工程材料第一章第三节PPT课件

第三节塑性变形与再结晶 本章重点1 金属的变形及其本质 2 金属在塑性变形时组织和性能的变化 3 金属再结晶时组织和性能的变化 一般要求1 有关滑移的机理 加工硬化 细晶强化的概念 2 热加工对金属组织和性能的影响 2 金属的重要特性塑性 利用塑性可以对金属进行轧制 挤压 锻造和冲压等各种压力加工 生产机械零部件或零件的毛坯 多晶体 先研究单晶体 3 1金属的力学性能 4 金属的力学性能 材料受力后就会产生变形 材料力学性能是指材料在受力时的行为 描述材料变形行为的指标是应力 和应变 是单位面积上的作用力 是单位长度的变形 描述材料力学性能的主要指标是强度 延性和韧性 其中 强度是使材料破坏的应力大小的度量 延性是材料在破坏前永久应变的数值 而韧性却是材料在破坏时所吸收的能量的数值 5 6 金属材料的机械性能材料的性能好坏关系到设备使用寿命 整个国民经济的发展 材料的机械性能包括这么几个方面 强度金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度 根据载荷不同 可分为抗拉强度 b 抗压 bc 抗弯 bb 抗剪 b 抗扭 t 抗拉强度通过拉伸试验测定 将一截面为圆形低碳钢拉伸试样上进行拉伸 测得应力 应变曲线 图中 为应力 为应变 7 8 图中各个阶段 OA弹性变形阶段 试样的变形量与外加载荷成正比 载荷卸掉后 试样恢复原来样子 ABC屈服阶段 发生塑性变形 载荷卸掉后 一部分变形恢复还有一部分不能恢复 形变不能恢复的变形称为塑性变形 CD强化阶段 载荷不断增加 塑性变形增大 材料变形抗力也逐渐增加 DE缩颈阶段 当载荷达到最大值时 试样直径发生局部收缩 称为 缩颈 E点为试样发生断裂 强度指标分为 弹性极限 e 表示材料保持弹性变形 弹性零件设计依据 屈服极限 s 表示金属开始发生明显塑性变形抗力 有些金属如铸铁没有明显屈服现象 则用条件屈服极限表示 产生0 2 残余应变时的应力值即 0 2 强度极限 b 表示金属受拉时所能承受的最大应力 e s b 是机械零件和构件设计的主要依据 9 10 塑性 塑性是一种在某种给定载荷下 材料产生永久变形的材料特性 对大多的工程材料来说 当其应力低于比例极限时 应力一应变关系是线性的 另外 大多数材料在其应力低于屈服点时 表现为弹性行为 也就是说 当移走载荷时 其应变也完全消失 塑性好坏可用伸长率 和断面收缩率 表示 延伸率 试样拉断后 标距的伸长与原始标距的百分比称为延伸率 L L L1 L0 L0 100 断面收缩率 试样拉断后缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率 S S S0 S1 S0 100 金属材料的延伸率与断面收缩率越大 其塑性越好 3 2金属的塑性变形 一 单晶体的滑移 单晶体的滑移 在外加切应力作用下 晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面 滑移面 的一定方向 滑移方向 发生相对的滑动 拉伸时 45 方向的滑移面上的外力P分解为正应力 和切应力 正应力使晶格发生弹性伸长或断裂 较小时 或 伸长量 或 0 变形恢复 原子间结合力时 拉断 切应力使晶格发生弹性歪扭或塑性变形 临界切应力 c时 变形量 0 变形恢复 c时 发生滑移 产生永久塑性变形 滑移的实现 借助于位错运动 刚性滑移模型计算出的临界切应力值 实测值 位错在外加切应力的作用下移动至晶体表面 一个原子间距的滑移台阶 塑性变形 滑移线 晶体表面的滑移台阶 滑移带 大量滑移线 滑移系 滑移面和该面上的一个滑移方向 滑移系数目和滑移方向 材料塑性 FCC和BCC的滑移系为12个 HCP为3个 FCC的滑移方向多于BCC 金属塑性如Cu FCC Fe BCC Zn HCP 滑移时晶体的转动 孪生变形 20 单晶体金属的塑性变形 1 变形基本方式如果将表面抛光的单晶体金属试样进行拉伸 在试样的表面上会出现许多相互平行的线条 这些线条称为滑移带 对变形后的晶体进行射线结构分析 发现在滑移带两侧晶体的结构类型和晶体取向均未有改变 只是其中一部分晶体相对于另一部分沿着某一晶面和晶向发生相对滑动 