吉林大學(xué)工程材料 金屬的塑性變形和再結(jié)晶ppt課件

1、 工業(yè)上的金屬資料大多數(shù)要在澆注為鑄錠工業(yè)上的金屬資料大多數(shù)要在澆注為鑄錠后經(jīng)過冷熱壓力加工而發(fā)生塑性變形后再運用。后經(jīng)過冷熱壓力加工而發(fā)生塑性變形后再運用。 鑄態(tài)金屬：鑄態(tài)金屬： 鑄件鑄件 鑄錠組織粗大、不均勻、鑄錠組織粗大、不均勻、 不致密、偏析不致密、偏析 緣由：緣由： 改動外形改動外形焊合孔洞焊合孔洞晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化 零件毛坯零件毛坯型材。型材。 可塑性可塑性壓力加工水壓壓力加工水壓機、鍛打、軋制機、鍛打、軋制 加熱加熱再結(jié)晶再結(jié)晶(冷加工后冷加工后 改善晶粒的大小、改善晶粒的大小、形狀、分布形狀、分布 等等改善改善性能性能 1 、單晶拉伸實驗、單晶拉伸實驗一、一、 單晶體金屬的塑性變

2、形單晶體金屬的塑性變形單晶體拋光外表出現(xiàn)相互平行斜線。單晶體拋光外表出現(xiàn)相互平行斜線。闡明晶面之間相對運動，闡明晶面之間相對運動， 塑性變形是塑性變形是經(jīng)過經(jīng)過“滑移完成的?；仆瓿傻?。PP單晶體外表出現(xiàn)相互平行的斜線且與外力成單晶體外表出現(xiàn)相互平行的斜線且與外力成45?；疲壕w的一部分對于另一部分沿滑移：晶體的一部分對于另一部分沿一定晶面發(fā)生相對滑動，滑移結(jié)果晶一定晶面發(fā)生相對滑動，滑移結(jié)果晶體發(fā)生塑性變形。體發(fā)生塑性變形。2 、滑移過程分析、滑移過程分析(1) 外力外力P分解為正應(yīng)力分解為正應(yīng)力 和切應(yīng)力和切應(yīng)力 。正應(yīng)力引起彈性變形，而不能呵斥塑性變形。正應(yīng)力正應(yīng)力引起彈性變形，而不能

3、呵斥塑性變形。正應(yīng)力超越原子間結(jié)合力時晶體發(fā)生斷裂。超越原子間結(jié)合力時晶體發(fā)生斷裂。PPPPP ： 載荷：正應(yīng)力：切應(yīng)力(2) 切應(yīng)力作切應(yīng)力作用下晶面相用下晶面相對位移，外對位移，外力去除后位力去除后位移不能恢復(fù)。移不能恢復(fù)。塑性變形只塑性變形只能在切應(yīng)力能在切應(yīng)力 作用下作用下才干發(fā)生。才干發(fā)生?；仆ǔＱ鼐w中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。滑移通常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。(4) 金屬晶體中的滑移總是沿著一定的晶面和晶向發(fā)生的金屬晶體中的滑移總是沿著一定的晶面和晶向發(fā)生的滑滑 移移 面：面： 發(fā)生滑移的晶面就是發(fā)生滑移的晶面就是“滑移面；滑移面；滑移方向：滑移方向： 發(fā)生滑移

4、的晶向就是發(fā)生滑移的晶向就是“滑移方向?；品较?。(3) 塑性變形后的晶體，塑性變形后的晶體，在顯微鏡下察看時，就在顯微鏡下察看時，就能發(fā)如今晶粒內(nèi)部出現(xiàn)能發(fā)如今晶粒內(nèi)部出現(xiàn)一些線條，稱為一些線條，稱為 ，用電子顯微鏡進一步察用電子顯微鏡進一步察看，就會發(fā)現(xiàn)這些滑移看，就會發(fā)現(xiàn)這些滑移帶都是由許多密集的帶都是由許多密集的更細(xì)的線條組成，這種更細(xì)的線條組成，這種線條稱線條稱為為 。 滑移線200 “滑移線滑移線 “滑移帶滑移帶A體心立方晶格滑移系：體心立方晶格滑移系： 6 2 = 12 滑移面：滑移面： 110 6個個 滑移方向：滑移方向： 2個。個。(5) 滑移系：滑移系： 一個滑移面和其面上

