第二章 金属的塑性变形与再结晶.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流第二章 金属的塑性变形与再结晶.精品文档.第二章 金属的塑性变形与再结晶教学目的：掌握金属的塑性变形与再结晶规律，了解塑性变形对金属组织与性能的影响本章重点： 1、金属单晶体与多晶体的塑性变形及其特点 2、塑性变形对金属组织与性能的影响 3、回复与再结晶本章难点：塑性变形对金属组织与性能的影响参考文献：1、王从曾，材料性能学，北京工业大学出版社，20012、束德林，金属力学性能，机械工业出版社，19953、冯端，金属物理学，科学出版社，19994、史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，20015、史美堂，金属材料及热处理习题集与实验指

2、导书，上海科学技术出版社，1997专业词汇：Tensile test; tensile strength; stress-strain curve; elastic distortion; plastic distortion; strain energy; stress concentration; fracture strength; fracture mechanism; reduction ratio of area; breaking extension; fracture toughness; fractography analysis; yield point; yield st

3、rength; poissons ratio由于金属铸锭中存在各种各样的缺陷，如：粗大晶粒区，组织疏松，杂质偏析，气孔、裂纹等，故铸锭需要进行压力加工，消除上述缺陷才能使用。压力加工过程中，金属产生塑性变形，使金属组织发生很大变化，这种变化一方面使金属性能得到改善，另一方面也会带来不利影响，本章将讨论这方面的问题。第一节 金属的塑性变形一、金属的变形与断裂1、 应力：作用在单位面积上的内力值 =lim(S/A), A02、 应变：单位长度上的变形量。3、 弹性变形：在应力作用下，金属晶格发生了弹性伸长或歪扭，但未超过原子间的结合力。即=E，服从虎克定律。4、 塑性变形：当应力超过原子间的结合力

4、，晶格发生不可恢复得变形。5、 断裂：韧性断裂：断裂前有明显塑性变形，断口成纤维状，无光泽 脆性断裂：断裂前未发生明显塑性变形，断口有闪烁的光泽。 脆性断裂：晶间断裂：断裂沿晶界发生，断口凹凸不平。 穿晶断裂：断裂穿过各个晶粒，断口平化。二、 金属单晶体的塑性变形1、 塑性变形的方式滑移：晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面发生相对的滑动。孪生：晶体变形后两部分呈镜像对称孪晶。2、 滑移变形的特点：a、滑移只能在切应力作用下产生 b、滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生（因为只有在原子密度最大的晶面之间的面间距，原子密度最大的晶向之间的原子间距才最大，原子结合力最弱，最容易发生滑移） c

5、、滑移时晶格间的位移是原子间距的整倍数，滑移的结果在晶体表面形成了条纹滑移线 d、晶体滑移的同时，伴随晶体的转动（正应力力偶矩）3、 三种典型晶格的滑移系滑移系：一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑移系，即一个最大原子密度晶面和一个最大原子密度晶向组成一个滑移系。 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格滑移面 110 6个 111 4个 六方底面 1滑移方向 2个 3个 底面对角线3滑移系 6*2=12 4*3=12 1*3=3滑移系越多，金属发生滑移的倾向越大，金属塑性越好。尤其是滑移方向的数目，比滑移面的作用更大。如金属塑性：面心体心密排4、 滑移的原因内因：滑移面上的位错运动，而不是刚性

6、滑移外因：切应力的作用因为刚性滑移所需的切应力比实测值高3-4个数量级，如铜刚性滑移所需的临界切应力为1540MN/m2(理论计算)，铜实际滑移的临界切应力只有1 MN/m2。位错滑移爬虫蠕动；火车启动。三、金属多晶体的塑性变形单晶体的滑移发生在一个晶体的一定晶面上，而多晶体由于多个晶体和晶界的存在，并且每个晶体的晶格位向不同，故多晶体的塑性变形比单晶体要复杂得多。1、 晶界的影响由于晶界为晶格位向不同的两晶粒的过渡处，故晶格排列紊乱，杂质原子较多，晶格畸变严重，位错运动的阻力很大，滑移难以发生，只有在较大的外力作用下，位错才能穿越晶界进入另一个晶粒中，塑性变形抗力大。 2、 晶格位向的影响多

7、晶体中各晶粒的晶格位向不同，所以每一晶粒的滑移都会受到周围不同位向晶粒的约束，故多晶体金属的塑性变形抗力高于单晶体金属。从上述两影响因素，可以得出结论：晶粒越细，晶界的总面积就越大，每个晶粒周围不同位向的晶粒越多，对滑移产生的抗力就越大，金属的强度就越高。另外，晶粒越细，单位体积中的晶粒就越多，同样的塑性变形量可以分散在更多的晶粒中发生，使金属产生较为均匀的塑性变形，不致造成局部应力集中，引起断裂，所以金属的塑性、韧性也会提高。晶粒越细，裂纹传播（扩展）所消耗的能量越多，裂纹在不同位向的晶粒中传播越困难，金属的断裂韧性越好。A、塑性变形对组织和性能的影响晶粒沿变形方向变形，性能趋向各向异性金属

