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文档简介
第三章金属的塑性变形与再结晶 概述纯金属的塑性变形塑性变形对材料组织性能的影响回复与再结晶金属的热加工 第三章金属的塑性变形与再结晶 一 基本概念塑性变形 又称金属在压力加工下的变形 应力超过弹性极限 锻造 挤压 轧制 拉拔成各种零件成型过程都是塑性变形 目的 1 获得一定形状的零件 2 为了消除金属材料的组织晶粒粗大 组织不均匀不致密和成分不均匀的现象 金属塑性变形的分类按加工温度区分 再结晶温度 高于再结晶温度是热加工 低于再结晶温度是冷加工 5万吨水压机 第一节纯金属的塑性变形 一 单晶体金属的塑性变形 塑性变形的方式 滑移和孪生 常以滑移方式发生 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象 实质 是由位错的移动来实现的 滑移线 塑性变形后形成的小台阶 滑移带 若干条滑移线组成一个滑移带 滑移量 台阶的高度就是滑移量 滑移面 晶体的一部分沿着晶面和晶向相对滑动的面称为滑移面 滑移方向 晶体在滑移面上的滑动方向 滑移系 一个晶面和此面上的一个滑移方向结合起来 组成滑移系 铜拉伸试样表面滑移带 滑移带滑移线示意图 滑移过程受力分析 单晶体受力后 外力在任何晶面上都可分解为正应力 垂直于晶面 和切应力 平行于晶面 cos2 cos cos 二 滑移过程 正应力能使晶格的距离加大 引起晶格弹性伸长 当正应力足够大时 达到破坏原子间的吸引力 引起晶格分离 材料则出现断裂 a 在正应力作用下的变形 a b c a单晶体 b弹性变形 c滑移变形 b 在切应力作用下的变形 在切应力的作用下 先使晶格发生弹性外扭 进一步将使晶格发生滑移变形 外力去除后 由于原子到了一新的平衡位置 晶体不能恢复到原来的形状 而保留永久的变形 大量晶面的滑移将得到宏观变形效果 在晶体的表面将出现滑移产生的台阶 三 滑移变形的特点 滑移只能在切应力的作用下发生 滑移开始时 并不是所有的面同时滑动 而取决于面上的切应力的大小 产生滑移的最小切应力称临界切应力 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生 因原子密度最大的晶面原子结合力最强 面和面之间的原子间距最大 即相互平行的密排晶面之间结合力最弱 产生滑移所需切应力最小 由于面心立方的滑移方向为3 而体心为2 面心的塑性比体心的好 密排的塑性最差 滑移系越多 塑性越好 且滑移方向比滑移面的作用更大 反之 滑移的结果在晶体表面形成台阶 滑移的过程首先出现滑移线 后来发展为滑移带 滑移时 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍 滑移的同时伴随着晶体的转动因为晶体的两部分沿滑移面和滑移线移动后 使作用在滑移面上的正应力不在同一轴线上而形成力偶 是晶体发生转动 5 滑移是由位错运动造成如果把滑移设想为刚性整体移动 滑动所需的理论临界切应力值 刚性移动 比实际测量临界切应力值大3 4个数量级 因此滑移不能理解为原子的刚性移动 滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的 位错线从一端移动到另一端 位错在运动时 只是位错附近的一部分原子移动 二 多晶体金属的塑性变形 多晶体金属的塑性变形比单晶体复杂 从多晶体的定义可知 多晶体是由许多位相不同的单晶体组成 存在晶界和晶粒 在外力作用下 变形首先发生在有利滑移的晶粒内 处于不利滑移的晶粒逐渐向有利方向转动 互相协调 由少量晶粒的变形扩大到大量晶粒的变形 从而实现宏观变形 多晶体的塑性变形仍以滑移为主 还要受晶粒取向和晶界的影响 一 晶界和晶粒位向的影响 晶界使位错塞积起来 加之晶界处的杂质原子也往往较多 增大其晶格畸变 在滑移时位错运动的阻力较大 难以发生变形 因此晶界的存在可以提高材料的强度 对纯金属 单相合金或低碳钢都发现室温屈服强度和晶粒大小有以下关系 式中的d为晶粒的平均直径 k为比例常数 经验公式 即霍尔 佩奇 Hall Petch 关系 可见 晶粒越细小 晶界数越多 材料的强度越高 1 晶界对滑移的影响 细晶强化 强度提高 塑性韧性也提高 1 晶界对滑移的影响 另一方面 晶界数量增加 则材料的晶粒愈细 不仅强度愈高 而且塑性与韧性也较高 因为 晶粒愈细 单位体积中的晶粒数便愈多 变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生 晶粒转动的阻力小 晶粒间易于协调 产生较均匀的变形 不致造成局部的应力集中而引起裂纹的过早产生和发展 因而断裂前便可发生较大的塑性形变量 具有较高的冲击载荷抗力 p37 2 晶粒位向对滑移的影响 多晶体的变形中要保持晶界处的连续性 即晶界处的原子既不能堆积也不能出现空隙或裂缝 晶界两边的变形需要达到互相协调 晶粒的取向不同对滑移起到阻碍作用 增加了滑移要求的外力 软位向 滑移面或滑移方向与外力成45 角 最易发生滑移 硬位向 滑移面或滑移方向处于或接近于与外力相平行或垂直 较难发生滑移 由此可见 由于多晶体金属中每个晶粒所取的位向不同 金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生 是个不均匀的塑性变形过程 二 塑性变形过程 总之 多晶体塑性变形过程有以下特点 1 不同时性 由于多晶体的晶界的存在以及位向的不同 使得多晶体中各个晶粒不是同时发生塑性变形 2 不均匀性 不同晶粒逐批发生 表现为不均匀的塑性变形过程 3 各晶粒变形有相互协调性 4 滑移过程中 晶粒发生转动 第二节塑性变形对组织和性能的影响 一 塑性变形对组织结构的影响金属发生塑性变形时 不仅外形发生变化 而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁 1 形成纤维组织 当变形量很大时 晶粒将被拉长为纤维状 晶界变得模糊不清 形成纤维组织 2 亚结构细化 塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒 亚晶粒在塑性变形的同时 碎细的亚晶粒也会随着晶粒的拉长而伸长 轧制 工业纯铁在塑性变形前后的组织变化 a 正火态 c 变形80 