工程材料及应用第六章塑性变形ppt课件

1 第六章金属材料的塑性变形 概述单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形塑性变形对材料组织性能的影响变形后金属的加热变化金属的热塑性变形 2 第一节概述 一 变形过程中的名词概念 变形物体在外力的作用下 其形状和尺寸的改变 应力物体内部任一截面单位面积上的相互作用力 同截面垂直的称为 正应力 或 法向应力 同截面相切的称为 剪应力 或 切应力 应变物体形状尺寸所发生的相对改变 线应变物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值 剪应变 角应变 物体内两互相垂直的平面在变形后夹角的改变值 体积应变变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位体积之比值 3 二 变形宏观过程 第一节概述 在应力低于弹性极限 e时 材料发生的变形为弹性变形 应力在 e到 b之间将发生的变形为均匀塑性变形 在 b之后将发生颈缩 在K点发生断裂 弹性变形 特点服从虎克定律 及应力与应变成正比 实质在应力的作用下 材料内部原子间距偏离平衡位置 但未超过其原子间的结合力 晶格发生了伸长 缩短 或歪扭 原子的相邻关系未发生改变 故外力去除后 原子间结合力便可以使变形完全恢复 4 三 塑性变形 第一节概述 不能恢复的永久性变形叫塑性变形 当应力大于弹性极限时 弹性变形 塑性变形同时发生 外力去除 变形不能得到完全的恢复 有残留变形或永久变形 塑性变形定义 实质在应力的作用下 材料内部原子相邻关系已经发生改变 外力去除后 原子回到另一平衡位置 物体将留下永久变形 5 四 塑性变形的方式 第一节概述 按照材料的性质 外界环境和受力方式不同 塑性变形的方式有 滑移 孪生 蠕变 流动 滑移晶体材料塑性变形的基本方式 非晶体材料原子为无规则堆积 像液体一样只能以流动方式来进行 衡量变形难易程度的参数为粘度 在重力作用下能发生流动的为液体 可以维持自己形状的为固体 6 第二节单晶体的滑移 一 滑移概念 滑移滑移是在外力作用下 晶体的一部分沿着一定的晶面 滑移面 的一定方向 滑移方向 相对于晶体的另一部分发生的相对滑动 7 二 滑移过程说明 在切应力的作用下 晶格发生弹性歪扭 进一步将使晶格发生滑移 外力去除后 原子到了新的平衡位置 晶体不能恢复到原来的形状 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台阶 第二节单晶体的滑移 8 三 滑移与晶体结构的关系 第二节单晶体的滑移 滑移面滑移发生的晶面 通常为晶体的最密排晶面 滑移方向滑移滑动的方向 通常也为晶体的最密排方向 滑移系一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以滑移的方式 9 典型晶格的滑移系 FCC 第二节单晶体的滑移 10 11 四 滑移与外力方向的关系 滑移方向上的分切应力为 称为施密特定律 c是一常数 等于或者大于一定的临界值 临界切应力 时 滑移才能发生 第二节单晶体的滑移 12 五 滑移变形的特点 第二节单晶体的滑移 滑移只能在切应力的作用下发生 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生 在最密晶面之间的面间距最大 原子面之间的结合力最弱 沿最密晶向滑移的步长最小 因此这种滑移所需要的外加切应力最小 滑动的距离为原子间距的整数倍 滑移的结果会在晶体的表面上造成台阶 滑移的同时必然伴随有晶体的转动 13 六 滑移的实质是位错的运动 大量的理论研究证明 滑移原来是由于滑移面上的位错运动而造成的 图示例子表示一刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的运动过程 通过一根位错从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的滑移 第二节单晶体的滑移 14 六 滑移的实质是位错的运动 滑移过程 只需要位错中心上面的两列原子 实际为两个半原子面 向右作微量的位移 位错中心下面的一列原子向左作微量的位移 位错中心便会发生一个原子间距的右移 通过位错运动方式的滑移 并不需要整个晶体上半部的原子相对于其下半部一起位移 而仅需位错中心附近的极少量的原子作微量的位移即可 