第三章金屬的塑性變形與再結(jié)晶

第三章金屬的塑性變形與再結(jié)晶第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四本章提要（2）冷塑性變形對金屬組織和性能的影響（晶粒變形，亞結(jié)構(gòu)的形成，形變織構(gòu)，加工硬化，變形引起的內(nèi)應(yīng)力）；（3）加熱對塑性變形金屬的組織和性能的影響（回復(fù)，再結(jié)晶，晶粒長大）；（4）金屬的熱塑性加工（熱加工和冷加工的區(qū)別，熱加工對金屬組織和性能的影響）。第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)金屬的塑性變形第二節(jié)冷塑性變形對金屬組織和性能的影響第三節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶第四節(jié)金屬的熱塑性加工第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)熔煉而得到的金屬錠，如鋼錠、鋁合金錠或銅合金鑄錠等，大多要經(jīng)過軋制、冷拔、鍛造、沖壓等壓力加工，使金屬產(chǎn)生塑性變形而制成型材或工件。金屬材料經(jīng)壓力加工后，不僅改變了外形尺寸，而且改變了內(nèi)部組織和性能。因此，研究金屬的塑性變形，對于選擇金屬材料的加工工藝、提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、合理使用材料等均有重要的意義。a)軋制b)擠壓c)鍛造d)冷沖壓第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四鍛件沖壓件擠壓件輥鍛件第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)金屬的塑性變形一、金屬單晶體的塑性變形單晶體塑性變形的基本方式——滑移和孿生單晶體塑性變形的形式第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四通過位錯移動造成滑移的示意圖第一節(jié)金屬的塑性變形一、金屬單晶體的塑性變形1.滑移的本質(zhì)滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生相對的滑動。第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四金屬計算值(MN/m2)實測值(MN/m2)計算值與實測值之比銅銀金鎳鎂鋅64004500450011000300048001.00.50.925.80.830.94640090004900190036005100第一節(jié)金屬的塑性變形一、金屬單晶體的塑性變形1.滑移的本質(zhì)第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四1由于位錯每移出晶體一次即造成一個原子間距的變形量，因此晶體發(fā)生的總變形量一定是這個方向上的原子間距的整數(shù)倍，所以滑移后仍然可以保持晶體結(jié)構(gòu)的完整性，晶體結(jié)構(gòu)的取向也沒有發(fā)生變化。2滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）進(jìn)行，一個滑移面與其上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系。3滑移系只提供了金屬晶體滑移的可能性，而金屬晶體在外力的作用下產(chǎn)生滑移的驅(qū)動力乃是沿滑移面滑移方向上的分切應(yīng)力。4滑移時晶體的轉(zhuǎn)動。第一節(jié)金屬的塑性變形一、金屬單晶體的塑性變形2.滑移規(guī)律第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)金屬的塑性變形一、金屬單晶體的塑性變形滑移規(guī)律（滑移帶）滑移帶：用金相顯微鏡觀察被拉伸金屬單晶體試樣表面時，可以見到試樣表面有許多呈一定角度階梯狀的互相平行的線條，這些平行的線條稱為滑移帶。銅拉伸試樣表面滑移帶第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)金屬的塑性變形一、金屬單晶體的塑性變形滑移規(guī)律（滑移帶）第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)金屬的塑性變形一、金屬單晶體的塑性變形滑移規(guī)律（滑移系）體心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)金屬的塑性變形一、金屬單晶體的塑性變形滑移規(guī)律（滑移系）FCC和BCC的滑移系為12個，HCP為3個，F(xiàn)CC的滑移方向多于BCC，金屬塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)金屬的塑性變形一、金屬單晶體的塑性變形滑移規(guī)律（臨界分切應(yīng)力）以單晶體單向拉伸為例第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)金屬的塑性變形一、金屬單晶體的塑性變形滑移規(guī)律（轉(zhuǎn)動）滑移時晶體伴隨有轉(zhuǎn)動。第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)金屬的塑性變形二、多晶體的塑性變形常用金屬材料都是多晶體。多晶體中各相鄰晶粒的位向不同，并且各晶粒之間由晶界相連接，因此，多晶體的塑性變形具有下列特點：（1）晶粒位向差對變形的影響

第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)金屬的塑性變形二、多晶體的塑性變形（2）晶界對變形的影響

兩個晶粒試樣在拉伸時的變形a)變形前b)變形后多晶體中首先發(fā)生滑移的是那些滑移系與外力夾角等于或接近于45°的晶粒，使位錯在晶界附近塞積，當(dāng)塞積位錯前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯開動，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。位錯塞積示意圖第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四晶粒小→晶界面積大→變形抗力大→強(qiáng)度大晶粒小→晶界附近位錯密度小→應(yīng)力集中小→滑移由這晶粒到另外一個晶粒機(jī)會少→變形困難→屈服強(qiáng)度↑晶粒小→單位體積晶粒多→變形分散→減少應(yīng)力集中晶粒小→晶界多→不利于裂紋的傳播→斷裂前承受較大的塑性變形細(xì)晶強(qiáng)化：晶粒細(xì)化→強(qiáng)度提高、塑性提高、韌性提高，硬度提高。第一節(jié)金屬的塑性變形二、多晶體的塑性變形細(xì)晶強(qiáng)化的原因第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)冷塑性變形對金屬組織和性能的影響一、冷塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響1、晶粒變形工業(yè)純鐵20%形變工業(yè)純鐵40%形變工業(yè)純鐵60%形變第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四吊鉤、曲軸中的流線分布第二節(jié)冷塑性變形對金屬組織和性能的影響一、冷塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響1、晶粒變形第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)冷塑性變形對金屬組織和性能的影響一、冷塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響2、形變織構(gòu)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。晶粒拉長，但未出現(xiàn)織構(gòu)。晶粒拉長，且出現(xiàn)織構(gòu)。第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)冷塑性變形對金屬組織和性能的影響一、冷塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響3、亞結(jié)構(gòu)的形成第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)冷塑性變形對金屬組織和性能的影響二、冷塑性變形對金屬性能的影響加工硬化

隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)冷塑性變形對金屬組織和性能的影響二、冷塑性變形對金屬性能的影響加工硬化(工程意義）（1）它是一種非常重要的強(qiáng)化手段（2）是某些工件或成品能夠拉伸或冷沖壓加工成形的重要基礎(chǔ)（3）可提高金屬零件在使用過程中的安全性（4）使變形抗力增加，繼續(xù)變形越來越困難第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)冷塑性變形對金屬組織和性能的影響二、冷塑性變形對金屬性能的影響殘余內(nèi)應(yīng)力（1）宏觀殘余應(yīng)力：由于金屬材料各部分變形不均勻而造成的宏觀范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力，稱為宏觀殘余應(yīng)力。（2）微觀殘余應(yīng)力：晶粒與晶粒之間以及同一顆晶粒的不同區(qū)域之間，因變形不均勻而引起的內(nèi)應(yīng)力。（3）晶格畸變應(yīng)力：多晶體金屬在塑性變形后，由于位錯、空位等晶體缺陷增加，使晶體一部分原子偏離其平衡位置而造成晶格畸變、這種由于晶格畸變而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，稱為晶格畸變應(yīng)力。物理、化學(xué)性能的變化電阻增大，耐蝕性降低等。

第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶如果對冷塑性變形后的金屬加熱，就會發(fā)生一系列的組織和性能的變化，這種過程可分為回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大三個階段的變化。第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶1、回復(fù)當(dāng)加熱溫度較低時，原子有一定的活動能力，進(jìn)行較短距離的移動，這樣使金屬內(nèi)部晶體缺陷數(shù)量減少，晶格畸變程度降低，從而使殘余應(yīng)力有所降低，這個階段稱為回復(fù)。生產(chǎn)中對塑性變形后的工件進(jìn)行低溫退火，就是利用回復(fù)的原理。如碳鋼彈簧在冷卷后加熱到250~300℃，再緩慢冷卻以消除力應(yīng)力。

T回≈(0.25-0.3)T熔多邊形化示意圖第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶2、再結(jié)晶隨著加熱溫度的升高，原子的活動能力增強(qiáng)，變形金屬中的纖維狀晶粒通過形核及晶核長大而形成等軸晶粒，這一階段稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶也是一個晶核形成和長大的過程，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)晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。再結(jié)晶后金屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶2、再結(jié)晶

T再≈（0.35-0.4)T熔金屬T熔(℃)T再(℃)Fe1538450Cu1083269Al660100第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶3、晶粒長大580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)金屬的熱塑性加工一、熱加工與冷加工的區(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。

熱加工時產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消，因而熱加工不會帶來加工硬化效果。鑄造鍛造沖壓第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)金屬的熱塑性加工二、熱塑性加工對金屬組織和性能的影響1.消除鑄態(tài)金屬的組織缺陷2.細(xì)化晶粒第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)金屬的熱塑性加工二、熱加工對金屬組織和性能的影響3.形成纖維組織第三十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)金屬的熱塑性加工二、熱加工對金屬組織和性能的影響4.形成帶狀組織第三十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四本章練習(xí)1、將未經(jīng)過塑性變形的金屬加熱到再結(jié)晶溫度，會發(fā)生再結(jié)晶嗎？為什么?2、簡要比較液態(tài)結(jié)晶、重結(jié)晶、再結(jié)晶的異同處。3、用一冷拉鋼絲繩吊一大型工件入爐，并隨工件一起加熱到1000℃，加熱完畢，再次吊裝該工件時，鋼絲繩發(fā)生斷裂。試分析其原因。4、在制造齒輪時，有時采用噴丸法（即將金屬丸噴射到零件表面上）使齒面得以強(qiáng)化。試分析強(qiáng)化原因。

5、用你低碳鋼板冷沖壓成形的零件，沖壓后發(fā)現(xiàn)各部位的硬度不同，為什么？6、一輛高檔自行車的車架，是冷拔合金鋼管制作的。由于使用不當(dāng)而斷裂，用常規(guī)的電弧焊將它修復(fù)。但正常使用短時間后又?jǐn)嗔?，這次在焊縫附近，試分析造成第二次斷裂的可能原因。第三十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四本章練習(xí)7、已知金屬鎢、鐵、鉛、錫的熔點分別為3380℃、1538℃、327℃、232℃，試計算這些金屬的最低再結(jié)晶溫度，并分析鎢和鐵在1100℃下的加工、鉛和錫在室溫（20℃）下的加工各為何種加工？8、為什么細(xì)晶粒鋼強(qiáng)度高，塑性，韌性也好？9、在室溫下對