《塑性變形與再結(jié)晶》課件

塑性變形與再結(jié)晶內(nèi)容提要塑性變形金屬材料在外力作用下發(fā)生永久性變形的過(guò)程，涉及晶體結(jié)構(gòu)的改變。再結(jié)晶經(jīng)過(guò)塑性變形后的金屬在加熱時(shí)，晶粒重新生長(zhǎng)并形成新的晶粒結(jié)構(gòu)的過(guò)程。1.塑性變形的基本原理晶體結(jié)構(gòu)與缺陷金屬材料通常具有晶體結(jié)構(gòu)，并存在各種缺陷，如點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。塑性滑移與孿晶變形塑性變形主要通過(guò)滑移和孿晶兩種機(jī)制進(jìn)行，滑移是指晶體內(nèi)部原子層沿特定方向的相對(duì)滑動(dòng)，而孿晶則是通過(guò)晶體內(nèi)部原子層的重新排列來(lái)改變晶體的形狀。晶體結(jié)構(gòu)與缺陷晶格結(jié)構(gòu)金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)是原子在空間呈周期性排列，形成有序的晶格結(jié)構(gòu)。缺陷晶格結(jié)構(gòu)中的不完整性，例如空位、間隙原子和位錯(cuò)，會(huì)影響材料的性能。晶粒多晶材料由許多晶粒組成，每個(gè)晶粒具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，但取向不同。塑性滑移與孿晶變形滑移變形原子沿特定晶面和晶向發(fā)生相對(duì)位移，形成滑移面。孿晶變形晶體的一部分相對(duì)于另一部分發(fā)生鏡像對(duì)稱，形成孿晶界面。加工硬化與動(dòng)態(tài)回復(fù)加工硬化塑性變形會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和硬度提高，同時(shí)塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象被稱為加工硬化。加工硬化是由于位錯(cuò)密度增加導(dǎo)致的。動(dòng)態(tài)回復(fù)在高溫變形過(guò)程中，位錯(cuò)會(huì)發(fā)生滑移、攀移等運(yùn)動(dòng)，部分位錯(cuò)會(huì)相互湮滅，位錯(cuò)密度降低，從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，塑性提高，這種現(xiàn)象被稱為動(dòng)態(tài)回復(fù)?；貜?fù)與再結(jié)晶過(guò)程靜態(tài)回復(fù)在較低溫度下，金屬材料發(fā)生形變后，其內(nèi)部積累的能量通過(guò)原子擴(kuò)散和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方式釋放，以減輕應(yīng)力，從而使金屬材料的強(qiáng)度降低，延展性提高。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在較高溫度下，金屬材料發(fā)生形變過(guò)程中，同時(shí)進(jìn)行著晶粒長(zhǎng)大，使材料的強(qiáng)度降低，塑性提高。靜態(tài)再結(jié)晶在變形后，金屬材料在較高溫度下保溫，由于原子擴(kuò)散，材料中的新晶粒逐漸長(zhǎng)大，使材料的強(qiáng)度進(jìn)一步降低，塑性進(jìn)一步提高。靜態(tài)回復(fù)1點(diǎn)缺陷晶格中的點(diǎn)缺陷遷移和重新排列，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力減小，從而降低了材料的硬度和強(qiáng)度。2位錯(cuò)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和相互作用，導(dǎo)致位錯(cuò)纏結(jié)，降低了材料的強(qiáng)度，但仍然保留了部分塑性。3晶粒尺寸由于靜態(tài)回復(fù)過(guò)程，晶粒尺寸發(fā)生細(xì)化，增加了晶界數(shù)量，從而提高了材料的強(qiáng)度和韌性。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生條件在較高溫度下進(jìn)行塑性變形時(shí)發(fā)生，變形過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行晶粒長(zhǎng)大。