b 变形40 3 产生形变织构 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 这种现象称择优取向 这种组织状态称为形变织构 丝织构 拉拔变形过程中 晶粒取向与变形方向平行 板织构 轧制时晶粒的晶面与轧制面大致平行 形变织构使金属呈现 各向异性 使各方向变形能力不同 在深冲零件时 易产生 制耳 现象 使零件边缘不齐 厚薄不匀 二 塑性变形对力学性能的影响 1 加工硬化 金属材料随冷塑性变形量增加 金属的强度 硬度提高 塑性 韧性下降的现象称加工硬化 根本原因 位错密度增加 冷塑性变形与性能关系 2 产生残余内应力 内应力是指平衡于金属内部的应力 由于金属受力时 内部变形不均匀而引起的 金属发生塑性变形时 外力所做的功有10 转化为内应力残留于金属中 内应力分为三类 第一类内应力 宏观内应力 由于工件变形的不均匀性引起 作用于工件表面与心部之间 拉拔过程工件受力 第二类内应力 微观内应力 晶粒或亚晶粒之间变形不均匀引起 由于微观内应力的存在 工件受到不大的力可能断裂 第三类内应力 点阵畸变 是由晶格缺陷引起的畸变应力 第三类内应力是形变金属中的主要内应力 也是金属强化的主要原因 而第一 二类内应力都使金属强度降低 内应力的存在 使金属耐蚀性下降 引起零件加工 淬火过程中的变形和开裂 因此 金属在塑性变形后 通常要进行退火处理 以消除或降低内应力 三 残余内应力 第三节回复与再结晶 一 冷变形金属在加热时的组织和性能变化金属经冷变形后 由于内应力的存在 组织处于不稳定状态 有自发恢复到稳定状态的倾向 但在常温下 原子扩散能力小 不稳定状态可长时间维持 一般采用退火加热 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 回复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亚结构或性能的变化 回复阶段一般加热温度在0 4Tm以下 在回复阶段 金属组织变化不明显 其强度 硬度略有下降 塑性略有提高 但内应力显著下降 工业上 常利用回复现象将冷变形金属低温加热 既稳定组织又保留加工硬化 这种热处理方法称去应力退火 如 铸件和焊接件 再结晶当变形金属被加热到一定温度时 在原来的变形组织中重新生成并最终被无畸变晶粒取代 而且性能也发生明显变化并恢复到变形前的变化过程 首先在材料中变形严重 即位错或其他缺陷集中处 形成新的无畸变的小晶粒 这些小晶粒消耗周围发生过变形的晶体而不断长大 同时也有新的小晶粒形成 直到新的晶粒全部代替变形过的晶体 这个过程也是一形核和核心长大 再结晶不是相变过程 再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同 区别于重结晶 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 再结晶温度 再结晶温度 经过严重变形 变形度70 以上 的金属 再约保温1小时内能够完成再结晶的温度 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 T再与 的关系 影响再结晶温度的因素为 1 金属的预先变形程度 金属预先变形程度越大 储存的能量越高 驱动力越大 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 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 4T熔其中T再 T熔为绝对温度 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 2 金属的纯度金属的纯度越低 再结晶温度越高 因为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 再结晶后的晶粒长大再结晶完成后 若继续升高加热温度或延长保温时间 将发生晶粒相互吞并 长大 这是一个自发的过程 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 实质上是变形均匀程度的影响 1 当变形度很小时 晶格畸变小 不足以引起再结晶 可以认为晶粒不发生变化 2 当变形达到2 10 时 只有部分晶粒变形 变形极 预先变形度对再结晶晶粒度的影响 2 变形程度 预先变形程度 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 3 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 4 对于某些金属 当变形量相当大时 90 再结晶后晶粒又重新出现粗化现象 一般认为这与形成织构有关 90 预先变形程度对再结晶晶粒尺寸的影响 再结晶立体坐标图 纯铁退火1小时的再结晶图 再结晶温度 第四节金属的热加工 一 冷加工与热加工的区别在金属学中 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 热加工包括变形中的加工硬化和动态软化过程 加工硬化很快被再结晶产生的动态软化所抵消 因而热加工不会带来加工硬化效果 巨型自由锻件 自由锻 金属的冷热加工 二 热加工对金属组织和性能的影响 1 改善铸态组织 热加工可使铸态金属与合金中的微裂纹和气孔焊合 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 形成纤维组织 热加工时 铸态金属中的某些枝晶偏析 非金属夹杂沿变形方向拉长 形成彼此平行的宏观条纹 这种组织称纤维组织 它使钢产生各向异性 在制定加工工艺时 应使流线分布合理 尽量与拉应力方向一致 充分利用其增加强度 延长使用寿命 3 形成带状组织 沿着变形方向呈带状或层状分布 这种组织称带状组织 一种钢中存在严重的夹杂物和偏析 经过压延时呈带状分布 另一种存在两相组织 如F与P 压延时呈带状分布 带状组织会使材料产生各向异性 使横向塑性和韧性明显降低 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
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