工程材料金属的塑性变形讲稿.ppt

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1、工程材料金属的塑性变形第一页，讲稿共三十六页哦 了解塑性变形的本质，塑性变形及加热时组织了解塑性变形的本质，塑性变形及加热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正确确定的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺。加工工艺。金属的塑性变形金属的塑性变形2022/10/5第二页，讲稿共三十六页哦理解金属的塑性变形的实质理解金属的塑性变形的实质 掌握塑性变形对金属组织掌握塑性变形对金属组织 和性能的影响和性能的影响 回复与再结晶，热（冷）变形加工回复与再结晶，热（冷）变形加工金属的塑性变形金属的塑性变形2022/10/5第三页，讲稿共三十六页哦 s s弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形 20

2、22/10/5第四页，讲稿共三十六页哦第一节 金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形 单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为为正应力正应力和和切应力切应力。正应力只能引起弹性变。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。晶体才能产生塑性变形。2022/10/5第五页，讲稿共三十六页哦如拉伸时，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。2022/10/5第六页，讲稿共三十六页哦 正应力正应力只能引起弹性变形及解理断裂只

3、能引起弹性变形及解理断裂 切应力切应力作用使晶格发生弹性歪扭作用使晶格发生弹性歪扭 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。2022/10/5第七页，讲稿共三十六页哦l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。（一）滑移（一）滑移1.滑移与滑移带滑移与滑移带 1)滑移滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部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。分发生滑动位移的现象。2022/10/5第八页，讲稿共三十六页哦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

4、发生生。因因为为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，产生滑移所需切应力最小。产生滑移所需切应力最小。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。2022/10/5第九页，讲稿共三十六页哦2022/10/5第十页，讲稿共三十六页哦 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，若干条滑移线组成一个滑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

5、表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带2)2)滑移带滑移带2022/10/5第十一页，讲稿共三十六页哦2.滑移的机理滑移的机理l把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大值比实际测量临界切应力值大 3-4个数量级。个数量级。l滑移是通过滑移面上位滑移是通过滑移面上位 错的运动来实现的。错的运动来实现的。2022/10/5第十二页，讲稿共三十六页哦 晶体通过位错运动产生滑移时，晶体通过位错运动产生滑移时，在位错中心的少数原子发生移动。在位错中心的少数原子发生移动。2022/10/5第十三页，讲稿共三十六页哦 孪生孪生 孪生孪生是指晶

6、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对于另一部分所发生面和晶向相对于另一部分所发生的切变。的切变。发生切变的部分称发生切变的部分称孪生孪生带带或或孪晶孪晶，沿其发生孪生的晶，沿其发生孪生的晶面称面称孪生面孪生面，孪生的结果使孪，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。生面两侧的晶体呈镜面对称。2022/10/5第十四页，讲稿共三十六页哦二、多晶体金属的塑性变形二、多晶体金属的塑性变形 多晶体变形比单晶体复杂得多。多晶体变形比单晶体复杂得多。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2022/10/5第十五页，讲稿共三十

7、六页哦2、晶粒位向的影响、晶粒位向的影响 由于各相邻晶粒位向不同，由于各相邻晶粒位向不同，晶粒间的相互约晶粒间的相互约束，使得多晶体束，使得多晶体 金属的塑性变形抗力提高。金属的塑性变形抗力提高。当有大量晶粒发生滑移后，金属当有大量晶粒发生滑移后，金属 便显示出明显的塑性变形。便显示出明显的塑性变形。2022/10/5第十六页，讲稿共三十六页哦(二二)晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响l金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。因金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；因金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒

8、越多需要协调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。变形的抗力越高。2022/10/5第十七页，讲稿共三十六页哦l金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。因因晶粒越细晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前使在断裂前发生较大的塑性变形。发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加，强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的功金属在断裂前消耗的功也大，也大，因而其韧性也比因而其韧性也比较好。较好。2022/10/5第十八页，讲稿共三十六页哦通过细化

9、晶粒来同时提高金属的通过细化晶粒来同时提高金属的通过细化晶粒来同时提高金属的通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法强度、硬度、塑性和韧性的方法强度、硬度、塑性和韧性的方法强度、硬度、塑性和韧性的方法称称称称细晶强化细晶强化细晶强化细晶强化。锌单晶和多晶的拉伸曲线锌单晶和多晶的拉伸曲线2022/10/5第十九页，讲稿共三十六页哦第二节 塑性变形对组织和性能的影响 一、一、塑性变形对组织结构的影响塑性变形对组织结构的影响 1.晶粒变形晶粒变形l金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其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内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。相应地

10、被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。晶界变得模糊不清。l塑性变形还使塑性变形还使 晶粒破碎为亚晶粒破碎为亚 晶粒。晶粒。2022/10/5第二十页，讲稿共三十六页哦工业纯铁在塑性变形前后的组织变化工业纯铁在塑性变形前后的组织变化工业纯铁在塑性变形前后的组织变化工业纯铁在塑性变形前后的组织变化(a)正火态正火态(c)变形变形80%(b)变形变形40%2022/10/5第二十一页，讲稿共三十六页哦2.形变织构形变织构 在塑性变形过程中，由于晶粒的转动，在塑性变形过程中，由于晶粒的转动，当变形达到一定程度时，当变形达到一定程度时

