金屬的塑性變形與再結(jié)晶(3)ppt課件

1、 各種金屬的板材、棒材、線材和型材都是經(jīng)過(guò)軋制、鍛造、擠壓、冷拔、沖壓等壓力加工方法制造而成，這些加工方法的特點(diǎn)是使金屬資料發(fā)生永久性的塑性變形。 在本章研討在塑性變形的過(guò)程中，金屬的組織和性能也發(fā)生了哪些的變化。 同時(shí)研討金屬塑性變形以及變形金屬在加熱過(guò)程中所發(fā)生的變化。 了解塑性變形對(duì)充分發(fā)揚(yáng)金屬資料的力學(xué)性能具有重要的意義。 一、金屬單晶體的塑性變形1.滑移和滑移帶金屬單晶體塑性變形的根本方式有滑移和孿生，在大多數(shù)情況下滑移是金屬塑性變形的一種主要方式?；剖蔷w的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定晶面上的晶向發(fā)生滑動(dòng)。如圖 經(jīng)過(guò)對(duì)單晶體試樣拉伸變形的分析，我們可將滑移變形的要點(diǎn)總結(jié)如下： 滑

2、移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。正應(yīng)力只能引起彈性變形或斷裂使晶體開(kāi)場(chǎng)滑移的最小切應(yīng)力稱(chēng)為臨界切應(yīng)力，用表示。 影響晶體臨界切應(yīng)力的要素主要有金屬的晶格類(lèi)型、成分、溫度和變形速度等。 用金相顯微鏡察看被拉伸的金屬單晶體試樣外表時(shí)，可以見(jiàn)到試樣的外表有許多呈一定角度階梯狀的相互平行的線條，這些平行的線條稱(chēng)為滑移帶。 一個(gè)滑移帶實(shí)踐上是由一束平行滑移線組成。晶體的塑性變形就是眾多大小不同的滑移帶的綜合效果的宏觀上的表達(dá)。 晶體在滑移過(guò)程中并未改動(dòng)晶體的構(gòu)造和晶格的取向，僅是晶體在切應(yīng)力的作用下，一部分沿著某一滑移面上的某一晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)。 2.滑移系 滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向

3、發(fā)生。一個(gè)滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。Fcc和Bcc有12個(gè)滑移系。Hcp有3個(gè)滑移系。 一樣的滑移系數(shù)量下，滑移方向數(shù)量多更易滑移。 滑移面總是原子陳列最密的晶面，而滑移方向也總是原子陳列最密的方向。 這是由于晶體中原子密度最大的晶面上，原子的結(jié)合力最強(qiáng)，而面與面之間的間隔卻最大，所以其面與面之間的結(jié)合力最弱，最容易滑動(dòng)。 同理，沿原子密度最大的方向滑動(dòng)時(shí)，阻力也最小。 3.滑移時(shí)晶面的轉(zhuǎn)動(dòng) 在單晶體試樣拉伸過(guò)程中，由于發(fā)生滑移后的晶體使試樣兩端拉力不再處于同不斷線上，因此產(chǎn)生一個(gè)力矩迫使滑移面產(chǎn)生趨向與外力平行的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使試樣兩端拉力重新作用于一條直線上。因此金屬單晶體在

4、拉伸過(guò)程中除了發(fā)生滑移外，也同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。 滑移的過(guò)程不是晶體的一部分相對(duì)于另一部分作整體剛性滑移。 滑移本質(zhì)上是位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，在切應(yīng)力的作用下，晶體中存在的正刃位錯(cuò)逐漸挪動(dòng)，當(dāng)這個(gè)位錯(cuò)移到晶體的右邊緣時(shí)，移出晶體的上半部就相對(duì)于下半部挪動(dòng)了一個(gè)原子間距，構(gòu)成一個(gè)原子間距的滑移量。 同一滑移面上假設(shè)有大量的位錯(cuò)移出，那么在晶體外表構(gòu)成一條滑移線。 位錯(cuò)在晶體中挪動(dòng)時(shí)所需切應(yīng)力很小，由于當(dāng)位錯(cuò)中心前進(jìn)一個(gè)原子間距時(shí)，一齊挪動(dòng)的只是位錯(cuò)中心少數(shù)原子，而且其位移量都不大，構(gòu)成逐漸滑移，這就比一齊挪動(dòng)所需的臨界切應(yīng)力要小得多，這稱(chēng)為“位錯(cuò)的易動(dòng)性。 滑移所需的臨界切應(yīng)力的大小取決于位錯(cuò)滑動(dòng)

