第03章金屬材料的塑性變形

壓力加工方法示意圖第三章金屬材料的塑性變形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影響.了解塑性變形的本質(zhì),塑性變形及加熱時(shí)組織的變化，有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，正確確定加工工藝.一、金屬的塑性變形1．單晶體的塑性變形2．多晶體的塑性變形3．塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響一、金屬的塑性變形單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力引起彈性變形及解理斷裂。切應(yīng)力的作用下金屬晶體產(chǎn)生塑性變形。(一)、單晶體金屬的塑性變形外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片單晶體的塑性變形單晶體變形的基本形式

——彈性變形、塑性變形正應(yīng)力使晶格發(fā)生彈性變形或斷裂切應(yīng)力使晶格發(fā)生彈性歪扭或塑性變形塑性變形的實(shí)質(zhì)

——原子移動(dòng)到新的穩(wěn)定位置塑性變形的形式：滑移和孿生。金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。滑移在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生滑動(dòng)?；频膶?shí)現(xiàn)——借助于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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。

銅拉伸試樣表面滑移帶滑移※滑移是晶體內(nèi)部位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。并非是晶體兩部分沿滑移面作整體的滑動(dòng)?！浦辉谇袘?yīng)力作用下發(fā)生，不同金屬產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力大小不同?；频奶攸c(diǎn)：※滑移造成的晶體總變形量是原子間距的整數(shù)值，不引起晶格位向的變化。

※滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向進(jìn)行。（滑移系）

※滑移時(shí)晶體伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng)?；葡担ɑ泼婧驮撁嫔系囊粋€(gè)滑移方向），滑移系數(shù)目↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。如FCC和BCC的滑移系為12個(gè)，HCP為3個(gè)，F(xiàn)CC的滑移方向多于BCC，金屬塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。孿生

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，產(chǎn)生塑性變形。金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生面兩側(cè)形成鏡面對(duì)稱關(guān)系。發(fā)生孿生的部分（切變部分）稱為孿生帶或?qū)\晶。孿生借助于切變進(jìn)行，所需切應(yīng)力大，速度快，在滑移較難進(jìn)行時(shí)發(fā)生.

特點(diǎn)：孿生→原子移動(dòng)的相對(duì)位移是原子間距的分?jǐn)?shù)值.

FCC金屬一般不發(fā)生孿生，少數(shù)在極低溫度下發(fā)生，BCC金屬僅在室溫或受沖擊時(shí)發(fā)生。HCP金屬較容易發(fā)生孿生。

黃銅中的孿晶鋅中的孿晶金屬材料塑性變形的實(shí)質(zhì)：金屬塑性變形實(shí)質(zhì)上是以滑移和孿生兩種形式通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行的。2、多晶體的塑性變形多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復(fù)雜。2、多晶體的塑性變形多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復(fù)雜。不均勻的塑性變形過(guò)程2、晶粒位向的影響由于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?chē)木ЯＨ舨话l(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來(lái)與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。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力提高。Cu-4.5Al合金晶界的位錯(cuò)塞積3.晶界阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來(lái),稱位錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行,則必須增加外力,從而使金屬的變形抗力提高。細(xì)晶強(qiáng)化通過(guò)晶粒細(xì)化使強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性提高的現(xiàn)象。強(qiáng)化原理晶界原子排列較不規(guī)則→缺陷多→滑移阻力大。晶粒越細(xì)小，則晶界越多，變形抗力越大，則強(qiáng)度越大?！ЯＴ郊?xì)小，單位體積晶粒多→變形分散→減少應(yīng)力集中

晶粒越細(xì)小，晶界越多且越曲折→不利于裂紋的傳播→斷裂前承受較大的塑性變形，則塑性越好。

※由于晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度越高，塑性越好，所以斷裂時(shí)需要消耗較大的功,因而韌性也較好。3、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響塑性變形對(duì)金屬性能的影響※產(chǎn)生加工硬化金屬發(fā)生塑性變形,隨冷變形程度的增大，其強(qiáng)度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象。如：冷軋薄鋼板冷拔鋼絲等。※由于纖維組織和形變織構(gòu)的產(chǎn)生，使金屬性能產(chǎn)生各向異性?！菇饘倬w缺陷增多，并產(chǎn)生殘余應(yīng)力。（1）加工硬化（形變強(qiáng)化—強(qiáng)化材料的手段之一）加工硬化的原因塑性變形→位錯(cuò)密度增加，相互纏結(jié)(亞晶界)，運(yùn)動(dòng)阻力加大→變形抗力↑形變強(qiáng)化作用提高材料的強(qiáng)度使變形更均勻防止材料偶然過(guò)載引起破壞

