第3章 金属材料的塑性变形.ppt

第3章金属材料的塑性变形 金属材料经塑性变形后 内部组织会发生很大变化 使金属的性能得到改善和提高 3 1单晶体和多晶体的塑性变形 3 1 1单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进行 1 滑移 金属塑性变形最常见的方式就是滑移 晶体在切应力的作用下 一部分沿一定的晶面 亦称滑移面 和晶向 也称滑移方向 相对于另一部分产生滑移 实际上 单晶体的滑移变形除了晶体内两部分彼此以刚性的整体相对滑移外 晶体内部的各种缺陷 尤其是位错 的运动更容易产生滑移 而且位错运动所需切应力远远小于刚性的整体滑移所需的切应力 当位错运动到晶体表面时 晶体就产生了塑性变形 滑移的实现 借助于位错运动 金属晶体的滑移遵循一定的规律 当金属晶体发生滑移时 原子移动的距离是晶格常数的整数倍 所以滑移后仍然可以保持晶体结构的完整性 滑移后晶体结构的取向也没有发生变化 由于金属晶体中各类晶面和晶向的原子密度并不相等 各类晶面之间距离和不同晶向的原子之间距离也不相等 所以当外应力或分切应力一定时 金属晶体必定会以晶面间距较大即晶面之间结合力较小的最密排面作为滑移面进行滑移 反之 原子密度小的晶面 由于面间距离小 即晶面之间的结合力甚强而难于进行滑移 同理 滑移方向一般也是金属晶体中的最密排方向 将滑移面和滑移方向的组合数 即两者的乘积 称为滑移系 金属的晶体结构不仅会影响滑移的临界分切应力的大小 还会对滑移系的多少产生影响 这两个因素都与金属的塑性直接有关 所以常见的金属中 面心立方金属塑性较好 体心立方金属塑性稍差 密排六方金属塑性更差 2 孪生晶体变形的另一种方式是孪生 孪生变形是在切应力作用下 晶体的一部分对应于一定的晶面 孪晶面 沿一定方向进行的相对移动 原子移动的距离与原子离开孪晶面的距离成正比 每个相邻原子间的位移只有一个原子间距的几分之一 但许多层晶面累积起来的位移便可形成比原子间距大许多的变形 孪生 在切应力作用下 晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面 孪生面 和晶向 孪生方向 发生切变 产生塑性变形 黄铜中的孪晶 3 1 2多晶体金属塑性变形的特点1 晶粒取向对塑性变形的影响多晶体中各个晶粒的取向不同 在大小和方向一定的外力作用下 各个晶粒中沿一定滑移面和一定滑移方向上的分切应力并不相等 因此在某些取向合适的晶粒中 分切应力有可能先满足滑移的临界应力条件而产生位错运动 这些晶粒的取向称为软位向 另一些晶粒由于取向的原因可能还不符合发生滑移的临界应力条件而不会发生位错运动 这些晶粒的取向称为硬位向 在外力作用下 金属中处于软位向的晶粒中的位错首先发生滑移运动 但这些晶粒变形到一定程度后就会受到处于硬位向 尚未发生变形的晶粒的阻碍 只有当外力进一步增加才能使处于硬位向的晶粒也满足滑移的临界应力条件 产生位错运动从而出现均匀的塑性变形 所以在多晶体金属中 由于各个晶粒取向不同 一方面使塑性变形表现出很大的不均匀性 另一方面也会产生强化作用 同时 在多晶体金属中 当各个取向不同的晶粒都满足临界应力条件后 每个晶粒既要沿各自的滑移面和滑移方向滑移 又要保持多晶体金属的结构连续性 所以实际的滑移变形过程比单晶体金属复杂 困难得多 2 晶界对塑性变形的影响在多晶体金属中 晶界原子的排列是不规则的 局部晶格畸变十分严重 还容易产生杂质原子和空位等缺陷的偏聚 当位错运动到晶界附近时容易受到晶界的阻碍 在常温下多晶体金属受到一定的外力作用时 首先在各个晶粒内部产生滑移或位错运动 只有当外力进一步增大后 