金屬材料的塑性變形

1、金屬材料的塑性變形1第1頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三第一節(jié) 概述 塑性加工包括鍛壓、軋制、 擠壓、拉拔、沖壓等方法。 金屬在承受塑性加工時(shí)， 產(chǎn)生塑性變形，這對(duì)金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能會(huì)產(chǎn)生重要的影響。(a)軋制 (b)擠壓 (c)拉拔 (d)鍛壓 (e)沖壓壓力加工方法示意圖 2第2頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形單晶體的塑性變形的基本方式有兩種：滑移和孿生。 一、滑移概念 滑移：在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)晶體的另一部分發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的現(xiàn)象。 此晶面稱滑移面，此晶向稱滑移方向，通常是晶體中

2、原子排列最緊密的晶面和晶向。 在滑移面及滑移方向上的切應(yīng)力達(dá)到一定大小（臨界值），滑移就開(kāi)始進(jìn)行。 3第3頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形滑移的結(jié)果出現(xiàn)滑移帶 4第4頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三二、滑移與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系 第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形滑移發(fā)生的晶面稱為滑移面，通常為晶體的最密排晶面；滑移滑動(dòng)的方向稱為滑移方向，通常也為晶體的最密排方向； 這是由于密排面之間、密排方向之間的原子間距最大，原子間結(jié)合力最弱，因而所需外力最小?；葡?晶體中的一個(gè)滑移面加上此面上的一個(gè)滑移方向合稱一個(gè)滑移系。 滑移系的數(shù)

3、目越多，一個(gè)滑移面上的滑移方向越多，則晶體的塑性越好。金屬材料中 fcc 的塑性最好，bcc次之，hcp最差。 5第5頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三典型晶格的滑移系FCC第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形66第6頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三三、滑移的本質(zhì)1. 滑移只能在切應(yīng)力作用下才會(huì)發(fā)生。 正應(yīng)力只能使晶格的距離加大，不能使原子移動(dòng)； 切應(yīng)力可使晶格沿滑移面上發(fā)生滑移。第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形滑移方向上的分切應(yīng)力為： 稱為施密特定律。coscos稱為取向因子。超過(guò)臨界切應(yīng)力的滑移系，可以滑移?；频耐瑫r(shí)還會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。7第7頁(yè)，共32頁(yè)，

4、2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三三、滑移的本質(zhì) 研究證明，滑移是由于滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而造成的。圖示例子表示一刃型位錯(cuò)在切應(yīng)力的作用下在滑移面上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)一根位錯(cuò)從滑移面的一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)便造成一個(gè)原子間距的滑移。 第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形2. 滑移的本質(zhì)是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 剛性滑移所需的臨界切應(yīng)力值太大，不可能發(fā)生。實(shí)際金屬滑移所需的切應(yīng)力比理論值低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。見(jiàn)書上表6-2。8第8頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三三、滑移的本質(zhì)滑移時(shí)，僅需位錯(cuò)中心附近的極少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的臨界切應(yīng)力便遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整體剛性滑移。 第二節(jié) 單晶體金屬

5、的塑性變形 3. 滑移時(shí)又會(huì)產(chǎn)生大量新的位錯(cuò)，即位錯(cuò)增殖。 4. 任何阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的因素都使滑移的阻力增大，增加塑性變形的難度，就可以提高金屬材料的強(qiáng)度。 這就是強(qiáng)化金屬的基本原理。9第9頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三四、孿生（一般了解） 在切應(yīng)力作用下晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面(孿生面)和晶向(孿生方向)發(fā)生切變的變形過(guò)程稱孿生。孿生所需的臨界切應(yīng)力比滑移的大得多。孿生只在滑移很難進(jìn)行的情況下才發(fā)生。HCP中常見(jiàn)。第二節(jié) 單晶體金屬的塑性變形10第10頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形 多晶體金屬的塑性

