工程材料金属的塑性变形.ppt

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1、工程材料金属的塑性变形现在学习的是第1页，共36页 了解塑性了解塑性变形的本形的本质，塑性，塑性变形及加形及加热时组织的的变化，有助于化，有助于发挥金属的性能潜力，正确确定金属的性能潜力，正确确定加工工加工工艺。金属的塑性变形金属的塑性变形2022/9/29现在学习的是第2页，共36页理解金属的塑性理解金属的塑性变形的形的实质 掌握塑性掌握塑性变形形对金属金属组织 和性能的影响和性能的影响 回复与再回复与再结晶，晶，热（冷）（冷）变形加工形加工金属的塑性变形金属的塑性变形2022/9/29现在学习的是第3页，共36页 s s弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形 2022/9/29现在学习的是第4页

2、，共36页第一节 金属的塑性变形一、一、单晶体金属的塑性晶体金属的塑性变形形 单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正正应力力和和切切应力力。正。正应力只能引起力只能引起弹性性变形及解理断裂。形及解理断裂。只有在切只有在切应力的作用下金属力的作用下金属晶体才能晶体才能产生塑性生塑性变形。形。2022/9/29现在学习的是第5页，共36页如拉伸时，滑移面上的外力如拉伸时，滑移面上的外力P分解为正应力分解为正应力和切应力和切应力。2022/9/29现在学习的是第6页，共36页 正正应力力只能引起弹性变形及解理断裂只能引起弹性变形及解理断裂 切切应力力作用使晶格

3、作用使晶格发生生弹性歪扭性歪扭 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。2022/9/29现在学习的是第7页，共36页l塑性塑性变形有两种形式：形有两种形式：滑移和滑移和孪生生。（一）滑移（一）滑移1.滑移与滑移滑移与滑移带 1)滑移滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分于另一部分发生滑生滑动位移的位移的现象。象。2022/9/29现在学习的是第8页，共36页滑滑移移常常沿沿晶晶体体中中原原子子密密度度最最大大的的晶晶面面和和晶晶向向发生生。因因为原原子子密密度度最最大大的的晶晶面面和和晶晶向

4、向之之间原原子子间距距最最大大，结合合力力最最弱弱，产生滑移所需切生滑移所需切应力最小。力最小。沿其沿其发生滑移的晶面和晶向分生滑移的晶面和晶向分别叫做叫做滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。2022/9/29现在学习的是第9页，共36页2022/9/29现在学习的是第10页，共36页 滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线滑移线，若干条滑，若干条滑移线组成一个移线组成一个滑移带滑移带。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2)2)滑移滑移带2022/9/29

5、现在学习的是第11页，共36页2.滑移的机理滑移的机理l把滑移把滑移设想想为刚性整体滑性整体滑动所需的理所需的理论临界切界切应力力值比比实际测量量临界切界切应力力值大大 3-4个数量个数量级。l滑移是通滑移是通过滑移面上位滑移面上位 错的运的运动来来实现的。的。2022/9/29现在学习的是第12页，共36页 晶体通晶体通过位位错运运动产生滑移生滑移时，在位在位错中心的少数原子中心的少数原子发生移生移动。2022/9/29现在学习的是第13页，共36页 孪生生 孪生生是指晶体的一部分沿一定晶是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相面和晶向相对于另一部分所于另一部分所发生的切生的切变。发生切生切变的部

6、分称的部分称孪生生带或或孪晶晶，沿其，沿其发生生孪生的生的晶面称晶面称孪生面生面，孪生的生的结果使果使孪生面两生面两侧的晶体呈的晶体呈镜面面对称。称。2022/9/29现在学习的是第14页，共36页二、多晶体金属的塑性二、多晶体金属的塑性变形形 多晶体多晶体变形比形比单晶体复晶体复杂得多。得多。晶界及晶粒位向差的影响晶界及晶粒位向差的影响 1、晶界的影响、晶界的影响。位错塞积示意图位错塞积示意图2022/9/29现在学习的是第15页，共36页2、晶粒位向的影响、晶粒位向的影响 由于各相由于各相邻晶粒位向不同，晶粒位向不同，晶粒晶粒间的相互的相互约束，使得多晶体束，使得多晶体 金属的塑性金属的塑

7、性变形抗力提高。形抗力提高。当有大量晶粒当有大量晶粒发生滑移后，金属生滑移后，金属 便便显示出明示出明显的塑性的塑性变形。形。2022/9/29现在学习的是第16页，共36页(二二)晶粒大小晶粒大小对金属力学性能的影响金属力学性能的影响l金属的晶粒越金属的晶粒越细，其，其强度和硬度越高。度和硬度越高。因金属晶粒越因金属晶粒越细，晶界，晶界总面面积越大，位越大，位错障碍越多；障碍越多；需要需要协调的具有不同位向的晶粒越多的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性，使金属塑性变形的抗力越高。形的抗力越高。2022/9/29现在学习的是第17页，共36页l金属的晶粒越金属的晶粒越细，其塑性和，其塑性和韧性

