金属的塑性变形1热.ppt

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1、第三章第三章 金属的塑性变形金属的塑性变形 金属经熔炼浇注成铸锭以后，通常要进行各种塑性加工，如轧金属经熔炼浇注成铸锭以后，通常要进行各种塑性加工，如轧制、挤压制、挤压、冷拔、锻压、冲压等，以获得具有一定形状、尺寸和力冷拔、锻压、冲压等，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。（各种加工方法）第一节、单晶体、多晶体的塑性变形第一节、单晶体、多晶体的塑性变形 一、塑性变形的基本形式一、塑性变形的基本形式 单晶体的塑性变形有两种单晶体的塑性变形有两种,即滑移和孪生。即滑移和孪生。1.1.滑移滑移 滑滑移移是

2、是指指在在切切应应力力作作用用下下，晶晶体体的的一一部部分分沿沿一一定定晶晶面面（滑滑移移面面）和和晶晶向向（滑滑移移方方向向）相相对对于于另另一一部部分分发发生生的的滑滑动动。当当对对一一单单晶晶体体试试样样进进行行拉拉伸伸时时，外外力力（F F）在在某某晶晶面面上上产产生生的的应应力力可可分分解解为为垂垂直直于于该该晶晶面面的的正正应应力力（）及及平平行行于于该该晶晶面面的的切切应应力力（）。正正应应力力只只能能引引起起晶晶格格的的弹弹性性伸伸长长，而而切切应应力力则则可可使使晶晶格格在在发发生生弹弹性性歪歪扭扭之之后后，进进一一步步使使晶晶体体发发生生滑滑移移。滑滑移移的的结结果果会会在

3、在晶晶体体的的表表面面留留下下滑滑移移痕痕迹迹，称为滑移带。称为滑移带。滑移变形具有以下特点：滑移变形具有以下特点：滑移总是沿着晶体中滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面（密排原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向面）和其上密度最大的晶向（密排方向）进行。（密排方向）进行。滑移只能在切应力的作用下发生。滑移只能在切应力的作用下发生。滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍。滑移是通过位错的运动来实现的。为原子间距的整数倍。滑移是通过位错的运动来实现的。滑移的同时必然伴随有晶体的转动，转动的结果，使滑移面

4、滑移的同时必然伴随有晶体的转动，转动的结果，使滑移面趋向与拉伸轴平行。趋向与拉伸轴平行。2.2.孪生孪生 在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶向（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变称为孪生。向（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变称为孪生。孪生与滑移的区别是：孪生与滑移的区别是：1 1）孪孪生生所所需需要要的的临临界界切切应应力力比比滑滑移移大大得得多多，变变形形速速度度极极快快，接近于声速。接近于声速。2 2）孪孪生生通通过过晶晶格格切切变变使使晶晶格格位位向向改改变变，发发生生切切变变、位位向向改改变变的这一部分晶体

5、称为孪晶带或孪晶。的这一部分晶体称为孪晶带或孪晶。3 3）孪晶中每层原子沿孪生方向的相对位移距离是原子间距的）孪晶中每层原子沿孪生方向的相对位移距离是原子间距的分数，而滑移时滑移面两侧晶体的相对位移是原子间距的整数倍。分数，而滑移时滑移面两侧晶体的相对位移是原子间距的整数倍。（二）多晶体的塑性变形（二）多晶体的塑性变形 1.1.不均匀的塑性变形过程不均匀的塑性变形过程 在多晶体中，各个晶粒内原子排列的位向不一致，这样不同晶在多晶体中，各个晶粒内原子排列的位向不一致，这样不同晶粒的滑移系的取向就会不同。当对多晶体施以拉伸时，作用在不同粒的滑移系的取向就会不同。当对多晶体施以拉伸时，作用在不同晶粒

6、滑移系上的分切应力会有差别，分切应力最大的那些晶粒最先晶粒滑移系上的分切应力会有差别，分切应力最大的那些晶粒最先开始滑移，有些晶粒所受到的分切应力最小，最难发生滑移，由此开始滑移，有些晶粒所受到的分切应力最小，最难发生滑移，由此可见，多晶体金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不可见，多晶体金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过程。均匀的塑性变形过程。2.2.晶粒间位向差阻碍滑移晶粒间位向差阻碍滑移 在多晶体中晶粒间有位向差，使变形不能同时进行。当一个晶在多晶体中晶粒间有位向差，使变形不能同时进行。当一个晶粒发生塑性变形时，周围的晶粒如不发生塑性变形，则必须要产生

