第三章-金属的塑性加工与再结晶

第三章金属的塑性加工与再结晶,塑性加工（压力加工）：利用金属在外力下所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的生产方法。塑性加工包括锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。,研究意义：通过分析金属在外力作用下的变形过程和机理：了解金属材料强度和塑性的实质，探索金属强化的途径和方法；为制定压加工艺、分析、控制加工件的质量打下基础；,第一节金属的塑性变形,塑性变形：物体的外形尺寸发生了永久变化的变形；一、单晶体的塑性变形塑性变形的方式：滑移、孪生、扭折等；,滑移（主要机理）；孪生（低温或不易滑移的hcp结构金属中）；扭折；高温下：晶界滑动和扩散性蠕变。,一）滑移定义：在切应力作用下，晶体的两部分沿一定的晶面和晶向发生相对的滑动。通过滑移产生的变形叫滑移变形。滑移的特点：不改变晶体的取向；不改变晶体的点阵类型；在晶体表面产生台阶。1、滑移带与滑移线滑移带：光学显微镜观察到的塑变后单晶试样表面形成的滑移条纹。滑移线：组成滑移带的平行线条。,滑移带和滑移台阶,铜中的滑移带500,可见：滑移只集中在一些晶面上，滑移变形是不均匀的。滑移带的数目、宽度、带间距离以及每条带中的滑移线的数目随金属和合金的不同、变形温度、变形速度及晶体表面状况的不同而不同。观察滑移带：试样预先抛光（不腐蚀），进行塑性变形。当滑移至表面时，出现一个个台阶，即滑移带。,2、滑移的晶体学特征滑移面：能够发生滑移的晶面（原子密度最大或次大的晶面）。滑移方向：在滑移面上能够进行滑移的方向（原子密度最大的方向）。原因：原子面密度最大，其面间距a大，原子面间结合力小。位错滑移所需加的临界切应力小，位错易发生移动；,原子排列最密的晶向b小，原子列之间的距离最大，原子列间的结合力最弱。位错滑移所需加的临界切应力小，位错易发生移动；,滑移系：晶体中一个滑移面和其上的一个滑移方向的组合，称为一个滑移系。典型晶体结构的滑移系：面心立方：滑移面1114个，滑移方向3个，滑移系43=12个,体心立方：变形温度为0.50.25Tm，滑移面为110（最可能的）；变形温度为。110有6个，每个面上有2个方向，62=12112有12个，每个面上有1个方向，121=12123有24个，每个面上有1个方向，241=24可能潜在的滑移系共有：12+12+24=48，其中只有前12个滑移系较普遍。,密排六方：c/a1.633：滑移面00011个，滑移方向3个，滑移系13=3c/a1.633：滑移面1010和1011，滑移方向,（）,每个滑移系表示：金属晶体在进行滑移时可能采取的一个空间取向，在其它条件相同时，滑移系越多，滑移时可能采取的空间取向越多，金属的塑性越好。滑移方向对塑性作用大于滑移面。密排六方金属塑性最差，面心立方金属塑性最好，体心立方介于中间。室温下：Zn、Cu、-Fe的塑形为什么不同？,3、滑移所需的临界分切应力尽管晶体中可能存在的滑移系很多，但并非所有滑移系同时参与滑移。滑移面的面积=A/cos外力在滑移方向上的分力为Pcos,外力在滑移面上沿滑移方向的分切应力：=(Pcos)/(A/cos)=(P/A)coscos式中：P/A为正应力；coscos为取向因子。,临界分切应力定律：晶体滑移时，必须在某个滑移面上沿滑移方向上的分切应力达到一个临界值时，才能开始滑移。临界分切应力（K）：使滑移系开始启动所需的最小分切应力。临界分切应力（K）是表示晶体特性的物理量，不随外力方向而变化，只和金属材料的成分、形变温度、形变速度有关。,4、滑移时晶体的转动晶体在单纯切应力作用下进行滑移，当滑移面上同时存在分正应力时，原子面除做相对位移外，还有晶体的转动，使角发生变化。