第三章金屬的塑性變形與再結(jié)晶ppt課件

1、第三章第三章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶第一節(jié)第一節(jié) 金屬的塑性變形金屬的塑性變形第二節(jié)第二節(jié) 冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響第三節(jié)第三節(jié) 冷塑性變形后的金屬在加熱時(shí)組織和冷塑性變形后的金屬在加熱時(shí)組織和 性能的變化性能的變化第四節(jié)第四節(jié) 金屬的熱變形加工金屬的熱變形加工金屬經(jīng)熔煉澆注成鑄錠以后，通常要進(jìn)行各種塑金屬經(jīng)熔煉澆注成鑄錠以后，通常要進(jìn)行各種塑性加工，如軋制、擠壓、冷拔、鍛壓、沖壓等，性加工，如軋制、擠壓、冷拔、鍛壓、沖壓等，以獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的型材、以獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的型材、板材、管材或線材，以及零

2、件毛坯或零件，并可板材、管材或線材，以及零件毛坯或零件，并可以消除鑄造過程中的某些缺陷。以消除鑄造過程中的某些缺陷。壓力加工的實(shí)質(zhì)就是塑性變形。壓力加工的實(shí)質(zhì)就是塑性變形。退火低碳鋼的力退火低碳鋼的力伸長(zhǎng)量曲線伸長(zhǎng)量曲線E ES SB BK K伸長(zhǎng)量伸長(zhǎng)量l/mml/mmO O拉伸力拉伸力F/NF/NFeFeFsFsFbFb彈性變形屈服塑性變形縮頸斷裂1.1.彈性變形階段彈性變形階段2.2.屈服階段屈服階段3.3.變形強(qiáng)化階段變形強(qiáng)化階段4.4.形成縮頸，局部變形階段形成縮頸，局部變形階段 塑性變形及隨后的加熱對(duì)塑性變形及隨后的加熱對(duì)金屬材料組織和性能有顯著的金屬材料組織和性能有顯著的影響。影

3、響。 了解塑性變形的本質(zhì)，塑了解塑性變形的本質(zhì)，塑性變形及加熱時(shí)組織的變化，性變形及加熱時(shí)組織的變化，有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，正確制訂加工工藝。正確制訂加工工藝。5 5萬(wàn)噸水壓機(jī)萬(wàn)噸水壓機(jī)第一節(jié)第一節(jié) 金屬的塑性變形金屬的塑性變形一、單晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形 單晶體受力后，外單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力正應(yīng)力切應(yīng)力切應(yīng)力晶體內(nèi)部晶格位向原子晶體內(nèi)部晶格位向原子排列方向完全一致的晶排列方向完全一致的晶體為單晶體體為單晶體第一節(jié)第一節(jié) 金屬的塑性變形金屬的塑性變形l 正應(yīng)力只能引起彈性

4、變形及拉斷晶體。正應(yīng)力只能引起彈性變形及拉斷晶體。l 只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。外力在晶面上的分外力在晶面上的分解解切應(yīng)力作用下的變形切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片鋅單晶的拉伸照片塑性變形有兩種形式：塑性變形有兩種形式：滑移和孿生?；坪蛯\生。在多數(shù)情況下，金屬在多數(shù)情況下，金屬的塑性變形是以滑移的塑性變形是以滑移方式進(jìn)行的。方式進(jìn)行的。1. 1. 滑移滑移 滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。彈性歪扭彈性歪扭塑性變形

5、塑性變形滑移）滑移）F 因原子密度最大的晶面和晶向之間原因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。所需切應(yīng)力最小。 沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向?；泼婧突品较?。1 1滑移變形的特點(diǎn)滑移變形的特點(diǎn) ： 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生?；浦荒茉谇袘?yīng)力的作用下發(fā)生。 滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生?；瞥Ｑ鼐w中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生?；茣r(shí)，晶體兩部分的相對(duì)位移量是滑移時(shí)，晶體兩部分的相對(duì)位移量是 原子間距的整數(shù)倍。原子間距的整數(shù)倍。 滑移的結(jié)果在晶體表面

