金属的塑性变形课件

第三章金属材料的塑性变形,工程学院田玉琬,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,第一节单晶体和多晶体的塑性变形,塑性变形：金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变形，去除外力后，永远残留的那部分变形。,工程中常利用塑性变形对金属材料进行压力加工。塑性变形：冷/热塑性变形。,一、单晶体的塑性变形单晶体塑性变形方式：滑移、孪生，滑移为主。1.滑移：在外力作用下，晶体的一部分沿着一定晶面(滑移面)和一定方向(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生的相对滑动。,滑移机理：不是滑移面两侧晶体之间的整体刚性滑动，而是晶体内位错线的移动。,滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。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。,不同金属的晶体结构不同，其滑移面和滑移方向的数目和位向不同，一个滑移面和在这个滑移面上的一个滑移方向组成一个“滑移系”。滑移系的数目越多则金属的塑性愈好滑移系数目相同时，滑移方向数越多，越易滑移，塑性越好。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。,2.孪生：晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。,孪生使晶格位向发生改变所需切应力比滑移大得多变形速度极快,接近声速孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。,二、多晶体的塑性变形工程上使用的金属材料大多为不同晶粒组成的多晶体。多晶体的塑性变形较单晶体复杂。多晶体变形是许多晶粒变形的综合结果。晶粒变形仍以滑移和孪生两种方式进行，位错滑移不能越过晶界！晶粒的位向和晶界对多晶体变形有很大的影响。,1.多晶体塑性变形特点局部不均匀性：外力作用下，滑移系处于有利取向的晶粒首先开始变形，然后变形在不同晶粒中逐批发生。整体的均匀化：首批处于软位向的晶粒滑移时，其晶界处堆积越来越多位错，周围硬位向的晶粒所受应力增大，应力集中达到一定程度，另一批晶粒开始变形。,2.多晶体塑性变形的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。为了达到这种协调性，每个晶粒内位错在外力作用下以滑移方式产生塑性变形时，需要临近晶粒作出相应的变形;要求晶粒内和相邻晶粒要有几个滑移系统同时动作才行。所以多晶体塑性变形需要的外力大,且晶界和晶粒取向对滑移起到阻碍作用。,3.晶粒大小对金属力学性能的影响,金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形协调性越好，使在断裂前发生较大的塑性变形。,金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。,细晶强化：细化晶粒提高金属的强度、硬度，改善塑性和韧性。,第二节金属塑性变形对组织性能的影响,1.对力学性能影响加工硬化/形变强化/冷作硬化：材料变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降的现象。,2.对组织形貌影响晶粒变形：随外形改变，晶粒沿变形方向被拉长或压扁。变形的程度愈大，则晶粒形状的变化也愈大。晶界模糊：变形量很大时，晶界变得模糊不清。纤维组织：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。亚结构形成：位错的运动和交互作用，使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。,3.塑性变形产生的残余内应力原因：在外力作用下内部变形不均匀。第一类内应力：金属材料各部分之间而形成的宏观范围内的残余应力。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：由于位错等缺陷的增加，会造成晶格畸变。,塑性变形,加工硬化残余应力,第三节变形后金属的加热变化,冷变形后，加工硬化和残余内应力等缺陷，通过加热改善。1.冷变形金属在加热时的组织和性能变化冷变形后的组织不稳定,加热后原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。,2.回复加热温度较低（0.4熔点以下）时，金属中的一些点缺陷和位错的迁移，而引起的性能变化。物理性能改善，有的可基本回到未变形前的水平；力学性能无明显变化；光学显微镜（500）看不出任何变化。,2.再结晶加热到较高温度(0.4熔点上)时，可以发生晶粒的重组（类似结晶过程）形成新的无畸变晶粒，形核和核长大过程；性能恢复到变形前的状态。,再结晶特点：再结晶过程不是相变：尽管有形核和长大，但晶粒成分结构不变，相不变。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，完成愈快没有固定再结晶温度，但有温度下限，这个最低再结晶温度称为再结晶开始温度通常TR（K）=0.4Tm熔点,3.再结晶长大再结晶完成后，若继续升温或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。,黄铜,第四节金属的冷变形和热变形,冷变形再结晶温度下，热变形再结晶温度上。铅再结晶温度在0以下，在室温下进行变形是属于热变形。铁再结晶温度为450左右，在400进行变形仍属于冷变形。热加工：铸