机械工程材料之金属的塑性变形与再结晶培训课件(ppt 109页).ppt

第三章金属的塑性变形与再结晶 第一节金属的变形过程 第二节塑性变形对金属组织 第三节金属的回复与再结晶 第四节金属的热加工 第五节金属的断裂 与性能的影响 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化 称为变形 外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形 外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形 第一节金属的变形过程 一 金属的弹性变形 原子间作用力与原子间距的关系 金属弹性变形主要的三个特点 1 可逆性 2 变形量小 3 应力应变呈线性关系 E 弹性模量取决于原子间结合力 二 金属的塑性变形 锌单晶的拉伸照片 光滑试样在拉伸过程中 表面会出现许多相平行的倾斜线条的痕迹 称滑移带 滑移 一部分晶体沿着某一晶面和晶向相对于另一部分晶体滑动 滑移带间的晶体结构未发生改变 1 外力在单晶体任何晶面上都可分解为正应力和切应力 正应力引起弹性变形及解理断裂 切应力的作用下金属晶体产生塑性变形 外力在晶面上的分解 锌单晶的拉伸照片 滑移变形特点 2 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生 沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向 通常是晶体中的密排面和密排方向 一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系 滑移系越多 金属发生滑移的可能性越大 塑性也越好 金属的塑性 面心立方晶格好于体心立方晶格 体心立方晶格好于密排六方晶格 3 滑移的结果在晶体表面形成台阶 称滑移线 若干条滑移线组成一个滑移带 铜拉伸试样表面滑移带 压缩时晶体滑移转动示意图 4 两部分晶体的转动 转动的原因 晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶 晶体通过位错运动产生滑移时 只在位错中心的少数原子发生移动 它们移动的距离远小于一个原子间距 因而所需临界切应力小 这种现象称作位错的易动性 滑移的机理 P P 刃位错的运动 晶体滑移所需的最小切应力实际是滑移面内位错移动时所需的力 又称位错移动的临界应力 单晶体的位错移动临界应力取决于 金属本性 原子间结合力和晶体结构类型等 位错数量 位错与点缺陷和线缺陷的相互作用 多晶体金属的塑性变形 晶界的影响位错运动到晶界附近时 受到晶界的阻碍而堆积起来 称位错的塞积 要使变形继续进行 则必须增加外力 从而使金属的变形抗力提高 Cu 4 5Al合金晶界的位错塞积 金属的晶粒越细 其强度和硬度越高 晶粒大小与金属强度关系 金属的晶粒越细 其塑性和韧性也越高 第二节塑性变形对金属组织与性能的影响 一 晶粒沿变形方向拉长 性能趋于各向异性 金属在较大的塑性变形后 内部晶粒会被拉长成为细条状或纤维状 这种组织称纤维状组织 性能各向异性 如 纵向强度和塑性远大于横向 a 正火态 c 变形80 b 变形40 位错密度增加 导致金属强度和硬度的提高 塑性和韧性下降 称为加工硬化或形变强化 二 位错密度增加 产生加工硬化 产生加工硬化的原因是 1 随变形量增加 位错密度增加 由于位错之间的交互作用 堆积 缠结 使变形抗力增加 变形20 纯铁中的位错 未变形纯铁 2 随变形量增加 亚结构细化3 随变形量增加 空位密度增加4 几何硬化 由晶粒转动引起 加工硬化使一些压力加工工艺得以实现 加工硬化不利的一面 1 增加继续变形的动力 2 冷变形过程中需中间处理工艺 增加生产周期 3 改变物化性能 如电阻增加 抗腐蚀能力减弱 由于晶粒的转动 当塑性变形达到一定程度时 会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致 这种现象称变形织构或择优取向 三 织构现象的产生 形变织构使金属呈现各向异性 在深冲零件时 易产生 制耳 现象 使零件边缘不齐 厚薄不匀 残余内应力 塑性变形时 各部分不均匀变形引起的应力 第一类内应力平衡于表面与心部之间 宏观内应力 第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间 微观内应力 第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力 四 残余内应力 第三节金属的回复与再结晶 金属经冷变形后 组织处于不稳定状态 有自发恢复到稳定状态的倾向 加热可使原子扩散能力增加 金属将依次发生回复 