6、形成臺(tái)階，稱滑移線，若干滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個(gè)滑移帶。條滑移線組成一個(gè)滑移帶。 滑移帶和滑移線示意圖滑移帶和滑移線示意圖銅拉伸試樣表面滑移帶銅拉伸試樣表面滑移帶 滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)?；频耐瑫r(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)。原因是晶體發(fā)生滑移后，原因是晶體發(fā)生滑移后，作用于試樣兩端的拉力作用于試樣兩端的拉力不再處于同一軸線上，不再處于同一軸線上，因此產(chǎn)生一個(gè)力矩迫使因此產(chǎn)生一個(gè)力矩迫使滑移面轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)滑移面轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果，使滑移面趨向與拉果，使滑移面趨向與拉伸軸平行。滑移產(chǎn)生轉(zhuǎn)伸軸平行。滑移產(chǎn)生轉(zhuǎn)移，晶體產(chǎn)生大量塑性移，晶體產(chǎn)生大量塑性變形。變形。多多 腳

7、腳 蟲蟲 的的 爬爬 行行2 2滑移的機(jī)理滑移的機(jī)理 滑移是通過滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)滑移是通過滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。來實(shí)現(xiàn)的。2 2、孿生、孿生 孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。部分所發(fā)生的切變。 發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面。面稱孿生面。 孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱。孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱。與滑移相比：與滑移相比：孿生使晶格位向發(fā)生改變；孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多；所需切應(yīng)力比滑移大得多；孿

8、生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移孿生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距。量小于一個(gè)原子間距。 多晶體與單晶體的區(qū)別在于：多晶體是有不同多晶體與單晶體的區(qū)別在于：多晶體是有不同位向的晶粒組成，且各晶粒間存在晶界。位向的晶粒組成，且各晶粒間存在晶界。 單個(gè)晶粒變形與單晶體相似，因此，只要研究單個(gè)晶粒變形與單晶體相似，因此，只要研究晶粒位向和晶界在多晶體塑性變形中的作用即可。晶粒位向和晶界在多晶體塑性變形中的作用即可。二、多晶體金屬的塑性變形二、多晶體金屬的塑性變形1 1、晶界的影響、晶界的影響阻礙滑移阻礙滑移塑性變形抗力提高。塑性變形抗力提高。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，由于當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，由于

9、晶界處晶界處的原子排列紊亂，缺陷和雜質(zhì)多，的原子排列紊亂，缺陷和雜質(zhì)多，能量能量高，對(duì)位錯(cuò)的滑移起阻礙作用。高，對(duì)位錯(cuò)的滑移起阻礙作用。受到晶界的阻礙的位錯(cuò)堆積起來，受到晶界的阻礙的位錯(cuò)堆積起來，稱位稱位錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行，錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行，則必須則必須增加外力，從而使金屬的塑性變?cè)黾油饬Γ瑥亩菇饘俚乃苄宰冃慰沽π慰沽μ岣?。提高。Cu-4.5AlCu-4.5Al合金晶合金晶界的位錯(cuò)塞積界的位錯(cuò)塞積雙晶粒拉伸試驗(yàn)示意圖雙晶粒拉伸試驗(yàn)示意圖變形前變形前變形后變形后2 2、晶粒位向的影響、晶粒位向的影響塑性變形抗力提高塑性變形抗力提高 由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑由于

10、各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不性變形時(shí)，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。由于晶發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。力提高。 3 3、金屬的晶粒越細(xì)小，晶界越多，變形阻力越大，強(qiáng)、金屬的晶粒越細(xì)小，晶界越多，變形阻力越大，強(qiáng)度提高。度提高。第二節(jié)第二節(jié) 冷塑性變形對(duì)組織和性能的影響冷塑性變形對(duì)組織和性能的影響 一、形成纖維組織，性能趨于各向異性一、形成纖維組織，性能趨于各向異性 金屬發(fā)生塑性變