这种变形方式称为滑移 它是金属塑性变形的最基本方式 21 2 滑移系 在塑性变形试样中出现的滑移带的排列并不是任意的 这表明金属中的滑移是沿着一定的晶面和晶面上一定的晶向进行的 这些晶面称为滑移面 晶向称为滑移方向 一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系 滑移系与金属的晶体结构类型有关 滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面 而滑移方向则是原子排列最密的晶向 这是由于密排面之间 密排方向之间的间距最大 结合力最弱 在其它条件相同时 金属晶体中滑移系愈多 该金属的塑性愈好 滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大 所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好 22 23 3 滑移的临界分切应力 实验表明 晶体的滑移是在切应力作用下进行 而且只有当外力在某一滑移系中的切应力 达到一定的临界值时 在这一滑移系上晶体才发生滑移 称该临界值为滑移的临界分切应力 记为 c 24 4 滑移的位错机制 理论和实验都已证明 在实际晶体中存在着位错 晶体的滑移不是晶体的一部分相对于另一部分同时作整体的刚性移动 而是通过位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动的结果 以铜为例 按刚性滑动模型计算出的临界切应力应为1500Mpa 而实验测出的临界切应力仅为1Mpa 二者相差1500倍之多 因此刚性滑动模型不符合实际 25 当一条位错线移到晶体表面时 便在晶体表面留下一个原子间距的滑移变形 如果有大量位错按此方式不断滑过晶体 就会在晶体表面形成滑移带 可见 滑移的临界分切应力实际上是滑移面内位错移动时所需要的力 其大小取决于位错移动时所克服的阻力 对单晶体而言 取决于点阵阻力 与原子键合 晶格类型有关 此外 还与位错间以及位错与点缺陷间的相互作用等因素有关 26 5 滑移变形的几个特点 滑移只在切应力作用下发生 并沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向进行 滑移面间的金属键没有全部破坏 相对移动的距离是原子间距的整数倍 滑移后沿滑移面两边的晶体位向仍保持一致 滑移的同时 伴随有晶体的转动和旋转 使滑移面转向与外力平行的方向 拉伸时 滑移方向旋向最大切应力方向 滑移的实质 对于无位错的单晶体是刚性移动 c值极大 对于有位借的实际金属是位错的运动 c值很小 二 多晶体的塑性变形 1 影响多晶体塑性变形的因素 晶粒位向 晶粒位向不同 滑移时相互制约 阻碍 使形抗力增加 晶界 晶界原子排列较不规则 缺陷多 滑移阻力大 变形抗力大 协调变形 晶界自身变形 使不同变形量的相邻晶粒保持连续 2 多晶体的塑性变形过程 加载时 各晶粒的滑移面和滑移方向相对于受力方向是不相同的 那些受最大分切应力位向的晶粒处于软位向 分批 逐步的进行 从软位向到硬位向 从少数晶粒到多数晶粒 从不均匀变形到均匀变形 30 2 多晶体金属塑性变形的特点与细晶强化 1 塑变不同时性多晶体由位向不同的许多小晶粒组成 在外加应力作用下 只有处在有利位向 取向因子最大 的晶粒的滑移系才能首先开动 周围取向不利的晶粒中的滑移系上的分切应力还未达到临界值 这些晶粒仍处在弹性变形状态 31 2 塑变协调性由于多晶体的每个晶粒都处于其它晶粒的包围之中 因此 它的变形必须要与其邻近晶粒的变形相互协调 否则就不能保持晶粒之间的连续性而导致材料的断裂 这就要求相邻晶粒中取向不利的滑移系也参与变形 多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互协调性 根据理论推算 每个晶粒至少需要有五个独立滑移系 因此 滑移系较多的面心立方和体心立方金属表现出良好的塑性 而密排六方金属的滑移系少 晶粒之间的变形协调性很差 故塑性变形能力低 32 3 塑变不均匀性由多晶体中各个晶粒之间变形的不同时性可知 每个晶粒的变形量各不相同 而且由于晶界的强度高于晶内 位错的塞积 