5、的一個滑移方向的一個滑移面和其面上的一個滑移方向的組成稱為組成稱為“滑移系滑移系B面心立方晶格滑移系：面心立方晶格滑移系： 4 3 = 12滑移面：滑移面： 111 4個個 滑移方向：滑移方向： 3個個1101113、三種典型金屬晶格的滑移系、三種典型金屬晶格的滑移系C密排六方晶格滑移系：密排六方晶格滑移系： 1 3 = 3滑移面：滑移面： 六方底面六方底面 個個 滑移方向：底面對角線滑移方向：底面對角線 個個表格表格 2-12-1三種典型晶格的滑移系三種典型晶格的滑移系晶格類型晶格類型體心立方體心立方面心面心密排六方密排六方滑滑 移移 面面底面底面滑移方向滑移方向1 10 0底面對角線底面對

6、角線滑滑 移移 系系6 面方向面方向=124 面面3 方向方向=121 面面3 方向方向=3臨界切應(yīng)力臨界切應(yīng)力 c： 可以發(fā)生滑移的最小切可以發(fā)生滑移的最小切應(yīng)力叫做為應(yīng)力叫做為)。當(dāng)切應(yīng)力。當(dāng)切應(yīng)力 滿足滿足 c時時滑移才干發(fā)生?；撇鸥砂l(fā)生。4、滑移機理、滑移機理滑移是由于滑移面上的位錯運動呵斥的。滑移是由于滑移面上的位錯運動呵斥的。一多晶體拉伸實驗一多晶體拉伸實驗二塑性變形影響要素二塑性變形影響要素1、 晶界對塑性變形的影響晶界對塑性變形的影響 晶粒越細(xì)，強度、硬度越高，塑性、韌性越好。晶粒越細(xì)，強度、硬度越高，塑性、韌性越好。2、 晶粒取向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊懢ЯＨ∠驅(qū)λ苄宰冃蔚挠绊?軟

7、位向硬位向一機械性能的變化加工硬化一機械性能的變化加工硬化 經(jīng)過冷態(tài)下塑性變形之后的金屬的機械性能發(fā)生很大經(jīng)過冷態(tài)下塑性變形之后的金屬的機械性能發(fā)生很大的變化，的變化， 。加工硬化：經(jīng)過冷態(tài)下塑性變形之后，金屬的強度和加工硬化：經(jīng)過冷態(tài)下塑性變形之后，金屬的強度和硬度隨變形量的添加而添加，同時塑性卻隨之降低，硬度隨變形量的添加而添加，同時塑性卻隨之降低，這種景象叫做這種景象叫做“加工硬化或加工硬化或“冷作硬化。冷作硬化。例：冷拉鋼絲及彈簧。例：冷拉鋼絲及彈簧。強度提高，塑性降低強度提高，塑性降低(二物理性能變化二物理性能變化例：金屬的電阻有所增大例：金屬的電阻有所增大 ，抗蝕性降低，抗蝕性降低

8、 。三三 顯微組織的變化顯微組織的變化 晶粒沿加工方向拉長。金屬性能晶粒沿加工方向拉長。金屬性能 強度和塑性縱向遠(yuǎn)大于橫向。強度和塑性縱向遠(yuǎn)大于橫向。1、晶粒形狀變化、晶粒形狀變化 位錯在晶界附近堆積并相互纏結(jié)，位錯在晶界附近堆積并相互纏結(jié)，使晶粒破碎轉(zhuǎn)變成亞晶粒構(gòu)造使晶粒破碎轉(zhuǎn)變成亞晶粒構(gòu)造 。2、亞構(gòu)造構(gòu)成、亞構(gòu)造構(gòu)成 當(dāng)變形量非常大時，晶粒拉長嚴(yán)重變?yōu)槔w維狀。當(dāng)變形量非常大時，晶粒拉長嚴(yán)重變?yōu)槔w維狀。這種纖維狀組織稱為織構(gòu)?？棙?gòu)產(chǎn)生各向異性，導(dǎo)致這種纖維狀組織稱為織構(gòu)。織構(gòu)產(chǎn)生各向異性，導(dǎo)致“制耳。制耳。 但有時也可利用：如變壓器芯但有時也可利用：如變壓器芯3、產(chǎn)生織構(gòu)、產(chǎn)生織構(gòu)留意：這

