第4章+金属及合金的塑性变形与再结晶.ppt

金属经熔炼浇注成铸锭以后 通常要进行各种塑性加工 如轧制 挤压 冷拔 锻压 冲压等 以获得具有一定形状 尺寸和力学性能的型材 板材 管材或线材 以及零件毛坯或零件 主要内容 4 1金属及合金的 冷 塑性变形4 2塑性变形对金属组织和性能的影响4 3金属与合金的回复与再结晶4 4金属的热加工4 5固态金属中的扩散 第四章金属及合金的塑性变形与再结晶 4 1金属与合金的塑性变形 4 1 1应力应变曲线和力学性能指标 一 强度strength 概念 强度是指金属抵抗永久变形 塑性变形 和断裂的能力 通过拉伸试验测得大小 强度判据 屈服点 屈服强度 s 抗拉强度 b 试样按GB6397 86制分长试样L0 10d0短试样L0 5d0 弹性阶段 弹性极限 P 屈服阶段 屈服极限 S 强化阶段 强度极限 B 颈缩阶段 4 1金属与合金的塑性变形 屈服点 概念 力不增加仍能继续伸长时的应力 用符号 s表示 抗拉强度 概念 试样拉断前所承受的最大拉应力 用符号 b表示 注 s b是设计与选材的重要依据 另 e表示弹性极限 在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力 4 1金属与合金的塑性变形 二 塑性plasticity 概念 在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力 判据 断后伸长率 断后断面收缩率 断后伸长率 概念 试样断后标准的伸长量与标准的百分比 其中 Lk 断后试样长度Lo 试样原始长度 断后断面收缩率 概念 断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比 说明 伸长率和收缩率在实际应用中 一般是用 表示塑性大小 越大 材料的塑性越好 通常认为 5 脆性材料 4 1金属与合金的塑性变形 4 1 2单晶体金属的塑性变形 单晶体的塑变的主要形式 滑移孪晶 4 1 2单晶体金属的塑性变形 滑移 在切应力作用下 晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面 滑移面 和晶向 滑移方向 产生相对位移 且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式 滑移线和滑移带 4 1 2单晶体金属的塑性变形 滑移系 一个滑移面 密排面 和其上的一个滑移方向 密排方向 组成一个滑移系 滑移系越多 晶体塑性越好 4 1 2单晶体金属的塑性变形 滑移时晶体的转动和旋转 拉伸时 滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向压缩时 滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线 4 1 2单晶体金属的塑性变形 滑移是由位错运动造成的 滑移位错机制 4 1 2单晶体金属的塑性变形 孪晶 切应力作用下 晶体的一部分沿一定晶面 孪晶面 和一定的晶相 孪生方向 相对于另一部分做均匀的切变所产生的变形 4 1 2单晶体金属的塑性变形 4 1 2单晶体金属的塑性变形 1 孪生 均匀切变 滑移 塑性变形是不均勺的 2 孪生 各晶面移动量与其离孪晶面距离成正比 相邻晶团相对移动距离通常只是原子间距的几分之一 滑移 变形时 滑移距离则是原于间距的整倍数 3 孪生 晶体变形部分的位向发生变化 并且孪晶面与未变形部分对称 滑移 晶体位向并不发生变化 4 孪生和滑移一样并不改变晶体的点阵类型 5 孪生临界分切应力值大 因此 只在很难滑移的条件下 晶体才发生孪生 滑移系少的密排六方金属 常以孪生方式变形 孪生与滑移的对比 孪生变形产生的塑性变形量一般不超过10 但是孪生使晶体位向变化 从而引起滑移系取向变化 能促进滑移的发生 往往孪生与滑移交替发生 即可获得较大的塑性变形量 4 1 2单晶体金属的塑性变形 1 与单晶体塑变的异同同 都主要依靠滑移异 存在不同时性 需相互协调2 塑变过程 软取向的晶粒先滑移 晶界处位错塞积 产生应力集中 相邻晶粒滑移 滑移系数目多越有利塑变3 晶粒细化 强度 且塑韧性 4 1 3多晶体金属的塑性变形 4 1 3多晶体金属的塑性变形 晶粒越细 强度越高晶粒越细 强度越高 细晶强化 由下列霍尔 配奇公式可知 s 0 kd 1 2原因 晶粒越细 晶界越多 位错运动的阻力越大晶粒越细 塑韧性提高晶粒越多 变形协调性均匀性提高 高塑性 细晶粒材料中 应力集中小 裂纹不易萌生 晶界多 裂纹不易传播 不知道往哪里走 表现出高韧性 4 1 3多晶体金属的塑性变形 一 单相固溶体的塑性变形1固溶体的结构 2固溶强化 1 固溶强化 固溶体材料随溶质含量提高其强度 硬度提高而塑性 韧性下降的现象 晶格畸变 阻碍位错运动 2 强化机制气团 缺陷之间的反应或缠结 4 1 4合金的塑性变形 4 1 4合金的塑性变形 二 两相合金的塑性变形1结构 基体 第二相 2性能 1 两相性能接近 按强度分数相加计算 2 软基体 硬第二相第二相网状分布于晶界 eg 二次渗碳体 两相呈层片状分布 珠光体 第二相呈颗粒状分布 三次渗碳体 弥散强化 4 1 4合金的塑性变形 返回 4 2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结构的影响二 塑性变形对金属对性能的影响三 产生残余应力 一 塑性变形对金属组织结构的影响 1 纤维组织形成金属在外力作用下发生塑性变形时 