使得每一个晶粒内部的变形也是不均匀的 实验表明 晶界强度明显高于晶内 材料在外力作用下发生塑性变形时 通常晶粒中心区域变形量较大 晶界及其附近区域变形量较小 多晶体的金属细丝在拉伸变形时在晶界附近出现竹节状就反映了常温下晶界的强化作用 33 4 细晶强化 通过细化晶粒来同时提高金属的强度 硬度 塑性和韧性的方法叫做细晶强化 细晶强化是金属的一种重要的强韧化手段 在实际生产中得到了广泛的应用 晶粒越小 晶界越多 晶粒间的相互约束也越大 其强度和硬度就越高 晶粒越小 在同样的变形量下同时参与变形的晶粒数目也越多 变形越均匀 可以承受较大的塑性变形量 而且具有较高的抗冲击载荷的能力 从而使得金属的塑性和韧性都有所提高 综上所述 金属塑性变形的实质是 外力在金属晶体内形成的较大应力 迫使晶粒内部或晶粒之间产生滑移与转动 3 3塑性变形对金属组织和性能的影响 1 纤维组织2 加工硬化3 织构的产生4 残余内应力 1 纤维组织 晶粒拉长 纤维组织 各同异性 图a 表示的是具有等轴晶粒的纯铁 经过变形后晶粒都被拉长 图b a 等轴晶 b 变形后 3 织构 择优取向 晶粒的排列取向经变形后由随机分布变成了按某个方向的择优排列 这种晶体的择优取向称之为织构 织构使各种性能出现各向异性 2 加工硬化 形变硬化 冷作硬化 加工硬化 金属在冷态下进行塑性变形时 随着变形度的增加 其强度 硬度提高 塑性 韧性下降 加工硬化的原因一般没有变形的金属的位错密度为103 105 cm2 而经过塑性变形后 位错密度可达108 1012 cm2 位错密度对使位错运动的临界切应力有很大影响 位错密度越高 所需临界应力越大 因此对于形变硬化的微观机理我们可以这样来理解 产生金属变形主要是通过原有位错的运动 在运动过程中会有许多附加位错产生 位错之间要发生相互作用 使得任一个给定位错的运动都受到其他位错的阻碍 因此强度提高了 塑性变形 位错运动 位错密度 位错相互作用 位错运动阻力加大 变形抗力 强度 硬度 塑性 韧性 4 残余内应力 平衡于金属内部的应力 由金属内部不均匀变形引起 第一类内应力 宏观内应力 表面和心部塑性变形不均 第二类内应力 微观内应力 晶粒间或晶内不同区域变形不均 第三类内应力 晶格缺陷引起的畸变应力 形变强化的主要原因 残余内应力的危害 引起零件加工过程变形 开裂 降低耐蚀性 残余内应力的消除或降低 去应力退火 42 1 塑性变形对金属组织结构的影响 1 形成纤维组织金属经塑性变形时 沿着变形方向晶粒被拉长 当变形量很大时 晶粒难以分辨 而呈现出一片如纤维丝状的条纹 称之为纤维组织 2 形成形变织构在变形量很大时 金属中各晶粒的取向会大致趋于一致 这种由于变形而使晶粒具有择优取向的组织叫形变织构 43 制耳 为了避免或者减少织构 工程上在加工较大变形量的零部件时 一般都分几次变形完成 之间还要进行退火处理 44 3 亚结构细化塑性变形增加晶粒中的位错密度 随着变形量的增加 位错交织缠结 会使晶粒内部的亚结构发生变化 使晶粒破碎成亚晶粒 晶粒尺寸10 210 4或10 6cm 4 位错密度增加位错密度随着变形量的增加而增加 10 6 8 10 11 12 cm 2 45 2 塑性变形对金属性能的影响 1 呈现明显的各向异性主要是由于形成了纤维组织和形变织构 2 加工硬化变形过程中 位错密度升高 导致亚结构的形成和不断细化 对位错的滑移产生巨大的阻碍作用 从而使金属的强度 硬度显著升高 韧性 塑性下降 这就是加工硬化 造成加工硬化的原因比较复杂 涉及到较深的位错理论 一般认为 位错密度的增高使其相互发生 干扰作用 交互作用 亚晶界晶格畸变区聚集着大量位错 都使位错的运动受阻而造成加工硬化 46 加工硬化对金属强化 形变强化 冷作成形和提高零件使用性能方面起到了有利作用 但是 加工硬化也给冷轧 冲压等工艺增加了动力消耗 为了恢复金属的塑性往往要求进行中间退火 再结晶退火 延长了生产周期 增加了生产成本 所以 生产中要充分考虑和合理利用加工硬化带来的影响 3 内应力变形金属在外力去除后 内部还存在的相互平衡的应力称为残留内应力 或称残余应力 简称内应力 变形金属存在内应力的根本原因是金属塑性变形的不均匀性 宏观内应力 第一类内应力 是由于金属工件各部分间的变形不均匀而引起的 