金属材料物理性能 金属的变形与强化

1、第四章第四章 金属的变形与强化金属的变形与强化 在工业生产中在工业生产中, 许多金属零件都要经过压力加工许多金属零件都要经过压力加工, 如锻造、如锻造、轧制、拉丝、挤压、冲压等。则金属就会发生塑性变形。轧制、拉丝、挤压、冲压等。则金属就会发生塑性变形。4-1 金属的塑性变形金属的塑性变形 塑性变形塑性变形(永久变形永久变形)：金属在外力作用下，发生不能自：金属在外力作用下，发生不能自行恢复其原形和尺寸的变形。其行恢复其原形和尺寸的变形。其实质是原子相对移动达到新实质是原子相对移动达到新的稳定位置。的稳定位置。 塑性变形不仅使金属获得所需的外形和尺寸，更重要的塑性变形不仅使金属获得所需的外形和尺

2、寸，更重要的是能是能改变金属的组织和性能改变金属的组织和性能。如结晶粒的大小、组织的均匀。如结晶粒的大小、组织的均匀性及其对金属性能的改善等。性及其对金属性能的改善等。 一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形 单晶体金属原子排列规则单晶体金属原子排列规则。 当切应力较小时，晶体内原子间距发生微小变化，当切应力较小时，晶体内原子间距发生微小变化，原子稍偏离平衡位置原子稍偏离平衡位置, 处于不稳定状态处于不稳定状态 弹性变形。弹性变形。 当外力增大，原子沿着某一些当外力增大，原子沿着某一些晶面滑移晶面滑移，达到新的平衡，达到新的平衡位置位置 塑性变形塑性变形滑移的特点 滑移的特点滑移的特点： 1

3、、晶体的滑移都是发生在特定的晶面和晶向上。、晶体的滑移都是发生在特定的晶面和晶向上。 即：滑移面和滑移方向。即：滑移面和滑移方向。 滑移面滑移面 - 原子排列密度最大的晶面。原子排列密度最大的晶面。 滑移方向滑移方向 - 沿着原子密度最大的方向沿着原子密度最大的方向, 即原子间即原子间距最小的方向。距最小的方向。 2、滑移量滑移量为原子间距的整数倍为原子间距的整数倍 3、滑移前后晶体位向不变化、滑移前后晶体位向不变化 4、滑移的结果会在金属表面上造成台阶滑移的结果会在金属表面上造成台阶，在显微镜下可观，在显微镜下可观察到滑移带。察到滑移带。不同的结构其滑移情况不同2a2a 一个滑移面与它上面的

4、一个滑移方向构成一个滑移面与它上面的一个滑移方向构成滑移系滑移系。在。在其它条件相同时其它条件相同时, 滑移系越多滑移系越多, 金属晶体发生滑移的可能性金属晶体发生滑移的可能性越大越大, 金属的塑性越好。金属的塑性越好。 尤其是尤其是滑移方向滑移方向的作用更显著的作用更显著。这也是铝、铜。这也是铝、铜(面心结面心结构构)比比 -Fe(体心结构体心结构)的塑性更好的原因。的塑性更好的原因。111 2 在切应力作用下在切应力作用下, 晶体的一部分相对另一部分晶体的一部分相对另一部分, 沿着一沿着一定的晶面产生一定角度的切变定的晶面产生一定角度的切变, 这种变形形式称为这种变形形式称为“孪孪晶晶”。

5、在。在“孪晶孪晶”面两侧的晶体形成镜面对称。面两侧的晶体形成镜面对称。(非平行非平行的滑移的滑移)滑移会产生孪晶现象滑移会产生孪晶现象 实际的金属晶体中均存在大量的缺陷实际的金属晶体中均存在大量的缺陷。 而滑移实际上是在切应力作用下而滑移实际上是在切应力作用下, 滑移面上的滑移面上的位错运动位错运动造成的。造成的。 由图由图, 晶体的滑移过程只需位错中心周围的少数原子做微晶体的滑移过程只需位错中心周围的少数原子做微量的位移即可实现。因此，晶体的滑移只需很小的切应力。量的位移即可实现。因此，晶体的滑移只需很小的切应力。 如铜如铜, 理论理论 k=1500MPa, 实际实际 k=0.98MPa。以