随着变形量的增加晶粒形状发生变化 沿变形方向被拉长或压扁 当拉伸变形量很大时 晶粒变成细条状 金属中的夹杂物也被拉长 形成所谓纤维组织 4 2塑性变形对金属组织和性能的影响 2 晶粒破碎成亚晶粒 金属经大量的塑性变形后 由于位错密度的增大和位错间的交互作用 使位错分布变得不均匀 大量的位错聚集在局部地区 并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块 即亚晶粒 4 2塑性变形对金属组织和性能的影响 3 形变织构的产生 由于塑性变形过程中晶粒的转动 当变形量达到一定程度 70 以上 时 会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致 形成特殊的择优取向 择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织 称为织构 4 2塑性变形对金属组织和性能的影响 二 对性能的影响1 对力学性能的影响 加工硬化 1 加工硬化 形变强化 冷作强化 随变形量的增加 材料的强度 硬度升高而塑韧性下降的现象 强化金属的重要途径 2 利弊利 材料加工成型的保证 弊 变形阻力提高 动力消耗增大 脆断危险性提高 4 2塑性变形对金属组织和性能的影响 2 对物理 化学性能的影响导电率 导磁率下降 比重 热导率下降 结构缺陷增多 扩散加快 化学活性提高 腐蚀加快 4 2塑性变形对金属组织和性能的影响 三残余应力 约占变形功的10 1分类第一类残余应力 宏观内应力 由整个物体变形不均匀引起 第二类残余应力 微观内应力 由晶粒变形不均匀引起 第三类残余应力 点阵畸变 由位错 空位等引起 2利弊利 预应力处理 如提高疲劳极限 弊 引起变形 开裂 如黄铜弹壳腐蚀开裂 3消除去应力退火 4 2塑性变形对金属组织和性能的影响 返回 4 3金属与合金的回复与再结晶 对冷变形金属加热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 1特征 温度低 光学显微组织未变化 亚结构发生了变化 位错 点缺陷密度降低 甚至出现亚晶界 2性能 力性变化不明显 强度 硬度略有下降 塑性略有提高 大部分或全部消除第一类内应力 部分消除第二 三类内应力 内应力部分消除 导电率升高3回复退火的应用降低内应力 稳定尺寸 提高抗蚀性 一 回复 冷变形金属在低温加热时 其显微组织无可见变化 但其物理 力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程 4 3金属与合金的回复与再结晶 二 再结晶 冷变形金属被加热到适当温度时 在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒 而使形变强化效应完全消除的过程 变形晶粒通过形核长大 逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒 强度 硬度明显下降 塑性明显提高 密度 在回复阶段变化不大 在再结晶阶段急剧升高 4 3金属与合金的回复与再结晶 再结晶温度 经严重冷变形 变形量 70 的金属或合金 在1h内能够完成再结晶的 再结晶体积分数 95 最低温度 高纯金属 T再 0 25 0 35 Tm 经验公式工业纯金属 T再 0 35 0 45 Tm 合金 T再 0 4 0 9 Tm 注 再结晶退火温度一般比上述温度高100 200 为什么纯度越低 再结晶温度越高 答 杂质元素对扩散的阻碍作用 4 3金属与合金的回复与再结晶 影响因素变形量变形量越大 储存能越多 再结晶驱动力越大 再结晶温度越低 纯度纯度越高 杂质或合金元素对位错和晶界运动阻碍越小 再结晶温度越低 加热速度和保温时间提高加热速度会使再结晶温度被推迟到较高温度下发生 而保温时间越长 再结晶温度越低 4 3金属与合金的回复与再结晶 再结晶退火的应用 恢复变形能力改善显微组织消除各向异性提高组织稳定性实际再结晶温度 T再 100 200 4 3金属与合金的回复与再结晶 晶粒长大方式 正常长大 异常长大 二次再结晶 三 晶粒长大 冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小均匀的等轴晶粒 如果再结晶后不控制其加热温度或时间 继续升温或保温 晶粒之间便会相互吞并而长大 这一阶段称为晶粒长大 4 3金属与合金的回复与再结晶 晶粒的异常长大 少数再结晶晶粒的急剧长大现象 二次再结晶 基本条件 正常晶粒长大过程被 第二分散相微粒 织构 强烈阻碍 控制 温度 保温时间 防止过分长大 4 3金属与合金的回复与再结晶 再结晶退火 消除加工硬化 将金属件加热保温缓冷至室温 保温温度高于再结晶温度100 200K 对于没有同素异构转变的金属 如铜 铝 冷变形 再结晶退火是细化晶粒的重要手段 4 3金属与合金的回复与再结晶 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 4 3金属与合金的回复与再结晶 再结晶图 返回 4 3金属与合金的回复与再结晶 4 4金属热加工 概念 再结晶温度以上的加工过程现象 同时存在硬化与软化 动态回复与动态再结晶特点 反复形核 有限长大 晶粒较细 包含亚晶粒 位错密度较高 强度硬度高 温度 T再 T热加工 T固 100 200 再结晶温度以下的加工过程称为冷加工 热加工后的组织与性能 1 改善铸锭组织 气泡焊合 破碎碳化物 细化晶粒 降低偏析 提高强度 塑性 韧性 2 形成纤维组织 流线 组织