7、粒发生塑性变形时，周围的晶粒如不发生塑性变形，则必须要产生弹性变形来与之协调配合，就意味着增大了晶粒变形的抗力，阻碍弹性变形来与之协调配合，就意味着增大了晶粒变形的抗力，阻碍滑移的进行。滑移的进行。3.3.晶界阻碍位错的运动晶界阻碍位错的运动 在多晶体中存在晶界，其原子排列不规则，当位错运动到这一在多晶体中存在晶界，其原子排列不规则，当位错运动到这一区域附近时将会受到晶界的阻碍而堆积起来，形成位错塞积。欲使区域附近时将会受到晶界的阻碍而堆积起来，形成位错塞积。欲使变形继续进行，就必须要增加外力，即变形抗力增大。金属晶粒越变形继续进行，就必须要增加外力，即变形抗力增大。金属晶粒越细，同体积的晶界

8、越多，因而变形抗力越大，金属的强度越大。细，同体积的晶界越多，因而变形抗力越大，金属的强度越大。另另外外，金金属属晶晶粒粒越越细细，在在外外力力作作用用下下有有利利于于滑滑移移和和能能够够参参与与滑滑移移的的晶晶粒粒数数目目也也越越多多，使使一一定定的的变变形形量量分分散散在在更更多多的的晶晶粒粒之之中中，表表现出塑性的提高。现出塑性的提高。因此，细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。因此，细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。（三）塑性变形对金属组织与性能的影响（三）塑性变形对金属组织与性能的影响 1.1.塑性变形对金属组织结构的影响塑性变形对金属组织结构的影响 纤维组织形成纤维组织形成

9、 金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成所形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成所谓纤维组织。谓纤维组织。亚结构形成亚结构形成 金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集大和位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成许多位向略有差异

10、的小晶块，即亚在局部地区，并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。晶粒。形变织构的产生形变织构的产生 由于塑性变形过程中晶粒的转动，当变形由于塑性变形过程中晶粒的转动，当变形量达到一定程度（量达到一定程度（70%70%以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取向的结果形成了外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。具有明显方向性的组织，称为织构。2.2.塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属性能的影响 产生加工硬化现象产生加工硬化现象 随着塑性变形量的增加，

11、金属的强度、随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化加工硬化，也称，也称形变强形变强化。化。使金属的性能产生各向异性。使金属的性能产生各向异性。影影响响金金属属的的物物理理、化化学学性性能能 金金属属经经塑塑性性变变形形后后，使使电电阻阻增增大，耐蚀性降低。大，耐蚀性降低。产生残余应力产生残余应力 金属表层与心部的变形量不同会形成平衡于金属表层与心部的变形量不同会形成平衡于表层与心部之间的表层与心部之间的宏观内应力宏观内应力；晶粒彼此之间或晶内不同区域之间；晶粒彼此之间或晶内不同区域之间的变形不均匀会形成的变形不均匀

12、会形成微观内应力微观内应力；因位错等晶格缺陷增多而引起的；因位错等晶格缺陷增多而引起的内应力称为内应力称为晶格畸变内应力晶格畸变内应力。二、塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变形二、塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变形 （一）回复（一）回复 对变形后的金属在较低温度下进行加热，会发生回复。回复不对变形后的金属在较低温度下进行加热，会发生回复。回复不能使金属的晶粒大小和形态发生明显的变化，故金属的强度和硬度能使金属的晶粒大小和形态发生明显的变化，故金属的强度和硬度只略有降低，塑性略有升高。工业上常利用回复过程对变形金属进只略有降低，塑性略有升高。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火

13、，以降低残余应力，保留加工硬化效果。行去应力退火，以降低残余应力，保留加工硬化效果。(二二)再结晶再结晶 1.1.再结晶再结晶 当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，被拉长及破碎的晶粒通过重新生核、长大，粒的形状开始发生变化，被拉长及破碎的晶粒通过重新生核、长大，变成新的均匀、细小的等轴晶粒。这个过程称为再结晶。变形金属变成新的均匀、细小的等轴晶粒。这个过程称为再结晶。变形金属发生再结晶后，其强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，加发生再结晶后，其强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被