拉伸时：,原因：滑移前外力只作用在轴线上，当发生滑移时，外力将作用在两点上（相对于中间夹层）。将外力分解成滑移面法线方向的正应力1和2以及最大切应力方向的切应力1和2。1和2组成力偶使滑移面向外力轴方向转动。最大切应力方向的切应力1和2又分解为滑移方向上的分切应力1和2以及垂直于滑移方向的1和2。1和2组成力偶使滑移方向向最大切应力方向方向转动。,晶体在滑动的同时，由于正应力组成的力偶的作用，会推动晶体的转动。可见：在拉伸时，晶体的转动力求使作用滑移面转到与力轴平行的方向；使滑移方向转到最大切应力方向。,二）孪生定义：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿特定的晶面、晶向发生一定角度的均匀切变。孪晶：经孪生变形后，发生变形和未发生变形的两部分以它们的界面为镜面，形成的镜象对称的一对晶体。,孪生特点：,孪生变形也是在切应力作用下发生的，孪生所需要的临界分切应力比滑移大；孪生对塑性变形的贡献比滑移小；孪晶与未切变区的晶体形成镜面对称的位向关系；孪生是一种均匀切变，即切变区中每一层原子面相对于孪生面的切变量与离开孪生面的距离成正比；孪生的变形速度极大，常引起冲击波、发出声响。,孪生与滑移的主要区别,二、多晶体的塑性变形多晶体金属的塑性变形与单晶体的本质是一致的，即每个晶粒的塑性变形仍以滑移、孪生等方式进行；但多晶体与单晶体相比有两点不同：相邻的晶粒位向不同；各晶粒之间存在晶界；,所以，多晶体的塑变过程又比单晶体的相对复杂许多。首先：多晶体的塑变受到晶界的阻碍和位向不同的晶粒的影响；其次：任一个晶粒的塑变都需周围的晶粒同时发生相适应的弹性变形来配合（否则形成空隙，最终导致断裂），以保持晶粒之间的结合和整个物体的连续性。,1、多晶体的塑性变形特点：,1.1各晶粒变形不同时发生：,各晶粒位向不同受到的外力不一致，处于有利位向的晶粒先滑移。滑移面上和滑移方向上与外力成45，最易滑移。把这样的位向称为“软取向”。滑移面上和滑移方向上与外力成0、90，不易滑移，把这样的位向称为“硬取向”。,1.2晶界阻碍滑移进行：位错在晶界处受阻（原子排列不规则，点阵畸变严重），形成位错的平面塞积群，造成很大的应力集中；1.3晶粒之间要相互协调变形：相邻的晶粒必须是多系滑移；所以，fcc、bcc的滑移系多，各个晶粒变形协调性好，所以它们的多晶体金属表现出良好的塑性；hcp的滑移系少，所以塑性差；,1.4多晶体变形的不均匀性：由于晶界及相邻晶粒位向的影响：有的晶粒变形大，有的晶粒变形小；一个晶粒内部变形也不均匀，呈现“竹节形”变形，如图所示；晶界（滑移受阻）处变形量小，晶内变形量大,第二节塑性变形对金属组织和性能的影响,塑性变形不仅使材料的外形和尺寸得到改变，而且材料的内部组织和性能也发生变化。1、组织、结构、性能的变化：1.1组织、结构上：1.1.1晶粒变形晶粒外形变化：沿变形方向伸长、纤维组织（晶界模糊、晶粒难以分辨）、带状组织纤维组织：性能呈现各向异性（晶体的力学、物理、化学性能在各个方向是不同的，如纤维方向的强度和塑性明显高于垂直于纤维方向的）；出现滑移带、孪晶；,1.1.2亚结构的变化位错密度增加：亚结构的细化：胞状亚结构：形变量越大，胞块数量越多，尺寸越小，胞块的位向差越大；胞状亚结构对滑移过程的进行有巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著增高；,晶体的塑变是由于位错运动和增殖进行的,大量位错聚集发生交互作用，使原来晶粒碎化成许多位向略有差异的小晶块。,1.1.3形成形变织构（组织状态）形变择优取向：在塑性变形量很大时，伴随着晶粒的转动，各个晶粒的滑移面和滑移方向与变形方向趋于一致，从而使原来取向不相同的晶粒在空间位向上呈现一定的一致性。