8、也越高。性也越高。因因晶粒越晶粒越细，单位体位体积内晶粒数目越多，内晶粒数目越多，参与参与变形的晶形的晶粒数目也越多，粒数目也越多，变形越均匀，形越均匀，使在断裂前使在断裂前发生生较大的塑性大的塑性变形。形。强度和塑性同度和塑性同时增加，增加，金属在断裂前消耗的金属在断裂前消耗的功也大，功也大，因而其因而其韧性性也比也比较好。好。2022/9/29现在学习的是第18页，共36页通通通通过细过细化晶粒来同化晶粒来同化晶粒来同化晶粒来同时时提高金属提高金属提高金属提高金属的的的的强强度、硬度、塑性和度、硬度、塑性和度、硬度、塑性和度、硬度、塑性和韧韧性的性的性的性的方法称方法称方法称方法称细细晶晶

9、晶晶强强化化化化。锌单晶和多晶的拉伸曲线锌单晶和多晶的拉伸曲线2022/9/29现在学习的是第19页，共36页第二节 塑性变形对组织和性能的影响 一、一、塑性塑性变形形对组织结构的影响构的影响 1.晶粒晶粒变形形l金属金属发生塑性生塑性变形形时，不，不仅外形外形发生生变化，而且其化，而且其内部的晶粒也相内部的晶粒也相应地被拉地被拉长或或压扁。扁。当当变形量很大形量很大时，晶粒将被拉，晶粒将被拉长为纤维状，晶界状，晶界变得模糊不清。得模糊不清。l塑性塑性变形形还使使 晶粒破碎晶粒破碎为亚 晶粒。晶粒。2022/9/29现在学习的是第20页，共36页工工工工业纯铁业纯铁在塑性在塑性在塑性在塑性变变

10、形前后的形前后的形前后的形前后的组织变组织变化化化化(a)正火态正火态(c)变形变形80%(b)变形变形40%2022/9/29现在学习的是第21页，共36页2.形形变织构构 在塑性在塑性变形形过程中，由于晶粒的程中，由于晶粒的转动，当当变形达到一定形达到一定程度程度时，会使，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于于一致，一致，这种种现象称象称织构构或或择优取向取向.。l形形变织构使金属呈构使金属呈现各向异性各向异性，在深冲零件，在深冲零件时，易，易产生生“制耳制耳”现象，使零件象，使零件边缘不不齐，厚薄不匀。但，厚薄不匀。但织构可提构可提高硅高硅钢片的片的导磁

11、率。磁率。板织构板织构丝织构丝织构形变织构示意图形变织构示意图各向异性导致的各向异性导致的“制耳制耳”变形前变形前变形后变形后2022/9/29现在学习的是第22页，共36页二、冷塑性二、冷塑性变形形对金属金属组织性能的影响性能的影响 1 1加工硬化（形加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）硬化）（冷作硬化）2022/9/29现在学习的是第23页，共36页 随冷塑性随冷塑性变形量增加，金属的形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、度、硬度提高，塑性、韧性下降的性下降的现象称象称加工硬化。加工硬化。产生加工硬化的原因是：生加工硬化的原因是：1）随）随变形量增加，位形量增加，位错密度增加密度增加，由于位，

12、由于位错之之间的交互的交互作用作用(堆堆积、缠结等等)，使，使变形抗力增加。形抗力增加。2）随变形量增加，亚结构细化）随变形量增加，亚结构细化。3）随变形量增加）随变形量增加,空位密度增加。空位密度增加。2022/9/29现在学习的是第24页，共36页 加工硬化是加工硬化是强化金属的重要手段之一，化金属的重要手段之一，尤其尤其对于那些不能以于那些不能以热处理理强化的金属和合金更化的金属和合金更为重要。重要。2022/9/29现在学习的是第25页，共36页第三节 回复与再结晶 金属金属经冷塑性冷塑性变形后，形后，组织处于不于不稳定状定状态，有自，有自发恢复恢复到到变形前形前组织状状态的的倾向。但

