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河北工业大学材料学院 机械工程材料金属的塑性变形与回复再结晶 2 2 1金属的性能指标 2 2单晶体的塑性变形 2 3多晶体的塑性变形 2 4塑性变形对材料组织和性能的影响 2 5冷变形金属在加热时组织和性能的变化 2 6金属的热加工与冷加工 第二章金属的塑性变形 回复 再结晶与热加工 2 1金属的性能指标 图2 1低碳钢的拉伸曲线 一 金属变形的三个阶段 1 弹性变形阶段 oa段 当应力 e时发生弹性变形 特点 外力去除后完全恢复原状 应力 应变成正比 即 E E 弹性模量 应变 3 塑性变形阶段 cd段 1 当应力 s b时发生显著但均匀的塑性变形 2 特点 外力去除后部分复原 保留一部分加工硬化 2 屈服阶段 abc段 金属开始显著的塑性变形 除去外力 试样不能恢复原尺寸 材料的力学性能主要包括强度 塑性 硬度 韧性 抗疲劳性和耐磨性等 当 k后 试样发生 颈缩 再一分为二 发生断裂 4 断裂阶段 dk段 二 强度指标 1 应力与应变 应力 单位面积所承受的载荷 应变 单位长度的伸长量 2 弹性极限 材料发生弹性变形的最大应力值 3 屈服极限 材料发生塑性变形的最小应力值 4 抗拉强度 材料抵抗塑性变形的最大应力值 材料抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度 通过拉伸试验可以测量以下的强度指标 条件屈服强度 2 洛氏硬度 用金刚石圆锥或钢球压头 HR 表示 HRA 588 4N HRB 980 7N HRC 1471N 当HB 450时用洛氏硬度HRC数值表示 如 工具钢的硬度一般为58 64HRC 1 延伸率 断裂后材料的残余总变形量与原始长度之比 2 断面收缩率 断裂后材料的残余面积与原始面积之比 3 韧性 冲击韧性 表示材料在冲击载荷下抵抗变形和断裂的能力 四 硬度指标 材料在外力作用下显现出的塑性变形能力称为材料的塑性 Ak mg H1 H2 冲击功 S0缺口横截面积 硬度 材料抵抗其他硬物压入其表面的能力 布氏硬度 淬火钢球或硬质合金球压入试样 用 HB 表示 单位是MPa 但习惯不标单位 一般机加工硬度为 220 250HB 3 维氏硬度 HV 范围0 1000HV 三 塑性指标 强度 塑形 与脆性相对 2 2单晶体的塑性变形 单晶体变形有两种方式 滑移和孪生变形滑移变形容易 孪生是更困难的一种变形方式 图2 2滑移变形示意图 一 滑移变形1 滑移变形 在切应力的作用下 晶体的一部分沿一定的晶面 滑移面 上的一定方向 滑移方向 相对另一部分发生滑移 2 滑移变形的特点 1 晶体滑移只有在切应力的作用下发生 2 晶体滑移常沿原子的密排晶面和密排晶向发生 滑移面 原子的最密排晶面 滑移方向 原子的最密排方向 FCC的滑移面和滑移方向为 111 BCC的滑移面和滑移方向为 110 3 晶体沿滑移方向滑移 原子移动的距离是原子间距的整数倍 4 滑移的同时伴有晶体的转动 3 滑移带和滑移系 1 滑移带 晶体滑移后在磨光表面上出现的滑移痕迹 2 滑移系滑移系 滑移面数 滑移方向数FCC结构滑移系 4 3 12如 111 和 10 组成一组滑移系BCC结构滑移系 6 2 12如 10 和 111 组成一组滑移系满足 hu kv lw 0关系 图2 3钢中的滑移带及滑移线示意图 滑移系越多 发生滑移的可能性越大 塑性越好 滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大 因此面心立方比体心立方塑性好 表2 1纯金属常见三种晶格的滑移系 4 晶体滑移的本质是位错的运动 孪生变形是更困难的一种变形方式 FCC和BCC的滑移系多 故常以滑移方式变形 