工程材料7.6金属的塑性变形与再结晶.ppt

金属的塑性变形金属的塑性变形与与再结晶再结晶一、金属的塑性变形（单晶体、多晶一、金属的塑性变形（单晶体、多晶体）体）二、对金属组织和性能的影响二、对金属组织和性能的影响三、回复和再结晶三、回复和再结晶四、金属的热塑性变形四、金属的热塑性变形 一、金属的塑性变形一、金属的塑性变形压力加工方法：轧制、挤压、冷拔、锻造、冷冲压压力加工方法：轧制、挤压、冷拔、锻造、冷冲压塑性变形：形成成品塑性变形：形成成品、改变金属的组织和性能、改变金属的组织和性能1.单晶体金属的单晶体金属的塑性变形塑性变形1)滑移滑移2)孪生孪生2.多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形1)晶界的影响晶界的影响2)晶粒位向的影响晶粒位向的影响3)晶粒大小的影响晶粒大小的影响1)外力作用下和变形，在外力作用去除外力作用下和变形，在外力作用去除后不能恢复的变形称为塑性变形后不能恢复的变形称为塑性变形2)正应力不能引起单晶体的塑性变形，正应力不能引起单晶体的塑性变形，只有只有切应力引起弹性变形和塑性变形切应力引起弹性变形和塑性变形3)单晶体的塑性变形有滑移和孪生，主单晶体的塑性变形有滑移和孪生，主要以滑移的形式进行。要以滑移的形式进行。1.滑移滑移 是单晶体在切应力作用下，晶体的一部是单晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面或晶向相对于另一部分发生滑动分沿一定的晶面或晶向相对于另一部分发生滑动的现象。的现象。图图7-501.滑移的特点滑移的特点1)滑移时切应力大于临界切应力；滑移时切应力大于临界切应力；2)滑移只能在晶体内一定的晶面和晶向上形成。滑移只能在晶体内一定的晶面和晶向上形成。晶体中能发生滑移的晶面和晶向，称滑移面和滑移晶体中能发生滑移的晶面和晶向，称滑移面和滑移方向。方向。3)滑移面和滑移方向（滑移系）越多，金属的塑滑移面和滑移方向（滑移系）越多，金属的塑性越好。性越好。滑移方向对塑性的影响比滑移面大。滑移方向对塑性的影响比滑移面大。4)实际上滑移是借助于位错的移动来实现的。实际上滑移是借助于位错的移动来实现的。图图7-51 铜滑移的理论临界切应力铜滑移的理论临界切应力640MPa，实际为实际为0.1MPa大量的位错移出晶体的表面，就形成了宏观的塑性大量的位错移出晶体的表面，就形成了宏观的塑性变形。变形。图图7-52孪生孪生 是单晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿是单晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿晶面和晶向相对于另一部分晶面和晶向相对于另一部分转动的现象转动的现象。图图7-53孪生的特点孪生的特点1)所需切应力比滑移时大得多所需切应力比滑移时大得多2)使晶体的一部分发生晶格位向的改变使晶体的一部分发生晶格位向的改变3)孪生带中相邻原子面的相对位移只有孪生带中相邻原子面的相对位移只有一个原子间距的几分之几一一个原子间距的几分之几一4)孪生的变形速度极快，接近声速。孪生的变形速度极快，接近声速。晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。晶界晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。晶界越多，多晶体塑性变形的抗力越大。越多，多晶体塑性变形的抗力越大。多晶体中晶粒位向各异，从而提高了塑性多晶体中晶粒位向各异，从而提高了塑性变形抗力变形抗力1.晶粒越细，强度越高：晶粒越细，强度越高：在一定体积内的晶体内在一定体积内的晶体内晶粒数目越多，晶界也越多，并且晶粒的位向分晶粒数目越多，晶界也越多，并且晶粒的位向分布紊乱，因而塑性变形抗力也越大，即强度越高。