位错的局部运动才能通过晶界运动 从而出现更大的塑性变形 这表明多晶体金属的晶界可以起到强化作用 金属晶粒越细小 晶界在多晶体中占有的体积百分比越大 它对位错运动产生的阻碍也越大 因此细化晶粒可以对多晶体金属起到明显强化作用 同时在一定的外力作用下 当总的塑性变形量一定时 细化晶粒后可以使位错在更多的晶粒中产生运动 这就会使塑性变形更均匀 因而不容易产生应力集中 所以细化晶粒在提高金属强度的同时也改善了金属材料的韧性 3 2金属的形变强化 3 2 1形变强化现象金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化 最明显的特点是强度随变形程度的增加而大为提高 其塑性却随之有较大的降低 这种现象称为形变强化 也称为加工硬化或冷作硬化 加工硬化 形变强化 强化材料的手段之一 加工硬化的原因塑性变形 位错密度增加 相互缠结 亚晶界 运动阻力加大 变形抗力 金属在冷变形时 强度 硬度 塑性 韧性 利用形变强化现象来提高金属材料的强度 在工业上应用甚广 例如冷拉钢丝 尤其是对于纯金属以及不能用热处理强化的合金 这种方法格外重要 冷态压力加工后位错密度大增 晶格畸变很大 电阻有所增大 抗蚀性降低 冷变形产品尺寸精度高 表面质量好 但塑性下降 进一步加工困难 3 2 2塑性变形后金属的组织结构变化 晶粒碎化 亚结构增多 晶粒拉长 出现纤维状组织 塑性变形会使多晶体金属的晶粒 晶界形状 晶界上杂质元素的分布都出现沿变形方向的延伸 如果塑性变形量很大 晶界会变得模糊不清 只剩下沿变形方向的一条条纤维状条纹 这种组织称为纤维状组织 多晶体金属塑性变形时各个晶粒的取向还会发生一定的变化 即处于软位向的晶粒会边变形边向硬位向转动 所以当塑性变形量很大时还会使各个晶粒的取向基本一致而产生织构 并造成各向异性 1 晶粒拉长 纤维组织 各向异性 沿纤维方向的强度 塑性最大 变形10 100 变形40 100 变形80 纤维组织100 工业纯铁不同变形度的显微组织 2 织构 绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致 性能出现各向异性 晶粒拉长 但未出现织构 晶粒拉长 且出现织构 3 2 3塑性变形产生的残余应力 内应力 由于多晶体的晶粒有各种位向和受晶界的约束 各晶粒的变形先后不一致 有些晶粒的变形较大 有些变形较小 在同一晶粒内变形也不一致 因而造成多晶体变形的不均匀性 晶粒内部和晶粒之间会存在不同的内应力 变形结束后残留在晶粒内部或晶粒之间形成残余应力 残余应力分为宏观残余应力 第一类残余应力 是由于金属材料各部分之间变形不均匀而形成的宏观范围内的残余应力 微观残余应力 第二类残余应力 是各晶粒或亚晶粒之间变形不均匀 在各晶粒或亚晶粒间产生的残余应力 和晶格畸变残余应力 第三类残余应力 是金属在塑性变形后增加了位错和空位等晶体缺陷 使晶体中一部分原子偏离其平衡位置造成晶格畸变所产生的残余应力 残余应力的危害主要有 降低工件的承载能力 使工件尺寸及形状发生变化 降低工件的耐腐蚀性 消除残余应力的方法 去应力退火 3 3塑性变形金属在加热时组织和性能的变化 凡是经过塑性变形后的金属皆具有一种自发恢复到原来组织状态的倾向 不过 在室温下 由于金属中的原子扩散能力不足 这种不稳定状态能维持相当时间而不发生明显的变化 3 3 1回复加工硬化后的金属 在加热到一定温度后 原子获得热能 使原子得以恢复正常排列 消除了晶格扭曲 可使加工硬化得到部分消除 这一过程称为回复 T回 0 25 0 3 T熔T回 T熔 以热力学温度表示的金属回复温度和熔化温度 3 3 2再结晶当温度继续升高到该金属熔点热力学温度的0 