工程材料 第五章 金属的塑性变形与再结晶课件

2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,1,第五章 金属的塑性变形与再结晶,1.压力加工得到了广泛地应用 在工业生产中，压力加工得到了广泛地应用，如锻造、轧制、拉丝、挤压、冷冲压等都属于压力加工。 2.压力加工的基本特点 压力加工的基本特点是，金属在外力作用下借助于塑性变形获得一定的形状和尺寸。不仅如此，塑性变形还可以在一定程度上改善金属铸造组织和性能。例如：用压力加工可以改善金属铸态组织中的粗大晶粒、组织不均匀和成份偏析等缺陷。 因此，研究金属的塑性变形，对改进金属材料的加工工艺，提高产品质量都有重要的意义。,第一节 金属的塑性变形,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响,第三节 塑性变形金属在加热时的组织和性能变化,第四节 金属的热加工筒介,前 言,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,2,第五章 金属的塑性变形与再结晶,第一节 金属的塑性变形,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响,第三节 塑性变形金属在加热时的组织和性能变化,第四节 金属的热加工筒介,本章主要简介两大问题： 1.金属的冷塑性变形及其对性能的影响； 2.对冷塑性变形金属加热后其组织和性能的变化。,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,3,第五章 金属的塑性变形与再结晶,第一节 金属的塑性变形,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响,第三节 塑性变形金属在加热时的组织和性能变化,第四节 金属的热加工筒介,* 授课学时：2学时 * 本章重点内容有： 1.金属的塑性变形的主要形式和机制； 2.晶粒粗细对力学性能影响; 2.塑性变形对组织与性能的影响; 3.回复与再结晶; 4.金属的热加工的概念。 *本章的难点： 1.金属滑移的机理和加工硬化过程的位错理论解释 2. 回复过程的本质,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,4,第一节 金属的塑性变形,引：金属材料在外力作用下产生了变形，当外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。 本节先介绍金属单晶体的塑性变形，再以此为基础，简要介绍较复杂的多晶体的塑性变形。,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,5,一、单晶体的塑性变形,在常温下金属的塑性变形的方式可分为：,由于多数情况下金属的塑性变形以滑移方式进行，因此这里只考虑“滑移”。,滑移 孪生,第一节 金属的塑性变形,图 孪生方式,图 滑移方式,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,6,1.滑移概念：所谓滑移，即晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面发生相对滑动，移动的距离为原子间距的整数倍，滑动后原子处于新的平衡位置。,图5-1 金属单晶体在切应力作用下的变形 a)未变形；b)弹性变形；c)弹塑性变形；d)塑性变形(滑移),第一节 金属的塑性变形,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,注：单晶体的塑性变形，主要是以滑移方式进行的。,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,7,2滑移变形的过程(金属单晶体在切应力的作用下发生滑移变形的过程) 图5-1所示：,(1)不受外力：图5-1a表示，当单晶体不受外力的作用时，原子处于平衡位置。,图5-1 金属单晶体在切应力作用下的变形 a)未变形；b)弹性变形；c)弹塑性变形；d)塑性变形(滑移),第一节 金属的塑性变形,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,8,(2)受不大的外力作用： 当受外力作用后，晶体内部生产切应力。当切应力较小时，晶体的晶格只发生歪扭，如图5-1b所示。 此时若除去外力，切应力消失，则晶格恢复原来的平衡状态，这种变形，就是弹性变形。,图5-1 金属单晶体在切应力作用下的变形 a)未变形；b)弹性变形；c)弹塑性变形；d)塑性变形(滑移),第一节 金属的塑性变形,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,9,(3)受较大的外力作用： 若增大切应力，使其超过弹性极限，则一定晶面两侧的两部分晶体产生的相对滑动，距离将超过一个原子间距，如图5-1c所示。 