6、變形是由許多位向不同的小晶粒共同參與變形而完成的。每個(gè)晶?？梢暈閱尉w，因而它們的主要變形方式仍為滑移與孿生。 多晶體的塑變與單晶體有相似，也有不同。一、多晶體塑性變形特點(diǎn)1.不均勻的塑性變形過(guò)程 各晶粒的滑移系所受分切應(yīng)力的大小不一，達(dá)到臨界值的先后不一，故變形不均勻。11第11頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三2.晶粒間位向差阻礙滑移 鄰近晶粒之間存在位向差。一個(gè)晶粒滑移時(shí)，也要引起周圍的晶粒滑移，否則就不能保持晶粒間的連續(xù)性。因此，晶粒塑性變形的抗力增大。 一、多晶體塑性變形特點(diǎn)第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形3.晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界時(shí)，由于各個(gè)晶粒的位向

7、不同，不能直接從一個(gè)晶粒移動(dòng)到另一晶粒，便塞積起來(lái)；需要更大的外力才能繼續(xù)變形，所以晶界的存在可以提高材料的強(qiáng)度。 12第12頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三二、細(xì)晶粒鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能1。晶粒越細(xì)，則晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更困難，強(qiáng)度就越高。 Hall-Petch公式： s =0 + Kd 1/22。晶粒越細(xì)，變形分散，晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力小，晶粒間易于協(xié)調(diào)，產(chǎn)生較均勻的變形，使得應(yīng)力集中小，裂紋不易產(chǎn)生和發(fā) 展，塑性和韌性就越好。第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形13第13頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三三、 塑性變形對(duì)金屬的影響第三節(jié) 多晶體金屬

8、的塑性變形1、對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響 產(chǎn)生纖維組織 晶粒及夾雜物沿變形方向伸長(zhǎng)及分布，使縱向力學(xué)性能大于橫向。 變形前后晶粒形狀變化 變形后晶粒內(nèi)滑移帶增多 晶粒被拉長(zhǎng)14第14頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三1、對(duì)組織形貌的影響第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形亞結(jié)構(gòu)細(xì)化 因塑性變形時(shí)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、增殖和其間復(fù)雜的交互作用，位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生位錯(cuò)纏結(jié)，使晶粒碎化成更小的亞晶粒。位錯(cuò)密度的提高將降低了材料的耐腐蝕性。15第15頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三1、對(duì)組織形貌的影響(3)產(chǎn)生形變織構(gòu)：當(dāng)金屬經(jīng)受大量(70%以上)的一定方向的變形之后,由于晶粒的

9、轉(zhuǎn)動(dòng)造成晶粒位向趨于一致，形成了“擇優(yōu)取向”，即某一晶面在某個(gè)方向出現(xiàn)的幾率明顯高于其他方向，這種有序化結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。例如低碳鋼經(jīng)高度冷拔后, 其平行于拔絲方向，各晶粒的100平行于軋制板面。形變織構(gòu)使金屬材料表現(xiàn)出明顯的各向異性。第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形對(duì)工程應(yīng)用的影響：大多數(shù)情況下不利，如深沖之后零件的邊緣不齊出現(xiàn)“制耳”現(xiàn)象。但織構(gòu)有時(shí)也能帶來(lái)好處，制造變壓器鐵芯的硅鋼片， 最易磁化，可大大提高變壓器的效率。16第16頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三(1)產(chǎn)生加工硬化： 隨著塑性變形量的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度顯著提高，而塑性、韌性明顯下降的現(xiàn)象稱為加工硬

10、化。也叫形變強(qiáng)化或冷變形強(qiáng)化。第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形2、對(duì)力學(xué)性能的影響位錯(cuò)密度及其它晶體缺陷的增加是加工硬化的原因加工硬化的工程意義：加工硬化是強(qiáng)化材料的重要手段，尤其是對(duì)于那些不能用熱處理方法強(qiáng)化的金屬材料。例如，在生產(chǎn)中可通過(guò)冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強(qiáng)度。如何消除再結(jié)晶退火(后面） 17第17頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三2、對(duì)力學(xué)性能的影響(2)產(chǎn)生殘余應(yīng)力：塑性變形后材料內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力明顯增加，它主要是由于材料在外力作用下內(nèi)部變形不均勻所造成的。第三節(jié) 多晶體金屬的塑性變形 材料表層和心部變形不均勻或這一部分和那一部分變形不均勻，會(huì)造成平衡于它們