14、消除。工硬化现象被消除。2.2.再结晶温度及其影响因素再结晶温度及其影响因素 再再结结晶晶不不是是一一个个恒恒温温过过程程，而而是是发发生生在在一一个个温温度度范范围围之之内内。能能够够进进行行再再结结晶晶的的最最低低温温度度称称为为再再结结晶晶温温度度。纯纯金金属属的的再再结结晶晶温温度度与与该金属的熔点有如下关系：该金属的熔点有如下关系：式中的温度单位为绝对温度（式中的温度单位为绝对温度（K K）。）。金属的熔点越高，其再结晶温金属的熔点越高，其再结晶温度也越高。度也越高。影响再结晶温度的主要因素有以下几点：影响再结晶温度的主要因素有以下几点：金金属属的的预预先先变变形形程程度度，金金属属

15、的的预预先先变变形形程程度度越越大大，其其晶晶体体缺缺陷陷就就越越多多，组组织织越越不不稳稳定定，因因而而再再结结晶晶温温度度便便越越低低。当当预预先先变变形形程程度达到一定数值之后，再结晶温度趋于定值。度达到一定数值之后，再结晶温度趋于定值。金金属属的的纯纯度度 金金属属中中存存在在的的微微量量杂杂质质和和合合金金元元素素，特特别别是是那那些些高高熔熔点点元元素素，常常常常会会阻阻碍碍原原子子的的扩扩散散和和迁迁移移，可可显显著著提提高高金金属属的的再再结晶温度。结晶温度。加热速度和保温时间加热速度和保温时间 提高加热速度会使再结晶温度被推迟到提高加热速度会使再结晶温度被推迟到较高温度下发生

16、。而保温时间越长，再结晶温度越低。较高温度下发生。而保温时间越长，再结晶温度越低。（三）晶粒长大（三）晶粒长大 再结晶后晶粒的长大受以下几个因素的影响：再结晶后晶粒的长大受以下几个因素的影响：1.1.加热温度和时间的影响加热温度和时间的影响 加热温度越高，时间越长，晶粒便越大。加热温度越高，时间越长，晶粒便越大。2.2.预先变形程度的影响预先变形程度的影响 当变形度达到当变形度达到2%2%10%10%时，金属中变形时，金属中变形极不均匀，只有部分晶粒发生变形，形成的再结晶晶核少，可以充极不均匀，只有部分晶粒发生变形，形成的再结晶晶核少，可以充分长大，从而造成再结晶后的晶粒特别粗大。使金属获得粗

17、大的再分长大，从而造成再结晶后的晶粒特别粗大。使金属获得粗大的再结晶晶粒的变形度称为临界变形度。结晶晶粒的变形度称为临界变形度。三、金属的热加工三、金属的热加工 1.1.热加工与冷加工的区别热加工与冷加工的区别 凡在金属的再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷加工；而在凡在金属的再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷加工；而在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热加工。热加工通常不会带来再结晶温度以上进行的塑性变形称为热加工。热加工通常不会带来强化效果。强化效果。2.2.热加工对金属组织与性能的影响热加工对金属组织与性能的影响 1 1）热加工提高了金属的致密度，明显改善材料的塑性和韧性。）热加工提高了金属

18、的致密度，明显改善材料的塑性和韧性。2 2）热热加加工工可可获获得得细细小小均均匀匀、等等轴轴的的再再结结晶晶晶晶粒粒，从从而而使使金金属属的的力学性能全面提高。力学性能全面提高。3 3）热加工可使各种可变形的）热加工可使各种可变形的夹杂物会沿变形方向拉长呈流线夹杂物会沿变形方向拉长呈流线分布，也称纤维组织。热加工时分布，也称纤维组织。热加工时应力求使流线合理分布。应力求使流线合理分布。4 4）热热加加工工常常会会使使复复相相合合金金中中的的各各个个相相沿沿着着加加工工变变形形方方向向交交替替地呈带状分布，称为带状组织。地呈带状分布，称为带状组织。带状组织会使金属材料的力学性能产生方向性，特别是横向塑带状组织会使金属材料的力学性能产生方向性，特别是横向塑性和韧性明显降低。一般带状组织可以通过正火来消除。性和韧性明显降低。一般带状组织可以通过正火来消除。进入下一节进入下一节