需要的临界切应力便远远小于整体刚性滑移 第二节单晶体的滑移 说明 15 第三节多晶体的塑性变形 一 多晶体的塑性变形协调性 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 为满足协调性 每个晶粒内位错在外力作用下发生运动 即以滑移方式产生塑性变形效果 需要临近晶粒作出相应的变形 晶界两边的晶粒取向不一样 靠单一的滑移系的动作将不能保证这种协调 要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作 加上自身晶粒除了变形的主滑移系统外 也要有几个滑移系统同时动作才行 所以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 16 二 晶界对滑移的影响 位错的塞积一个晶粒在某一滑移系发生滑移动作 位错发生运动 位错遇到晶界时 由于各个晶粒的位向不同 不能直接从一个晶粒移动到另一晶粒 便塞积起来 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 晶界的存在可以提高材料的强度 第三节多晶体的塑性变形 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 d晶粒的平均直径 k为比例常数 即霍尔 佩奇 Hall Petch 关系 17 二 晶界对滑移的影响 晶界数量的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 原因晶粒愈细 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 工业上通过各种方法 凝固 压力加工 热处理 使材料获得细而均匀的晶粒 使目前提高材料力学性能的有效途径之一 第三节多晶体的塑性变形 18 三 塑性变形过程 第三节多晶体的塑性变形 局部不均匀性在多晶体金属中 由于每个晶粒的晶格位向都不同 其滑移面和滑移方向的分布不同 故在同一外力作用下 每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切应力便不同 软位向施密特因子较大 接近1 2 分切应力较大的必将首先发生滑移变形 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 即施密特因子较小 接近0 的晶粒 它们所受的分切应力将较小 较难发生滑移 19 三 塑性变形过程 第三节多晶体的塑性变形 整体的均匀化多晶体材料在外力作用下 首批处于软位向的晶粒发生滑移 而晶界的影响及其周围处于硬位向的晶粒尚不能发生滑移 在首批晶粒的晶界附近造成位错堆积 随着外力增大至应力集中达到一定程度 形变才会越过晶界 传递到另一批晶粒中 随着滑移的发生 晶粒的位向也在发生转动 有位向硬化的晶粒和软化的晶粒 软位向的晶粒开始滑移变形 多晶体塑性变形是一批一批晶粒逐步地发生 从少量晶粒逐步扩大到大量的晶粒 从不均匀变形逐步发展到较均匀的变形 要比单晶体中复杂得多 20 四 其他塑性变形方式 第三节多晶体的塑性变形 1 孪生 21 四 其他塑性变形方式 第三节多晶体的塑性变形 孪生产生条件在切应力作用下产生的 所需要的切应力比滑移要大得多 仅在滑移困难时才会发生 出现在滑移系很少的晶体结构的材料中 如密排六方 2 在较低温度或受冲击时因来不及滑移又有较大的应力作用时产生孪生 2 蠕变 所谓蠕变是指材料在高温下 高于0 3Tm 的变形不仅与应力有关 且和应力作用时间有关 蠕变现象可看着在应力作用下原子的扩散 原子的定向流动本身可造成材料的变形 22 四 其他塑性变形方式 第三节多晶体的塑性变形 3 粘滞性流动 在液体状态下 原子呈无规则排列 没有固定的形状 处于可流动的状态 液体的流动性用黏度来度量 当黏度大到可以维持自己的形状时 材料就处于固态 在固态下处于非晶态的材料可以看着是过冷的液体 在外力作用下 非晶态的材料当能克服黏度的阻力时 可以象液体那样发生流动 自己的形状和尺寸发生变化 材料的性质未发生改变 可视为一种塑性变形 23 第四节塑性变形对组织性能的影响 一 对力学性能的影响 加工硬化的工程意义 加工硬化是强化材料的重要手段 尤其是对于那些不能用热处理方法强化的金属材料 加工硬化有利于金属进行均匀变形 因为金属已变形部分产生硬化 将使继续的变形主要在未变形或变形较少的部分发展 加工硬化给金属的继续变形造成了困难 