其平衡范围是整个工件 造成零件变形 微观内应力 第二类内应力 是由于各晶粒之间的塑性变形不均匀而引起的内应力 其作用范围一般不超过几个晶粒 造成晶间腐蚀 晶格畸变内应力 第三类内应力 是由于晶体缺陷增加引起点阵畸变增大而造成的内应力 其作用范围很小 一般为几十至几百纳米 47 第一类内应力和第二类内应力占整个内应力的比例不大 约为2 3 但会因随后的应力松弛或重新分布 如切削加工后 使金属工件的形状和尺寸发生改变 当与零件工作应力方向一致时会明显降低金属工件的强度 并使零件材料的耐蚀性降低 因此 无论是冷加工还是热加工 都必须注意消除残余应力的有害作用 其方法主要是通过热处理 退火 第三类内应力约占整个内应力的97 98 是存在于变形金属中最主要的残余应力 在变形金属吸收的能量中绝大部分转变为点阵畸变能 它可使金属的硬度 强度显著提高 而使塑性 韧性下降 是伴随加工硬化现象同时出现的 48 4 塑性变形对金属物理 化学性能的影响 经过冷塑性变形后 通常使金属的导电性 电阻温度系数和导热性下降 塑性变形还使导磁率 磁饱和度下降 塑性变形还提高金属的内能 使化学活性提高 耐腐蚀性下降 回复与再结晶 变形金属在不同加热温度时晶粒大小和性能变化的示意图 一 回复 低温 去应力 退火加热 物理 化学性能恢复 内应力显著降低 强度和硬度略有降低 二 再结晶 再结晶 新的形核 长大过程 生成新的等轴晶粒 晶格类型不变 加工硬化消除 强度 硬度大大下降 塑性 韧性回升 再结晶退火 消除加工硬化的热处理工艺 再结晶温度 冷变形金属发生再结晶的最低稳定温度 纯金属TR 0 4Tm K 合金 TR 0 5 0 7 Tm K 影响再结晶温度的因素 金属预先变形程度 TR Tm TR 金属纯度 一般合金比纯金属的再结晶温度高 加热速度 TR 加热时间 TR 金属的变形度与再结晶温度的关系 影响再结晶晶粒度的因素 加热温度T 和加热时间t 晶粒直径D 晶界迁移 长大 预变形度 变形较均匀 晶粒直径D 退火温度与再结晶晶粒的关系 变形度与再结晶后晶粒大小的关系 三 晶粒长大 晶粒长大 实质上是一个晶界位移过程 进而实现晶粒的合并 3 5金属的热加工一 热加工的概念 在TR以上温度进行的变形加工 无加工硬化 二 热加工对金属组织和性能的影响 消除枝晶偏析 打碎柱状晶 树枝晶 形成等轴晶 机械性能改善 压合铸件在的疏松 气孔等缺陷 提高组织致密度和机械性能 产生流线分布 非金属夹杂物沿变形方向分布 引起各向异性 56 三 变形金属在加热过程中组织和性能的变化 经冷变形后的金属吸收了部分变形功 其内能升高 主要表现为点阵畸变能增大 位错和点缺陷密度高 处于不稳定状态 具有自发恢复到变形前状态的趋势 一旦受热 例如加热到0 5T熔温度附近 其原子扩散能力增加 冷变形金属的组织和性能就会发生一系列的变化 可分为回复 再结晶和晶粒长大三个阶段 57 1 回复 定义 是指冷变形后的金属在加热温度较低时 发生组织和性能变化的过程 特点 1 加热温度较低 T回复 0 2 0 3 T熔点 2 低倍显微组织没有变化 晶粒仍是冷变形后的纤维状 3 点缺陷的密度显著下降 而位错密度变化不大 多边化 4 机械性能 硬度 强度变化不大 加工硬化保留 塑性略有提高 5 宏观内应力基本消除 6 电导率显著增大 应力腐蚀抗力提高 应用 低温度退火和去应力退火 目的 保持加工硬化状态 降低内应力 以减轻变形和翘曲 例 冷拉钢丝卷制弹簧时 在卷成之后要在260 左右进行退火 以降低内应力并使之定型 而硬度 强度基本保持不变 58 2 再结晶 定义 是指冷变形后的金属在加热温度较高时 在变形组织的基体上产生新的无畸变的晶核 并迅速长大形成等轴晶粒的过程 特点 1 加热温度较高 T再结晶 0 35 0 4 T熔点 2 无畸变等轴晶粒取代有畸变拉长晶粒 纤维状组织消除 3 位错密度大大下降 亚结构和织构消失 4 机械性能 如硬度 强度下降 加工硬化消除 塑性明显提高 5 内应力完全消除 6 电导率显著增大 应力腐蚀抗力提高 应用 中间退火 消除加工硬化 恢复或提高塑性 韧性 以便进一步压力加工和切削 59 3 晶粒长大 冷变形金属在再结晶刚完成时 一般得到细小的等轴晶粒组织 如果继续提高加热温度或延长保