只有HCP滑移系少 常以孪生方式变形 图2 4孪生变形示意图 二 孪生变形 孪生是晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面 孪生面 产生一定角度的均匀切变 即转动 通过孪生 孪生面两边的两部分晶体形成镜面对称关系 发生孪生的部分 即切变部分 叫做 孪晶带 简称 孪晶 11 滑称与孪生的区别 4 孪生变形引起很大的晶格畸变 塑性变形量比滑移的小 一般 10 但孪生引起晶体位向改变 因而能促进滑移的发生 孪生只在滑移很难进行时才发生 面心立方金属一般不发生孪生 1 滑移变形时 滑移的距离是原子间距的整数倍 晶体的位向不发生变化 孪生变形时 孪晶中相邻原子面的相对位移为原子间距的分数 且孪晶位向发生变化 且与未变形部分形成对称 2 孪生所需临界的切应力比滑移的大得多 3 孪生的变形速度极快 接近声速 2 3多晶体的塑性变形 实际金属多为多晶体 多晶体是由许多位向不同的小单晶体组成 每一个小单晶体称为一个晶粒 晶粒与晶粒间的界限为晶界 一 多晶体变形有以下特点 1 相邻晶粒的阻碍 多晶体中 晶界两侧晶粒的位向不同 晶体的滑移即位错的滑移不能越过晶界 2 相邻晶粒的协调 每个晶粒都处于其它晶粒的包围之中 为了保持材料的连续性 一个处于有利位向的易变形晶粒变形时 相邻晶粒必须同时进行相应的协调变形 在对多晶体进行拉伸变形时 并不是所有晶粒都处于有利位向 只有大多数晶粒都处于有利位向时才能变形 故需要晶粒间协调变形 13 二 晶粒大小的影响 晶粒越细 晶界面积越大 相互协调越困难 阻碍变形抗力越大 材料的强度越高 硬度越大 结论 晶粒越细 变形抗力越大 强度 硬度越高 且变形不易产生应力集中 使变形均匀 从而使材料的塑性 韧性越好 表现出综合性能好 14 三 多晶体的塑性变形过程 由于主要存在晶界对滑移的阻碍和晶粒间位向差造成的滑移的转移因此 随着外力的持续作用 多晶体金属的塑性变形是 晶粒分批地逐步地发生 由少数晶粒开始 逐步扩大到多数晶粒 最后到全体晶粒 从不均匀变形逐步发展到均匀的变形 15 多晶体竹节状变形 图2 6多晶体变形的竹节状示意图 多晶体变形呈竹节状 晶界处能量较高 不易变形 故多晶体变形呈竹节状 晶粒越细 晶界面积越大 阻碍作用越大 材料的强度越高 16 2 4塑性变形对材料组织和性能的影响 一 塑性变形对材料组织结构的影响1 晶粒变形成纤维状组织塑性变形后晶粒沿轧制方向被拉长 呈纤维狀的条纹 晶界 为纤维组织 图2 11变形前后晶粒形状示意图 图2 12低碳钢50 变形后的纤维组织 17 2 形变亚结构形成 当变形量增大时 位错密度增加且不均匀分布 堆积在局部形成许多位错缠结 位错的不均匀分布使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块即亚晶粒 称为形变亚结构 金属变形后的亚结构 Au Ni合金的亚晶 18 3 形变织构的产生 当变形量很大时 70 以上 晶粒严重破碎 且发生转动 大多数晶粒趋向于沿轧制方向排列 形成特殊的择优取向 这种有序化的结构叫做形变织构 使材料呈现明显的各向异性 晶面和晶向平行于轧制方向 晶向平行于拉拔方向 19 二 塑性变形对材料性能的影响 1 加工硬化由于对材料变形量的增加导致材料的sb HB d ak 的现象 加工硬化具有极其重要的实际意义 图2 10低碳钢的加工硬化现象 加工硬化有利于金属进行均匀变形 因为金属已变形部分得到强化时 继续的变形将主要在未变形部分中发展 第三 它可保证金属零件和构件的工作安全性 因为金属具有较好的变形强化能力 能防止短时超载引起的突然断裂 是一种非常重要的强化手段 如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等 