5、時(shí)所要抑制的阻力，對(duì)單晶體來(lái)說(shuō)，位錯(cuò)的阻力主要由晶體內(nèi)位錯(cuò)的密度及其分布特征所決議。 晶體內(nèi)存在少量的位錯(cuò)時(shí)，滑移易于進(jìn)展，因此金屬晶體的強(qiáng)度也就比較低。 當(dāng)位錯(cuò)密度的添加到一定時(shí)，由于位錯(cuò)之間以及位錯(cuò)與其它缺陷之間存在著相互的牽制造用，使位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受阻，結(jié)果金屬的強(qiáng)度和硬度又逐漸添加。金屬資料的冷加工硬化景象就是在加工過(guò)程中，金屬內(nèi)部位錯(cuò)密度的增大而引起的金屬資料硬化。 金屬單晶體塑性變形的本質(zhì)是在切應(yīng)力作用下位錯(cuò)延續(xù)運(yùn)動(dòng)，使金屬沿一定的滑移面和滑移方向發(fā)生位移。 這對(duì)我們正確認(rèn)識(shí)和深化了解金屬的塑性變形，以及變形對(duì)金屬性能的影響都具有非常重要的意義 晶體變形的另一種方式是孿生。孿生變形是在

6、切應(yīng)力作用下，晶體的一部分對(duì)應(yīng)于一定的晶面孿晶面沿一定方向進(jìn)展的相對(duì)挪動(dòng)。 大多數(shù)金屬資料是由多晶體組成的。 多晶體塑性變形的本質(zhì)與單晶體一樣。 要思索到晶粒彼此之間在變形過(guò)程中的約束作用，以及晶界對(duì)塑性變形的影響。 多晶體中各晶粒的位向不同，滑移系與外力的取向也各不一樣，在外力的作用下，不同位向的晶粒和同一晶粒內(nèi)不同的滑移系獲得的應(yīng)力形狀和應(yīng)力大小也各不一樣。 因此，不同的晶?；蚴峭痪Я?nèi)的不同部位變形的先后順序和變形量是不一樣的。 由于相鄰晶粒之間存在位向差，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生變形時(shí)，周?chē)木ЯＨ绮话l(fā)生塑性變形，那么必需產(chǎn)生彈性變形來(lái)與之協(xié)調(diào)。這樣，周?chē)Я５膹椥宰冃尉统蔀樵摼Я＠^續(xù)塑性變形

7、的阻力。所以，由于晶粒間相互約束，多晶體金屬抗塑性變形的才干就大大提高。而且晶粒越細(xì)，一樣體積內(nèi)晶粒越多，晶粒位向?qū)饘偎苄宰冃蔚挠绊懢驮斤@著。 多晶粒中的晶界是原子陳列比較紊亂的區(qū)域，又是雜質(zhì)聚集的地方，必然會(huì)妨礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使滑移變形難以進(jìn)展。 因此多晶體的塑性變形抗力比同種金屬的單晶體大得多。 多晶體的塑性變形，是在各晶粒相互影響，相互制約的條件下，從少量晶粒開(kāi)場(chǎng)， 分批進(jìn)展，逐漸擴(kuò)展到其它晶粒；從不均勻的變形逐漸開(kāi)展到均勻的變形。 一、冷塑性變形對(duì)金屬組織構(gòu)造的影響 1.晶粒變形 金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，其內(nèi)部晶粒的外形也發(fā)生變化，各個(gè)晶粒將沿著變形的方向被拉長(zhǎng)或壓扁，變形量越大，晶粒變形

