金属的塑性变形与再结晶(2).ppt
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1、第三章 金属的塑性变形与再结晶l塑性变形及随后的加热对金塑性变形及随后的加热对金属材料组织和性能有显著的属材料组织和性能有显著的影响影响.了解塑性变形的本质了解塑性变形的本质,塑性变形及加热时组织的变塑性变形及加热时组织的变化,有助于发挥金属的性能化,有助于发挥金属的性能潜力,正确确定加工工艺潜力,正确确定加工工艺.5万吨水压机万吨水压机第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形l单晶体受力后,外力在单晶体受力后,外力在任何晶面上都可分解为任何晶面上都可分解为正应力正应力和和切应力切应力。正应。正应力只能引起弹性变形及力只能引起弹性变形及解理断裂。解理断裂。只有在切应只有在切应力的作用下金属晶
2、体才力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。能产生塑性变形。一、单晶体金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形外外力力在在晶晶面面上上的的分分解解切切应应力力作作用用下下的的变变形形锌锌单单晶晶的的拉拉伸伸照照片片韧性断口韧性断口脆性解理断口脆性解理断口l 滑移滑移l滑移滑移是指晶体的一部分沿一定的晶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面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。位移的现象。l塑性变形的形式:塑性变形的形式:滑移和孪生。滑移和孪生。l金属常以滑移方式发生塑性变形。金属常以滑移方式发生塑性变形。l1、滑移变形的特点、滑移变形的特点:l 滑移只能在切应力的作滑移只能在切
3、应力的作用下发生。用下发生。产生滑移的最产生滑移的最小切应力称小切应力称临界切应力临界切应力.l 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发生生。因因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,产产生生滑滑移所需切应力最小移所需切应力最小。l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滑移方向方向。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。l一个滑移面一个滑移面和其上的一和其上的一个滑移方向个滑移方向构成一个构成一个滑滑移系移系。体心立方
4、晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格110111110111晶格晶格滑移面滑移面滑移滑移方向方向滑移系滑移系三种典型金属晶格的滑移系三种典型金属晶格的滑移系l滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大,塑性也滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大,塑性也越好,其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。越好,其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。l因而金属的塑性,面心立方晶格好于体心立方晶格因而金属的塑性,面心立方晶格好于体心立方晶格,体心立方晶格好于密排六方晶格。体心立方晶格好于密排六方晶格。韧性断口韧性断口多多 脚脚 虫虫 的的 爬爬 行行l2、滑移的机理、滑移的机理l把滑移
5、设想为刚性整体滑动所需的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理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大切应力值大3-4个数量级个数量级。滑移是通滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。过滑移面上位错的运动来实现的。l晶体通过晶体通过位错运动位错运动产生滑移产生滑移时,只在位错中心的少数原时,只在位错中心的少数原子发生移动,它们移动的距子发生移动,它们移动的距离远小于一个原子间距,因离远小于一个原子间距,因而所需临界切应力小,这种而所需临界切应力小,这种现象称作现象称作位错的易动性位错的易动性。刃位错的运动刃位错的运动l 孪生孪生l孪生孪生是指晶体的一是指晶体的一部分沿一定晶
6、面和部分沿一定晶面和晶向相对于另一部晶向相对于另一部分所发生的切变。分所发生的切变。l发生切变的部分称发生切变的部分称孪生带孪生带或或孪晶孪晶,沿其发生孪生的,沿其发生孪生的晶面称晶面称孪生面孪生面。l孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。孪晶组织孪晶组织孪孪生生示意图示意图l与滑移相比:与滑移相比:l孪生使晶格位向发生改变孪生使晶格位向发生改变;l所需切应力比滑移大得多所需切应力比滑移大得多,变形速度极快变形速度极快,接近声速接近声速;l孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.l密排六方晶格金属滑移系
7、少,常以孪生方式变形。密排六方晶格金属滑移系少,常以孪生方式变形。体体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。生变形。面心立方晶格金属,一般不发生孪生变形,面心立方晶格金属,一般不发生孪生变形,但常发现有孪晶存在,这是由于相变过程中原子重但常发现有孪晶存在,这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的,称新排列时发生错排而产生的,称退火孪晶退火孪晶。奥氏体不锈钢中退火孪晶奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶钛合金六方相中的形变孪晶二、二、多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形l单个晶粒变形与单晶体相似单个晶粒变形与单晶体相
8、似,多晶体变形比单晶体复杂。多晶体变形比单晶体复杂。l晶界及晶粒位向差的影响晶界及晶粒位向差的影响l1、晶界的影响、晶界的影响l当位错运动到晶界附近时,当位错运动到晶界附近时,受到晶界的阻碍而堆积起来受到晶界的阻碍而堆积起来,称称位错的塞积位错的塞积。要使变形继。要使变形继续进行续进行,则必须增加外力则必须增加外力,从从而使金属的变形抗力提高。而使金属的变形抗力提高。晶界对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积l2、晶粒位向的影响、晶粒位向的影响l由于各相邻晶粒位向不同,当一个晶粒发生塑性变形由于各相邻晶粒位向不同,当一个晶粒发生塑性变形时,为了