4倍时 金属原子获得更多的热能 则开始以某些碎晶或杂质为核心结晶成新晶粒 从而消除了残余应力和加工硬化现象 这个过程称为再结晶 T再 0 4T熔T再 以热力学温度表示的金属最低再结晶温度 当金属在高温下受力变形时 加工硬化和再结晶过程同时存在 由于变形中的加工硬化随时都被再结晶过程所消除 所以变形后没有加工硬化现象 3 3 3晶粒长大塑性变形的金属经再结晶后 得到细小均匀的等轴晶粒 但如继续升高温度或延长保温时间 则再结晶后形成的新晶粒又会逐渐长大 晶粒长大是一个自发过程 因为它可使晶界减少 晶界表面能量降低 使组织处于更稳定的状态 晶粒长大实质上是一个晶粒的边界向另一个晶粒中迁移 把另一个晶粒中晶格的位向逐步改变成为与这个晶粒相同的位向 于是另一个晶粒便逐步被这个晶粒吞并而成一个大晶粒 晶粒长大 变形80 工业纯铁再结晶退火显微照片100 变形80 600 退火8小时 变形80 400 退火8小时 加热温度T和加热时间t 晶界迁移 晶粒合并长大 3 3 4冷变形和热变形在再结晶温度以下的变形叫冷变形 冷变形后金属产生形变强化 在再结晶温度以上的变形叫热变形 热变形后金属具有再结晶组织 而无形变强化 金属塑性加工最原始的坯料是铸锭 其内部组织很不均匀 晶粒较粗大 并存在气孔 缩松 非金属夹杂物等缺陷 铸锭经热塑性加工后 获得细化的再结晶组织 气孔 缩松压合在一起 金属更加致密 力学性能有很大提高 3 3 5金属纤维组织及其应用铸锭在塑性加工中产生塑性变形时 基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了改变 它们将沿着变形方向被拉长 呈纤维形状 这种结构叫纤维组织 纤维组织使金属在性能上具有了方向性 金属在纵向 平行纤维方向 上的强度尤其是塑性和韧性均比在横向 垂直纤维方向 上的高 纤维组织的明显程度与金属的变形程度有关 变形程度越大 纤维组织越明显 常用锻造比y锻来表示变形程度 拔长时 y锻 A0 A 变形前后的横截面积之比 镦粗时 y锻 H0 H 变形前后的高度之比 纤维组织的稳定性很高 不能用热处理方法加以消除 只有经过锻压使金属变形 才能改变其方向和形状 因此 为了获得具有最好力学性能的零件 在设计和制造零件时 都应使零件在工作中产生的最大正应力方向与纤维方向一致 最大切应力方向与纤维方向垂直 并使纤维分布与零件的轮廓相符合 尽量使纤维组织不被切断 锻造曲轴 切削加工曲轴 3 4塑性加工性能及影响因素 3 4 1塑性加工性能及其指标金属的塑性加工性能是指衡量金属材料通过塑性加工获得优质零件的难易程度 塑性加工性能常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量 金属的塑性指金属材料在外力作用下发生永久性变形而又不破坏其完整性的能力 常用截面收缩率 延伸率和冲击韧度等指标表示 变形抗力指变形过程中金属抵抗外力的能力 3 4 2塑性加工性能的影响因素1 金属的本质 化学成分 纯金属的塑性加工性能比合金好 金属组织 纯金属及固溶体 如奥氏体 的塑性加工性能好 而碳化物 如渗碳体 的塑性加工性能差 铸态柱状组织和粗晶粒结构不如细小而又均匀组织的塑性加工性能好 2 加工条件 变形温度 随温度升高 金属的塑性上升 变形抗力下降 即金属的塑性加工性能提高 锻造温度指始锻温度 开始锻造的温度 和终锻温度 停止锻造的温度 间的温度范围 始锻温度比AE线低200 左右 终锻温度约为800 左右 变形速度 一方面由于变形速度的增大 回复和再结晶过程来不及进行 不能及时克服形变强化现象 金属则表现出塑性下降 变形抗力增大 塑性加工性能