11、之間的宏觀內(nèi)應(yīng)力，通常稱為第一類內(nèi)應(yīng)力。相鄰晶粒取向不同引起變形不均勻，或晶內(nèi)不同部位變形不均勻，會(huì)造成微觀內(nèi)應(yīng)力，通常稱為第二類內(nèi)應(yīng)力。由于位錯(cuò)等缺陷的增加，會(huì)造成晶格畸變，通常也稱為第三類內(nèi)應(yīng)力。 其中，第三類內(nèi)應(yīng)力占絕大部分，這是使變形金屬?gòu)?qiáng)化的主要原因。但會(huì)使材料，如金屬的耐腐蝕性下降。第一、二類內(nèi)應(yīng)力占的比例不大，但當(dāng)進(jìn)一步加工會(huì)打破原有平衡，引起材料的變形；或者和零件使用應(yīng)力發(fā)生疊加，引起材料的破壞。所以一般都要用退火的辦法盡量將其消除。18第18頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三第四節(jié) 變形后金屬的加熱變化引言 塑性變形后金屬的狀態(tài) ： 塑性變形后金屬加工

12、硬化且有內(nèi)應(yīng)力殘留，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。加熱促使原子運(yùn)動(dòng)，引起組織變化來(lái)改變性能。 19第19頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三一、塑性變形后的材料加熱轉(zhuǎn)變隨著加熱的溫度升高，分為三個(gè)階段：回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。它們都是減少或消除結(jié)構(gòu)缺陷的過(guò)程。材料的內(nèi)應(yīng)力、晶粒尺寸、強(qiáng)度、塑性等性能也發(fā)生對(duì)應(yīng)變化。 第四節(jié) 金屬的熱塑性變形20第20頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三二、回復(fù)第四節(jié) 金屬的熱塑性變形 回復(fù)是在加熱溫度較低時(shí)，僅因金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移而引起的某些晶內(nèi)的變化?；貜?fù)階段一般加熱溫度在T再（約0.4T熔）以下。 只發(fā)生晶格內(nèi)部的

13、變化，變形晶粒外形不變，加工硬化保留，但內(nèi)應(yīng)力下降。 應(yīng)用：去應(yīng)力退火，用于去除冷塑性變形后的殘留應(yīng)力。21第21頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三三、再結(jié)晶第四節(jié) 金屬的熱塑性變形 溫度大于T再時(shí)，在位錯(cuò)或其他缺陷等變形嚴(yán)重處形核，消耗周圍發(fā)生過(guò)變形的晶體而不斷長(zhǎng)大，逐漸形成與原始變形晶粒晶格相同的等軸晶粒，稱為再結(jié)晶。這個(gè)過(guò)程也是一個(gè)形核和長(zhǎng)大過(guò)程。 T再0.4Tm（用熱力學(xué)溫度K計(jì)算）加工硬化、內(nèi)應(yīng)力完全消除。應(yīng)用：再結(jié)晶退火，用于冷壓力加工中的中間退火。22第22頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三三、再結(jié)晶第四節(jié) 金屬的熱塑性變形特點(diǎn)(1

14、)再結(jié)晶過(guò)程不是相變。變化前后的晶粒成分相同，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，因此它們是屬于同一個(gè)相。(2)再結(jié)晶在一定溫度范圍內(nèi)完成。它沒(méi)有確定的轉(zhuǎn)變溫度，再結(jié)晶是在溫度達(dá)到一定程度后，原子活動(dòng)能力增強(qiáng)發(fā)生遷移進(jìn)行晶格位置的重排，溫度愈高，完成愈快，沒(méi)有固定溫度，但有一溫度下限，這個(gè)溫度稱為再結(jié)晶開(kāi)始溫度。23第23頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三三、再結(jié)晶第四節(jié) 金屬的熱塑性變形決定再結(jié)晶溫度的因素有：材料冷變形程度愈大，畸變能越高，向低能量態(tài)轉(zhuǎn)變傾向越強(qiáng)烈，再結(jié)晶開(kāi)始溫度愈低；金屬純度越低，雜質(zhì)原子多，原子擴(kuò)散困難，再結(jié)晶開(kāi)始溫度愈高；延長(zhǎng)加熱的保溫時(shí)間可以在較低溫度下達(dá)