11、形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長(zhǎng)或壓扁。當(dāng)拉伸變形量很大時(shí)，晶粒的晶粒也相應(yīng)地被拉長(zhǎng)或壓扁。當(dāng)拉伸變形量很大時(shí)，晶粒變成細(xì)條狀或纖維狀變成細(xì)條狀或纖維狀纖維組織。纖維組織。 纖維組織的出現(xiàn)造成材料在不同方向上表現(xiàn)出不同的力纖維組織的出現(xiàn)造成材料在不同方向上表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能學(xué)性能( (各向異性各向異性) )，一般沿纖維方向的強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)大于垂，一般沿纖維方向的強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)大于垂直方向。直方向。(c) 變形變形80%(b) 變形變形40%(a) 變形前變形前二、產(chǎn)生冷形變強(qiáng)化二、產(chǎn)生冷形變強(qiáng)化 隨著塑性變形量的增加，金屬的強(qiáng)

12、度、硬隨著塑性變形量的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為冷形度升高，塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為冷形變強(qiáng)化或加工硬化。變強(qiáng)化或加工硬化。 1 1一種重要的強(qiáng)化手段，對(duì)不能用熱處理方法強(qiáng)化的一種重要的強(qiáng)化手段，對(duì)不能用熱處理方法強(qiáng)化的 合金如鋁銅或不銹鋼等單相合金尤其重要，加合金如鋁銅或不銹鋼等單相合金尤其重要，加 工硬化是提高強(qiáng)度的有效方法；工硬化是提高強(qiáng)度的有效方法； 2 2是工件能夠用塑性變形方法成形的重要原因；是工件能夠用塑性變形方法成形的重要原因； 3 3金屬具有較好的變形強(qiáng)化能力，具有防止短時(shí)超載金屬具有較好的變形強(qiáng)化能力，具有防止短時(shí)超載 斷裂能力，保證構(gòu)件安

13、全性；加工硬化給金屬的繼斷裂能力，保證構(gòu)件安全性；加工硬化給金屬的繼 續(xù)變形造成了困難續(xù)變形造成了困難 4 4）塑性，塑性，切削性能切削性能 不利：塑性變形困難，給進(jìn)一步變形帶來困難不利：塑性變形困難，給進(jìn)一步變形帶來困難 中間退火中間退火消除消除 如冷壓成型時(shí)，材料強(qiáng)度提高，所需動(dòng)力增加，而且被如冷壓成型時(shí)，材料強(qiáng)度提高，所需動(dòng)力增加，而且被加工的材料塑性隨變形程度的增加而降低，若強(qiáng)力使其加工的材料塑性隨變形程度的增加而降低，若強(qiáng)力使其變形則會(huì)斷裂，因而應(yīng)進(jìn)行退火處理。變形則會(huì)斷裂，因而應(yīng)進(jìn)行退火處理。 意意 義：義： 由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度（由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)塑性變形達(dá)到一

14、定程度（70%70%）時(shí)，會(huì)）時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象使絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。 形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性。多數(shù)情況下都不利，織構(gòu)可形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性。多數(shù)情況下都不利，織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。三、形成變形織構(gòu)三、形成變形織構(gòu)四、產(chǎn)生殘余應(yīng)力四、產(chǎn)生殘余應(yīng)力第一類內(nèi)應(yīng)力第一類內(nèi)應(yīng)力宏觀，表面和心部，塑性變形不均勻造成；宏觀，表面和心部，塑性變形不均勻造成；第二類內(nèi)應(yīng)力第二類內(nèi)應(yīng)力微觀，晶粒間或晶內(nèi)不同區(qū)域變形不均；微觀，晶粒間或晶內(nèi)不同區(qū)域變形不均；第三類內(nèi)應(yīng)力第三類

15、內(nèi)應(yīng)力超微觀，晶格畸變（超微觀，晶格畸變（90%90%），材料產(chǎn)生強(qiáng)化），材料產(chǎn)生強(qiáng)化 內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力時(shí)內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力時(shí), , 內(nèi)內(nèi)部變形不均勻而引起的。部變形不均勻而引起的。內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火過程內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力?；鹛幚恚韵蚪档蛢?nèi)應(yīng)力。第三節(jié)第三節(jié) 冷塑性變形后的金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化冷塑性變形后的金屬在加熱時(shí)組織和性能