6、上是单晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形与单晶体相似，但较为复杂与单晶体相似，但较为复杂。 1、多晶体的塑性变形过程、多晶体的塑性变形过程 多晶体金属中多晶体金属中, 各个晶粒的晶格位向不同各个晶粒的晶格位向不同, 其滑移面其滑移面和滑移方向的分布不同。和滑移方向的分布不同。 在外力作用下在外力作用下, 每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上受力也不同。受力也不同。(有的变形大，有的变形小，有的已开始变形，有的有的变形大，有的变形小，有的已开始变形，有的还处于弹性变形阶段等还处于弹性变形阶段等) 根据滑移面和滑移方向根据滑移面和滑移方向与外力所处的

7、方位不同可分为：与外力所处的方位不同可分为：软位向软位向硬位向硬位向滑移面和滑移方向与外力成滑移面和滑移方向与外力成450角的晶粒角的晶粒, 受到的受到的应力最大应力最大。滑移面和滑移方向与外力平行或垂直的晶滑移面和滑移方向与外力平行或垂直的晶粒粒, 受到的受到的应力最小应力最小。 塑性变形过程塑性变形过程 最先产生滑移的是软位向的晶粒最先产生滑移的是软位向的晶粒, 滑移后造成局部应力滑移后造成局部应力集中集中, 位错增多位错增多, 使硬位向的晶粒开始滑移。使硬位向的晶粒开始滑移。 同时已变形的晶粒发生转动同时已变形的晶粒发生转动, 由原软位向转至较硬位向由原软位向转至较硬位向, 而不能继续滑

8、移。以此反复。而不能继续滑移。以此反复。 塑性变形特点塑性变形特点 1. 多晶体金属的塑性变形是晶粒分批地、逐步地发生；多晶体金属的塑性变形是晶粒分批地、逐步地发生； 2. 变形由少数晶粒开始变形由少数晶粒开始, 逐步扩大到多数晶粒逐步扩大到多数晶粒, 直到全部；直到全部； 3. 变形是从不均匀变形逐步发展到均匀的变形。变形是从不均匀变形逐步发展到均匀的变形。 不同的结构情况其变形不同 2、晶界和晶粒大小对塑性变形的影响、晶界和晶粒大小对塑性变形的影响 晶界附近具有较高的塑性变形抗力。晶界附近具有较高的塑性变形抗力。(原子排列紊乱原子排列紊乱, 杂杂质原子较多质原子较多, 位错运动受到阻力较大

9、位错运动受到阻力较大) 金属晶粒越细小金属晶粒越细小, 晶界总面积越大晶界总面积越大, 塑性变形的抗力越塑性变形的抗力越高高, 其强度、硬度高、塑性、韧性好。其强度、硬度高、塑性、韧性好。 同时变形将分散在更多的晶粒内进行同时变形将分散在更多的晶粒内进行, 使变形均匀使变形均匀, 不会产生应力过分集中现象。不会产生应力过分集中现象。以上是金属塑性变形总的概念多晶体多晶体单晶体单晶体42 金属的冷塑性变形金属的冷塑性变形 一、塑性变形对金属组织和性能的影响一、塑性变形对金属组织和性能的影响 ( (一一) ) 对金属组织结构的影响对金属组织结构的影响 1、显微组织的变化、显微组织的变化 塑性变形后

10、塑性变形后, 不仅材料外形发生变化不仅材料外形发生变化, 而且其而且其内部的晶粒内部的晶粒形状形状也相应地也相应地被拉长被拉长或或压扁压扁或或破碎破碎, 变形量大时，晶粒被拉变形量大时，晶粒被拉长呈纤维状长呈纤维状, 晶界变得模糊不清晶界变得模糊不清, 纤维组织呈各向异性。纤维组织呈各向异性。 2、亚结构的细化、亚结构的细化 在在无塑性变形无塑性变形或或变形很小变形很小时时,位错分布是均匀的。位错分布是均匀的。 大量变形后大量变形后, 由于位错的运动及其交互作用由于位错的运动及其交互作用, 位错分布位错分布不均匀了不均匀了, 并使晶粒细化为并使晶粒细化为亚晶粒亚晶粒。 亚晶界亚晶界上聚集着大量

11、的位错上聚集着大量的位错, 亚晶粒亚晶粒内部位错数量很少。内部位错数量很少。例如例如: 铸态金属的亚结构中铸态金属的亚结构中 直径直径 10-2 10-4 10-6 位错密度位错密度 106 107-2 1012 1013-2 3、形成变形织构、形成变形织构 金属在拉拔和轧制时产生塑性变形金属在拉拔和轧制时产生塑性变形, 使使各晶粒的某一各晶粒的某一晶面和晶向平行于拉轧方向晶面和晶向平行于拉轧方向, 使使晶粒具有择优取向晶粒具有择优取向的组织的组织称为称为“变形织构变形织构”。 但在制造变压器铁芯的硅钢片时但在制造变压器铁芯的硅钢片时, 需要有织构组织需要有织构组织, 有有意使晶面和晶向平行于