11、，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，这种现会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，这种现象称象称织构织构或或择优取向择优取向.。l形变织构使金属呈现各向异性形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生，在深冲零件时，易产生“制耳制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。提高硅钢片的导磁率。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2022/10/5第二十二页，讲稿共三十六页哦二、冷塑性变形对金属组织性能的影响二、冷塑性变形对金属组织性能

12、的影响 1 1加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）2022/10/5第二十三页，讲稿共三十六页哦 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称下降的现象称加工硬化。加工硬化。产生加工硬化的原因是：产生加工硬化的原因是：1）随变形量增加，位错密度增加）随变形量增加，位错密度增加，由于位错之间的交互作，由于位错之间的交互作用用(堆积、缠结等堆积、缠结等)，使变形抗力增加。，使变形抗力增加。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

13、加。2022/10/5第二十四页，讲稿共三十六页哦 加工硬化是强化金属的重要手段之一，加工硬化是强化金属的重要手段之一，尤其尤其对于那些不能以热处理强化的金属和合金更为对于那些不能以热处理强化的金属和合金更为重要。重要。2022/10/5第二十五页，讲稿共三十六页哦第三节 回复与再结晶 金属经冷塑性变形后，组织处于不稳定状态，有自发金属经冷塑性变形后，组织处于不稳定状态，有自发恢复到变形前组织状态的倾向。但恢复到变形前组织状态的倾向。但在常温下，原子扩散在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可以维持相当长时间能力小，不稳定状态可以维持相当长时间，而加热则使而加热则使原子扩散能力增加，金属将依次发

14、生原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶回复、再结晶和晶粒长大。粒长大。2022/10/5第二十六页，讲稿共三十六页哦（一）回复（一）回复 将加工硬化的金属稍微加热，其歪扭的晶格得到恢复，将加工硬化的金属稍微加热，其歪扭的晶格得到恢复，韧性、塑性略有提高，叫回复。韧性、塑性略有提高，叫回复。回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下回复阶段，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。降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。2022/10/5第二十七页，讲稿共三十六页哦（二）再结晶（二）再结晶 当变形金属被加热到较高温度时，当变形金

15、属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，形状开始发生变化，由破碎拉长由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒的晶粒变为完整的等轴晶粒。这种这种冷变形组织在加热时重新冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称彻底改组的过程称再结晶再结晶。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)2022/10/5第二十八页，讲稿共三十六页哦 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，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

16、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，塑金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失性、韧性提高，加工硬化消失。2022/10/5第二十九页，讲稿共三十六页哦第四节 金属的热加工 一、冷加工与热加工的区别一、冷加工与热加工的区别l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为低于再结晶温度的加工为冷加工，冷加工，而高于再结晶温度的加工而高于再结晶温度的加工为为热加工热加工。轧制轧制模锻模锻拉拔拉拔2022/10/5第三十页，讲稿共三十六页哦l如如 F

17、e 的再结晶温度为的再结晶温度为451，其在，其在400 以下的加工仍以下的加工仍为冷加工。而为冷加工。而 Pb 的再结晶温度为的再结晶温度为-33，则其在室温下的，则其在室温下的加工为热加工。加工为热加工。l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。巨型自由锻件巨型自由锻件2022/10/5第三十一页，讲稿共三十六页哦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2022/10/5第三十二页，讲稿共三十六页哦二、二、热加工对金属组织

18、和性能的影响热加工对金属组织和性能的影响 l热加工可使铸态金属与合金中的热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合气孔焊合，使，使粗大的树枝粗大的树枝晶或柱状晶破碎，晶或柱状晶破碎，从而从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高力学性能提高。热加工动态再结晶热加工动态再结晶示意图示意图2022/10/5第三十三页，讲稿共三十六页哦l热加工使铸态金属中的非热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，形成彼此平行的宏观条纹，称作称作流线流线，由这种流线体由这种流线体现的组织称现的组织称纤维组织纤维组织。它。它使钢产生

19、各向异性，使钢产生各向异性，在制在制定加工工艺时，应使流线定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力分布合理，尽量与拉应力方向一致。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2022/10/5第三十四页，讲稿共三十六页哦l在加工亚共析钢时，发现钢中的在加工亚共析钢时，发现钢中的F与与P呈带状分布，这种呈带状分布，这种组织称组织称带状组织带状组织。带状组织与枝晶偏析被沿加工方向拉带状组织与枝晶偏析被沿加工方向拉长有关。可通过多次正火或扩散退火消除。长有关。可通过多次正火或扩散退火消除。带状组织带状组织2022/10/5第三十五页，讲稿共三十六页哦l热加工能量消耗小，但热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般钢材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、变形用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困量大、在室温下加工困难的工件。难的工件。l而冷加工一般用于截面而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光洁度要求精度及表面光洁度要求高的工件。高的工件。蒸汽蒸汽-空气锤空气锤2022/10/5第三十六页，讲稿共三十六页哦