加工硬化机理 增加及减少位错对强度的增强作用 20 择优取向的制耳现象 2 性能的方向性纤维组织由于晶粒沿轧制方向被拉长 顺纤维方向的性能与横向不同 3 择优取向由于产生了形变织构 沿某一方向的性能与其它方向明显不同 如 对具有织构的铜板深冲压成型时将出现 制耳 现象 硅钢片 由于深冲压使多数晶粒沿排列 提高了方向的导磁率 21 4 残余内应力 由于变形 晶粒破碎 金属内部变形不均匀 产生了内应力 第一类内应力 宏观内应力 由于金属表层和心部或这一部分和那一部分变形不均造成的应力为宏观内应力 第二类内应力 相邻晶粒之间或晶内不同区域变形不均造成的内应力为微观内应力 第三种内应力 位错等晶格缺陷附近的晶格畸变则叫做晶格畸变应力 残余内应力 指去除外力后残留于且平衡于金属内部的应力 10 外力功化为内应力残留于金属中 退火可消除或降低内应力 22 1 温度 T回复 0 25 0 3 Tm2 组织 晶粒外形无变化 仍然是拉长的粒 3 性能 故强度与硬度稍下降 内应力大大下降 电阻率明显上升 2 5冷变形金属在加热时组织和性能的变化 应用 工业上的除应力退火 对应回复过程 目的 恢复某些物理与化学性能 但保留加工硬化效果 冷变形金属经加热后将发生回复 再结晶和晶粒长大三个阶段 其组织和性能的变化如下 由于加热温度不高 1 位错稍发生移动 由无规则排列变为规则排列 可发生 多边形化 形成一些新的亚晶粒 2 主要是空位的运动 扩散到晶界和表面而消失 或与间隙原子相结合而对消 或在位错上沉积而消灭 晶格恢复为较规整的状态 一 回复阶段 在加热温度较低时 由于点缺陷和位错的迁移引起的某些晶内变化称为回复 23 二 再结晶阶段 形核和长大的过程 一 再结晶过程及对金属组织 性能的影响 1 温度 T再结晶 0 35 0 4 Tm2 组织 拉长的晶粒变成等轴晶粒 依靠扩散来完成 无相变 3性能 sb HB d ak 基本恢复到变形前的况 24 2 影响再结晶后晶粒度因素 1 加热温度越高 保温时间越长 晶粒易于粗化 2 变形度越大 变形便愈趋于均匀 生核率愈大 晶粒度便会愈细愈均匀 但必须大于临界变形度 2 10 3 材料的纯度越高 使T再结晶 晶粒易于粗化 可加入少量W Mo V等阻碍晶粒长大 阻碍扩散及晶界迁移 使晶粒细化 二 再结晶温度及影响再结晶后粒度因素 1 再结晶温度 完全发生再结晶 95 已再结晶 的最低温度 25 1 当变形度很小时 由于金属的晶格畸变很小 不足以引起再结晶 故晶粒度仍保持原样 2 当变形度在2 10 范围内时 再结晶后的晶粒度比较粗大 因为这时金属中仅有部分晶粒发生变形 再结晶时的生核数目很少 从而得到粗大晶粒 这个变形量称临界变形度 生产中应尽量避免这一范围的加工变形 以免形成粗大晶粒而降低性能 变形度与再结晶晶粒度的关系 临界变形度 2 10 再结晶退火温度越高晶粒越易于粗化 26 图2 16纯铁的变形度与再结晶晶粒度的关系 3 当变形大于临界变形度之后 随着变形度的增加 变形便愈趋于均匀 再结晶时的生核率便愈大 再结晶后的晶粒度便会愈细愈均匀 27 三 晶粒长大阶段 再结晶完成后 晶粒是细小的 但随着温度继续升高或保温时间过长晶粒自发长大 晶界面积减小 界面能降低 得到粗大晶粒组织 从而强度 硬度明显下降 塑性韧性明显上升 图2 17冷变形金属加热时组织及性能变化 晶粒长大阶段示意图 二次再结晶 28 2 6金属的热加工与冷加工 1 热加工后可使铸态组织中的气孔 疏松 裂纹焊合 致密度提高 sb 2 热加工后可使铸态组织中的枝晶破碎 晶粒细化 3 热加工可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂的分布发生改变 使它们沿着变形的方向破碎并拉长 形成所谓热加工 纤维组织 流线 使金属的机械性