此时若去除外力，则不仅晶格的弹性歪扭消失，而且滑移到新位置的原子，已不能回到原来的位置，就在新位置上又处于平衡状态，于是晶体便产生了塑性变形，如图5-1d所示。,图5-1 金属单晶体在切应力作用下的变形 a)未变形；b)弹性变形；c)弹塑性变形；d)塑性变形(滑移),第一节 金属的塑性变形,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,10,(4)微观晶面滑移和观宏观塑性变形的关系：晶体中许多晶面滑移的总和，就产生了宏观的塑性变形，如图5-2为锌单晶体受拉伸时的滑移变形的情况。,图5-2 锌单晶体拉伸时的滑移塑性变形,第一节 金属的塑性变形,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,11,3滑移带和滑移线 (1)实验 将表面经过抛光的光滑单晶体金属试样进行拉伸实验，使其产生一定的塑性变形。此时，试样表面的粗糙度增加。在显微镜下观察，可看到试样表面出现了许多相互平行的线条状痕迹，如图5-3所示。,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,第一节 金属的塑性变形,一、单晶体的塑性变形,图5-3 铜变形后的滑移带,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,12,(2)滑移带和滑移线：若在电子显微镜下作高倍观察，则发现每一条线条状痕迹都是由许多密集而相互平行的更细的滑移线组成，因此这些线条状痕迹被称为滑移带，而这些滑移线实际上是由滑移后形成的小台阶所构成的，如示意图5-4所示。,第一节 金属的塑性变形,一、单晶体的塑性变形,图5-4 滑移带与滑移线示意图,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,13,4.滑移面和滑移方向 (1) 晶体的滑移只在特定的方位上发生： 实验观察到，滑移带之间以及滑移线之间是相互平行的。这表明，晶体的滑移只在特定的方位上发生，即滑移通常是在晶体中特定的晶面上进行，并且在该晶面上沿着特定的晶向方向发生。 (2)滑移面和滑移方向 晶体中能够产生滑移的晶面和晶向，被分别称为滑移面和滑移方向。,第一节 金属的塑性变形,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,14,(3)滑移系 (a)滑移系概念： 晶格中的一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系。 每种晶格有若干滑移面，而每个滑移面上又存在若干滑移方向，因此它们可以组成多个滑移系。 表扩5-1 三种常见金属晶格的滑移系。,第一节 金属的塑性变形,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,15,第一节 金属的塑性变形,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,(b)不同晶格类型的滑移系与金属的塑性的关系： 不同晶格类型的金属，其滑移面和滑移方向的数目是不同的。通常滑移面和滑移方向的数目越多，特别是滑移方向的数目越多，金属的塑性就越好。 因此面心立方晶格的金属的塑性最好，体心立方晶格的次之，密排六方晶格的最差。,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,16,(1)“刚性滑移”理论： (a)该理论的概述：最初人们认为滑移是晶体的一部分相对于晶体的另一部分作整体的相对滑动，即刚性滑移。按照这种理论，当晶体受到切应力时先产生弹性变形。当切应力达一定值时，滑移面上每一个原子同时移到与其相邻的另一个稳定位置上，并使表面形成台阶，如图5-3(b)所示。,图5-3 晶体沿着滑移面的整体滑移,4.滑移变形的机埋,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,17,(b)该理论的问题：但是由刚性滑移的力学模型所计算出的金属单晶体开始滑移所需的最小切应力值，即临界切应力值，通常比实验测出的结果大几百倍到几千倍。可见这种理论不符合通常的实际情况。,图5-3 晶体沿着滑移面的整体滑移,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,18,(2)塑性变形的位错机制,滑移变形是通过位错移动(运动)来实现的 (a)金属晶体中存在大量的位错 近几十年大量的理论研究和实验证明，通常金属晶体中存在大量的位错，滑移变形是通过位错移动(运动)来实现的。