9、種各向異性，是偽各向異性。是多晶粒的位留意：這種各向異性，是偽各向異性。是多晶粒的位向趨同呵斥的。向趨同呵斥的。四四 出現(xiàn)剩余內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)剩余內(nèi)應(yīng)力塑性變形不均勻?qū)е庐a(chǎn)生平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。外力的變形塑性變形不均勻?qū)е庐a(chǎn)生平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。外力的變形功功90 熱，熱，10的功的功內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力。 有三種內(nèi)應(yīng)力。有三種內(nèi)應(yīng)力。 1、第一種剩余內(nèi)應(yīng)力、第一種剩余內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力 由而晶粒之間或晶粒內(nèi)部不同區(qū)域間的變形量由而晶粒之間或晶粒內(nèi)部不同區(qū)域間的變形量不同而產(chǎn)生。不同而產(chǎn)生。2、第二種剩余內(nèi)應(yīng)力、第二種剩余內(nèi)應(yīng)力顯微內(nèi)應(yīng)力顯微內(nèi)應(yīng)力 由位錯等晶格缺陷在塑性變形過程中的大量添由位

10、錯等晶格缺陷在塑性變形過程中的大量添加引起缺陷附近晶格畸變會而產(chǎn)生占總內(nèi)應(yīng)力的加引起缺陷附近晶格畸變會而產(chǎn)生占總內(nèi)應(yīng)力的大部分。大部分。3、第三種剩余內(nèi)應(yīng)力、第三種剩余內(nèi)應(yīng)力晶格畸變應(yīng)力晶格畸變應(yīng)力 由表層與心部的變形量不同會而構(gòu)成由表層與心部的變形量不同會而構(gòu)成 。 剩余應(yīng)力的作用：第一、第二內(nèi)應(yīng)力引起金屬宏觀變形或開剩余應(yīng)力的作用：第一、第二內(nèi)應(yīng)力引起金屬宏觀變形或開裂；第三內(nèi)應(yīng)力使強度添加。都使脆性上升，理化性能下降。裂；第三內(nèi)應(yīng)力使強度添加。都使脆性上升，理化性能下降。 對于冷加工后的金屬，由于對于冷加工后的金屬，由于10%的變形能儲存在的變形能儲存在金屬中，在加熱時，隨著溫度的升高，

11、原子活動才干金屬中，在加熱時，隨著溫度的升高，原子活動才干提高，在變形能的作用下，就要發(fā)生組織和性能的變提高，在變形能的作用下，就要發(fā)生組織和性能的變化，其主要包括三個階段：回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大。化，其主要包括三個階段：回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大。塑性變形塑性變形加工硬化加工硬化加 工 困 難加 工 困 難理化性能理化性能剩余內(nèi)應(yīng)力剩余內(nèi)應(yīng)力加熱退加熱退火軟化火軟化目的：目的：1.消除加工硬化消除加工硬化 使、使、HB %、 %、ak 2.消除內(nèi)應(yīng)力，但保管加工硬化，使理化性能消除內(nèi)應(yīng)力，但保管加工硬化，使理化性能冷變形后的金屬在較低溫度加熱時，金屬中的一些冷變形后的金屬在較低溫度加熱時，金屬中

12、的一些 而引起某些晶內(nèi)變化稱為回復(fù)。而引起某些晶內(nèi)變化稱為回復(fù)。一回復(fù)一回復(fù)1、回復(fù)：、回復(fù)：回復(fù)后強度和塑性無明顯變化，而內(nèi)應(yīng)力消除，脆性回復(fù)后強度和塑性無明顯變化，而內(nèi)應(yīng)力消除，脆性降低。理化性能降低。理化性能(耐蝕性、導(dǎo)電性耐蝕性、導(dǎo)電性) ) 2、性能變化：、性能變化：對那些需求保管產(chǎn)品的加工硬化性能，同時需求消除剩對那些需求保管產(chǎn)品的加工硬化性能，同時需求消除剩余內(nèi)應(yīng)力的工件，可以把熱處置加熱溫度選擇在使其內(nèi)余內(nèi)應(yīng)力的工件，可以把熱處置加熱溫度選擇在使其內(nèi)部發(fā)生回復(fù)的溫度，這種熱處置工藝稱為部發(fā)生回復(fù)的溫度，這種熱處置工藝稱為“去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火。 3、實踐運用：、實踐運用：點缺陷