8、也越顯著。 當(dāng)變形量很大時(shí)，各晶粒將沿著變形方向被拉長(zhǎng)成纖維狀。這種組織被稱(chēng)為“纖維組織。 構(gòu)成纖維組織后，金屬的性能會(huì)出現(xiàn)明顯的各向異性，如其縱向(沿纖維的方向)的強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)大于其橫向(垂直纖維的方向)的強(qiáng)度和塑性。 金屬在塑性變形時(shí)，除了產(chǎn)生滑移之外，晶粒內(nèi)部還破碎成許多位向差小于1的小晶塊，這種小晶塊稱(chēng)為亞晶粒，這種構(gòu)造被稱(chēng)為亞構(gòu)造。 亞晶粒的邊境堆積有大量的位錯(cuò)，而亞晶粒內(nèi)部的晶格那么相對(duì)地比較完好。塑性變形程度愈大，構(gòu)成的亞晶粒愈多，亞晶界也就愈多，位錯(cuò)密度隨之增大。 研討闡明，亞晶界的存在使晶體的變形抗力添加，是引起加工硬化的重要要素之一。 在塑性變形過(guò)程中，當(dāng)金屬按一定的方向變

9、形量很大時(shí)(變形量大于70%以上)，多晶體中原來(lái)恣意位向的各晶粒的取向會(huì)大致趨于一致，這種有序化構(gòu)造叫作“變形織構(gòu)，又稱(chēng)為“擇優(yōu)取向， 金屬資料的加工方式不同構(gòu)成不同類(lèi)型的織構(gòu)：拉拔時(shí)構(gòu)成的織構(gòu)稱(chēng)為絲織構(gòu)，其特征是各個(gè)晶粒的某一晶向平行于拉拔方向；軋制時(shí)構(gòu)成的織構(gòu)稱(chēng)為板織構(gòu)，其特征是不僅某一晶面平行于軋制平面，而且某一晶向也平行于軋制方向。 金屬中存在形變織構(gòu)時(shí)，具有明顯的各向異性，用退火方法也難以消除。 織構(gòu)的構(gòu)成在多數(shù)情況下是不利的。例如用有織構(gòu)的板材去沖制杯形零件時(shí)，由于板材各個(gè)方向變形才干的不同，深沖后零件的邊緣不齊，會(huì)產(chǎn)生“制耳景象。 在某些情況下織構(gòu)也是有用的。如變壓器鐵芯用的硅鋼

10、片，沿晶向最易磁化。假設(shè)用這種織構(gòu)的硅鋼片制造變壓器和電機(jī)時(shí)，那么可提高鐵芯的導(dǎo)磁率，降低其磁滯損失，提高設(shè)備的效率。1.加工硬化 加工硬化是金屬在塑性變形過(guò)程中，隨著亞晶粒的增多和位錯(cuò)密度的添加，位錯(cuò)間的交互作用加強(qiáng)，位錯(cuò)滑移發(fā)生困難，使金屬塑性變形的抗力增大，其強(qiáng)度和硬度顯著升高，塑性和韌性下降。也稱(chēng)形變強(qiáng)化或冷作硬化。 金屬的加工硬化景象的有利之處，它可以作為一種工提高金屬?gòu)?qiáng)度、硬度和耐磨性的重要手段之一，尤其是對(duì)一些不能用熱處置強(qiáng)化的資料顯得更為重要， 加工硬化還能使金屬各部分相繼發(fā)生塑性變形，使變形更加均勻 加工硬化還可以提高構(gòu)件在運(yùn)用過(guò)程中的平安性。 加工硬化也有不利的一面，如使資