,图5-4 刃型位错移动产生滑移的示意图,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,19,(b)刃型位错产生滑移变形的过程 由图5-4可见，形成刃型位错的多余的半个原子晶面在切应力的作用下，在滑移面上沿着滑移方向，一步一个原子间隔地移动。当位错移动到晶体表面，形成了小台阶，上下两部分晶体就形成了一个原子间距的滑移量，这与前面所讲的整体刚性滑移的效果一样。 当大量的位错移出晶体表面，就产生了宏观的滑移塑性变形。,图5-4 刃型位错移动产生滑移的示意图,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,20,附：下面为刃型位错移动产生滑移的立体示意图,图5-4 刃型位错移动产生滑移的立体示意图,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,21,( C )滑移的位错机制 从滑移的位错机制来看，滑移的每一步只需位错中心(即位错线)周围的少数原子克服原子间键力做不到一个原子间距的微量移动，就能达新的平衡位置，如图5-5所示。 而整体刚性滑移机制，需要同时克服整个滑移面上原子间的键力作整体刚性移动。因此，位错机制下滑移的理论计算得出的临界切应力值远小于晶体作刚性滑移时所需要的开始滑移时的切应力值，而与实测值基本相符合。,图5-5 位错的移动,一、单晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,22,1.多晶体的塑性变形特点 (1)多晶体中每个晶粒范围的塑性变形与单晶体相同，仍以滑移等方式进行。 (2)多晶体的塑性变形抗力比单晶体大得多 由于多晶体各个晶粒的位向不同，同时各晶粒之间又存在晶界，致使各个晶粒的变形相互受到制约和阻碍，因此多晶体的塑性变形抗力比单晶体大得多，如图5-6所示。,图5-6 锌的拉伸曲线,第一节 金属的塑性变形,二、金属多晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,23,2.金属晶粒粗细对力学性能的影响,(1)晶粒越细，强度越高 晶粒越细，不仅晶界总面积越大，而且每个晶粒周围不同位向的晶粒也越多，致使各个晶粒的变形受到相互制约和阻碍的作用增加，因此对塑性变形的抗力也越大。,第一节 金属的塑性变形,二、金属多晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,注1晶界的影响： 由于晶界处的原子排列混乱，而且杂质常集中在晶界处，使得滑移过程中位错运动受到阻碍，增加了塑性变形的抗力。由此可得出细晶强化的推论：金属材料的晶粒越细，则晶界越多，对位错运动的阻力越大，即塑性变形的抗力增大，强度、硬度增大。,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,24,第一节 金属的塑性变形,二、金属多晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,注2位向差别的影响 ： 由计算可知，晶体受力时，与外力成45夹角方向上的分切应力最大，与外力平行或垂直方向上的分切应力最小。,附录：计算切应力过程： =Fcos()/Ao =Fcos()/(So/cos() = Fcos()/(So/cos(900-) = Fcos()sin()/So = Fsin(2)/2So sin(2)=0，=00或900时， 取最小值为0 sin(2)=1，=450时， 取最大值为1,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,25,第一节 金属的塑性变形,二、金属多晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,注2位向差别的影响(续1) ： 软位向： 由于滑移是在切应力作用下进行的，因此，在晶体中，凡是其滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成45夹角的晶粒必将首先发生滑移变形，通常称这种方位晶粒处在“软位向”。 硬位向： 而滑移面和滑移方向处于或接近于与外力平行或垂直的晶粒，分切应力最小，难以产生滑移，故称它们处在“硬位向”。,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,26,第一节 金属的塑性变形,二、金属多晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,注2位向差别的影响(续2) ： 由于位向差别引起的细晶强化： 由于多晶体中各晶粒的位向不同，有些晶粒处于软位向，受力后容易产生滑移塑性变形；有些晶粒处于硬位向，受力后不容易产生滑移塑性变形。