火也难消除。向大体一致，使材料呈现各向异性，甚至退火也难消除。丝织构板织构制 耳织构的作用：（织构的作用：（1）一般情况下，对加工）一般情况下，对加工成型极为不利；（成型极为不利；（2）有些情况下，可以）有些情况下，可以利用织构的作用利用织构的作用-硅钢片硅钢片5.其他性能的影响其他性能的影响：电阻增加，耐腐蚀性能降低等电阻增加，耐腐蚀性能降低等第一类内应力第一类内应力 第二类内应力第二类内应力 第三类内应力第三类内应力宏观应力宏观应力微观应力微观应力由整个物体变形由整个物体变形不均匀引起不均匀引起由晶粒变形不由晶粒变形不均匀引起均匀引起晶格畸变晶格畸变由位错、空位等引起由位错、空位等引起变形甚至开裂变形甚至开裂晶间腐蚀晶间腐蚀加工硬化加工硬化4.内应力内应力（金属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性（金属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性变形所导致）变形所导致）：残余内应力残余内应力1 宏观残余内应力：宏观残余内应力：由于金属材料各部分变形不均匀而造成的宏观范由于金属材料各部分变形不均匀而造成的宏观范围内残余应力。围内残余应力。弯曲变形后弯曲变形后残余内应力残余内应力2 微观残余内应力：微观残余内应力：多晶体的各晶粒的变形不均匀，而使各晶粒间产生多晶体的各晶粒的变形不均匀，而使各晶粒间产生残余内应力。残余内应力。残余内应力残余内应力3晶格畸变应力：金属在塑性变形后，增加了位错及空位晶格畸变应力：金属在塑性变形后，增加了位错及空位等晶体缺陷，使晶体中一部分原子其偏离平衡而造成晶等晶体缺陷，使晶体中一部分原子其偏离平衡而造成晶格畸变，从而产生的残余内应力。需要部分原子范围内格畸变，从而产生的残余内应力。需要部分原子范围内（几百，几千）来相互平衡。（几百，几千）来相互平衡。残余内应力：残留金属内部用于平衡的内部应力。残余内应力：残留金属内部用于平衡的内部应力。类别：类别：1、宏观残余内应力、宏观残余内应力 2、微观残余内应力、微观残余内应力 3、晶格畸变应力、晶格畸变应力引起残余内应力的原因：引起残余内应力的原因：塑性变形、温度急剧变化、结晶、固态相变等塑性变形、温度急剧变化、结晶、固态相变等有害影响：有害影响：1、降低工件的承载能力、降低工件的承载能力 2、使工件尺寸和形状发生变化使工件尺寸和形状发生变化 3、降低工件的耐蚀性、降低工件的耐蚀性回复回复recovery 再结晶再结晶recrystallization晶粒长大晶粒长大 第三节第三节 变形金属在加热时的组织和性能的变化变形金属在加热时的组织和性能的变化 冷变形后冷变形后 回复回复 再结晶再结晶 晶粒长大晶粒长大1.回复阶段回复阶段 原理：原理：温度较低温度较低，原子的活动能，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和力不大，这时金属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在晶形状没有明显的变化，只是在晶内发生内发生点缺陷的消失以及位错的点缺陷的消失以及位错的迁移等变化迁移等变化性能变化性能变化：强度、硬度和塑性等：强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，机械性能变化不大，内应力及电内应力及电阻率等性能显著降低。阻率等性能显著降低。应用：应用：工业将金属在低温下加热，工业将金属在低温下加热，进行进行“消除内应力退火消除内应力退火”处理，处理，以保留金属的变形强化性能以保留金属的变形强化性能2.再结晶再结晶 原理原理：当它被加热到较高的温度时，：当它被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶形状相似，晶格类型相同，把这一阶段称为段称为“再结晶再结晶”。再结晶过程同样是通过再结晶过程同样是通过形核形核和和长大长大两两个过程进行的。个过程进行的。再结晶结束后，金属中内应力全部消再结晶结束后，金属中内应力全部消除，显微组织恢复到变形前的状态，除，显微组织恢复到变形前的状态，其所有性能也恢复到变形前的数值，其所有性能也恢复到变形前的数值，消除了加工硬化。消除了加工硬化。