11、料在冷軋時(shí)的動(dòng)力耗費(fèi)增大，也給金屬繼續(xù)變形呵斥困難。因此，在金屬的冷變形和加工過(guò)程中，必需進(jìn)展中間熱處置來(lái)消除加工硬化景象。 2.物理、化學(xué)性能的變化 金屬的塑性變形也使金屬的某些物理性能、化學(xué)性能發(fā)生變化，例如使電阻增大，耐蝕性降低等。 在金屬塑性變形過(guò)程中，大約有10的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力而殘留在金屬中，使其內(nèi)能添加。 這些殘留于金屬內(nèi)部且平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力稱(chēng)為剩余內(nèi)應(yīng)力。它是由于金屬在外力作用下各部分發(fā)生不均勻的塑性變形而產(chǎn)生的。 內(nèi)應(yīng)力普通可分為三種類(lèi)型：1宏觀內(nèi)應(yīng)力(第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力) 金屬資料在塑性變形時(shí)，由于各部分變形不均勻，使整個(gè)工件或在較大的宏觀范圍內(nèi)(如表層與心部)產(chǎn)生的剩余應(yīng)力

12、。2微觀內(nèi)應(yīng)力(第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力) 它是金屬經(jīng)冷塑性變形后，由于晶粒間或晶粒內(nèi)各亞晶粒之間因變形不均勻而構(gòu)成的微觀內(nèi)應(yīng)力。冷塑性變形在金屬內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和空位，呵斥晶格畸變，這種因晶格畸變而產(chǎn)生的剩余應(yīng)力叫晶格畸變應(yīng)力。這類(lèi)應(yīng)力占內(nèi)應(yīng)力總量的90左右，是存在于變形金屬中主要的剩余內(nèi)應(yīng)力。它使金屬的硬度、強(qiáng)度升高，同時(shí)使塑性和抗腐蝕才干下降。 內(nèi)應(yīng)力的大小與形變條件有關(guān)。變形量大、變形不均勻、變形時(shí)溫度低、變形速率大等都能使內(nèi)應(yīng)力添加。 第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力所占比例雖然不大，但當(dāng)其放置一段時(shí)間后會(huì)因其松弛或應(yīng)力重新分布而引起金屬自動(dòng)變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起工件開(kāi)裂。 第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力使金屬產(chǎn)生晶間腐蝕，所以塑性變

13、形后的金屬應(yīng)進(jìn)展消除應(yīng)力退火處置，以消除或降低這部分內(nèi)應(yīng)力。 第三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力那么是產(chǎn)生加工硬化的主要緣由。 合理利用內(nèi)應(yīng)力的存在有時(shí)可以提高零件的壽命，如齒輪進(jìn)展外表淬火和噴丸處置，在其外表產(chǎn)生一層極薄的塑性變形層。在變形層中產(chǎn)生的剩余壓應(yīng)力可以大大提高資料的疲勞極限，抵消任務(wù)時(shí)齒面遭到的張應(yīng)力，從而提高齒輪的運(yùn)用壽命。 內(nèi)應(yīng)力對(duì)熱處置質(zhì)量也有很大的影響。鋼經(jīng)塑性變形所產(chǎn)生的各種內(nèi)應(yīng)力是導(dǎo)致淬火工件產(chǎn)生變形甚至開(kāi)裂的重要緣由之一。 實(shí)際闡明，經(jīng)過(guò)粗機(jī)械加工、冷壓力加工的工件，以及鍛造后的毛坯，其內(nèi)部都?xì)埓嬷蛩苄宰冃味a(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。為了減少淬火變形量并防止產(chǎn)生淬火裂紋，在淬火之前，必需進(jìn)展消除內(nèi)