择优取向后的晶体结构，称为织构，由于它是在形变过程中产生的，故称为“变形织构”；,依据加工方式分类：丝织构：在拉拔时形成，其特征是各晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行；板织构：在轧制时形成，其特征是各晶粒的某一晶面平行于轧制平面，而某一晶向平行于轧制方向；,当出现织构后，多晶体金属就不再表现为等向性，而显示出各向异性。这对材料的性能和加工工艺会产生很大影响。例如当用有织构的板材冲压杯状零件时，因各个方向的变形能力不同，产生“制耳”现象；,1.2性能上的变化：1.2.1加工硬化：定义：随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象；,原因：位错密度的增加；位错之间交互作用，产生割阶，缠结等；晶粒破碎细化，使强度得以提高。,使位错进一步运动阻力增大,优点：提高材料的强度、硬度、耐磨性：、对不能通过热处理提高强度的材料，可利用此方法；、提高零件在使用中的安全性；,1.2.2性能上出现各向异性由于组织上的方向性（晶粒沿变形方向伸长）和结构上的方向性（形变织构），导致性能上的方向性。各向异性对材料成型和使用性能的影响：（1）深冲板材出现“制耳”:各方向上变形不一致。（2）利用织构：变压器硅钢片获得织构，磁感应强度最大，铁损最小。通过冷轧获得（110）001织构的硅钢片，可提高变压器的效率，减少自重，节约钢材。,1.2.3物理、化学性能的变化：电阻升高；金属化学活性增加，耐腐蚀性能下降。1.2.4出现残余内应力：金属材料发生塑性变形时，外力所做的功除大部分转化成热以外，还有一部分（10%）以畸变能的形式储存于变形材料的内部，称为残余内应力。,1）宏观内应力（第一类内应力）：由于金属工件或材料各部分的宏观变形不均匀而引起的，其平衡范围是物体的整个体积；2）微观内应力（第二类内应力）：由于个晶粒或各亚晶粒之间的变形不均匀而产生的，其平衡范围为几个晶粒或几个亚晶粒；3）点阵畸变（第三类内应力）：由于塑变使点阵发生畸变，产生位错、空位，其作用范围在几十至几百纳米范围；,内应力的功与过：、表面残存拉应力，与外加应力叠加，易使工件断裂或变形；、表面残存压应力，可提高零件的使用寿命。如：表面化学热处理，疲劳寿命提高。、促使金属易腐蚀。如深冲后的黄铜弹壳应力腐蚀开裂。,第三节回复和再结晶,一.冷变形金属在加热时的组织和性能变化二.回复三.再结晶四.晶粒长大,金属及合金在塑性变形后，强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这对某些应用是重要的，但却给进一步的冷成型加工（如深冲）带来困难，因此常要将金属加热进行退火，使其性能向塑性变形前的状态转变。,1冷变形金属在加热时的组织和性能变化,显微组织变化随加热温度的提高,冷变形金属发生变化为：回复、再结晶、晶粒长大。t1t2回复阶段,保持原来形状(纤维状)t2t3再结晶阶段,变形晶粒转变为等轴晶粒t3t4晶粒长大阶段,晶粒尺寸发生变化,二.性能变化,力学性能(1)硬度（hardness）和强度（strength）:回复阶段,变化不大,再结晶下降。(2)塑性:回复阶段,变化不大;再结晶阶段上升；粗化后下降。2.物理性能(1)电阻（resistance）:温度升高，电阻率下降。(2)密度（density）:回复阶段变化不大，再结晶阶段上升。3.内应力:回复阶段基本消除完毕宏观应力,而微观应力消除需再结晶后才能完成4.亚晶粒(sub-grain)尺寸（沿垂直于滑移面方向排列并具一定取向差的位错墙，即小角度亚晶界亚晶）:回复前期,尺寸变化不太;接近再结晶时,尺寸显著增大.5.