布紊乱，因而塑性变形抗力也越大，即强度越高。2.晶粒越细，塑性和韧性越好晶粒越细，塑性和韧性越好：在总变形量相在总变形量相同的条件下，变形被分散在较多的晶粒内进行，同的条件下，变形被分散在较多的晶粒内进行，因而比较均匀，从而使其在断裂前能承受较大的因而比较均匀，从而使其在断裂前能承受较大的塑性变形，表现出较高的塑性和韧性；相反，晶塑性变形，表现出较高的塑性和韧性；相反，晶粒越粗，变形局限在少数晶粒内进行，容易过早粒越粗，变形局限在少数晶粒内进行，容易过早断裂，因而塑性、韧性比较差。断裂，因而塑性、韧性比较差。由于细晶粒金属具有较好的强度、塑性与韧性。故由于细晶粒金属具有较好的强度、塑性与韧性。故生产中常希望金属材料得到细小而均匀的晶粒生产中常希望金属材料得到细小而均匀的晶粒。二、塑性变形对金属组织和二、塑性变形对金属组织和性能的影响性能的影响1.对金属性能的影响对金属性能的影响1)加工硬化加工硬化：强度和硬度显著提高，韧性和塑性下降强度和硬度显著提高，韧性和塑性下降2)各向异性各向异性：沿纤维方向的强度和塑性大于垂直纤维方向沿纤维方向的强度和塑性大于垂直纤维方向3)理化性能变化理化性能变化：电阻增大、导磁性和腐蚀性降低电阻增大、导磁性和腐蚀性降低2.对金属组织结构的影响对金属组织结构的影响3.残余内应力残余内应力1.加工硬化：加工硬化：也称也称为为形变强化形变强化，即随即随塑性变形程度的增塑性变形程度的增加，金属的强度和加，金属的强度和硬度显著提高，而硬度显著提高，而塑性和韧性下降。塑性和韧性下降。冷塑性变形对金属冷塑性变形对金属性能的主要影响是性能的主要影响是造成加工硬化。造成加工硬化。图图7-552.2.加工硬化的优缺点：加工硬化的优缺点：1)强化金属材料的重要手段：纯金属或强化金属材料的重要手段：纯金属或不能热处理强化的材料不能热处理强化的材料，如某些不，如某些不锈钢锈钢2)是工件能够成型的重要因素是工件能够成型的重要因素 3)进一步冷塑性变形困难，必须中间热进一步冷塑性变形困难，必须中间热处理，增加了生产成本，降低了生产处理，增加了生产成本，降低了生产效率。效率。1.晶粒变形：晶粒变形：1)外力作用下，金属变形，内部晶粒沿变形方向伸长外力作用下，金属变形，内部晶粒沿变形方向伸长2)变形程度很大时，晶粒变成纤维状，晶界模糊，形成变形程度很大时，晶粒变成纤维状，晶界模糊，形成纤维组织，使金属的机械性能有了明显的方向性纤维组织，使金属的机械性能有了明显的方向性2.晶粒晶粒“破碎破碎”1)晶粒外形发生变化，晶粒内部镶嵌块尺寸细碎化，位晶粒外形发生变化，晶粒内部镶嵌块尺寸细碎化，位错密度增加，晶格畸变较严重，因而增加滑移阻力错密度增加，晶格畸变较严重，因而增加滑移阻力加工硬化的根本原因加工硬化的根本原因3.产生形变织构：当金属变形到很大程度（产生形变织构：当金属变形到很大程度（70%以以上）时，晶粒转动到使晶粒位向趋于一致的上）时，晶粒转动到使晶粒位向趋于一致的“择择优取向优取向”的结构。的结构。形成后难以消除，在生产中应避免形成后难以消除，在生产中应避免1.残余内应力：是指当外力去除后残留于残余内应力：是指当外力去除后残留于金属内部的应力。内应力有：金属内部的应力。内应力有：1)主要是晶格畸变主要是晶格畸变2)金属内外变形不一致金属内外变形不一致3)晶粒之间变形不一致晶粒之间变形不一致2.后果：后果：1)强度、耐蚀性降低强度、耐蚀性降低2)引起机件变形和裂纹引起机件变形和裂纹采用退火处理予以降低或消除采用退火处理予以降低或消除 三、金属的再结晶三、金属的再结晶1.回复回复2.再结晶再结晶影响再结晶温度的因素影响再结晶温度的因素3.晶粒长大晶粒长大 图图7-561.回复：加热温度不太高，晶格畸变回复：加热温度不太高，晶格畸变程度减小，内应力大大降低。