14、應(yīng)力處置(如退火處置)。 金屬冷塑性變形后，產(chǎn)生了加工硬化景象，結(jié)果金屬晶體中缺陷密度添加，內(nèi)能升高，這種處于不穩(wěn)定形狀的組織有自發(fā)恢復(fù)到變形前的組織形狀的傾向。 在常溫下，這種轉(zhuǎn)變普通不易進(jìn)展。假設(shè)對(duì)金屬進(jìn)展加熱，隨著加熱溫度的升高，其組織會(huì)相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段的變化。 1. 回 復(fù) 當(dāng)冷變形金屬的加熱溫度不太高時(shí)，內(nèi)部原子活動(dòng)才干尚不大，只能作短間隔分散，這一過(guò)程稱(chēng)為回復(fù)。 在回復(fù)這一階段，金屬的某些力學(xué)性能、物理性能和亞構(gòu)造發(fā)生變化，但沒(méi)有新的晶粒出現(xiàn)。 內(nèi)部的“多邊化過(guò)程 由于回復(fù)過(guò)程溫度比較低，金屬的晶粒大小和外形不會(huì)發(fā)生明顯變化，所以金屬加工硬化后的強(qiáng)度、硬度和塑

15、性等力學(xué)性能根本不變，但剩余內(nèi)應(yīng)力和電阻顯著下降，應(yīng)力腐蝕景象也根本消除。 因此，冷變形金屬假設(shè)要在消除剩余內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)仍堅(jiān)持冷變形強(qiáng)化形狀的話，就可以采取回復(fù)處置，進(jìn)展一次250300的低溫退火。 當(dāng)冷變形金屬加熱溫度高于回復(fù)階段溫度后，原子的分散才干進(jìn)一步加強(qiáng)，塑性變形時(shí)被破碎、拉長(zhǎng)的晶粒全部被轉(zhuǎn)變成均勻而細(xì)小的等軸晶粒。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為“再結(jié)晶。 變形的金屬發(fā)生再結(jié)晶后，位錯(cuò)密度降低，金屬中的內(nèi)能下降，使冷變形呵斥的加工硬化消逝，金屬的性能又恢復(fù)到金屬變形前的性能。 由于冷變形金屬在再結(jié)晶過(guò)程中構(gòu)成的細(xì)小等軸晶粒也是經(jīng)過(guò)生核和晶粒長(zhǎng)大方式進(jìn)展的，變化過(guò)程中只需晶粒的外形的變化，而晶格類(lèi)型不變

16、，因此再結(jié)晶過(guò)程不應(yīng)屬于相變過(guò)程。 變形金屬開(kāi)場(chǎng)產(chǎn)生再結(jié)晶景象的最低溫度稱(chēng)為再結(jié)晶溫度T再。 消費(fèi)上通常規(guī)定在一小時(shí)的保溫時(shí)間內(nèi)全部完成再結(jié)晶過(guò)程時(shí)所需的最低溫度，稱(chēng)為再結(jié)晶溫度。 1金屬的純度 當(dāng)金屬中含有少量合金元素或微量雜質(zhì)時(shí)，會(huì)妨礙原子的分散和晶界的遷移，顯著提高再結(jié)晶溫度。實(shí)驗(yàn)闡明，當(dāng)變形程度較大時(shí)，純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)之間存在如下關(guān)系：T再=(0.35-0.40)T熔式中T再和T熔均以絕對(duì)溫度表示。 2 預(yù)先的變形度 變形程度越大，金屬畸變能越高，再結(jié)晶時(shí)的驅(qū)動(dòng)力就越大，故再結(jié)晶溫度就越低。 當(dāng)變形量到達(dá)一定值后，再結(jié)晶溫度便趨近于某一恒定值，稱(chēng)為最低再結(jié)晶溫度， 3 加

17、熱速度和加熱保溫時(shí)間 提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶溫度提高。而加熱保溫時(shí)間越長(zhǎng)，原子的分散挪動(dòng)越能充分進(jìn)展，再結(jié)晶溫度就越低。在工業(yè)消費(fèi)中，為了縮短再結(jié)晶退火周期，普通將再結(jié)晶溫度定得比實(shí)際再結(jié)晶溫度高出100200。 冷變形金屬在再結(jié)晶剛終了時(shí)晶粒比較細(xì)，晶界面積比較大，系統(tǒng)界面能也比較高。 隨著加熱溫度的升高或保溫時(shí)間的延伸，晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大。 晶粒的長(zhǎng)大減少了晶界的面積，使晶界外表能降低，因此再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大是一個(gè)自發(fā)進(jìn)展的過(guò)程。 再結(jié)晶后的晶粒大小與金屬的冷塑性變形程度的關(guān)系見(jiàn)圖。 當(dāng)變形度很小時(shí)，由于金屬晶格畸變很小，缺乏以引起再結(jié)晶，因此晶粒仍堅(jiān)持原來(lái)的外形。 當(dāng)變形度在2l0范圍內(nèi)時(shí)，

