金屬塑型變形_第1頁
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關于金屬塑型變形第1頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三第一節(jié)金屬的塑性變形一、單晶體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力和切應力。正應力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。方式:滑移和孿生外力在晶面上的分解切應力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片第2頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(一)滑移(1)滑移帶和滑移線試樣預經(jīng)拋光而后變形,再到顯微鏡下去觀察時,則可在試樣的表面上看到一條條的變形痕跡,這些變形痕跡叫“滑移帶”。在電子顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)任一條滑移帶是由許多條反映著這種臺階的“滑移線”所組成。銅拉伸試樣表面滑移帶第3頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生距離為原子間距整數(shù)倍的位移的現(xiàn)象。發(fā)生滑移后滑移面兩側的晶體位向保持不變。

第4頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三滑移只能在切應力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應力稱臨界切應力.第5頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(2)滑移系沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向?;瞥Q鼐w中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大,結合力最弱,產(chǎn)生滑移所需切應力最小。一個滑移面和其上的一個滑移方向構成一個滑移系。第6頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三種典型金屬晶格的滑移系第7頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三滑移系越多,金屬發(fā)生滑移的可能性越大,塑性也越好,其中滑移方向對塑性的貢獻比滑移面更大。因而金屬的塑性,面心立方晶格好于體心立方晶格,體心立方晶格好于密排六方晶格。第8頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(3)滑移時晶體的轉動轉動有兩種:滑移面向外力軸方向轉動和滑移面上滑移方向向最大切應力方向轉動。第9頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三切應力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉動第10頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三當滑移面、滑移方向與外力方向都呈45°角時,滑移方向上切應力最大,因而最容易發(fā)生滑移.滑移的轉動使原來的有利位向轉動到不利位向而停止滑移,而不利位向的滑移系則轉動到有利位向而滑移。從而產(chǎn)生均勻變形。第11頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(4)滑移的機理把滑移設想為剛性整體滑動所需的理論臨界切應力值比實際測量臨界切應力值大3~4個數(shù)量級。滑移是通過滑移面上位錯的運動來實現(xiàn)的。第12頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三晶體通過位錯運動產(chǎn)生滑移時,只在位錯中心的少數(shù)原子發(fā)生移動,它們移動的距離遠小于一個原子間距,因而所需臨界切應力小,這種現(xiàn)象稱作位錯的易動性。第13頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三刃位錯的運動第14頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(二)孿生孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的切變。第15頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三發(fā)生切變的部分稱孿生帶或孿晶帶,沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面。孿生的結果使孿生面兩側的晶體呈鏡面對稱。

孿晶組織孿生示意圖第16頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三與滑移的主要區(qū)別:孿生使部分晶體發(fā)生均勻切應變;孿生使晶格位向發(fā)生改變;所需切應力比滑移大得多,變形速度極快,接近聲速;孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距。第17頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三密排六方晶格金屬滑移系少,常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬,一般不發(fā)生孿生變形,但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在,這是由于相變過程中原子重新排列時發(fā)生錯排而產(chǎn)生的,稱退火孿晶。奧氏體不銹鋼中退火孿晶鈦合金六方相中的形變孿晶第18頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三二、多晶體金屬的塑性變形(一)特點單個晶粒變形與單晶體相似,每個晶粒的塑性變形仍以滑移或孿生方式進行由于晶界的存在,晶粒間位向的差異,以及變形過程中晶粒之間的互相牽制多晶體變形比單晶體復雜。第19頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(二)晶界及晶粒位向差的影響晶界的影響晶界處的原于是雜亂的,晶格嚴重畸變,加之雜質原子比較集中(增大了晶格畸變),因而使該處滑移時位錯運動的阻力(即塑性變形抗力)增大,難以發(fā)生變形。當位錯運動到晶界附近時,受到晶界的阻礙而堆積起來,稱位錯的塞積。要使變形繼續(xù)進行,則必須增加外力,從而使金屬的變形抗力提高。第20頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三晶界對塑性變形的影響Cu-4.5Al合金晶界的位錯塞積第21頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同,當一個晶粒發(fā)生塑性變形時,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。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。