不利方面金屬在加工過(guò)程中塑性變形抗力不斷增加，使金屬的冷加工需要消耗更多的功率形變強(qiáng)化使金屬變脆，因而在冷加工過(guò)程中需要進(jìn)行多次中間退火，使金屬軟化，才能夠繼續(xù)加工限制使用溫度不能太高，否則由于退火效應(yīng)，金屬會(huì)軟化對(duì)于脆性材料，一般不宜利用應(yīng)變硬化來(lái)提高強(qiáng)度性能金屬材料大量形變以后強(qiáng)度就會(huì)提高，具有加工硬化的性能。3、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響（2）塑性變形對(duì)金屬組織的影響※形成纖維組織※形成亞結(jié)構(gòu)※產(chǎn)生形變織構(gòu)

金屬纖維組織及其應(yīng)用

鑄錠在塑性加工中產(chǎn)生塑性變形時(shí)，基體金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)形狀都發(fā)生變形．它們將沿著變形方向被拉長(zhǎng)，呈纖維形狀。這種結(jié)構(gòu)叫纖維組織。

纖維組織使金屬在性能上具有了方向性，對(duì)金屬變形后的質(zhì)量也有影響。纖維組織越明顯，金屬在縱向(平行纖維方向)上的強(qiáng)度尤其是塑性和韌性均比在橫向(垂直纖維方向)上的高。

為了獲得具有最好力學(xué)性能的零件，在設(shè)計(jì)和制造零件時(shí)，都應(yīng)使零件在工作中產(chǎn)生的最大正應(yīng)力方向與纖維方向一致，最大切應(yīng)力方向與纖維方向垂直，并使纖維分布與零件的輪廓相符合，盡量使纖維組織不被切斷。

纖維組織的穩(wěn)定性很高，不能用熱處理方法加以消除，只有經(jīng)過(guò)鍛壓使金屬變形，才能改變其方向和形狀。變形10%100×變形40%100×變形80%纖維組織100×工業(yè)純鐵不同變形度的顯微組織金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，外形發(fā)生變化，其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長(zhǎng)或壓扁。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀。亞結(jié)構(gòu)形成位錯(cuò)不均勻分布，并使晶粒碎化成許多位向略有差異的亞晶粒。變形織構(gòu)（1）絲織構(gòu)（2）板織構(gòu)變壓器鐵芯的硅鋼片，沿〈100〉方向最易磁化，采用這種織構(gòu)的板材，鐵損減小。絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，性能出現(xiàn)各向異性。這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。各向異性導(dǎo)致的銅板“制耳”有無(wú)(4)產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力

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)部變形不均勻而引起的。第一類內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間(宏觀內(nèi)應(yīng)力)。引起新的變形，降低精度。第二類內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間,(微觀內(nèi)應(yīng)力)。引起開(kāi)裂，產(chǎn)生微裂紋。第三類內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。強(qiáng)化金屬；耐蝕性降低。

(3)影響金屬的物理、化學(xué)性能(1)降低工件的承載能力(2)使工件尺寸及形狀發(fā)生變化(3)降低工件的耐蝕性殘余應(yīng)力的主要危害：消除殘余應(yīng)力主要采用熱處理方法變形、開(kāi)裂、耐蝕性下降。利用好可提高表面疲勞強(qiáng)度二、塑性變形后的金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化金屬經(jīng)冷變形后,組織處于不穩(wěn)定狀態(tài),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。

T回復(fù)=（0.25~０.3）T熔點(diǎn)（單位：K）回復(fù)使塑變后金屬的強(qiáng)度和硬度略有下降，塑性略有增高，但殘余應(yīng)力大大降低。變化應(yīng)用工業(yè)上利用回復(fù)過(guò)程對(duì)變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火來(lái)降低殘余應(yīng)力，保留加工硬化效果。1)回復(fù)