储存能释放（releaseofstoredenergy）:当冷变形金属加热到足以引起应力松驰的温度,储能释放.回复阶段,释放小,再结晶时,释放高峰.,冷变形金属退火时性能变化,2回复,经过冷塑性变形的金属在加热时，在显微组织发生改变前，即在再结晶形核前，所产生的某些亚结构和性能变化的过程。由于金属中的原子、点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内亚结构与和性能变化。如：空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等。回复驱动力为形变储存能在回复阶段，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，电阻率显著下降。,回复的应用：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，因此，这种热处理方法称为去应力退火。通过退火，使工件的残余内应力降低，避免工件变形开裂，改善耐蚀性，降低电阻率，改善塑、韧性，为下一步变形做准备。,通过去应力退火既具有降低金属残余内应力又有保持加工硬化性能的作用。,3再结晶,再结晶-经冷塑性变形的金属在加热到一定温度时，在原来变形金属或合金的显微组织中，产生无畸变的新晶粒（等轴晶），新晶粒不断长大，直至原来的变形组织完全消失,金属或合金的性能也发生显著变化。驱动力为回复后未被释放的变形储存能。再结晶也是形核与核长大的过程。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。,3再结晶,特点：1）与回复不同，再结晶后变形组织不再存在；2）加工硬化现象消除，变形储存能充分释放，强度、硬度降低、塑性、韧性提高，最终回到冷变形前的状态。,再结晶不是一个恒温过程：自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程。再结晶温度(TR)：冷变形金属开始进行再结晶最低温度。,T再（0.350.45）Tm（或T再0.4Tm）,(1)影响再结晶温度的因素,1.变形程度越大，再结晶温度越低：变形度增大,储存能大,再结晶驱动力大,TR低。2.原始晶粒尺寸越小，再结晶温度越低：其它条件相同时，金属原始晶粒细小，冷变形抗力增加，变形后储存能高，则TR越低。3.再结晶加热速度和时间的影响：提高加热速度使再结晶推迟到较高温度发生；延长加热时间，原子充分扩散，TR降低。4.金属的纯度越高，再结晶温度越低：溶质原子偏聚于位错和晶界处，对位错的滑移和攀移及晶界的迁移起阻碍作用,从而提高了再结晶温度TR。,3再结晶,再结晶的应用：将冷变形金属加热到规定温度，并保温一定时间，然后缓慢冷却到室温的热处理工艺叫再结晶退火。通过再结晶退火：,（1）消除冷变形加工硬化，利于继续加工，软化金属；（2）消除内应力，降低硬度，提高塑性。,(2)再结晶后晶粒大小,1.变形程度的影响变形度很小时，不发生再结晶，晶粒尺寸为原始晶粒尺寸；临界变形度时，再结晶晶粒特别粗大，一般金属c=210%;,影响再结晶后晶粒大小的因素：,变形度大于c时，驱动形核与长大的储存能增大,且形核率增加更快,再结晶后晶粒细化,变形度越大，晶粒越细。变形度90%以上时，某些金属还会出现晶粒的异常长大，即二次再结晶。,加热温度与晶粒尺寸,2.退火温度和时间T升高，晶粒粗化。3.原始晶粒尺寸当变形度一定时，原始晶粒越细，再结晶晶粒越小。4.微量溶质原子和杂质元素一般都能起细化再结晶晶粒的作用。,4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