特點(diǎn)新晶粒的形核和長(zhǎng)大同時(shí)進(jìn)行，可獲得細(xì)小且均勻的晶粒組織。影響因素變形溫度、變形速率、合金成分等因素都會(huì)影響動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。靜態(tài)再結(jié)晶熱處理在一定的溫度下保溫一段時(shí)間，使金屬材料內(nèi)部組織發(fā)生改變，從而改善其性能的過(guò)程。晶粒長(zhǎng)大在熱處理過(guò)程中，材料內(nèi)部的晶粒會(huì)發(fā)生長(zhǎng)大，新生的晶粒會(huì)逐漸取代舊的晶粒，最終形成新的晶粒結(jié)構(gòu)。性能提升靜態(tài)再結(jié)晶后，材料的強(qiáng)度降低，但韌性和塑性會(huì)得到改善，同時(shí)加工性能也得到了提升。影響再結(jié)晶的因素1變形程度變形程度越高，再結(jié)晶溫度越低，再結(jié)晶速度越快。2變形溫度變形溫度越高，再結(jié)晶溫度越低，再結(jié)晶速度越快。3變形速率變形速率越高，再結(jié)晶溫度越低，再結(jié)晶速度越快。變形程度1影響形核變形程度越高，形核越多。2影響晶粒尺寸變形程度越高，晶粒尺寸越小。3影響再結(jié)晶溫度變形程度越高，再結(jié)晶溫度越低。變形溫度高溫變形促進(jìn)原子擴(kuò)散，有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。低溫變形抑制原子擴(kuò)散，有利于加工硬化。變形速率變形速率變形速率指單位時(shí)間內(nèi)材料的變形量，影響著再結(jié)晶過(guò)程的動(dòng)力學(xué)。高變形速率高變形速率會(huì)導(dǎo)致較小的晶粒尺寸，因?yàn)楹说男纬伤俾矢?，但生長(zhǎng)速率受限。低變形速率低變形速率可能導(dǎo)致較大的晶粒尺寸，因?yàn)楹说男纬伤俾瘦^慢，但生長(zhǎng)速率相對(duì)較高。合金成分溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子可以改變晶格結(jié)構(gòu)，影響形核和長(zhǎng)大過(guò)程。固溶強(qiáng)化合金元素可以提高材料的強(qiáng)度和硬度，但可能降低韌性。第二相第二相粒子可以阻礙晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒尺寸，提高強(qiáng)度和韌性。4.再結(jié)晶的微觀機(jī)理再結(jié)晶是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，它涉及到新晶粒的形核和生長(zhǎng)。形核在變形金屬中，高能缺陷區(qū)域更容易形成新晶粒，新晶粒的形核通常發(fā)生在亞晶界、孿晶界或其他缺陷聚集處。生長(zhǎng)新晶粒的生長(zhǎng)是通過(guò)原子從舊晶粒向新晶粒的遷移實(shí)現(xiàn)的，新晶粒的生長(zhǎng)速度取決于形核位置的能量狀態(tài)和溫度。新晶粒的形核形核機(jī)制形核是指新晶粒在變形金屬中形成的過(guò)程。這通常發(fā)生在晶界、亞晶界或其他缺陷處，這些地方的原子排列不規(guī)則，能量較高，更容易發(fā)生形核。形核類型形核類型主要有兩種：均勻形核和非均勻形核。均勻形核是指新晶粒在晶體內(nèi)部形成，而非均勻形核是指新晶粒在晶界或亞晶界等缺陷處形成。影響形核的因素形核速率受多種因素影響，包括變形程度、溫度、變形速率、合金成分等。這些因素影響著新晶粒形核所需的能量和形核速率。新晶粒的生長(zhǎng)1晶界遷移新晶粒生長(zhǎng)主要通過(guò)晶界遷移進(jìn)行，即新晶粒吞噬周圍舊晶粒的過(guò)程。2能量驅(qū)動(dòng)晶界遷移由能量驅(qū)動(dòng)，新晶粒具有較低的能量狀態(tài)，因此會(huì)傾向于生長(zhǎng)。3影響因素溫度、晶粒尺寸、晶界能量等因素都會(huì)影響晶粒生長(zhǎng)速率。結(jié)構(gòu)與性能的演化變形前晶粒細(xì)小，排列緊密。再結(jié)晶后晶粒長(zhǎng)大，排列疏松。再結(jié)晶對(duì)力學(xué)性能的影響再結(jié)晶會(huì)顯著改變材料的力學(xué)性能，影響其強(qiáng)度、韌性和塑性。