塑性變形后的金屬在低溫加熱時(shí)，發(fā)生回復(fù)過(guò)程點(diǎn)缺陷大大↓，內(nèi)應(yīng)力顯著↓，強(qiáng)度、硬度略有↓。

2)再結(jié)晶變形后金屬在較高溫度加熱時(shí)，由于原子擴(kuò)散能力增大，變形和破碎的晶粒通過(guò)重新生核、長(zhǎng)大變成新的均勻、細(xì)小的等軸晶粒，晶格類型不變，該過(guò)程稱為再結(jié)晶。變化再結(jié)晶使塑變后金屬的強(qiáng)度和硬度明顯降低，塑性和韌性大大提高，殘余應(yīng)力完全消除，加工硬化現(xiàn)象被消除。應(yīng)用工業(yè)上利用再結(jié)晶過(guò)程對(duì)變形后金屬進(jìn)行再結(jié)晶退火來(lái)消除加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)金屬的塑性和韌性，以利于后面的變形加工。最低再結(jié)晶溫度T再純金屬T再=0.4T熔合金T再=（0.5~0.7）T熔

溫度單位：絕對(duì)溫度(K)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)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100~200℃。鐵素體變形80%670℃加熱650℃加熱再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成和長(zhǎng)大的過(guò)程，但不是相變過(guò)程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。a.黃銅變形量達(dá)38％后的組織b.580℃保溫3sc..580℃保溫4sd.580℃保溫8se.580℃保溫15minf.700℃保溫10min影響再結(jié)晶退火后晶粒度的因素

1、加熱溫度和保溫時(shí)間加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。再結(jié)晶退火溫度對(duì)晶粒度的影響預(yù)先變形度的影響，實(shí)質(zhì)上是變形均勻程度的影響.當(dāng)變形度很小時(shí)，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶.當(dāng)變形達(dá)到2~10%時(shí)，只有部分晶粒變形，變形極預(yù)先變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒度的影響2、預(yù)先變形度不均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長(zhǎng)大,再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個(gè)變形度稱臨界變形度。3）晶粒長(zhǎng)大變形80%工業(yè)純鐵再結(jié)晶退火顯微照片100×

變形80%400℃退火8小時(shí)加熱溫度T和加熱時(shí)間t↑

→晶界遷移、晶粒合并長(zhǎng)大。變形80%600℃退火8小時(shí)三、金屬材料的熱加工和冷加工1．熱加工對(duì)組織和性能的影響2．冷加工對(duì)組織和性能的影響冷加工與熱加工的區(qū)別在金屬學(xué)中，冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來(lái)劃分的。低于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工，而高于再結(jié)晶溫度的加工稱為熱加工。1．熱加工對(duì)組織和性能的影響熱加工

——在T再以上溫度進(jìn)行的變形加工，如鋼材的熱鍛和熱軋，但熱加工后不產(chǎn)生加工硬化。熱加工時(shí)，塑性變形引起的加工硬化效應(yīng)隨即被再結(jié)晶過(guò)程的軟化作用所消除。原因？熱加工對(duì)組織和性能的影響1）打碎柱狀晶、樹(shù)枝晶，形成等軸晶，機(jī)械性能改善。2）壓合鑄件中的疏松、氣孔等缺陷，提高組織致密度和機(jī)械性能.3）熱加工使鑄態(tài)金屬中的非金屬夾雜沿變形方向拉長(zhǎng)，形成彼此平行的宏觀條紋，稱作流線，由這種流線體現(xiàn)的組織稱纖維組織。它使鋼產(chǎn)生各向異性，在制定加工工藝時(shí)，應(yīng)使流線分布合理，盡量與拉應(yīng)力方向一致。

鍛造曲軸切削加工曲軸２．冷加工對(duì)組織和性能的影響冷加工——在T再以下溫度進(jìn)行的變形加工，如低碳鋼的冷拔、冷沖。

冷加工時(shí)，無(wú)再結(jié)晶過(guò)程

思考