13、和位錯的遷移點缺陷和位錯的遷移冷變形金屬加熱到某一更高的溫度時，生成新晶粒，冷變形金屬加熱到某一更高的溫度時，生成新晶粒，而晶格類型不變，這種景象叫而晶格類型不變，這種景象叫 。二二 再結(jié)晶再結(jié)晶 1、再結(jié)晶：、再結(jié)晶： 形核形核長大長大等軸晶粒。當(dāng)加熱溫度繼續(xù)升等軸晶粒。當(dāng)加熱溫度繼續(xù)升高時，金屬內(nèi)晶格畸變嚴(yán)重部位有大量的位錯塞積高時，金屬內(nèi)晶格畸變嚴(yán)重部位有大量的位錯塞積形核并長大，晶粒的外形開場發(fā)生變化，從破碎拉長形核并長大，晶粒的外形開場發(fā)生變化，從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒。的晶粒變成新的等軸晶粒。 2、再結(jié)晶過程：、再結(jié)晶過程：從拉長和纖維狀變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒。強度和硬度重新從

14、拉長和纖維狀變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒。強度和硬度重新下降，塑性和韌性重新提高。加工硬化得以消除。下降，塑性和韌性重新提高。加工硬化得以消除。 3、組織和性能變化：、組織和性能變化：再結(jié)晶再結(jié)晶留意：晶粒的晶格類型沒變，再結(jié)晶過程沒有發(fā)生相留意：晶粒的晶格類型沒變，再結(jié)晶過程沒有發(fā)生相 變；沒發(fā)生塑性變形的金屬不會發(fā)生再結(jié)晶。變；沒發(fā)生塑性變形的金屬不會發(fā)生再結(jié)晶。 再結(jié)晶完成后繼續(xù)升高溫度或延伸保溫時間，晶再結(jié)晶完成后繼續(xù)升高溫度或延伸保溫時間，晶粒會繼續(xù)長大粒會繼續(xù)長大 。三再結(jié)晶完成后晶粒的長大三再結(jié)晶完成后晶粒的長大1、晶粒正常長大：、晶粒正常長大： 再結(jié)晶后的晶粒均勻、穩(wěn)速地長大的景象。發(fā)生

15、再結(jié)晶后的晶粒均勻、穩(wěn)速地長大的景象。發(fā)生在再結(jié)晶晶粒細(xì)小且均勻時。希望的長大方式在再結(jié)晶晶粒細(xì)小且均勻時。希望的長大方式 2、晶粒異常長大：、晶粒異常長大： 再結(jié)晶后的晶粒不均勻，急劇長大的景象。在再結(jié)再結(jié)晶后的晶粒不均勻，急劇長大的景象。在再結(jié)晶粒大小不均時，大晶粒吞并小晶粒，將得到異常粗大晶粒大小不均時，大晶粒吞并小晶粒，將得到異常粗大的晶粒，也稱的晶粒，也稱“二次再結(jié)晶。二次再結(jié)晶。本質(zhì)本質(zhì)晶界遷移過程晶界遷移過程 d d晶晶 晶界面積晶界面積 能量能量晶粒長大是晶粒長大是自發(fā)的過程。由于粗晶是弱化，所以要防止晶粒長大，自發(fā)的過程。由于粗晶是弱化，所以要防止晶粒長大，特別要防止晶粒的異

16、常。特別要防止晶粒的異常。T T再不是一個恒定的溫度，它與許多要素有關(guān)。再不是一個恒定的溫度，它與許多要素有關(guān)。一金屬的再結(jié)晶溫度一金屬的再結(jié)晶溫度1、再結(jié)晶溫度、再結(jié)晶溫度(T再再)：冷變形金屬開場進展再結(jié)晶：冷變形金屬開場進展再結(jié)晶的最低溫度。的最低溫度。A. 預(yù)先變形度的影響：金屬的預(yù)先變形程度越大，再預(yù)先變形度的影響：金屬的預(yù)先變形程度越大，再結(jié)晶開場溫度越低。變形度很大時，起始再結(jié)晶溫度趨結(jié)晶開場溫度越低。變形度很大時，起始再結(jié)晶溫度趨于某一個恒定值于某一個恒定值“最低再結(jié)晶溫度最低再結(jié)晶溫度 T再再 。 2、影響再結(jié)晶溫度的要素：、影響再結(jié)晶溫度的要素： T再再 0.4T熔熔 (K

17、)T T加加 晶粒尺寸晶粒尺寸,另外加另外加熱時間長，也會使晶粒長大熱時間長，也會使晶粒長大二再結(jié)晶退火后的晶粒大小二再結(jié)晶退火后的晶粒大小1、加熱溫度的影響：、加熱溫度的影響：B. 金屬的純度：微量雜質(zhì)及少量合金元素會使再結(jié)晶金屬的純度：微量雜質(zhì)及少量合金元素會使再結(jié)晶溫度升高。溫度升高。C. 加熱速度快，保溫時間短，會提高再結(jié)晶溫度。加熱速度快，保溫時間短，會提高再結(jié)晶溫度。 因此，綜合結(jié)果，在工業(yè)中制定再結(jié)晶退火因此，綜合結(jié)果，在工業(yè)中制定再結(jié)晶退火溫度為：溫度為：T T退火退火T T再再min+100min+100200200 再結(jié)晶后的晶粒尺寸對金材的性能影響很大，再結(jié)晶后的晶粒尺寸