因此当金属受力产生塑性变形时，处于软位向的晶粒首先发生塑性变形，但它的塑性变形要受到周围不同位向晶粒的阻碍，特别是受到处于硬位向的晶粒的阻碍，这使得塑性变形的抗力增大，即强度、硬度增加。 由此也可得出细晶强化的推论：金属材料的晶粒越细，每个晶粒周围不同位向的晶粒增多，特别是处于硬位向的晶粒增多，这使得金属塑性变形的抗力增大，即强度、硬度增大。,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,27,(2)晶粒越细，塑性和韧性也越好 晶粒越细，在单位体积中的晶粒数越多，金属的总变形量可以分散到更多的晶粒中，使变形均匀。这减少了因变形不均匀而引起的应力集中，使多晶体金属能产生较大的塑性变形而不致破裂。 此外，晶粒越细，晶界越曲折，这可阻碍裂纹的扩展。故金属材料的晶粒越细，其塑性和韧性越高。,第一节 金属的塑性变形,二、金属多晶体的塑性变形,第一节 金属的塑性变形 一、单晶体的塑性变形 1.滑移概念； 2滑移变形的过程； 3滑移带和滑移线; 4滑移面和滑移方向； 5.滑移变形的机埋； 二、金属多晶体的塑性变形 1.多晶体的塑性变形特点； 2.金属晶粒粗细对力学性能的影响；,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,28,一、塑性变形对金属组织的影响 (一)形成冷加工的纤维组织，性能有方向性 1.晶粒拉长 金属在塑性变形过程中，随着外形的变化，其内部晶粒的形状沿着变形方向被拉长或压偏，如图图5-10 a)、b)所示。,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),(a),(b),第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响,图5-10晶粒形状在塑性变形前后变化 (a) 拉伸塑性变形前；(b) 拉伸塑性变形后,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,29,2.出现滑移带或滑移线 同时晶粒内部出现了滑移带或滑移线，如图5-11 a) 所示。并随变形量的增加，滑移带增多，如图5-11(b)所示。,图5-11冷轧黄铜(含39%Zn)的显微组织 a)未变形；b)变形56%；c)变形83%；,一、塑性变形对金属组织的影响,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,30,冷加工的纤维组织：当变形量很大时，各晶粒的晶界变得模糊不清，并且可以观察到晶粒被显著伸长为纤维状，如图5-11 c)所示。这种纤维状的组织称为冷加工的纤维组织。,(d),一、塑性变形对金属组织的影响,第二节,图5-11冷轧黄铜(含39%Zn)的显微组织 a)未变形；b)变形56%；c)变形83%；,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,31,3.具有各问异性 它使金属的性能具有明显的方向性，就象竹节那样。,(d),一、塑性变形对金属组织的影响,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,32,(二) 变形亚结构 1.形成变形亚结构 当金属发生塑性变形时，随着变形量的增加，滑移带逐渐增多。X射线结构分析的结果指出，此时晶粒逐渐“碎化”成许多位向略有不同的小晶块，即变形亚结构。并且随着塑性变形量的增大，变形亚结构将逐渐增多而细化。,图5-9 变形亚晶(亚结构)示意图,2.变形亚结构的构造 图5-12是形变亚结构的示意图。示意图表明，在变形亚晶粒内部的晶格相对比较完整，但在亚晶界处堆积和纠缠了大量的位错，存在严重的晶格畸变。,一、塑性变形对金属组织的影响,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,33,2.变形亚结构的构造(续) 这种亚晶界是由位错组成的很厚的“位错壁”。这与在冷变形前，晶粒内部存在较大尺寸的亚晶不同。冷变形前的亚晶是由一系列刃型位错组成的位错壁形成的，如图2-11 b)所示。,图5-9 变形亚晶(亚结构)示意图,图2-11 b)冷变形前的亚晶,一、塑性变形对金属组织的影响,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,34,(三)产生织构 形变织构的概念：当塑性变形量很大时(70%以上) ，绝大多数晶粒的某一方位(晶面或晶向)将与外力方向大体趋向一致，这种结构称为形变织构。