再结晶退火再结晶退火消除加工硬化的热处理工消除加工硬化的热处理工艺艺影响再结晶粒大小的因素影响再结晶粒大小的因素 1 1）变形度影响）变形度影响 当变形量很小时当变形量很小时，由于晶格畸变很小，不足以引起再结晶；，由于晶格畸变很小，不足以引起再结晶；当变形度达到某一临界值时当变形度达到某一临界值时，由于此时金属中只有部分晶粒，由于此时金属中只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶核少，且晶粒极易相互吞并变形，变形极不均匀，再结晶晶核少，且晶粒极易相互吞并长大，因而再结晶后晶粒粗大，此变形度即为长大，因而再结晶后晶粒粗大，此变形度即为临界变形度临界变形度；当变形度大于临界变形度时当变形度大于临界变形度时，随变形量的增加，越来越多的，随变形量的增加，越来越多的晶粒发生了变形，变形愈趋均匀，晶格畸变大，再结晶的晶晶粒发生了变形，变形愈趋均匀，晶格畸变大，再结晶的晶核多，再结晶后晶粒愈来愈细。核多，再结晶后晶粒愈来愈细。可见冷压加工应注意可见冷压加工应注意避免在临界变形度范围内加工避免在临界变形度范围内加工，以免再，以免再结晶后产生粗晶粒。结晶后产生粗晶粒。2 2）再结晶温度的影响）再结晶温度的影响再结晶是在一个温度范围内进行的，若温度过低不能发生再结晶是在一个温度范围内进行的，若温度过低不能发生再结晶；若温度过高，则会发生晶粒长大，因此要获得细再结晶；若温度过高，则会发生晶粒长大，因此要获得细小的再结晶晶粒，必须在一个合适的温度范围内进行加热小的再结晶晶粒，必须在一个合适的温度范围内进行加热再结晶退火温度必须在再结晶退火温度必须在T再再以上，生产上实际使用的再结晶以上，生产上实际使用的再结晶温度通常是比温度通常是比T再再高高150250，这样就既可保证完全再结，这样就既可保证完全再结晶，又不致使晶粒粗化。晶，又不致使晶粒粗化。再结晶温度：纯金属再结晶温度：纯金属 TRm(K)合金：合金：TRm(K)3.晶粒长大晶粒长大再结晶结束后，升温或保温，晶界迁移位向改变，晶粒再结晶结束后，升温或保温，晶界迁移位向改变，晶粒被吞并而长大被吞并而长大晶粒长大对材料的机械性能极不利，强度、塑性、韧性晶粒长大对材料的机械性能极不利，强度、塑性、韧性下降。且塑性与韧性下降的更明显下降。且塑性与韧性下降的更明显。三、三、热热加工加工对对金属金属组织组织和性能的影响和性能的影响 热加工相关热加工相关概念概念：再结晶温度是热加工与冷加工的分界线，：再结晶温度是热加工与冷加工的分界线，高于再结晶温度高于再结晶温度的压力加工是的压力加工是热加工热加工hot working，低于低于再结晶温度再结晶温度的压力加工是的压力加工是冷加工冷加工cold working。区别：区别：热热加工变形量大，表面粗糙，无加工硬化现象，有再结晶。加工变形量大，表面粗糙，无加工硬化现象，有再结晶。冷冷加工变形量小，表面光滑，有加工硬化现象，无再结晶加工变形量小，表面光滑，有加工硬化现象，无再结晶。用途：用途：热变形热变形加工多用于形状较复杂的零件毛坯及大件毛坯加工多用于形状较复杂的零件毛坯及大件毛坯的锻造和热轧钢锭成钢材等。而的锻造和热轧钢锭成钢材等。而冷变形冷变形加工多用于截面尺加工多用于截面尺寸较小，要求表面粗糙度值低的零件和坯料。寸较小，要求表面粗糙度值低的零件和坯料。如：金属如：金属铅铅在室温下变形在室温下变形属属热热加工加工金属金属钨钨在在1000时变形时变形属属冷冷加工加工冷加工与热加工组织的变化冷加工与热加工组织的变化冷冷加加工工热热加加工工热变形加工在变形的热变形加工在变形的同时伴随着动态再结同时伴随着动态再结晶，变形停止后在冷晶，变形停止后在冷到室温过程中继续有到室温过程中继续有再结晶发生。所以热再结晶发生。所以热变形加工基本没有加变形加工基本没有加工硬化现象。工硬化现象。热加工的优点：热加工的优点：1.可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高；可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高；2.可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机械性能提高；械性能提高；3.3.可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变，可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变，形形成锻造流线成锻造流线forging flow line（纤维组织），产生各向异性（纤维组织），产生各向异性可提高零件使用寿命。可提高零件使用寿命。（a）锻造变形；）锻造变形；（b）切削加工）切削加工钢锭中夹杂物沿晶界被压伸长，与变形方向一致，钢锭中夹杂物沿晶界被压伸长，与变形方向一致，好似一条条细线。好似一条条细线。平行流线方向平行流线方向抗拉强度、塑性好。抗拉强度、塑性好。垂直于流线方向垂直于流线方向抗剪切力大，抗拉强度低。抗剪切力大，抗拉强度低。曲轴曲轴齿轮齿轮第五节第五节 超塑性超塑性纳米铜的室温超塑性