第22頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45°的晶粒。當塞積位錯前端的應力達到一定程度,加上相鄰晶粒的轉動,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,當有大量晶粒發(fā)生滑移后,金屬便顯示出明顯的塑性變形。第23頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(三)晶粒大小對金屬力學性能的影響金屬的晶粒越細,其強度和硬度越高。因為金屬晶粒越細,晶界總面積越大,位錯障礙越多;需要協(xié)調的具有不同位向的晶粒越多,使金屬塑性變形的抗力越高。金屬的晶粒越細,其塑性和韌性也越高。因為晶粒越細,單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多,參與變形的晶粒數(shù)目也越多,變形越均勻,使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強度和塑性同時增加,金屬在斷裂前消耗的功也大,因而其韌性也比較好。第24頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三第二節(jié)冷塑性變形對金屬組織和性能的影響一、冷塑性變形對性能的影響加工硬化:隨冷塑性變形量增加,金屬的強度、硬度提高,塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。除力學性能外,金屬的某些物理、化學性能在冷加工塑性變形以后也會發(fā)生變化。例如,金屬的電阻增加,導磁性和耐蝕性降低等。第25頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三冷塑性變形與性能關系第26頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三加工硬化在金屬加工中的作用金屬的加工硬化在生產(chǎn)中是強化金屬的重要手段。特別是熱處理無法強化的金屬材料,如純金屬、某些銅合金和鎳鉻不銹鋼等;加工硬化由于塑性的降低,可能給金屬材料進一步變形加工帶來困難;某些物理、化學性能的變壞,也會影響一些零件的使用。第27頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三二、冷塑性變形對金屬組織結構的影響(一)形成纖維組織金屬發(fā)生塑性變形時,不僅外形發(fā)生變化,而且其內(nèi)部的晶粒也相應地被拉長或壓扁。變形量很大時,晶粒將被拉長為纖維狀,晶界變得模糊不清,稱之為冷加工纖維組織。纖維組織能使金屬的力學性能具有明顯的方向性,即造成各向異性,沿著纖維方向的強度大于垂直纖維方向的。

第28頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化5%冷變形純鋁中的位錯網(wǎng)(a)正火態(tài)(c)變形80%(b)變形40%第29頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(二)亞組織的細化隨著變形的增加,位錯纏結現(xiàn)象的進一步發(fā)展,便會把各晶粒破碎成為細碎的亞晶粒。變形愈大,晶粒的碎細程度便愈大,亞晶界也愈多,位錯密度顯著增加。同時,細碎的亞晶粒也隨著變形的方向被拉長。亞組織細化和位錯密度增加是加工硬化的主要原因第30頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(三)產(chǎn)生變形織構由于晶粒的轉動,當塑性變形達到一定程度時,會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)象稱變形織構或擇優(yōu)取向。第31頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三形變織構使金屬呈現(xiàn)各向異性,在深沖零件時,由于各方向上的塑性、強度不同會導致非均勻變形。使筒形零件的邊緣出現(xiàn)嚴重不齊的現(xiàn)象,稱為“制耳”,使零件邊緣不齊,厚薄不勻。但織構可提高硅鋼片的導磁率。板織構絲織構形變織構示意圖各向異性導致的銅板“制耳”有無第32頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象第33頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(三)殘余內(nèi)應力內(nèi)應力是指平衡于金屬內(nèi)部的應力。是由于金屬受力時,內(nèi)部變形不均勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時,外力所做的功只有10%轉化為內(nèi)應力殘留于金屬中.。內(nèi)應力分為三類:第一類內(nèi)應力平衡于各部分(如表面與心部之間),又稱為宏觀內(nèi)應力,通常為0.1%。第二類內(nèi)應力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間,(微觀內(nèi)應力),通常為1%~2%。第三類內(nèi)應力是由晶格缺陷引起的畸變應力,通常為90%以上。第34頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三第一、二類內(nèi)應力雖然占的比例不大,但是在一般情況下都會降低材料的性能,而且還會因應力松弛或重新分布而引起材料的變形。是有害的內(nèi)應力。第三類內(nèi)應力是形變金屬中的主要內(nèi)應力,也是金屬強化的主要原因。而第一、二類內(nèi)應力都使金屬強度降低。內(nèi)應力的存在,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,通常要進行退火處理,以消除或降低內(nèi)應力。第35頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三第三節(jié)冷變形金屬在加熱時的組織和性能變化

金屬經(jīng)冷變形后,組織處于不穩(wěn)定狀態(tài),有自發(fā)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下,原子擴散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可長時間維持。加熱可使原子擴散能力增加,金屬將依次發(fā)生回復、再結晶和晶粒長大三個過程。加熱溫度℃黃銅第36頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(一)回復回復是指在加熱溫度較低時,由于金屬中的點缺陷及位錯近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號位錯相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等??傊狐c缺陷減少,晶格畸變減輕,(亞組織的尺寸沒有明顯變化)金屬組織變化不明顯,其強度、硬度略有下降,塑性略有提高,但內(nèi)應力、電阻率等顯著下降。第37頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三工業(yè)上,常利用回復現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱,既穩(wěn)定組織又保留加工硬化,這種熱處理方法稱去應力退火。第38頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(二)再結晶當變形金屬被加熱到較高溫度時,由于原子活動能力增大,晶粒的形狀開始發(fā)生變化,由破碎拉長的晶粒變?yōu)橥暾募毜容S晶粒。這種冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程稱再結晶。鐵素體變形80%670℃加熱650℃加熱第39頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(一)再結晶過程再結晶也是一個晶核形成和長大的過程,但不是相變過程,再結晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。加熱溫度℃黃銅第40頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三由于再結晶后組織的復原,因而金屬的強度、硬度下降,塑性、韌性提高,加工硬化消失。冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化

