机械工程材料-ch3金属的塑性变形与再结晶.ppt

金属经熔炼浇注成铸锭以后，通常要进行各种塑性加工，,如轧制、挤压、冷拔、锻压、冲压等，以获得具有一定形状、,尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯,或零件。,第三章金属的塑性变形与再结晶,第一节金属的塑性变形,一、金属单晶体塑性变形的实质产生了滑移,刚性滑移模型,1、滑移与滑移带,滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部分发生的滑动。,滑移定义,2、滑移系,滑移是沿着特定的晶面(称为滑移面slipplane)和晶向(称为滑移方向slipdirection)上运动。一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系（slipsystem）。滑移系表示晶体在进行滑移时可能采取的空间取向。,滑移系主要与晶体结构有关。晶体结构不同，滑移系不同；晶体中滑移系越多，滑移越容易进行，塑性越好。,结论:滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列的最密排面和最密排晶向。,每一种晶格类型的金属都有特定的滑移系，且滑移系数量不同。如：fcc中有12个,bcc中有48个，hcp中有3个。,3、滑移的特点,滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）进行。,滑移只能在切应力的作用下发生。,滑移的同时必然伴随有晶体的转动，转动的结果，使滑移面趋向与拉伸轴平行。,滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍。滑移是通过位错的运动来实现的。,4、位错运动滑移模型,位错蚀坑,刃型位错的滑移模型,螺型位错的滑移模型,金属单晶体塑性变形的实质是在剪切应力作用下位错连续运动，使金属沿一定滑移面和滑移方向发生位移。,二、实际金属的塑性变形,1.不均匀的塑性变形过程,多晶体金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过程,2.晶粒间位向差阻碍滑移在多晶体中晶粒间有位向差，使变形不能同时进行。当一个晶粒发生塑性变形时，周围的晶粒如不发生塑性变形，则必须要产生弹性变形来与之协调配合，就意味着增大了晶粒变形的抗力，阻碍滑移的进行。,3.晶界阻碍位错的运动在多晶体中存在晶界，其原子排列不规则，当位错运动到这一区域附近时将会受到晶界的阻碍而堆积起来，形成位错塞积。欲使变形继续进行，就必须要增加外力，即变形抗力增大。金属晶粒越细，同体积的晶界越多，因而变形抗力越大，金属的强度越大。,2.冷塑性变形对金属组织结构和性能的影响,1.纤维组织形成金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成所谓纤维组织。,一、冷塑性变形对金属组织结构的影响,2.晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力及亚晶粒金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。,3.形变织构的产生由于塑性变形过程中晶粒的转动，当变形量达到一定程度（70%以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。,织构现象,1、加工硬化,金属发生冷塑性变形时，由于其组织的变化，会造成变形程度增加，硬度上升，而塑性下降的现象。,二、冷塑性变形对金属性能的影响,产生加工硬化的原因是:,(1)随变形量增加,位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加.,(2)亚结构细化,(4)几何硬化：由晶粒转动引起,(3)空位密度增加,微观内应力（第二类内应力）：晶粒间或晶粒内各亚晶粒间变形不均而形成的内应力。占总应力的10左右。,2、物理化学性能的变化,塑性变形后使得金属的某些物理、化学性能发生变化，如电阻增大，耐蚀性降低。,3、变形引起内应力三类内应力,宏观内应力（第一类内应力）：各部分变形不均而引起宏观范围的残余应力。占总应力的1左右。,晶格畸变（第三类内应力）：产生大量位错和空位而引起晶格畸变形成内应力，占总应力的90左右。,内应力的存在，使金属耐蚀性下降，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,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。,一、回复,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。,温度：T回（0.25-0.3）T熔,组织：无明显变化，晶格扭曲得到消除,性能：无明显变化，加工硬化得到部分消除,3.回复与再结晶,二、再结晶,发生加工硬化的金属在较高温度时，会进行晶粒的重新生成，从而可以完全消除加工硬化。,温度：T回(0.35-0.4)T熔,组织：晶粒重新生成,性能：强度、硬度降低，韧性、塑性提高，加工硬化消除,三、晶粒长大T回0.4T熔,晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低。,当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。,晶粒长大的仿真模拟动画,回复、再结晶和晶粒长大过程,四、影响再结晶温度的主要因素1、金属的预先变形程度金属的预先变形程度越大，其晶体缺陷就越多，组织越不稳定，因而再结晶温度便越低。当预先变形程度达到一定数值之后，再结晶温度趋于定值。,2、金属的纯度金属中存在的微量杂质和合金元素，特别是那些高熔点元素，常常会阻碍原子的扩散和迁移，可显著提高金属的再结晶温度。3、加热速度和保温时间提高加热速度会使再结晶温度被推迟到较高温度下发生。而保温时间越长，再结晶温度越低。,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。,1.加热温度和时间的影响加热温度越高，时间越长，晶粒便越大。2.预先变形程度的影响当变形度达到2%10%时，金属中变形极不均匀，只有部分晶粒发生变形，形成的再结晶晶核少，可以充分长大，从而造成再结晶后的晶粒特别粗大。使金属获得粗大的再结晶晶粒的变形度称为临界变形度。,五、影响晶粒长大的因素,4.金属的热塑性加工,1.改善钢锭的组织和性能表层细晶粒区柱状晶区中心等轴晶区2.细化晶粒热加工使得变形晶粒内部不断发生回复和再结晶，周而复始可使得晶核数目增多，晶粒得到细化。3.形成纤维组织热加工可使得钢锭中粗大的枝晶核铸态组织的夹杂物沿着