再结晶和晶粒长大 回复是指在加热温度较低时 由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化 内应力显著降低 点缺陷显著减少 位错密度变化小 但排列向稳定阶段过渡 回复 点阵畸变消除 内应力显著降低 强度和硬度略有降低 回复退火又称去应力退火 常用于去除冷加工金属件内的残余内应力 再结晶 变形金属被加热到较高温度时 由于原子活动能力增大 晶粒的形状开始发生变化 由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒 这种冷变形组织在加热时重新彻底改变的过程称再结晶 再结晶也是一个晶核形成和长大的过程 但不是相变过程 再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同 与结晶区别 没有新相生成 由于再结晶后组织的复原 因而金属的强度 硬度下降 塑性 韧性提高 加工硬化消失 再结晶后的晶粒长大 黄铜再结晶后晶粒的长大 580 C保温8秒后的组织 580 C保温15分后的组织 700 C保温10分后的组织 再结晶完成后 若继续升高加热温度或延长保温时间 将发生晶粒长大 这是一个自发的过程 晶粒的长大是通过晶界迁移进行的 是大晶粒吞并小晶粒的过程 晶粒粗大会使金属的强度 尤其是塑性和韧性降低 黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片 再结晶温度 再结晶不是一个恒温过程 它是自某一温度开始 在一个温度范围内连续进行的过程 发生再结晶的最低温度称再结晶温度 或变形量70 以上的金属 1h保温后能够完全再结晶的温度 T再与 的关系 影响再结晶温度的因素 纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系 T再 0 35 0 4T熔 绝对温度 金属熔点越高 T再也越高 T再 T熔 273 0 4 273 如Fe的T再 1538 273 0 4 273 451 1 金属的预先变形程度金属预先变形程度越大 再结晶温度越低 当变形度达到一定值后 再结晶温度趋于某一最低值 称最低再结晶温度 2 金属的纯度金属中的微量杂质或合金元素 尤其高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用 使再结晶温度显著提高 3 再结晶加热速度和加热时间 提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生 延长加热时间 使原子扩散充分 再结晶温度降低 生产中 把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火 再结晶退火温度比再结晶温度高100 200 影响再结晶退火后晶粒度的因素 1 加热温度和保温时间加热温度越高 保温时间越长 金属的晶粒越粗大 加热温度的影响尤为显著 再结晶退火温度对晶粒度的影响 预先变形度的影响 实质是变形均匀程度的影响 预先变形度对再结晶晶粒度的影响 2 预先变形度 当变形达到2 10 时 只有部分晶粒变形 变形极不均匀 再结晶晶粒大小相差悬殊 易互相吞并和长大 再结晶后晶粒特别粗大 这个变形度称临界变形度 变形度很小时 晶格畸变小 不足以引起再结晶 当超过临界变形度后 随变形程度增加 变形越来越均匀 再结晶时形核量大而均匀 使再结晶后晶粒细而均匀 达到一定变形量之后 晶粒度基本不变 3 变形后经550 退火 6 变形后经550 退火 9 变形后经550 退火 12 变形后经550 退火 15 变形后经550 退火 冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响 纯铝片试样 第四节金属的热加工 一 冷加工与热加工的区别随温度升高 金属的强度 硬度下降 而塑性升高 模锻 拉拔 冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的 低于再结晶温度的加工称为冷加工 而高于再结晶温度的加工称为热加工 如Fe的再结晶温度为451 其在400 以下的加工仍为冷加工 而Sn的再结晶温度为 71 则其在室温下的加工为热加工 热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消 因而热加工不会带来加工硬化效果 巨型自由锻件 热加工对金属组织和性能的影响 1 热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合 使粗大的树枝晶或柱状晶破碎 从而使组织致密 成分均匀 晶粒细化 力学性能提高 2 