加速了模具的损耗 在对材料要进行较大变形量的加工中将是不希望的 在金属的变形和加工过程中常常要进行 中间退火 以消除这种不利影响 因而增加了能耗和成本 产生加工硬化材料在变形后 强度 硬度显著提高 而塑性 韧性明显下降的现象称为加工硬化 24 二 对组织形貌的影响 第四节塑性变形对组织性能的影响 晶粒变形金属塑性变形时 随着外形的改变 内部晶粒的形状也相应变化 通常晶粒沿变形方向被拉长 拉伸 或压扁 压缩 变形的程度愈大 则晶粒形状的改变也愈大 25 二 对组织形貌的影响 晶界模糊变形量很大时 晶界变得模糊不清 原因 位错移出晶粒在边界造成的台阶使晶界交错 进一步降低了晶界的耐腐蚀性 纤维组织在金属变形较大时 材料中的夹杂物也沿变形方向被拉长 形成了纤维组织 纤维组织的出现造成材料在不同方向上表现出不同的力学性能 即产生一定程度的各向异性 一般沿纤维方向的强度和塑性远大于垂直方向 等等 第四节塑性变形对组织性能的影响 26 二 对组织形貌的影响 亚结构形成在金属未变形或少量变形时 位错密度的分布一般是均匀的 但在大量变形之后 由于位错的运动和交互作用 位错不均匀分布 并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒 亚晶粒边界上聚集大量位错 而内部的位错密度相对低得多 随着变形量的增大 产生的亚结构也越细 整个晶粒内部的位错密度的提高将降低了材料的耐腐蚀性 第四节塑性变形对组织性能的影响 27 三 变形织构的产生 金属晶粒的取向一般是无规则的随机排列 尽管每个晶粒有各向异性 宏观性能表现出各向同性 当金属经受大量 70 以上 的一定方向的变形之后 晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致 形成了 择优取向 即某一晶面在某个方向出现的几率明显高于其他方向 金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构 它使金属材料表现出明显的各向异性 第四节塑性变形对组织性能的影响 对工程应用的影响 在大多数情况下是不利的 如有织构的金属板材冲制筒形零件 不同方向上塑性的差别较大 深冲后零件的边缘不齐出现 制耳 现象 另外在不同方向上变形不同 制成的零件的硬度和壁厚会不均匀 等等 但织构有时也能带来好处 制造变压器铁芯的硅钢片 利用织构可大大提高变压器的效率 28 四 增加了残余内应力 塑性变形后材料内部的残余内应力明显增加 主要是由于材料在外力作用下内部变形不均匀所造成的 第四节塑性变形对组织性能的影响 第一类内应力材料表层和心 这一部分和那一部分变形不均匀 造成平衡于它们之间的宏观内应力 第二类内应力相邻晶粒取向不同引起变形不均匀 或晶内不同部位变形不均匀 会造成微观内应力 第三类内应力位错等缺陷的增加 会造成晶格畸变 第三类内应力占绝大部分 是变形金属强化的主要原因 但耐腐蚀性下降 第一 二类内应力占的比例不大 但当进一步加工会打破原有平衡 引起材料的变形 或者和零件使用应力发生叠加 引起材料的破坏 所以一般都要用退火的办法尽量将其消除 29 第五节变形后金属的加热变化 引言 1 冷变形后的金属材料存在加工硬化和残余内应力等性能变化 在很多情况下并不是人门希望的 可以通过加热引起的组织变化来改变这些性能 2 在材料的内部的晶粒破碎拉长 位错等缺陷大量增加和存在的内应力都使材料存在弹性应变能 使其内能升高处于不稳定的状态 系统本身就存在释放能量的潜力 当温度提高后 原子的活动能力增强 原子在热运动中会使材料朝着减少缺陷 降低能量的方向发展 造成组织和性能的变化 30 一 冷变形后的材料加热转变 对冷变形的塑性材料重新加热 随着加热的温度和保温时的不同 发生的变化大致可以分为三个阶段 回复 再结晶和晶粒的长大 他们都是减少或消除结构缺陷的过程 材料的内应力 晶粒尺寸 强度 塑性等性能也发生对应变化 第五节变形后金属的加热变化 31 二 回复 第五节变形后金属的加热变化 回复概念 在加热温度较低时 仅因金属中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内的变化 回复阶段一般加热温度在0 4Tm以下 回复的组织性能变化 宏观应力基本去除 微观应力仍然残存 物理性能 如电阻率 有明显降低 有的可基本回到未变形前的水平 力学性能 如硬度和流变应力 觉察不到有明显的变化 光学金相组织看不出任何变化 温度较高发生回复 