9、保持金属的连续性,周围的晶粒若不发生塑时,为了保持金属的连续性,周围的晶粒若不发生塑性变形,则必以弹性变形来与之协调。性变形,则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形这种弹性变形便成为塑性变形晶便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相于晶粒间的这种相互约束,使得多晶互约束,使得多晶体金属的塑性变形体金属的塑性变形抗力提高。抗力提高。l 多晶体金属的塑性变形过程多晶体金属的塑性变形过程l多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于或接近于45的晶粒。的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一当塞积位错前端的应力达到一定程度,加上相
10、邻晶粒的转动,使相邻晶粒中原来定程度,加上相邻晶粒的转动,使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动,从而使滑移由处于不利位向滑移系上的位错开动,从而使滑移由一批晶粒传递到另一一批晶粒传递到另一批晶粒,批晶粒,当有大量晶当有大量晶粒发生滑移后,金属粒发生滑移后,金属便显示出明显的塑性便显示出明显的塑性变形。变形。铜多晶试样拉伸后形成的滑移带铜多晶试样拉伸后形成的滑移带铜多晶试样拉伸后形成的滑移带铜多晶试样拉伸后形成的滑移带l 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。l因为因为金属金属晶粒越晶粒越细,晶界总
11、面积细,晶界总面积越大,位错障碍越大,位错障碍越多;需要协调越多;需要协调的具有不同位向的具有不同位向的晶粒越多的晶粒越多,使,使金属塑性变形的金属塑性变形的抗力越高。抗力越高。晶晶粒粒大大小小与与金金属属强强度度关关系系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。l因为因为晶粒越细晶粒越细,单位体积内晶粒数目越多,单位体积内晶粒数目越多,参与变参与变形的晶粒数目也越形的晶粒数目也越多,变形越均匀,多,变形越均匀,使在断裂前发生较使在断裂前发生较大的塑性变形。强大的塑性变形。强度和塑性同时增加度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗金属在断裂前消耗的功也大,的功也大,因
12、而其因而其韧性也比较好。韧性也比较好。应变应变应力应力塑性材料塑性材料脆性脆性材料材料通过细化晶粒来同时通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方度、塑性和韧性的方法称法称细晶强化。细晶强化。第二节第二节 塑性变形对组织和性能的影响塑性变形对组织和性能的影响 l一、塑性变形对组织结构的影响一、塑性变形对组织结构的影响 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相应地被拉长或压扁。内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。l当变形量很大时,晶粒将被拉长为纤维状,晶界变当变形量很大时,晶粒将被拉长为纤维状,晶界变 得模
13、糊不清。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。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5%冷变形纯铝中的位错网冷变形纯铝中的位错网(a)正火态正火态(c)变形变形80%(b)变形变形40%l由于晶粒的转动,由于晶粒的转动,当当塑性塑性变变形达到一定程度时,会使绝形达到一定程度时,会使绝大部分晶粒的某一位向与变大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致,这种现象形方向趋于一致,这种现象称称织构织构或或择优取向择优取向。l形变织构使金属呈形变织构使金属呈现各向异性现各向异性,在深,在深冲零件时,易产生冲零件时,易产生“制耳制耳”现象,使零件边
14、缘不齐,厚薄不匀。但织构现象,使零件边缘不齐,厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。可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铜板各向异性导致的铜板“制耳制耳”有有无无轧制铝板的轧制铝板的“制耳制耳”现象现象二、二、加工硬化加工硬化 l随冷塑性变形量增加,金属的强度、硬度提高,塑随冷塑性变形量增加,金属的强度、硬度提高,塑性、韧性下降的现象称性、韧性下降的现象称加工硬化加工硬化。冷塑性变形量,%屈服强度,MPa1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量,%伸长率,%1040钢(0.4%C)黄铜铜冷冷塑性变形与性能关系塑性变形与性能关系l产生加工硬化
15、的原因是产生加工硬化的原因是:l1、随变形量增加、随变形量增加,位错位错密度增加密度增加,由于位错之,由于位错之间的交互作用间的交互作用(堆积堆积、缠缠结结),使变形抗力增加,使变形抗力增加.SiSi中中中中的的的的位位位位错错错错源源源源晶晶晶晶体体体体中中中中的的的的位位位位错错错错源源源源位错密度与强度关系位错密度与强度关系l2.随变形量增加,亚结构细化随变形量增加,亚结构细化l3.随变形量增加随变形量增加,空位密度增加空位密度增加l4.几何硬化几何硬化:由晶粒转动引起:由晶粒转动引起l由于加工硬化由于加工硬化,使已变形部分发使已变形部分发生硬化而停止变形生硬化而停止变形,而未变形部而未
16、变形部分开始变形。分开始变形。没有加工硬化没有加工硬化,金金属就不会发生均匀塑性变形。属就不会发生均匀塑性变形。l加工硬化是强化金属的重要手加工硬化是强化金属的重要手段之一,段之一,对于不能热处理强化对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。的金属和合金尤为重要。变形变形20%纯铁中的位错纯铁中的位错未变形纯铁未变形纯铁三、三、残余内应力残余内应力 l内应力内应力是指平衡于金属内部的应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力是由于金属受力时时,内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时,外力所做的功只有外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中转化
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- 金属 塑性变形 再结晶
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