热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长 形成彼此平行的宏观条纹 称作流线 由这种流线体现的组织称纤维组织 它使钢产生各向异性 制定加工工艺时 应使流线尽量与拉应力方向一致 在加工亚共析钢时 发现钢中的F与P呈带状分布 这种组织称带状组织 降低强度和韧性 可通过多次正火或扩散退火消除 热加工能量消耗小 但钢材表面易氧化 一般用于截面尺寸大 变形量大 在室温下加工困难的工件 而冷加工一般用于截面尺寸小 塑性好 尺寸精度及表面光洁度要求高的工件 蒸汽 空气锤 金属的冷热加工 第五节金属的断裂 根据材料断裂前所产生的宏观塑性变形量大小确定断裂类型 分为韧性断裂与脆性断裂 根据裂纹扩展路径 分为穿晶断裂与沿晶断裂 韧性断裂的特征是断裂前发生明显宏观塑性变形 断口呈暗灰色纤维状 脆性断裂的特征是无明显宏观塑性变形 断口平齐而光亮 常呈人字纹或放射花样 韧性断口 暗灰色纤维状 脆性断口 呈人字纹或放射花样 TITANIC 建造中的Titanic号 TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关 Titanic号钢板 左图 和近代船用钢板 右图 的冲击试验结果 第四章评价金属材料在应力 介质作用下的性能指标 零件工作条件 应力 载荷 介质及温度 载荷 静载荷 动载荷 冲击载荷及摩擦 结构强度 指零件短时承载能力及长期的使用寿命 受结构 材料 加工工艺等因素影响 第一节金属材料在静载荷作用下的 第二节金属材料在其它载荷 第三节金属的缺口效应与性能指标 第四节金属的磨损与接触疲劳 第五节应力腐蚀与氢脆 作用下的性能指标 性能指标 第一节金属材料在静载荷作用下的性能指标 静载荷是指作用于材料上的载荷方向与作用时间无关的载荷 单向的拉伸 压缩 弯曲 扭转等 静载荷作用下 金属材料将发生弹性变形 塑性变形及断裂三个基本过程 机械性能是指材料在外力作用时抵抗变形和破坏的能力 刚性 刚度 弹性 强度和塑性等 低碳钢的应力 应变曲线 拉伸试验机 应力 P F0应变 l l0 l0 1 刚度 刚度 材料受力时抵抗弹性变形的能力 刚度指标为弹性模量E 2 增加横截面积或减小长度可提高零件刚度 1 弹性模量的大小主要取决于材料的本性 除随温度升高而逐渐降低外 其他强化手段如热处理 冷热加工 合金化等对弹性模量的影响很小 2 弹性 弹性 材料在载荷作用下产生变形 载荷去除后 变形可消失而恢复原状的性能 弹性指标为弹性极限或比例极限 P 材料承受最大弹性变形时的应力 p 弹性极限 e 开始产生塑性变形的抗力 国标规定弹性极限 0 01 残余伸长率为0 01 的应力 3 强度 强度 塑变抗力 材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力 包括 屈服强度和抗拉强度 s 屈服强度 s 材料发生微量塑性变形时的应力值 拉伸过程中 出现载荷不增加或开始下降 而试样还继续伸长的现象称屈服现象 屈服时对应的应力为屈服点或屈服强度 又称屈服极限 条件屈服强度 0 2 残余变形量为0 2 时的应力值 抗拉强度 b 材料断裂前所承受的最大应力值 s 拉伸试样的颈缩现象 抗拉强度的物理意义 表征材料对最大均匀变形的抗力 是材料在拉伸条件下所能承受的最大载荷的应力值 试样断裂时的载荷为断裂载荷Pk 此时的断面面积为Fk 塑性 材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力 伸长率 断面收缩率 断裂后 指标为 4 塑性 说明 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形 直径d0相同时 l0 只有当l0 d0为常数时 塑性值才有可比性 当l0 10d0时 伸长率用 10表示 当l0 5d0时 伸长率用 5表示 显然 5 10 时 无颈缩 为脆性材料表征 时 有颈缩 为塑性材料表征 除刚度外 均为组织敏感性指标 静载荷还包括其他的指标 抗压强度扭转比例极限扭转屈服极限扭转强度极限 硬度 材料抵抗外来物体嵌入的能力 或抵抗表面局部塑性变形的能力 常用检测方法 布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度 布氏硬度计 5 硬度 布氏硬度HB 布氏硬度压痕 压头为钢球时 布氏硬度用符号HBS表示 压头为硬质合金球时 用符号HBW表示 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径 载荷及载荷保持时间 如 120HBS10 1000 30表示直径为10mm的钢球在1000kgf 9 807kN 