13、向。但在常温下，原子在常温下，原子扩散能力散能力小，不小，不稳定状定状态可以可以维持相当持相当长时间，而加而加热则使原子使原子扩散能力增加，金属将依次散能力增加，金属将依次发生生回复、再回复、再结晶和晶粒晶和晶粒长大。大。2022/9/29现在学习的是第26页，共36页（一）回复（一）回复 将加工硬化的金属稍微加将加工硬化的金属稍微加热，其歪扭的晶格得到恢复，其歪扭的晶格得到恢复，韧性、塑性略有提高，叫回复。性、塑性略有提高，叫回复。回复回复阶段，金属段，金属组织变化不明化不明显，其，其强度、硬度略有下度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内降，塑性略有提高，但内应力、力、电阻率等阻率等显著下降。

14、著下降。2022/9/29现在学习的是第27页，共36页（二）再（二）再结晶晶 当当变形金属被加形金属被加热到到较高温度高温度时，由于原子活，由于原子活动能力增大，能力增大，晶粒的形状开始晶粒的形状开始发生生变化，化，由由破碎拉破碎拉长的晶粒的晶粒变为完整的等完整的等轴晶粒晶粒。这种种冷冷变形形组织在加在加热时重新重新彻底改底改组的的过程称程称再再结晶晶。铁素体变形铁素体变形80%650加热加热670加热加热T T再再=0.4T=0.4T熔熔 (K)(K)2022/9/29现在学习的是第28页，共36页 再结晶也是一个晶核形成和长再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再大的过程，

15、但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。成分完全相同。由于再结晶后组织的复原，由于再结晶后组织的复原，因而因而金属的强度、硬度下降，金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消塑性、韧性提高，加工硬化消失失。2022/9/29现在学习的是第29页，共36页第四节 金属的热加工 一、冷加工与一、冷加工与热加工的区加工的区别l在金属学中，冷在金属学中，冷热加工的界限是以再加工的界限是以再结晶温度来划分的。晶温度来划分的。低于再低于再结晶温度的加工晶温度的加工为冷加工，冷加工，而高于再而高于再结晶温度的晶温度的加工加工为热加工加工。轧制轧制模锻模锻

16、拉拔拉拔2022/9/29现在学习的是第30页，共36页l如如 Fe 的再的再结晶温度晶温度为451，其在，其在400 以下的加工仍以下的加工仍为冷加工。而冷加工。而 Pb 的再的再结晶温度晶温度为-33，则其在室温下其在室温下的加工的加工为热加工。加工。l热加工加工时产生的加工硬化很快被再生的加工硬化很快被再结晶晶产生的生的软化所抵化所抵消，因而消，因而热加工不会加工不会带来加工硬化效果。来加工硬化效果。巨型自由锻件巨型自由锻件2022/9/29现在学习的是第31页，共36页金属的塑性加工模锻模锻自由锻自由锻轧制轧制正挤压正挤压反挤压反挤压拉拔拉拔冲压冲压2022/9/29现在学习的是第32

17、页，共36页二、二、热加工加工对金属金属组织和性能的影响和性能的影响 l热加工可使加工可使铸态金属与合金中的金属与合金中的气孔气孔焊合合，使，使粗大的粗大的树枝晶或柱状晶破碎，枝晶或柱状晶破碎，从而从而使使组织致密、成分均匀、晶粒致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高化，力学性能提高。热加工动态再结晶热加工动态再结晶示意图示意图2022/9/29现在学习的是第33页，共36页l热加工使加工使铸态金属中的金属中的非金属非金属夹杂沿沿变形方向形方向拉拉长，形成彼此平行的，形成彼此平行的宏宏观条条纹，称作，称作流流线，由由这种流种流线体体现的的组织称称纤维组织。它使。它使钢产生各向生各向异性，异性，

18、在制定加工工在制定加工工艺时，应使流使流线分布合理，尽量分布合理，尽量与拉与拉应力方向一致。力方向一致。滚压成型后螺纹内部的纤维分布滚压成型后螺纹内部的纤维分布吊吊钩钩中中的的纤纤维维组组织织2022/9/29现在学习的是第34页，共36页l在加工在加工亚共析共析钢时，发现钢中的中的F与与P呈呈带状分布，状分布，这种种组织称称带状状组织。带状状组织与枝晶偏析被沿加工方向拉与枝晶偏析被沿加工方向拉长有关。可通有关。可通过多次正火或多次正火或扩散退火消除。散退火消除。带状组织带状组织2022/9/29现在学习的是第35页，共36页l热加工能量消耗小，但加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、用于截面尺寸大、变形形量大、在室温下加工困量大、在室温下加工困难的工件。的工件。l而冷加工一般用于截面尺而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度寸小、塑性好、尺寸精度及表面光及表面光洁度要求高的工度要求高的工件。件。蒸汽蒸汽-空气锤空气锤2022/9/29现在学习的是第36页，共36页