程度减小，内应力大大降低。金属的组织无明显的变化，机械性能也金属的组织无明显的变化，机械性能也没有明显的变化没有明显的变化1.再结晶：冷塑性变形金属加热到较高温度时，再结晶：冷塑性变形金属加热到较高温度时，原子重新排列，变形的晶粒逐步为等轴晶粒原子重新排列，变形的晶粒逐步为等轴晶粒所代替，即再结晶。所代替，即再结晶。1)过程：形核和核长大过程：形核和核长大 核：晶粒碎化最严重的地方。核：晶粒碎化最严重的地方。2)再结晶后，晶格畸变消失，位错密度下降，再结晶后，晶格畸变消失，位错密度下降，-金属的硬度、强度显著下降，塑性塑性显著上升。金属的硬度、强度显著下降，塑性塑性显著上升。-恢复到冷塑性变形前的性能恢复到冷塑性变形前的性能1.影响因素：影响因素：1)金属的熔点：金属的熔点：再结晶温度再结晶温度T再再：再结晶在一定的温度范围内进行。：再结晶在一定的温度范围内进行。再结晶能够开始的温度，称为再结晶温度再结晶能够开始的温度，称为再结晶温度T再再（再结（再结晶结束时晶粒为等轴晶粒）晶结束时晶粒为等轴晶粒）。再结晶温度与再结晶温度与熔点有有关，与关，与预先变形程度有关有关 T再再(0.35-0.4)T熔熔 T再再-金属的最低再结晶温度金属的最低再结晶温度（K）T熔熔-金属的熔化温度即熔点金属的熔化温度即熔点（K）再结晶退火：为消除加工硬化，以进一步加工，常把再结晶退火：为消除加工硬化，以进一步加工，常把冷加工的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结冷加工的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶以恢复金属的塑性，称为再结晶退火。比晶以恢复金属的塑性，称为再结晶退火。比T再再高高100 200 0C 保证质量，兼顾生产效率保证质量，兼顾生产效率2)金属的变形程度：没有塑性变形就没有再结晶。金属的变形程度：没有塑性变形就没有再结晶。塑性变形越大，再结晶温度就越低塑性变形越大，再结晶温度就越低1.温度再升高或保温时间延长，晶粒温度再升高或保温时间延长，晶粒互相吞并长大，晶粒粗大。互相吞并长大，晶粒粗大。2.塑性变形程度对素结晶后的晶粒度塑性变形程度对素结晶后的晶粒度的影响：的影响：1)变形程度较小（变形程度较小（210%）：粗晶粒）：粗晶粒2)变形程度较大（变形程度较大（3060%）：细小均）：细小均匀晶粒匀晶粒3)变形程度极大（变形程度极大（70%以上）：形变织以上）：形变织构，无法除去加工硬化。构，无法除去加工硬化。四、金属的热变形四、金属的热变形1.热变形与冷变形热变形与冷变形2.热变形对金属组织和性能的影响热变形对金属组织和性能的影响1)消除铸态金属的组织缺陷消除铸态金属的组织缺陷2)形成铸造流线形成铸造流线1.冷加工：在金属的冷加工：在金属的再结晶温度以下再结晶温度以下进行的加工进行的加工2.热加工：在金属的热加工：在金属的再结晶温度以上再结晶温度以上进行的加工进行的加工 例：W 1000 0C时冷加工时冷加工 Sn、Pb：常温下热加工常温下热加工冷加工有加工硬化，热加工无。冷加工有加工硬化，热加工无。1)消除气孔、缩孔及微裂纹并焊合，消除气孔、缩孔及微裂纹并焊合，提高金属的致密度提高金属的致密度2)细化晶粒：加工硬化与再结晶过程重细化晶粒：加工硬化与再结晶过程重叠，减轻甚至消除枝晶偏析，改善夹叠，减轻甚至消除枝晶偏析，改善夹杂物和第二相分布。杂物和第二相分布。提高机械性能，特别是塑性和韧性显著提高机械性能，特别是塑性和韧性显著提高提高1)沿纤维方向：抗拉强度、韧性好，沿纤维方向：抗拉强度、韧性好，抗剪强度低抗剪强度低2)垂直纤维方向：抗剪强度高，抗垂直纤维方向：抗剪强度高，抗拉强度低拉强度低 图、表图、表流线产生后无法消除流线产生后无法消除