6西华大学-工程材料-期末考试总复习-金属及合金的塑性变形和再结晶

6金属及合金的塑性变形与再结晶6.1金属的塑性变形6.2塑性变形对金属组织和性能的影响6.4塑性变形金属在加热时组织和性能的变化6.5金属的热加工,1.单晶体的塑性变形,单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。塑性变形的方式：滑移和孪生。（1）滑移滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）上的一定晶向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动的现象。,塑性变形及随后的加热对金属材料组织和性能有显著的影响。,6.1金属的塑性变形,滑移变形的特点：滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。临界分切应力：滑移开始时，在滑移面上沿滑移方向的分切应力。滑移面上的分切应力：滑移开始时，宏观上金属开始屈服，则：0=scoscosm=coscos取向因子(施密特因子)。,对任何角，若+=90，则沿此方向的值较其它时大，此时：coscos=cos（90-）cos=1/2sin2，故：当=45时，m=1/2，为最大值，则s最小，最有利于滑移称为软取向；=90或=0时，s，即外力与滑移面平行或垂直，晶体无法滑移，称为硬取向。,滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的刚性滑动，而是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。在切应力作用下，一个多余半原子面从晶体一侧运动到另一侧运动，即位错自左向右移动时，晶体产生滑移。由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量，因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上原子间距的整数倍。,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和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。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，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而金属的塑性，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。,滑移时晶体伴随有转动。,滑移前：外力作用在oo轴线上，滑移后：外力分别作用在o、o上，构成一对力偶，使晶体发生转动。转动的结果使晶体的位向发生改变，软、硬位向发生交替，使参与滑移的滑移系发生改变，从而使晶体均匀变形。结果：使滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴。压缩时使滑移面逐渐趋于与压力轴线垂直。,（2）孪生孪生是指在切应力作用下晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面）和晶向（孪生方向）相对于另一部分所发生的切变。发生切变的部分称孪生带或孪晶，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。,与滑移相比：孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多,只在滑移很难进行的情况下才发生;孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。,晶界原子排列较不规则，当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。晶粒小晶界多变形抗力大强度，硬度(细晶强化)。多晶体中各相邻晶粒位向不同。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向（软位向），另一些晶粒处于硬位向。软位向晶粒先开始滑移，当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其他晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步变形。晶粒小变形分散，应力集中小塑性，韧性。,2多晶体金属的塑性变形,6.2塑性变形对金属组织和性能的影响,(1)晶粒拉长，纤维组织各向异性(沿纤维方向的强度、塑性最大）,变形10%100,变形40%100,变形80%纤维组织100,工业纯铁不同变形度的显微组织,（3）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，这种现象称织构或择优取向。,晶粒拉长，但未出现织构。,晶粒拉长，且出现织构。,（2）亚结构形成位错运动的同时会产生位错的增殖，导致位错密度增大（增殖）和交互作用，产生位错堆积和缠结，形成胞状结构，使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块，而在晶粒内产生亚晶粒。,（4）加工硬化（形变强化强化材料的手段之一）,加工硬化的原因塑性变形位错密度增加，相互缠结(亚晶界)，运动阻力加大变形抗力。,金属在冷变形时，随变形度的增大，强度、硬度，塑性、韧性。,P21，图1-17,由于加工硬化,使已变形部分发生硬化而停止变形,而未变形部分开始变形。没有加工硬化,金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。,（5）塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大，耐腐蚀性降低。（6）残余内应力是指平衡于金属内部的应力。由金属内部不均匀变形引起。,内应力分为三类：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。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。残余内应力的危害耐蚀性，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。但有时零件表面有残余压应力时，可提高疲劳强度。,6.4塑性变形金属在加热时组织和性能的变化,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。但在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可长时间维持。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。,1.回复(去应力退火)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。位错和点缺陷大大，而晶粒仍保持变形后的形态，变形金属的显微组织不发生变化，内应力、电阻率等显著，强度、硬度略有，塑性略有提高。回复温度=（0.250.3）T0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。,2.再结晶（再结晶退火）当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大：通过重新形核、长大，生成新的等轴晶粒，晶格类型不变。由于再结晶后组织的复原，加工硬化消除强度、硬度大大，塑性、韧性大大。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。,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。最低再结晶温度TR纯金属TR=（0.40.35）T0合金TR=（0.50.7）T0温度单位：绝对温度(K)TR与下列因素有关：预变形度：如右图。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。金属的熔点：T0越高，TR越高。杂质和合金元素：特别是高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用，显著提高TR。加热速度和保温时间：加热速度提高则TR提高，保温时间越长则TR越低。,再结晶后的晶粒度,影响因素：加热温度T，保温时间t晶粒直径D。预变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响：当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶；当变形,达到210%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；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；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。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100200。,3.晶粒长大,变形80%,工业纯铁再结晶退火显微照片100,变形80%600退火8小时,变形80%400退火8小时,再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生晶界迁移、大晶粒吞并小晶粒的过程，晶粒合并长大，这是一个自发的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低。,6.5金属的热加工和冷加工,1金属的热加工及其对组织和性能的影响,热加工：金属在再结晶温度以上的塑性变形加工。实质：变形中加工硬化与动态软化同时进行的过程。动态软化包括：动态回复和动态再结晶。热加工时，有动态软化可以消除加工硬化(至少部分消除)，因此热加工中金属一直保持较高的塑性，可连续地进行大变形量加工。主要用于截面尺寸较大、变形量较大的产品，以及脆性较大的金属材料。温度高，流变强度下降，形变阻力小，动力消耗较少。,热加工对金属组织和性能的影响：,提高材料（铸锭）致密性和力学性能：热加工可消除铸造材料中的某些缺陷，如焊合气孔、疏松；部分消除偏析；打碎粗大的柱状晶和树枝晶；改善夹杂物或脆性相的形态与分布，提高材料的致密性，成分均匀，细化晶粒，提高材料的力学性能，特别是塑、韧性比铸态有显著提高。受力复杂，负荷较大的重要工件，都要经过热加工。形成流线，使材料出现各向异性：流线：夹杂物、第二相、偏析等沿变形方向分布，在经浸蚀的宏观磨面上出现的纤维组织。顺流线方向性能高(特别是塑、韧性)，垂直于流线方向性能较差。受力简单的零件，热加工时应使流线与零件工作时受到的最大拉应力方向一致，而与外加的切应力和冲击方向相垂直。,形成带状组织,带状组织：在经过压延的金属材料中常常出现的组织。加工时存在两相，两个相都沿变形方向伸长，在纵切面上形成两相相间的条带状组织。1Cr13：白色相，铁素体；黑色相，由奥氏体转变成的珠光体。Cr12：白色碳化物颗粒成带状分布，黑色基体为珠光体。由偏析造成的，压延时偏析区沿变形方向伸长成条带状，冷却时偏析区成分不同，转变成的组织不同。亚共析钢中，枝晶间富P、Si等，提高GS温度，先共析F在此形核长大(白色区)，F析出后，使C向两侧扩散，富C区随后转变为P。非金属夹杂物也会在加工中被拉长(或碎成小粒成串链状)，先共析F通常会依附于它们而析出，形成带状组织。带状组织也使材料的力学性能产生方向性，特别是横向塑、韧性降低。防止方法：不在两相区变形；高温扩散退