在电子显微镜下可间到晶粒内部组织的变化 32 三 再结晶 第五节变形后金属的加热变化 1 基本过程 经过塑性变形后的金属材料在加热到较高温度时 一般大于0 4Tm 可以发生晶粒的重新改组 同结晶过程类似 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 称为再结晶 2 结果 材料发生了再结晶后 由于全部用新生成的晶粒替换了原发生过塑性变形的晶粒 所以材料经过再结晶后 由冷塑性变形带来的所有性能变化就全部消失 材料的组织发生了变化 性能完全彻底回到变形前的状态 33 三 再结晶 第五节变形后金属的加热变化 3 特点 再结晶过程不是相变 尽管冷塑性变形后的发生再结晶 晶粒以形核和晶核长大来进行 但变化前后的晶粒成分相同 晶体结构并未发生变化 因此它们是属于同一个相 再结晶没有确定的转变温度 再结晶是在温度达到一定程度后 原子活动能力增强发生迁移进行晶格位置的重排 温度愈高 完成愈快 没有固定温度 但有一温度下限 这个温度称为再结晶开始温度 决定再结晶温度的因素有 材料冷变形程度愈大 再结晶开始温度愈低 熔点高 杂质原子多 纯度低 再结晶开始温度愈高 延长加热的保温时间可以在较低温度下达到同样效果 工程用金属材料 一般再结晶温度可用0 4TM来估计 34 四 晶粒长大 第五节变形后金属的加热变化 1 长大动力 再结晶完成后 金属获得均匀细小的晶粒 但潜伏着长大的趋势 因为晶粒长大后 晶粒变大 则晶界的总面积减小 总界面能也就减小 所以只要条件满足 晶粒就会自行长大 2 晶粒的正常长大 在长大过程中 所有能长大晶粒都处在大致相同的环境 长大后的晶粒大小分布统计结果相同 长大方式以大吃小的兼并方式进行 晶粒长大的最终结果是材料的晶粒平均尺寸变大 3 晶粒的非正常长大 在长大过程中 一般晶粒在正常缓慢长大时 如果有少数晶粒处在特别优越的环境 这些大量吞食周围晶粒 迅速长大 35 晶粒非正常长大图片 第五节变形后金属的加热变化 36 五 再结晶后的晶粒尺寸 1 预先变形量1 在临界变形量 不同材料不相同 一般金属在2 10 之间 以下 材料不发生再结晶 维持原来的晶粒尺寸 2 临界变形量附近 因核心数量很少而再结晶后的尺寸很大 有时甚至可得到单晶 3 通常随着变形量增加 再结晶的晶粒尺寸不断减小 当变形量过大 70 后 可能产生明显织构 在退火温度高时发生晶粒的异常长大 37 五 再结晶后的晶粒尺寸 2 退火温度和时间其它条件相同时 退火温度高 保温时间长 所得到的晶粒尺寸愈大 再结晶刚结束时 晶粒尺寸一般相差不明显 但退火温度高 完成再结晶用的时间少 长大的时间就长 长大速度快 随退火温度的提高而晶粒尺寸增大 再结晶退火一般均采用保温2小时 保证再结晶充分完成而晶粒不过分长大 延长保温时间显然会造成晶粒尺寸的长大 第五节变形后金属的加热变化 38 六 再结晶应用 第五节变形后金属的加热变化 回复去应力退火 消除应力 稳定组织 再结晶再结晶退火 消除加工硬化效果 消除组织各向异性 晶粒长大在工艺过程中避免产生 39 第六节金属的热塑性变形 引言 冷态对材料进行塑性变形会产生加工硬化 当材料成形需要较大的变形量时 可以经过一段变形后 进行一次再结晶退火 再来继续进行塑性变形 再退火 直到达到需要的变形程度 金属材料的强度和硬度会随温度的上升而下降 塑性会随温度的升高而升高 在较高的温度下进行塑性变形 材料的抗力小 变形所用的动力 外加变形力 也小 高的塑性减少开裂破坏的可能性 如果温度超过材料的再结晶温度 在变形的同时会发生再结晶 可不产生加工硬化 直接进行大变形量的变形 40 一 热加工 第六节金属的热塑性变形 把金属的塑性变形称为加工 凡是在其再结晶温度以上进行加工变形称为热加工 反之在其再结晶温度以下进行的加工变形称为冷加工 冷热加工的分界线不是以变形过程是否进行过加热铅的再结晶温度在0 以下 在室温下进行变形是属于热加工铁的再结晶温度为450 左右 在400 进行变形仍属于冷加工 钨在1000 进行变形也属于冷加工 41 二 热加工时的软化 在高温下 塑性变形的同时 发生组织结构的软化 热加工时软化有以下类型 动态回复变形在增加缺陷的同时以回复方式减少部分缺陷 甚至可达到动态平衡 动态再结晶变形量超过临界变形量后 以再结晶方式形核并不断长大 边长大的同时继续变形 再达到一定程度再次形核长大 如此往而复始 亚动态再结晶变形过程中形成的再结晶核心或长大未完成的小晶体 在变形过程停止后的继续长大