第6章 金属的塑性变形123.ppt

6.1金属及合金的冷塑性变形6.2塑性变形对金属组织和性能的影响6.3塑性变形金属在加热时组织和性能的变化6.4金属的热加工,第6章金属及合金的塑性变形和再结晶,6.1金属的塑性变形,e、s、b：强度指标。是机械零件强度设计的依据，表征材料对变形的抵抗力。、：塑性指标，表征材料塑性变形的能力。,低碳钢的应力应变曲线,应力应变曲线和力学性能指标,6.1.1单晶体的塑性变形,6.1.1.1滑移（1）现象表面抛光的单晶体，变形后在光学显微镜下观察：抛光表面有许多平行线条滑移带；在电子显微镜下观察：每条滑移带由更细的滑移线群组成。,滑移带和滑移线,滑移带和滑移线的结构示意图,滑移线的实质：,晶体的一部分相对于另一部分沿着晶面发生平移滑动后，在晶体表面留下的台阶。证据：X射线衍射分析表明，变形后晶体结构类型并未改变，滑移线两侧的晶体取向也未改变。而且，晶体滑移是不均匀的，滑移集中在某些晶面上，而相邻两条滑移线之间的晶体并未滑移。,（2）滑移系,滑移系：一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。滑移面：通常是原子排列最密集的晶面。(相邻晶面的面间距最大，结合力弱）滑移方向：也是原子排列最密集的晶向。(原子间距最小，滑移距离最短，阻力最小)。在其他条件相同时，滑移系越多，滑移过程可能采取的空间取向越多，塑性越好。,滑移系与金属塑性的关系：滑移系数目越多，金属塑性越好。滑移方向的作用要比滑移面的作用大。面心立方金属的塑性最好，密排六方金属的塑性最差。,（3）滑移在切应力作用下发生,正应力：晶格先产生弹性变形，随后被拉断；切应力：晶格先产生剪切弹性变形，当切应力超过剪切强度时，晶面两侧的晶体发生相对滑移，在新位置上重新处于稳定状态。,在正应力作用下的变形,在切应力作用下的变形,（4）滑移的临界分切应力,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：k=scoscosm=coscos取向因子。,临界分切应力的大小，主要取决于金属的本性，与外力无关。条件一定，晶体的临界分切应力有确定值。但它是一个组织敏感参数，金属的纯度、变形速度和温度、金属的加工和热处理状态都对它有很大影响。,取向因子,对任何角，若滑移方向位于外力P与滑移面法向所组成的平面上，即+=90，则沿此方向的值较其它时大，此时：coscos=cos(90-)cos=1/2sin2，故：软取向：当=45时，m=1/2，为最大值，则s最小，最有利于滑移；硬取向：=90或=0时，s，即外力与滑移面平行或垂直，晶体无法滑移。,镁晶体拉伸的屈服应力与晶体取向的关系,（5）滑移时晶面的转动,晶体在滑移时，除了在滑移面上进行相对位移外，晶体还将发生转动。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。,晶体转动示意图,结果：拉伸时，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。,晶体在压缩时的晶面转动,单晶体拉伸时的晶面转动,（6）滑移的位错机制,实测临界分切应力：Al111:0.79MPa,Cu111:0.89MPaFe110:27.44MPa,Nb110:33.8MPa按刚性滑动的理论计算值：Al：3830MPa，Fe：10960Mpa。,在切应力作用下原子层刚性滑移示意图,原因：,滑移是位错在滑移面上运动的结果。一个位错移出晶体，产生一个柏氏矢量的台阶，大量位错滑过晶体，在表面形成滑移线。,通过位错运动造成滑移的示意图,原子的移动：在外加切应力作用下，位错中心附近的原子沿切应力方向作少量移动(70%）的金属，经1小时退火能完全再结晶(或再结晶体积分数95%)的最低温度。纯金属：T再0.350.45T熔（单位：K）,某些工业纯金属的再结晶温度,0,0,铁和铝的开始再结晶温度与预先冷变形程度的关系a电解铁；bAl（99%）,6.3.3再结晶后的晶粒长大,晶粒长大过程是金属加热时出现的普遍现象。晶粒长大在热力学上是自发过程，只要动力学条件允许，都会发生晶粒长大。再结晶完成后，继续升温或延长保温时间，都会使晶粒继续长大。根据再结晶后晶粒长大的特性，可分为两类：正常长大：大多数晶粒长大速率相差不多，几乎是均匀长大。异常长大(二次再结晶)：少数晶粒突发性的不均匀的长大。,晶粒的异常长大,二次再结晶现象：已再结晶的少数晶粒突然异常长大。好象在再结晶后均匀、细小的等轴晶粒中又重新发生了再结晶。其实，二次再结晶无形核过程，只是一次再结晶形成的某些少数晶粒，其长大速率比绝大多数晶粒的长大速率快得多，吞并了其它晶粒而迅速长大，且越长越快。发生二次再结晶的原因：正常晶粒长大过程被分散相粒子、织构等强烈阻碍，使能够长大的晶粒尺寸比无阻碍时大，而能够长大的晶粒数目少，一旦阻碍消失，少数晶粒迅速长大。,晶粒异常长大过程时间t1t2t3,Fe-3%Si合金在1100退火组织（a）异常长大前（5min）；（b）异常长大后（20min）,二次再结晶的影响：,二次再结晶会形成非常粗大的晶粒及很不均匀的组织，从而降低材料的强度和塑、韧性，还会降低再次冷加工工件的表面粗糙度。因此，在制定冷变形金属材料的再结晶退火工艺时，应注意避免发生二次再结晶。