,图 形变织构示意图,一、塑性变形对金属组织的影响,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,35,(三)产生织构(续),形变织构的各向异性：织构一旦形成后，会使各种性能呈现出明显的各向异性，用热处理方法也难以消除，所以在一般情况下对加工成型是不利的。,例如：用具有形变织构的轧制金属板拉延筒形工件时，由于材料的各向异性，引起变形不均匀，会出现所谓的“制耳”现象，见图5-10。,图5-10冷冲压的制耳现象,一、塑性变形对金属组织的影响,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,36,例如：在某些情况下，织构却是有利的。例如：制造变压器铁芯的硅钢片，有意使特定的晶面和晶向平行于磁力线方向，可以提高变压器铁芯的导磁率，减少磁带损耗，使变压器的效率大为提高。,一、塑性变形对金属组织的影响,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,37,二、塑性变形对金属性能的影响 塑性变形引起金属组织结构的变化，也必然引起金属性能的变化。,(d),(一)产生加工硬化 1.加工硬化现象 金属在发生塑性变形时，随着冷变形量的增加，金属的强度和硬度提高，而塑性和韧性下降，这种现象称为加工硬化。,图5-11 45钢的变形程度与力学性能的关系,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),例如： 图5-11为45 钢的形变程度与强度、硬度、塑性和韧性之间的关系。,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,38,2.加工硬化现象的实用意义： (1) 可利用加工硬化来提高金属的强度与硬度，但会降低材料的塑性和韧性。 这对于那些不能用热处理方法强化的金属材料，如某些铜合金和铝合金等尤其重要。 (2)加工硬化有利于金属进行均匀的塑性变形。 这是由于金属已变形部分的强度会提高，继续变形将在未变形或变形量少的部分进行。因此，加工硬化使得许多金属制品能够用塑性变形方法成形。例如冷拉钢丝时，由于加工硬化，因此能得到粗细均匀的钢丝。,(d),二、塑性变形对金属性能的影响,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,39,(3)加工硬化还可以在一定程度上提高金属零件和构件在使用过程中的安全性。 这是由于金属零件或构件万一超了一点载，产生了少量变形后，会提高屈服强度，并与超载的应力平衡，变形就不再进行了。 加工硬化也有其不利的一面： 它使金属的塑性降低，变形抗力增加，给金属的进一步冷变形加工带来困难。,(d),二、塑性变形对金属性能的影响,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),例如：钢丝在冷拔过程中会越拔越硬，以致于再拔就会断裂。为此，需安排中间退火工序，使它通过加热消除加工硬化，恢复其塑性。,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,40,扩充知识5.3 生产加工硬化的原因 随着塑性变形量的增大，理论和实验都证明，位错的密度会急剧增加。特别是大量位错在亚晶界、第二相颗粒等障碍物旁会造成大量堆积，并且会相互纠缠起来。 随着这种位错的堆积和纠缠的发展，晶粒便破碎成更细小的形变亚晶，它具有很厚位错壁的形变亚晶界。而且塑性形变量越大，形变亚晶就越细小，具有很厚位错壁的形变亚晶界的总面积就越大，位错的密度也就越大。,图5-9 变形亚晶(亚结构)示意图,二、塑性变形对金属性能的影响,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,41,前面已指出，金属的塑性变形是通过位错运动来实现的。这种在形变亚晶界处堆积和纠缠的大量位错是位错运动的主要障碍。因为位错运动受阻，则塑性变形困难，需要增大临界切应力值，才能使位错运动。即引起了塑性变形抗力增大，强度提高。 因此可以认为，塑性变形后，形变亚晶的细化和位错密度的增加是产生加工硬化的主要原因。塑性变形量越大，形变亚晶的细化程度和位错密度也越高，故加工硬化现象就越严重。,二、塑性变形对金属性能的影响,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,42,扩充知识5.4 金属的强度和位错密度之间的关系 位错的密度是指晶体单位体积中位错线长度，单位为cm-2。位错的密度与金属强度之间关系如图扩5-8所示。,当金属晶体中不存在或只有少量的位错，如位错密度极低的金属细丝(金属须)时，塑性变,图扩5-8 金属强度与位错密度之间的关系,形就成为刚性滑移，其强度很高，接近于刚性滑移时的理论值。