冷變形(變形量為38%)黃銅580oC保溫15分后的的再結晶組織第41頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(二)再結晶溫度再結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)進行的過程,發(fā)生再結晶的最低溫度稱再結晶溫度。580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織冷變形(變形量為38%)黃銅的再結晶第42頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三T再與ε的關系影響再結晶溫度的因素為:(1)金屬的預先變形程度:金屬預先變形程度越大,再結晶溫度越低。當變形度達到一定值后,再結晶溫度趨于某一最低值,稱最低再結晶溫度。純金屬的最低再結晶溫度與其熔點之間的近似關系:T再≈0.4T熔其中T再、T熔為絕對溫度,金屬熔點越高,T再也越高。T再℃=(T熔℃+273)×0.4–273,如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃第43頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(2)金屬的純度金屬中的微量雜質或合金元素,尤其高熔點元素起阻礙擴散和晶界遷移作用,使再結晶溫度顯著提高.第44頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(3)再結晶加熱速度和加熱時間提高加熱速度會使再結晶推遲到較高溫度發(fā)生,延長加熱時間,使原子擴散充分,再結晶溫度降低。黃銅580oC保溫8秒后的組織黃銅580oC保溫15分后的組織第45頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(三)再結晶退火在對金屬材料進行塑性變形加工(拉深、冷拔等)時為了消除加工硬化需要進行再結晶退火。再結晶退火是指:把變形金屬加熱到再結晶溫度以上的溫度保溫,使變形金屬完成再結晶過程的熱處理工藝。為了盡量縮短退火周期并且不使晶粒粗大,一般情況下把退火工藝溫度取為最低再結晶溫度以上100C~200C。第46頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三三、再結晶后的晶粒長大再結晶完成后,若繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時間,將發(fā)生晶粒長大,這是一個自發(fā)的過程。黃銅再結晶后晶粒的長大580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織第47頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三晶粒的長大是通過晶界遷移進行的,是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會使金屬的強度,尤其是塑性和韌性降低。原子穿過晶界擴散晶界遷移方向第48頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三黃銅再結晶和晶粒長大各個階段的金相照片冷變形量為38%的組織580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織第49頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(一)加熱溫度和保溫時間的影響加熱溫度越高,保溫時間越長,金屬的晶粒越粗大,加熱溫度的影響尤為顯著。再結晶退火溫度對晶粒度的影響第50頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三(二)預先變形度預先變形度的影響,實質上是變形均勻程度的影響。當變形度很小時,晶格畸變小,不足以引起再結晶.當變形達到2~10%時,只有部分晶粒變形,變形極不均勻,再結晶晶粒大小相差懸殊,易互相吞并和長大,再結晶后晶粒特別粗大,這個變形度稱臨界變形度。預先變形度對再結晶晶粒度的影響第51頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三當超過臨界變形度后,隨變形程度增加,變形越來越均勻,再結晶時形核量大而均勻,使再結晶后晶粒細而均勻,達到一定變形量之后,晶粒度基本不變。對于某些金屬,當變形量相當大時(90%),再結晶后晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)象,一般認為這與形成織構有關.第52頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三第四節(jié)金屬的熱塑性變形(熱變形加工)

一、冷加工與熱加工的區(qū)別在金屬學中,冷熱加工的界限是以再結晶溫度來劃分的。低于再結晶溫度的加工稱為冷加工,而高于再結晶溫度的加工稱為熱加工。軋制模鍛拉拔第53頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三如Fe的再結晶溫度為451℃,其在400℃以下的加工仍為冷加工。而Sn的再結晶溫度為-7℃,則其在室溫下的加工為熱加工。第54頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三熱加工時產(chǎn)生加工硬化和再結晶產(chǎn)生軟化同時進行。熱變形溫度較低時,再結晶不充分,則會存在加工硬化現(xiàn)象。若熱變形溫度過高,再結晶組織會粗大,所以不同的金屬材料會有不同的熱變形溫度范圍。第55頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三金屬的冷熱加工模鍛自由鍛軋制正擠壓反擠壓拉拔沖壓第56頁,講稿共62頁,2023年5月2日,星期三二、熱加工對金屬組織和性能的影響(一)消除鑄態(tài)金屬的某些缺陷熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合,使粗大的樹枝晶或柱狀晶破碎,

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