機械工程材料課件 學習情境四  金屬的塑性變形與再結晶

學習情境四?金屬的塑性變形與再結晶二、認知塑性變形對金屬組織和性能的影響一、認知金屬的塑性變形四、認知金屬的熱加工三、認知回復與再結晶單晶體金屬塑性變形的基本方式是滑移和孿生，其中滑移是最主要的變形方式。一、單晶體的塑性變形滑移變形有如下特點：（1）滑移只能在切應力作用下發(fā)生。（2）滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。一、單晶體的塑性變形滑移變形有如下特點：（3）滑移的距離為滑移方向上原子間距的整數倍。（4）滑移的同時伴隨著晶體的轉動。（5）滑移是由于滑移面上的位錯運動而產生的。一、單晶體的塑性變形孿生和滑移的主要區(qū)別如下：（1）孿生變形使孿晶內晶體發(fā)生均勻的切變，并改變其位向；而滑移變形是晶體中兩部分晶體發(fā)生滑動，并不發(fā)生晶體位向的變化。（2）孿生時孿晶帶內原子沿孿生方向的位移都是原子間距的分數倍，而且相鄰原子面原子的相對位移量小于一個原子間距，并與距孿晶面的距離成正比；而滑移時原子在滑移方向的相對位移是原子間距的整數倍。一、單晶體的塑性變形孿生和滑移的主要區(qū)別如下：（3）在晶體滑移和孿生變形的比較中可了解到，孿生變形區(qū)域包含許多原子面，即變形區(qū)內有許多原子在同時移動；而滑移變形是在滑移面一層原子面上移動，且又是逐步滑移的。當然，孿生變形所需的切應力比滑移變形大得多，因此，一般在不易滑移的條件下產生孿生變形。例如在面心立方晶體中不易產生孿生，而在密排六方晶體中則易產生孿生一、單晶體的塑性變形1.晶界和晶粒位向的影響晶界附近是兩晶粒晶格位向過渡的地方。在這里，原子排列紊亂，而且該區(qū)域雜質原子較多，增大了其晶格的畸變，因而位錯運動在該處受到的阻力較大，使之難以發(fā)生變形，即具有較高的塑性變形抗力。此外，各晶粒晶格位向不同也會增大其滑移的抗力，這是因為其中任一晶粒的滑移都必然會受到它周圍不同位向晶粒的約束和阻礙，各晶粒必須相互協(xié)調，才能發(fā)生塑性變形。多晶體的滑移必須克服較大的阻力，因而使多晶體材料的強度增高。二、多晶體的塑性變形2.多晶體的塑性變形過程在多晶體金屬中，由于每個晶粒的晶格位向不同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，因此在外力作用下，每個晶粒中不同滑移面和滑移方向上受到的分切應力也不同。而在拉伸試驗時，試樣中的分切應力在與外力呈45°的方向上最大，在與外力相平行或垂直的方向上最小。二、多晶體的塑性變形3.晶粒大小對金屬力學性能的影響由于晶界和晶粒間的位向差會提高變形抗力，所以金屬晶粒越細小，晶界面積越大，每個晶粒周圍具有不同位向的晶粒數目也越多，其塑性變形的抗力（即強度、硬度）就越高。細晶粒金屬不僅強度、硬度高，而且塑性、韌性也好。二、多晶體的塑性變形一、塑性變形對組織結構的影響在外力的作用下，隨著外形的變化，金屬內部組織也要發(fā)生如下變化：（1）晶粒形狀的變化?！袄w維組織”。（2）亞結構的形成。亞晶粒（3）形變織構的產生?！翱棙嫛彼苄宰冃螌饘俳M織和性能的影響二、塑性變形對性能的影響1.對金屬力學性能的影響在金屬冷塑性變形過程中，隨著內部組織的變化，其力學性能也將發(fā)生明顯的變化。隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度顯著升高，而塑性、韌性顯著下降，這一現象稱為加工硬化（形變強化）。塑性變形對金屬組織和性能的影響二、塑性變形對性能的影響2.對金屬的物理、化學性能的影響經冷塑性變形以后，金屬的物理、化學性能也會發(fā)生明顯的變化，如磁導率、電導率、電阻溫度系數等下降，而磁矯頑力等增加。由于塑性變形提高了金屬的內能，加速了金屬中的擴散過程，提高了金屬的化學活性，故金屬的耐蝕性下降。塑性變形對金屬組織和性能的影響二、塑性變形對性能的影響3.殘余內應力金屬塑性變形時，外力所做的功90%以上以熱量的形式失散掉，只有不到10％的功轉變?yōu)閮葢埩粲诮饘僦小Ｋ^內應力是指平衡于金屬內部的應力。內應力主要是由于金屬在外力作用下，內部變形不均勻而引起的。殘余內應力還會使金屬耐蝕性下降，引起加工、淬火過程中零件的變形和開裂，因此金屬在塑性變形后，通常要進行退火處理，以消除或降低殘余內應力。塑性變形對金屬組織和性能的影響一、回復加熱溫度較低時，變形金屬中的一些點缺陷和位錯，在某些晶內發(fā)生遷移變化的過程，稱為回復。工程上所稱的去應力退火，就是利用回復的原理，使冷加工的金屬件在基本上保持加工硬化狀態(tài)的條件下降低內應力，降低電阻，改善塑性和韌性。學習任務三認知回復與再結晶二、再結晶變形金屬加熱到較高溫度時，原子具有較強的活動能力，有可能在破碎的亞晶界處重新形核和長大，使原來破碎拉長的晶粒變成新的、內部缺陷較少的等軸晶粒。這一過程，使晶粒的外形發(fā)生了變化，而晶格的類型無任何改變，故稱為“再結晶”。學習任務三認知回復與再結晶三、晶粒長大由再結晶后得到的細的無畸變等軸晶粒，在溫度繼續(xù)升高或保溫時，會相互吞并長大。這個過程是總界面能減小的過程，故也稱自發(fā)過程。晶粒的長大，實質上是晶粒的邊界，從一個晶粒向另一個晶粒中遷移，并將另一晶粒的晶格位向逐漸變成與這個晶粒相同的位向，則另一個晶粒似乎被這個晶粒“吞并”為一個大晶粒。學習任務三認知回復與再結晶四、金屬再結晶溫度變形金屬開始進行再結晶的最低溫度稱為金屬的再結晶溫度。應該指出，在金屬再結晶時，新舊晶粒的結構（晶格類型）和成分完全相同，所以再結晶不是相變過程，沒有恒定的轉變溫度，而是隨著溫度的升高從某一溫度開始，逐漸形核和長大的連續(xù)過程。再結晶過程的驅動力主要是變形晶粒的畸變能，它的發(fā)展必須通過金屬內部的原子擴散，因而再結晶過程能否進行主要取決于晶粒畸變能的高低和原子擴散的能力。影響再結晶溫度的因素如下：（1）預先的變形程度。（2）原始晶粒大小。（3）金屬的純度及成分。（4）加熱速度和保溫時間。學習任務三認知回復與再結晶一、熱加工與冷加工的區(qū)別?由于金屬在高溫下強度、硬度低，而塑性、韌性高，在高溫下對金屬進行加工變形比在較低溫度下容易，因此，生產上便有冷、熱加工之分。從金屬學的觀點來看，熱加工與冷加工的區(qū)別是以金屬材料的再結晶溫度為分界。凡是在材料再結晶溫度以上所進行的塑性變形加工稱為熱加工；而在材料再結晶溫度以下所進行的塑性變形加工稱為冷加工。學習任務四認知金屬的熱加工