15、到同樣效果。24第24頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三四、晶粒長(zhǎng)大第四節(jié) 金屬的熱塑性變形1.長(zhǎng)大動(dòng)力 晶界的界面能減小是晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力。2.晶粒的正常長(zhǎng)大 在長(zhǎng)大過(guò)程中，所有能長(zhǎng)大晶粒都處在大致相同的環(huán)境，長(zhǎng)大后的晶粒大小分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果相同，所以把這種晶粒的均勻長(zhǎng)大稱為正常長(zhǎng)大。長(zhǎng)大方式以大吃小的兼并方式進(jìn)行。晶粒長(zhǎng)大的最終結(jié)果是材料的晶粒平均尺寸變大。3.晶粒的非正常長(zhǎng)大 少數(shù)晶粒處在特別優(yōu)越的環(huán)境，這些大量吞食周圍晶粒，迅速長(zhǎng)大，這種現(xiàn)象稱為晶粒的異常長(zhǎng)大。25第25頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三晶粒非正常長(zhǎng)大圖片 第四節(jié) 金屬的熱塑

16、性變形26第26頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三四、晶粒長(zhǎng)大 (1)預(yù)先變形量：在臨界變形量(不同材料不相同，一般金屬在210%之間)以下，材料不發(fā)生再結(jié)晶，維持原來(lái)的晶粒尺寸；在臨界變形量附近，只有部分晶粒變形，以致只能形成少量核心并長(zhǎng)大，導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒特別粗大；一般情況隨著變形量的增加，再結(jié)晶后的晶粒尺寸不斷減小；當(dāng)變形量過(guò)大(70%)后，可能產(chǎn)生明顯織構(gòu)，在退火溫度高時(shí)發(fā)生晶粒的異常長(zhǎng)大，稱為二次再結(jié)晶。4. 晶粒長(zhǎng)大影響因素27第27頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三四、晶粒長(zhǎng)大(2) 加熱溫度和時(shí)間：其他條件相同時(shí)，加熱溫度高、保溫時(shí)

17、間長(zhǎng)，所得到的晶粒尺寸愈大。加熱溫度的影響尤為明顯。 再結(jié)晶退火一般均采用保溫 2小時(shí)，保證再結(jié)晶充分完成而晶粒不過(guò)分長(zhǎng)大，延長(zhǎng)保溫時(shí)間顯然會(huì)造成晶粒尺寸的長(zhǎng)大。 第四節(jié) 金屬的熱塑性變形28第28頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三第五節(jié) 金屬的熱塑性變形一、熱加工與冷加工的區(qū)分 把金屬的塑性變形稱為加工，凡是在其再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行加工變形稱為熱加工，反之在其再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的加工變形稱為冷加工。 例如：鉛的再結(jié)晶溫度在 0以下，在室溫下進(jìn)行變形是屬于熱加工，鐵的再結(jié)晶溫度為450左右，在400進(jìn)行變形仍屬于冷加工,而鎢在1000進(jìn)行變形也屬于冷加工。 注意：熱加工和

18、冷加工不是根據(jù)變形時(shí)是否加熱來(lái)區(qū)分，而是根據(jù)變形時(shí)的溫度處于再結(jié)晶溫度以上還是以下來(lái)劃分的。29第29頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三第五節(jié) 金屬的熱塑性變形一、熱加工與冷加工的區(qū)分30第30頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三二、熱加工對(duì)金屬組織與性能的影響消除鑄態(tài)金屬的組織缺陷（晶粒粗大、不致密等）。形成熱加工流線 在熱加工時(shí)，僅在一個(gè)方向上變形，如熱軋、拔長(zhǎng)等，會(huì)造成可變形夾雜物和第二相沿金屬流動(dòng)方向被拉長(zhǎng)，也形成纖維組織(或稱“流線”)。通?？v向的強(qiáng)度、塑性和韌性顯著大于橫向。讓流線與零件的受力方向成合理分布，才能保證或提高零件的質(zhì)量水平。第五節(jié) 金屬的熱塑性變形(a) 鍛造曲軸 (b) 切削加工曲軸 31第31頁(yè)，共32頁(yè)