強(qiáng)度再結(jié)晶會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，因?yàn)樾戮Я５某叽巛^小，晶界面積增加，晶界強(qiáng)度較低。韌性再結(jié)晶可以提高材料的韌性，因?yàn)樾戮Я５某叽绺鶆?，且晶界相?duì)于變形組織更加連續(xù)，從而提高了材料的斷裂韌性。強(qiáng)度再結(jié)晶后，金屬材料的強(qiáng)度通常會(huì)降低，因?yàn)榫Я３叽缭龃?，晶界?shù)量減少，晶界對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用減弱。然而，再結(jié)晶過(guò)程可以使金屬材料的強(qiáng)度得到改善，例如，通過(guò)控制再結(jié)晶過(guò)程，可以獲得具有特定強(qiáng)度的金屬材料。例如，在熱處理工藝中，可以通過(guò)控制再結(jié)晶過(guò)程來(lái)獲得具有較高強(qiáng)度的金屬材料。韌性斷裂韌性材料抵抗斷裂的能力沖擊韌性材料抵抗沖擊載荷的能力塑性塑性是指材料在拉伸或壓縮等外力作用下發(fā)生永久變形而不破壞的能力。塑性變形是材料在不發(fā)生斷裂的情況下發(fā)生永久形狀改變的過(guò)程。塑性越好，材料越容易被加工成各種形狀，例如鍛造、軋制、拉伸等。工藝中的應(yīng)用實(shí)例軋制通過(guò)軋輥對(duì)金屬材料進(jìn)行壓縮變形，使材料厚度減小，寬度增加，并獲得所需的形狀和尺寸。鍛造通過(guò)鍛錘或壓力機(jī)對(duì)金屬材料進(jìn)行錘擊或擠壓，使材料發(fā)生塑性變形，獲得所需的形狀和尺寸。軋制塑性變形軋制過(guò)程涉及金屬材料在軋輥之間經(jīng)過(guò)反復(fù)壓縮，從而改變材料的形狀和尺寸。再結(jié)晶高溫軋制過(guò)程中，金屬材料會(huì)經(jīng)歷再結(jié)晶過(guò)程，形成新的晶粒，改善材料的性能。應(yīng)用軋制廣泛應(yīng)用于金屬板材、型材和管材的生產(chǎn)，例如鋼板、鋁板、銅板等。鍛造塑性變形鍛造過(guò)程中，金屬材料在高溫下受到錘擊或壓力，發(fā)生塑性變形，使金屬組織發(fā)生改變。再結(jié)晶鍛造過(guò)程中的高溫和變形會(huì)促使金屬材料發(fā)生再結(jié)晶，形成新的晶粒，提高其力學(xué)性能。熱處理1退火通過(guò)加熱和緩慢冷卻，消除金屬內(nèi)部的應(yīng)力和提高韌性。2正火將金屬加熱到奧氏體化溫度并快速冷卻，提高強(qiáng)度和硬度。3淬火將金屬加熱到奧氏體化溫度后，快速冷卻在水中或油中，提高硬度。4回火將淬火后的金屬再次加熱到一定溫度并保溫一段時(shí)間，降低硬度，提高韌性。本課程的總結(jié)與展望本課程深入探討了塑性變形和再結(jié)晶在材料科學(xué)和工程中的重要作用。通過(guò)對(duì)基本原理、過(guò)程機(jī)制、影響因素和應(yīng)用實(shí)例的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，同學(xué)們能夠更全面地理解材料的變形行為和再結(jié)晶過(guò)程。塑性變形與再結(jié)晶的關(guān)系相互依存塑性變形是再結(jié)晶的必要條件，再結(jié)晶是塑性變形后的必然結(jié)果。結(jié)構(gòu)演化塑性變形改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再結(jié)晶通過(guò)晶粒長(zhǎng)大，恢復(fù)結(jié)構(gòu)完整性。性能調(diào)節(jié)通過(guò)控制塑性變形和再結(jié)晶，可以調(diào)節(jié)金屬的強(qiáng)度、韌性和塑性等性能。未來(lái)研究方向微觀機(jī)制深入研究再結(jié)晶過(guò)程中晶粒形核、生長(zhǎng)、長(zhǎng)大以及晶界遷移的微觀機(jī)制，探究原子尺度上的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。利用先進(jìn)的計(jì)算模擬方法，如分子動(dòng)力學(xué)模擬、第一性原理計(jì)算等，模擬再結(jié)晶過(guò)程，預(yù)測(cè)材料的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)演化趨勢(shì)。開(kāi)發(fā)新的