18、晶粒容易吞并長(zhǎng)大，最后得到異常粗大的晶粒。使晶粒發(fā)生異常長(zhǎng)大的變形度稱(chēng)為臨界變形度。 消費(fèi)中應(yīng)盡量防止在這一變形范圍內(nèi)進(jìn)展加工。 當(dāng)變形度超越臨界變形度后，隨變形程度的添加，晶格畸變愈加嚴(yán)重，再結(jié)晶晶核數(shù)目越來(lái)越多，因此再結(jié)晶后的晶粒細(xì)而均勻。 某些金屬在變形量很大時(shí)(90)，再結(jié)晶后的晶粒又重新出現(xiàn)粗化景象。這種景象稱(chēng)為二次再結(jié)晶。 普通以為，這種景象是大變形量構(gòu)成的再結(jié)晶織構(gòu)所呵斥的。由于晶粒取向大致一樣時(shí)，給晶粒沿一定方向迅速長(zhǎng)大提供了條件。 晶粒粗化將使金屬資料組織性能惡化，所以冷變形金屬的再結(jié)晶退火溫度應(yīng)嚴(yán)厲控制在再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)，而且保溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以獲得細(xì)而均勻的晶粒。一、熱加

19、工與冷加工的區(qū)別金屬的冷加工和熱加工可以按其再結(jié)晶溫度來(lái)劃分。金屬在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形稱(chēng)為冷加工；金屬在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形稱(chēng)為熱加工。 熱加工的主要優(yōu)點(diǎn)是資料容易變形，加工耗能量少。這是由于在熱加工過(guò)程中，金屬的內(nèi)部同時(shí)進(jìn)展著加工硬化和再結(jié)晶軟化兩個(gè)相反的過(guò)程。 冷加工變形會(huì)引起加工硬化，增大金屬的變形抗力。所以假設(shè)繼續(xù)進(jìn)展冷加工，那么必需進(jìn)展中間退火處置，重新軟化后才干進(jìn)展繼續(xù)加工。 金屬在熱加工過(guò)程中外表發(fā)生氧化，使得工件外表比較粗糙，尺寸精度比較低。所以熱加工普通用來(lái)制造一些截面比較大、加工變形量大的半廢品。 而冷加工那么能保證工件有較高的尺寸精度和外表粗糙度，在冷加工過(guò)程中資料同時(shí)也得到強(qiáng)化處置。有時(shí)經(jīng)冷加工后可以直接獲得廢品。1.改善鋼錠的組織和性能鑄錠的組織：在鑄造過(guò)程中，由于鑄錠的外表和中心的結(jié)晶條件不同，在鑄錠的截面上有三個(gè)不同特征的結(jié)晶區(qū)：表層細(xì)晶粒區(qū)、柱狀晶區(qū)及中心等軸晶區(qū)圖3-19。 除了上述幾個(gè)晶區(qū)外，鑄錠內(nèi)還存在一些鑄造缺陷，如縮孔與縮松、化學(xué)成分偏析、氣孔、夾雜、裂紋等。經(jīng)過(guò)熱加工可以把大部分的縮松、氣孔和微裂紋在加工過(guò)程中焊合，提高了金屬的致密度。對(duì)于鑄錠內(nèi)部的晶內(nèi)偏析、粗大柱狀晶或大塊碳化物，可以在壓力的作用下使晶粒破碎，消除了成