第三章金属的塑性变形与再结晶ppt课件

1、第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形第二节第二节 冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形对金属组织和性能的影响第三节第三节 冷塑性变形后的金属在加热时组织和冷塑性变形后的金属在加热时组织和 性能的变化性能的变化第四节第四节 金属的热变形加工金属的热变形加工金属经熔炼浇注成铸锭以后，通常要进行各种塑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，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、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

2、件毛坯或零件，并可板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件，并可以消除铸造过程中的某些缺陷。以消除铸造过程中的某些缺陷。压力加工的实质就是塑性变形。压力加工的实质就是塑性变形。退火低碳钢的力退火低碳钢的力伸长量曲线伸长量曲线E ES SB BK K伸长量伸长量l/mml/mmO O拉伸力拉伸力F/NF/NFeFeFsFsFbFb弹性变形屈服塑性变形缩颈断裂1.1.弹性变形阶段弹性变形阶段2.2.屈服阶段屈服阶段3.3.变形强化阶段变形强化阶段4.4.形成缩颈，局部变形阶段形成缩颈，局部变形阶段 塑性变形及随后的加热对塑性变形及随后的加热对金属材料组织和性能有显著的金属材料组织和性能有显著的影响。影

3、响。 了解塑性变形的本质，塑了解塑性变形的本质，塑性变形及加热时组织的变化，性变形及加热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，有助于发挥金属的性能潜力，正确制订加工工艺。正确制订加工工艺。5 5万吨水压机万吨水压机第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形 单晶体受力后，外单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。解为正应力和切应力。正应力正应力切应力切应力晶体内部晶格位向原子晶体内部晶格位向原子排列方向完全一致的晶排列方向完全一致的晶体为单晶体体为单晶体第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形l 正应力只能引起弹性

4、变形及拉断晶体。正应力只能引起弹性变形及拉断晶体。l 只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。外力在晶面上的分外力在晶面上的分解解切应力作用下的变形切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片塑性变形有两种形式：塑性变形有两种形式：滑移和孪生。滑移和孪生。在多数情况下，金属在多数情况下，金属的塑性变形是以滑移的塑性变形是以滑移方式进行的。方式进行的。1. 1. 滑移滑移 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。弹性歪扭弹性歪扭塑性变形

5、塑性变形滑移）滑移）F 因原子密度最大的晶面和晶向之间原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，产生滑移子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。所需切应力最小。 沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。滑移面和滑移方向。1 1滑移变形的特点滑移变形的特点 ： 滑移只能在切应力的作用下发生。滑移只能在切应力的作用下发生。 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。滑移时，晶体两部分的相对位移量是滑移时，晶体两部分的相对位移量是 原子间距的整数倍。原子间距的整数倍。 滑移的结果在晶体表面

6、形成台阶，称滑移线，若干滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。条滑移线组成一个滑移带。 滑移带和滑移线示意图滑移带和滑移线示意图铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带 滑移的同时伴随着晶体的转动。滑移的同时伴随着晶体的转动。原因是晶体发生滑移后，原因是晶体发生滑移后，作用于试样两端的拉力作用于试样两端的拉力不再处于同一轴线上，不再处于同一轴线上，因此产生一个力矩迫使因此产生一个力矩迫使滑移面转动。转动的结滑移面转动。转动的结果，使滑移面趋向与拉果，使滑移面趋向与拉伸轴平行。滑移产生转伸轴平行。滑移产生转移，晶体产生大量塑性移，晶体产生大量塑性变形。变形。多多 脚

7、脚 虫虫 的的 爬爬 行行2 2滑移的机理滑移的机理 滑移是通过滑移面上位错的运动滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。来实现的。2 2、孪生、孪生 孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一孪生是指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。部分所发生的切变。 发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。面称孪生面。 孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。与滑移相比：与滑移相比：孪生使晶格位向发生改变；孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多；所需切应力比滑移大得多；孪

8、生时相邻原子面的相对位移孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。量小于一个原子间距。 多晶体与单晶体的区别在于：多晶体是有不同多晶体与单晶体的区别在于：多晶体是有不同位向的晶粒组成，且各晶粒间存在晶界。位向的晶粒组成，且各晶粒间存在晶界。 单个晶粒变形与单晶体相似，因此，只要研究单个晶粒变形与单晶体相似，因此，只要研究晶粒位向和晶界在多晶体塑性变形中的作用即可。晶粒位向和晶界在多晶体塑性变形中的作用即可。二、多晶体金属的塑性变形二、多晶体金属的塑性变形1 1、晶界的影响、晶界的影响阻碍滑移阻碍滑移塑性变形抗力提高。塑性变形抗力提高。当位错运动到晶界附近时，由于当位错运动到晶界附近时，由于

9、晶界处晶界处的原子排列紊乱，缺陷和杂质多，的原子排列紊乱，缺陷和杂质多，能量能量高，对位错的滑移起阻碍作用。高，对位错的滑移起阻碍作用。受到晶界的阻碍的位错堆积起来，受到晶界的阻碍的位错堆积起来，称位称位错的塞积。要使变形继续进行，错的塞积。要使变形继续进行，则必须则必须增加外力，从而使金属的塑性变增加外力，从而使金属的塑性变形抗力形抗力提高。提高。Cu-4.5AlCu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积双晶粒拉伸试验示意图双晶粒拉伸试验示意图变形前变形前变形后变形后2 2、晶粒位向的影响、晶粒位向的影响塑性变形抗力提高塑性变形抗力提高 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑由于