载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120 布氏硬度的优点 测量误差小 数据稳定 缺点 压痕大 不能用于太薄件 成品件及比压头还硬的材料 适于测量退火 正火 调质钢 铸铁及有色金属的硬度 材料的 b与HB之间的经验关系 对于低碳钢 b MPa 0 36HB对于高碳钢 b MPa 0 34HB 洛氏硬度 h1 h0 洛氏硬度测试示意图 洛氏硬度计 洛氏硬度用符号HR表示根据压头类型和主载荷不同 分为九个标尺 常用的标尺为A B C 符号HR前面的数字为硬度值 后面为使用的标尺 HRA用于测量高硬度材料 如硬质合金 表淬层和渗碳层 HRB用于测量低硬度材料 如有色金属和退火 正火钢等 HRC用于测量中等硬度材料 如调质钢 淬火钢等 洛氏硬度的优点 操作简便 压痕小 适用范围广 缺点 测量结果分散度大 维氏硬度 维氏硬度用符号HV表示 符号前的数字为硬度值 后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间 根据载荷范围不同 规定了三种测定方法 维氏硬度试验 小负荷维氏硬度试验 显微维氏硬度试验 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点 指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力 指标为冲击韧性值ak 通过冲击实验测得 第二节金属材料在其他载荷作用下的性能指标 一 冲击载荷作用下的性能指标 冲击载荷作用与静载荷作用相比 与静载荷作用类似 材料表现出弹性变形 塑性变形和断裂 与静载荷作用差别 加速度大 塑性变形不充分 有脆断倾向 韧性代表材料在破坏或断裂时在单位体积内所能吸收的能量大小 韧脆转变温度 材料的冲击韧性随温度下降而下降 韧 发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度 材料的使用温度应高于韧脆转变温度 在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变 材料在低于屈服极限 s的重复交变应力作用下发生断裂的现象称疲劳 二 交变载荷作用下的性能指标 s 特点1 疲劳破坏的应力低 甚至低于弹性极限 2 在交变应力下产生 若干次的交变应力下完成 3 宏观脆性断裂 需用特殊的探伤设备检测 4 局部组织发生变化 5 疲劳断口分为两部分 光滑的疲劳裂纹扩展区最后突然断裂区 6 循环应力造成局部塑性变形而引起开裂 拉伸应力促进裂纹扩展 7 疲劳断裂三阶段 裂纹形成 裂纹扩展和最终失稳扩展 8 在应力对称系数相同时 应力振幅越大 断前循环次数越少 循环次数 N疲劳曲线示意图 当应力低于一定值 应力交变到无数次也不发生疲劳断裂 此应力为材料的疲劳极限 1 即疲劳抗力的性能指标 曲线倾斜部分表明了材料的过负载持久值 曲线倾斜越陡峭 过负载持久值越大 负载抗力越大 第三节金属的缺口效应与断裂韧性 缺口尺寸小于临界值asc时 缺口试样的抗拉强度 bn大于屈服极限 s 试样表现宏观塑性断裂 缺口尺寸大于临界值asc时 bn小于屈服极限 s 试样不产生宏观塑性断裂 缺口为降低材料韧性的一个脆化因素 缺口改变受力条件 引起应力集中 导致裂纹出现 扩展和最后断裂 缺口越大 断裂所需的应力越小 断裂韧性 大尺寸的构件和零件会发生低应力脆断 而导致灾难性后果 其原因 内部存在裂纹及类似裂纹的缺陷 1943年美国T 2油轮发生断裂 北极星导弹 断裂韧性KIC 材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力 含裂纹试样实际断裂应力 C低于无裂纹试样 对于特定工艺状态下的材料 对于选定的材料 裂纹大小 a 一定 Y值一定 此时KIC越大 C越大 材料越不易发生脆断 第四节金属的磨损与接触疲劳 一 金属的磨损 相互接触的零件间产生摩擦 由于表面产生物理 化学及力的作用 导致零件形状和尺寸的变化 从而产生磨损 产生磨损的过程 摩擦是磨损的起因 磨损是摩擦的必然结果 按磨损的破坏机理 磨损可分为 粘着磨损 磨粒磨损和腐蚀磨损 1 粘着磨损 咬合磨损 粘着点的形成和破坏造成了粘着磨损 齿轮表面的粘着磨损 条件 接触应力大 无润滑或润滑条件差 2 磨粒磨损 磨料磨损 条件 摩擦副硬度相差较大或两摩擦面间存在硬度大的颗粒 特征 接触面上有明显的切削痕迹 白色块状为WC质点 磨粒磨损表面形貌 3 腐蚀磨损 条件 存在摩擦面与腐蚀环境的交互作用 两个阶段 1 两摩擦表面和环境反应 反应结果是在两个摩擦表面形成结合较弱的反应物 2 摩擦表面相互接触时 反应产物受力而形成裂纹 最后被磨去 齿轮表面的腐蚀磨损 利用耐磨性评价材料磨损性能的好