,二、塑性变形对金属性能的影响,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,43,当位错密度增加时，强度急骤下降；当位错密度=106108cm-2，为退火状态时，强度最低。 这是由于这时位错的密度不太大，位错之间的交互作用小，因而位错运动的阻力小。,图扩5-8 金属强度与位错密度之间的关系,较多的位错在阻力小的情况下的运动有利于塑性变形的进行，故塑性变形的抗力最低。,二、塑性变形对金属性能的影响,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,44,但当位错密度继续增加时，位错之间的交互作用将加剧，使塑性变形的抗力增加，而强度增加。一般在加工硬化状态位错密度可达=10111012cm-2。,图扩5-8 金属强度与位错密度之间的关系,二、塑性变形对金属性能的影响,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,45,(二)塑性变形对其它性能的影响 金属经塑性变形后，由于位错等晶体缺陷增多，使其物理性能和化学性能发生某些变化，如电阻率增高，耐腐蚀性下降等等。,二、塑性变形对金属性能的影响,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,46,残余内应力的概念： 残余应力是指除去外力后仍残留于金属内部的平衡内应力。它主要是由于金属内部的塑性变形不均匀造成其各部分之间弹性的相互作用。 按照残余应力作用范围不同，可分为三类： 1.宏观残余应力(第一内应力) 概念：整个金属材料或工件，由于其各部分塑性变形不均匀而造成的在宏观范围内互相平衡的内应力称为宏观残余应力，又称为第一类内应力。,三、残余内应力,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,47,例如：在图5-17中，金属板产生弯曲塑性变形后，在金属板中性层上的金属被塑性拉长，而下层的金属被塑性压缩。 由于金属板要保持整体性，上层金属的伸长必然要受到下层金属的阻碍，即下层金属对上层金属产生了附加的压应力。同样的道理，上层金属对下层金属产生了附加的拉应力。 这种内应力平衡于金属板的整体范围内，属宏观残余应力。,图5-12 金属板弯曲后的宏观残余应力,三、残余内应力,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,48,宏观残余应力的利弊： (a)降低承载能力 宏观残余应力常使工金属工件受力时因内、外应力的叠加而降低其承载能力。 (b)引起工件的变形 在工件的加工或使用过程中，常因宏观残余应力的变化，使其平衡状态受到破坏而引起工件的变形。 (C )控制宏观残余应力的方向以提高承载能力 生产上也常有意识地控制宏观残余应力的方向，使其与工作应力方向相反，以提高工件的承载能力。,三、残余内应力,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),例如：如采用滚压或喷丸等方法处理后，将在工件表层产生残余压应力，使其疲劳强度显著提高。,2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,49,2.晶间内应力(第二类内应力) 概念：如下图所示，由于多晶体的各晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀而形成的微观内应力称为晶间内应力，又称显微内应力或第二类内应力。 利弊：这类内应力会使工件内部产生显微裂纹，甚至使工件破裂，同时它也是金属产生应力腐蚀的主要原因。,A,B,A,A,B,B,图 晶间内应力产生过程示意图二,三、残余内应力,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,50,3.晶格畸变应力(第三类内应力) 概念： 金属经过塑性变形后，产生了大量位错及空位等缺陷，使晶体中的部分原子偏离其原来的平衡位置，造成了晶格畸变。晶格畸变所引起的附加内应力，称为晶格畸变应力，又称第三类内应力。 它的作用范围小，在几百到几千个原子范围内维持平衡。,三、残余内应力,第二节,第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响 一、塑性变形对金属组织的影响； (一)形成纤维组织； (二)形成变形亚结构 (三)产生织构 二、塑性变形对金属性能的影响； (一)产生加工硬化； 扩充知识5.3产生加工硬化的原因； 扩充知识5.4金属的强度和位错密度之间关系； (二)塑性变形对其它性能的影响； 三、残余内应力 1.宏观残余应力(第一类内应力) 2.晶间内应力(第二类内应力) 3.晶格畸变应力(第三类内应力),2019/5/23,第五章 金属的塑性变形与再结晶,51,作用和利弊