18、對金材的性能影響很大，所以有必要了解影響它的各所以有必要了解影響它的各種要素影響要素：種要素影響要素：晶粒大小再結(jié)晶退火加熱溫度 2、變形、變形(程程)度的影響：度的影響：臨界變形度：臨界變形度： 變形越大，變形越均變形越大，變形越均勻，再結(jié)晶退火后晶粒越勻，再結(jié)晶退火后晶粒越細(xì)。普通選用細(xì)。普通選用30-60%30-60%的變的變形度。形度。晶粒大小 2%-10%臨界變形度要加以防止預(yù)先變形度預(yù)先變形度能發(fā)生再結(jié)晶的最小變形量。通常在能發(fā)生再結(jié)晶的最小變形量。通常在2%，與資，與資料的退火溫度有關(guān)料的退火溫度有關(guān))。此時再結(jié)晶后的晶粒特別粗大。此時再結(jié)晶后的晶粒特別粗大。當(dāng)當(dāng)%臨臨% % 不

19、發(fā)生再結(jié)晶動力缺乏不發(fā)生再結(jié)晶動力缺乏當(dāng)當(dāng)%臨臨% % 那么發(fā)生再結(jié)晶，且那么發(fā)生再結(jié)晶，且%，那么，那么d d晶晶當(dāng)當(dāng)%大到一定量后，由于織構(gòu)構(gòu)成，那么大到一定量后，由于織構(gòu)構(gòu)成，那么d d晶又晶又制定工藝：選擇適宜制定工藝：選擇適宜T加加 防止在臨界變形變下變形防止在臨界變形變下變形 避開避開臨臨%從金屬學(xué)的角度來看：從金屬學(xué)的角度來看：再結(jié)晶溫度以下的加工稱為再結(jié)晶溫度以下的加工稱為 冷加工；冷加工；再結(jié)晶溫度以上的加工稱為再結(jié)晶溫度以上的加工稱為 熱加工。熱加工。1 1、熱加工引發(fā)加工硬化和再結(jié)晶。由于加熱溫度高、熱加工引發(fā)加工硬化和再結(jié)晶。由于加熱溫度高于再結(jié)晶溫度，所以因塑性變形引

20、起的于再結(jié)晶溫度，所以因塑性變形引起的2 2、再結(jié)晶溫度以上變形加工，回復(fù)和再結(jié)晶是邊加、再結(jié)晶溫度以上變形加工，回復(fù)和再結(jié)晶是邊加工邊發(fā)生。因此是屬于動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶。實踐工邊發(fā)生。因此是屬于動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶。實踐上是加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶相互制約，相互平衡的上是加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶相互制約，相互平衡的過程。過程。 硬化過程和回硬化過程和回復(fù)再結(jié)晶引起的軟化過程幾乎同時存在。復(fù)再結(jié)晶引起的軟化過程幾乎同時存在。3 3、熱加工溫度低、熱加工溫度低、( (或或) )變形量小、變形量小、( (或或) )變形速率高時，變形速率高時，加工硬化占主導(dǎo)。溫度高、加工硬化占主導(dǎo)。溫度高、( (或或) )變形量大、變形量大、( (或或) )變形變形速率低時，回復(fù)和在結(jié)晶占主導(dǎo)。速率低時，回復(fù)和在結(jié)晶占主導(dǎo)。650700750800850900真應(yīng)力真應(yīng)變當(dāng)溫度恒定，當(dāng)溫度恒定，改動應(yīng)變速改動應(yīng)變速率時，提高率時，提高應(yīng)變速率所應(yīng)變速率所起到的作用起到的作用與降低加工與降低加工溫度的作用溫度的作用類似。類似。 熱加工還可以改動鑄態(tài)金屬中的成分熱加工還可以改動鑄態(tài)金屬中的成分偏析和夾雜物的分布，使原來沿著樹枝晶分布的偏析偏析和夾雜物的分布，使原來沿著樹枝晶分布的偏析元素和夾雜物發(fā)生改