但对于某些磁性材料如硅钢片，可利用二次再结晶获得粗大晶粒，以改善其磁性能。,6.3.4再结晶的应用及其组织控制,3.3.4.1再结晶退火：金属再结晶新的无应变的细小等轴晶粒塑性变形所导致的各种性能改变消失材料的性能恢复到冷变形前的水平。再结晶退火：将冷变形金属加热并保温一定时间使之完成再结晶后缓慢冷却到室温的热处理工艺。其应用有：中间退火：目的是消除冷变形金属的加工硬化效果及内应力，恢复塑性，便于继续冷加工。最终退火：细化晶粒，改善显微组织。再结晶退火工艺：加热温度高于再结晶温度，保温12小时，缓冷至室温。,6.3.4.2再结晶图,再结晶图：再结晶退火后的晶粒大小与冷变形度及退火温度间关系的三维图形。可用作制定生产工艺规范的参考依据。图中有两个粗晶区：临界变形区；二次再结晶区。对于一般结构材料，制定变形及退火工艺时，应避开这两个区域。,6.4金属的热加工,6.4.1热加工与冷加工热加工：金属在再结晶温度以上的加工变形。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。动态回复：材料在变形过程中发生的回复。动态再结晶：材料在变形过程中发生的再结晶。冷加工：形变时只发生加工硬化的加工变形。冷、热加工不能以加工温度的高低来区分，而应根据其再结晶温度来判定。,例：钨，T再=1200，1000的加工仍属冷加工；而铅，T再15，20时的加工变形应属热加工。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，动力消耗减少。,6.4.2热加工对金属组织和性能的影响,6.4.2.1改善铸锭组织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，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。,WC=0.3%的碳钢铸态和锻态力学性能比较,6.4.2.2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。,流线方向对45钢力学性能的影响,低碳钢热加工后的流线,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。(a)流线分布正确，(b)不正确。易受疲劳剥蚀的零件，应尽量使流线与工作表面平行，不在工作表面露头。(轴承套圈)受力复杂零件，不要有明显的流线分布，则镦粗和拔长结合。,曲轴流线分布,6.4.2.3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。,热轧低碳钢板的带状组织100,带状组织对材料的力学性能影响,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；高温扩散退火消除偏析；消除方法：正火。,6.4.3热加工金属的组织控制控轧控冷,热变形后要获得细小的晶粒组织，需控制其终止温度、最终变形量和热变形后的冷却速度。4.3.3.1热加工温度范围始锻温度：低于固相线100200。终锻温度：0.6Tm。4.3.3.2变形量不在二次再结晶和临界变形度范围内加工。4.3.3.3锻后冷却锻后慢冷，晶粒粗化。控轧控冷：采用低的终止温度、大的最终变形量和快的冷却速度，可得到细小晶粒。加入微量合金元素，阻碍热变形后的静态再结晶和晶粒长大，也是细化晶粒的有效措施。,练习题（1）,一、名词解释热加工加工硬化滑移固溶强化弥散强化再结晶二、判断1、变形金属再结晶后，其晶格类型和晶粒形状都改变了。2、提高奥氏体不锈钢强度的有效途径是冷塑性变形。3、细晶粒金属的强度高但塑性较差。4、金属铸件的粗大晶粒，可以通过再结晶退火细化。5、由于溶质原子对位错运动具有阻碍作用，因此造成固溶体合金的强度和硬度提高。6、热加工和冷加工的本质区别在于前者不产生加工硬化。7、金属的晶界是面缺陷。晶粒愈细，晶界愈多，金属的性能愈差。8、晶界是一种面缺陷，所以晶界面积越大，金属的机械性能越差。9、固溶体的强度、硬度一定比溶剂金属的强度、硬度高。10、滑移变形不会引起金属的晶体结构发生变化。11、要提高奥氏体不锈钢的强度，只能采用冷塑性变形予以强化。12、细晶粒金属的强度硬度较高，但塑性韧性较差。13、提高铁素体不锈钢强度的有效途径是冷塑性变形。,练习题（2）,三、选择1、室温下冷拉纯Sn，使之变形70%，问能否产生加工硬化？(纯Sn的熔点为232)（）a.能b.不能c.略有加工硬化d.不能肯定2、多晶体的晶粒越细小，则其（）a.强度越高，塑性越好b.强度越高，塑性越差c.强度越低，塑性越好d.强度越低，塑性越差3、钢丝在室温下反复弯折，会越弯越硬，直至断裂，而铅丝在室温下反复弯折，则始终处于软态，其原因是（）a.Pb不发生加工硬化，不发生再结晶，Fe发生加工硬化，不发生再结晶；b.Fe不发生加工硬化，不发生再结晶，Pb发生加工硬化，不发生再结晶；c.Pb发生加工硬化，发生再结晶，Fe发生加工硬化，不发生再结晶；d.Fe发生加工硬化，发生再结晶，Pb发生加工硬化，不发生再结晶；4、某工厂用冷拉钢丝绳吊运出炉的热处理工件去淬火，钢丝绳承载能力远远超过工件的重量，但在工件吊运过程中，钢丝绳却发生拉长断裂，其断裂原因是由于钢丝绳