16、的變化 金屬經(jīng)冷變形后金屬經(jīng)冷變形后, , 組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)組織處于不穩(wěn)定狀態(tài), , 有自發(fā)恢復(fù)到有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小，不穩(wěn)定狀穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小，不穩(wěn)定狀態(tài)可長(zhǎng)時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次態(tài)可長(zhǎng)時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。 加熱溫度加熱溫度 黃銅黃銅 一、回復(fù) 在回復(fù)階段，金屬組織變化不明顯，其強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降。 工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱，以降低殘余應(yīng)力，又保留加工硬化效果。這種熱

17、處理方法稱去應(yīng)力退火。二、再結(jié)晶二、再結(jié)晶 當(dāng)變形金屬被加熱到較當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，由破碎拉長(zhǎng)的晶粒生變化，由破碎拉長(zhǎng)的晶粒變?yōu)樾碌木鶆?、?xì)小、完整變?yōu)樾碌木鶆?、?xì)小、完整的等軸晶粒。這種冷變形組的等軸晶粒。這種冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的織在加熱時(shí)重新徹底改組的過程稱再結(jié)晶。發(fā)生再結(jié)晶過程稱再結(jié)晶。發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。T T再再=0.4T=0.4T熔熔鐵素體變形鐵素體變形80%80%650650加熱加熱670670加熱加熱變形金屬發(fā)生再結(jié)晶后，其強(qiáng)

18、度和硬度明顯降低，塑性和韌性大大變形金屬發(fā)生再結(jié)晶后，其強(qiáng)度和硬度明顯降低，塑性和韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象被消除。工業(yè)生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處提高，加工硬化現(xiàn)象被消除。工業(yè)生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度常比再結(jié)晶溫度高理稱為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度常比再結(jié)晶溫度高100 200100 200。 再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成和長(zhǎng)大的過程，但不是相變過程，再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成和長(zhǎng)大的過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。580580C C保溫保溫3 3秒后的組織秒后的組織580580C C保溫

19、保溫4 4秒后的組織秒后的組織580580C C保溫保溫8 8秒后的組織秒后的組織冷變形冷變形( (變形量為變形量為38%)38%)黃銅的再結(jié)晶黃銅的再結(jié)晶l再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，將發(fā)生再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，這是一個(gè)自發(fā)的過程。晶粒的長(zhǎng)大是通過晶界遷移晶粒長(zhǎng)大，這是一個(gè)自發(fā)的過程。晶粒的長(zhǎng)大是通過晶界遷移進(jìn)行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會(huì)使金屬的強(qiáng)進(jìn)行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會(huì)使金屬的強(qiáng)度，尤其是塑性和韌性降低度，尤其是塑性和韌性降低 。580580C C保溫保溫8 8秒后的組織秒后的組織580580C

20、 C保溫保溫1515分后的組織分后的組織700700C C保溫保溫1010分后的組織分后的組織黃銅再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大黃銅再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大四、四、 影響再結(jié)晶后晶粒尺寸的主要因素：影響再結(jié)晶后晶粒尺寸的主要因素：1.1.加熱溫度和保溫時(shí)間的影響加熱溫度和保溫時(shí)間的影響加熱溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，加熱溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒便越大。晶粒便越大。2.2.變形度的影響變形度的影響 當(dāng)變形度達(dá)到當(dāng)變形度達(dá)到2%2%10%10%時(shí)，時(shí)，金屬中變形極不均勻，金屬中變形極不均勻，只有部分晶粒發(fā)生變形，只有部分晶粒發(fā)生變形，形成的再結(jié)晶晶核少，形成的再結(jié)晶晶核少，可以充分長(zhǎng)大，從而造成可以充分長(zhǎng)大，從而造成再結(jié)晶后的晶粒特別粗大。再結(jié)晶后的晶粒特別粗大。使金屬獲得粗大的再結(jié)晶晶粒的變形度稱為臨界變形度。使金屬獲得粗大的再結(jié)晶晶粒的變形度稱為臨界變形度。 再結(jié)晶退火溫度對(duì)晶粒度的影響再結(jié)晶退火溫度對(duì)晶粒度的影響第四節(jié)第