10、各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。由于晶发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。力提高。 3 3、金属的晶粒越细小，晶界越多，变形阻力越大，强、金属的晶粒越细小，晶界越多，变形阻力越大，强度提高。度提高。第二节第二节 冷塑性变形对组织和性能的影响冷塑性变形对组织和性能的影响 一、形成纤维组织，性能趋于各向异性一、形成纤维组织，性能趋于各向异性 金属发生塑性变

11、形时，不仅外形发生变化，而且其内部金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒的晶粒也相应地被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状或纤维状变成细条状或纤维状纤维组织。纤维组织。 纤维组织的出现造成材料在不同方向上表现出不同的力纤维组织的出现造成材料在不同方向上表现出不同的力学性能学性能( (各向异性各向异性) )，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于垂，一般沿纤维方向的强度和塑性远大于垂直方向。直方向。(c) 变形变形80%(b) 变形变形40%(a) 变形前变形前二、产生冷形变强化二、产生冷形变强化 随着塑性变形量的增加，金属的强

12、度、硬随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为冷形度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为冷形变强化或加工硬化。变强化或加工硬化。 1 1一种重要的强化手段，对不能用热处理方法强化的一种重要的强化手段，对不能用热处理方法强化的 合金如铝铜或不锈钢等单相合金尤其重要，加合金如铝铜或不锈钢等单相合金尤其重要，加 工硬化是提高强度的有效方法；工硬化是提高强度的有效方法； 2 2是工件能够用塑性变形方法成形的重要原因；是工件能够用塑性变形方法成形的重要原因； 3 3金属具有较好的变形强化能力，具有防止短时超载金属具有较好的变形强化能力，具有防止短时超载 断裂能力，保证构件安

13、全性；加工硬化给金属的继断裂能力，保证构件安全性；加工硬化给金属的继 续变形造成了困难续变形造成了困难 4 4）塑性，塑性，切削性能切削性能 不利：塑性变形困难，给进一步变形带来困难不利：塑性变形困难，给进一步变形带来困难 中间退火中间退火消除消除 如冷压成型时，材料强度提高，所需动力增加，而且被如冷压成型时，材料强度提高，所需动力增加，而且被加工的材料塑性随变形程度的增加而降低，若强力使其加工的材料塑性随变形程度的增加而降低，若强力使其变形则会断裂，因而应进行退火处理。变形则会断裂，因而应进行退火处理。 意意 义：义： 由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度（由于晶粒的转动，当塑性变形达到一

14、定程度（70%70%）时，会）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。称织构或择优取向。 形变织构使金属呈现各向异性。多数情况下都不利，织构可形变织构使金属呈现各向异性。多数情况下都不利，织构可提高硅钢片的导磁率。提高硅钢片的导磁率。三、形成变形织构三、形成变形织构四、产生残余应力四、产生残余应力第一类内应力第一类内应力宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；第二类内应力第二类内应力微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均；微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均；第三类内应力第三类

15、内应力超微观，晶格畸变（超微观，晶格畸变（90%90%），材料产生强化），材料产生强化 内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时, , 内内部变形不均匀而引起的。部变形不均匀而引起的。内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬火过程内应力的存在，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。火处理，以消除或降低内应力。第三节第三节 冷塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化冷塑性变形后的金属在加热时组织和性能

16、的变化 金属经冷变形后金属经冷变形后, , 组织处于不稳定状态组织处于不稳定状态, , 有自发恢复到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。发生回复、再结晶和晶粒长大。 加热温度加热温度 黄铜黄铜 一、回复 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、电阻率等显著下降。 工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，以降低残余应力，又保留加工硬化效果。这种热

17、处理方法称去应力退火。二、再结晶二、再结晶 当变形金属被加热到较当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒生变化，由破碎拉长的晶粒变为新的均匀、细小、完整变为新的均匀、细小、完整的等轴晶粒。这种冷变形组的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。发生再结晶过程称再结晶。发生再结晶的最低温度称再结晶温度。的最低温度称再结晶温度。T T再再=0.4T=0.4T熔熔铁素体变形铁素体变形80%80%650650加热加热670670加热加热变形金属发生再结晶后，其强

18、度和硬度明显降低，塑性和韧性大大变形金属发生再结晶后，其强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除。工业生产中，把消除加工硬化的热处提高，加工硬化现象被消除。工业生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度常比再结晶温度高理称为再结晶退火。再结晶退火温度常比再结晶温度高100 200100 200。 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。再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。580580C C保温保温3 3秒后的组织秒后的组织580580C C保温

19、保温4 4秒后的组织秒后的组织580580C C保温保温8 8秒后的组织秒后的组织冷变形冷变形( (变形量为变形量为38%)38%)黄铜的再结晶黄铜的再结晶l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，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。晶粒的长大是通过晶界迁移晶粒长大，这是一个自发的过程。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度，尤其是塑性和韧性降低 。580580C C保温保温8 8秒后的组织秒后的组织580580C

20、 C保温保温1515分后的组织分后的组织700700C C保温保温1010分后的组织分后的组织黄铜再结晶后晶粒的长大黄铜再结晶后晶粒的长大四、四、 影响再结晶后晶粒尺寸的主要因素：影响再结晶后晶粒尺寸的主要因素：1.1.加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响加热温度越高，时间越长，加热温度越高，时间越长，晶粒便越大。晶粒便越大。2.2.变形度的影响变形度的影响 当变形度达到当变形度达到2%2%10%10%时，时，金属中变形极不均匀，金属中变形极不均匀，只有部分晶粒发生变形，只有部分晶粒发生变形，形成的再结晶晶核少，形成的再结晶晶核少，可以充分长大，从而造成可以充分长大，从而造成再结晶后的晶粒特别粗大。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。使金属获得粗大的再结晶晶粒的变形度称为临界变形度。 再结晶退火温度对晶粒度的影响再结晶退火温度对晶粒度的影响第四节第