8、经过塑性变形，其晶粒会随着外形的变化而发生相应变化，晶界变得模糊，金属性能具有明显的方向性。晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化（从拉伸曲线上解释）随着变形的增大，晶界出现位错堆积随着变形的增大，晶粒破碎成细碎的亚晶粒，位错密度明显增大金属产生加工硬化，强度、硬度显著增大，塑性韧性下降金属物理、化学性能发生显著变化，电阻率增大，耐蚀性下降产生织构现象 金属塑性变形过程中，不仅晶粒发生变形，晶粒的晶格位向也会沿变形方向发生转动，当金属塑性变形量达到一定程度（70%90%），金属中的每个晶粒的晶格位向将沿变形方向趋于一致，这种现象称为“织构现象”。如冷轧板产生板织构；冷拔丝产生丝织构，织构现象的出

9、现，会使金属产生各向异性，热处理也难以消除。产生残余应力塑性变形过程中，外力对金属做的功，大部分变成热而小部分转化为内应力残留于金属中，残余应力的存在，会造成：1、 零件加工后，残余应力随时间的延长而缓慢松弛，使零件产生变形，影响尺寸精度。2、 降低了金属的耐腐蚀性B、 回复与再结晶金属塑性变形后，位错等晶格缺陷大量增加，引起金属组织与性能变化，当这种变化对生产不利时，应设法予以消除。a、 变形金属在加热过程中的组织与性能变化 回复 当加热温度较低时，由于原子的扩散能力弱，金属晶粒的形状及大小不发生明显变化，只是引起金属中的一些空位、间隙原子，尤其是堆积位错发生扩散，导致金属内应力释放，金属的

10、强度、塑性等机械性能指标变化不大，这一过程称为回复。 对加工硬化金属进行低温加热，以消除内应力的热处理方法称为低温退火或去应力回火。如，冷卷弹簧制作后，须进行250-300的低温退火以消除内应力。 再结晶 提高加热温度，金属原子的扩散能力增大，使位错的扩散程度增大，破碎晶粒开始重新形核和成长，形成等轴晶粒，这一过程称为再结晶。金属再结晶后，冷加工硬化金属的组织发生彻底变化，强度、硬度显著降低，塑性、韧性重新提高，加工硬化现象得以消除。 3、晶粒长大再结晶过程完成后，若继续升温或过分延长加热时间，等轴晶粒会合并长大，因为晶粒长大可以减小晶界面积，使表面能降低自发过程。一旦晶粒长大，金属的机械性能

11、恶化，因此必须严格控制加热温度和保温时间。b、 金属再结晶温度的确定再结晶过程不是在一恒温下进行的，而是在某个温度范围内。没有经过冷作硬化（冷加工硬化）的金属不会发生再结晶。影响再结晶温度的因素：1、 金属冷加工变形度变形度越大，发生再结晶的温度越低，当变形度达到一程度后， 趋于一个最低温度，称为最低再结晶温度，T再min。 经验表明：T再min0.4T熔点，K2、 金属的纯度金属中的杂质或合金元素，尤其是高熔点成分的存在，会阻碍原子的扩散（位错的扩散），因此再结晶温度会提高。如：纯铁T再min=450， 碳钢T再min=500-650 合金钢T再min650-7003、 加热速度和保温时间a

12、、 提高加热速度，再结晶温度升高b、 延长保温时间，再结晶温度降低综合上述因素，再结晶退火温度一般为：T再min+100-200c、 影响再结晶退火后金属晶粒度的因素加热温度的影响加热温度越高，金属晶粒越粗大；加热温度一定，保温时间越长，晶粒越粗大冷加工变形度的影响变形度越大，变形越均匀，再结晶后金属的晶粒越细。临界变形度：当变形度在2-10%范围内时，再结晶后的晶粒明显粗大，因为在此变形度下，金属变形极不均匀，再结晶时晶核形成率很低，晶粒大小不均匀，易相互吞并长大。 当变形度大于70-90%以上时，由于产生织构现象，晶粒的晶格位向相同（或相近），晶界扩散很容易，故再结晶时晶粒易长大。第三节

13、金属的热加工一、冷加工与热加工的区别冷加工：金属在再结晶温度以下进行的变形加工。热加工：金属在再结晶温度以上进行的变形加工。对于大尺寸工件或低塑性金属，冷加工变形十分困难，只能进行热加工，因为温度升高，金属的塑性提高。二、热加工对金属组织和性能的影响可提高金属铸锭的致密性，消除气孔、疏松组织等缺陷使铸态金属的粗大晶粒、柱状晶粒破碎，细化晶粒使铸态金属中的非金属夹杂、枝晶偏析等的分布改变，形成热加工“纤维组织”作业：1、解释下列名词：滑移，滑移系，加工硬化，回复，再结晶，织构2、指出下列名词的主要区别：弹性变形与塑性变性；韧性断裂与脆性断裂；热加工与冷加工3、为什么细晶粒钢强度高，塑性、韧性也好？4、金属的再结晶温度受哪些因素的影响？