12、磁力线方向意使晶面和晶向平行于磁力线方向, 提高变压器的导磁率。提高变压器的导磁率。 变形织构的形成变形织构的形成, 会使金属各性能呈现出明显的各向异会使金属各性能呈现出明显的各向异性，对加工成形不利。性，对加工成形不利。 例如例如: 在深冲薄板杯状零件时在深冲薄板杯状零件时, 容容易产生易产生“制耳现象制耳现象”, 使零件边沿不齐使零件边沿不齐, 厚薄不均。厚薄不均。 4、产生残余内应力、产生残余内应力 是指多晶体在外力作用下是指多晶体在外力作用下, 变形分布不均匀变形分布不均匀, 使金属内使金属内部残留着并且平衡于其内部的应力。部残留着并且平衡于其内部的应力。共分为三类共分为三类 宏观内应

13、力：平衡存在于宏观内应力：平衡存在于金属表面金属表面与与心部心部之间。之间。 微观内应力：平衡存在于微观内应力：平衡存在于各晶粒各晶粒或或亚晶粒亚晶粒之间。之间。 晶格畸变内应力：由晶格畸变内应力：由位错、空位位错、空位等缺陷引起的。等缺陷引起的。 一般第一般第1、2类占类占10左右左右, 它们可引起构件变形、开它们可引起构件变形、开裂、耐蚀性降低。可采用退火处理消除。裂、耐蚀性降低。可采用退火处理消除。 第第3类占类占90以上以上, 是使是使金属强化的主要原因金属强化的主要原因。 以上讨论了塑性变形对金属组织结构的影响( (二二) )对金属性能的影响对金属性能的影响 随着塑性变形程度的增加随

14、着塑性变形程度的增加, 金属的强度、硬度增加金属的强度、硬度增加, 而而塑性、韧性降低塑性、韧性降低, 这一现象称为这一现象称为加工硬化加工硬化或或形变强化形变强化。 加工硬化的意义加工硬化的意义： 1、随变形量的增大、随变形量的增大, 位错密度的增加位错密度的增加, 并使之产生交互作并使之产生交互作用用, 使位错运动的阻力增大使位错运动的阻力增大, 变形抗力增加。变形抗力增加。 2、随变形量的增大、随变形量的增大, 晶粒变形、破碎晶粒变形、破碎, 形成亚晶粒形成亚晶粒, 亚晶界亚晶界阻止位错运动阻止位错运动, 使强度和硬度提高。使强度和硬度提高。 3、有利于金属进行均匀变形。、有利于金属进行

15、均匀变形。（由于已变形部分已强化，再变形（由于已变形部分已强化，再变形将在未变形处继续）将在未变形处继续） 加工硬化后加工硬化后, 塑性降低较大塑性降低较大, 严重的会导致开裂严重的会导致开裂, 还会还会使电阻增大使电阻增大, 导磁性和耐腐蚀性降低等。导磁性和耐腐蚀性降低等。低碳钢的加工硬化后力学性能的变化。低碳钢的加工硬化后力学性能的变化。二、变形金属在加热时组织和性能的变化二、变形金属在加热时组织和性能的变化 金属经冷塑性变形后，内部组织和结构发生很大变化。金属经冷塑性变形后，内部组织和结构发生很大变化。内能较高，组织处于不稳定状态。内能较高，组织处于不稳定状态。 常温下原子扩散能力较低，

16、通常采用加热方法来改变常温下原子扩散能力较低，通常采用加热方法来改变这一状态。这一状态。 加热温度的提高，变形金属的组织和性能发生变化的加热温度的提高，变形金属的组织和性能发生变化的过程分为过程分为: 回复回复再结晶再结晶晶粒长大晶粒长大1. 加热温度较低加热温度较低, 原子扩散能力较弱原子扩散能力较弱;2. 金属的显微组织变化不大金属的显微组织变化不大, 力学性能变化较小力学性能变化较小。3. 缺陷、位错在作微量的迁移缺陷、位错在作微量的迁移, 晶格畸变程度降低。晶格畸变程度降低。4. 残余内应力显著下降，耐蚀性提高残余内应力显著下降，耐蚀性提高。 工业上常用这种低温加热方法来消除内应力，称

17、为工业上常用这种低温加热方法来消除内应力，称为去去应力退火应力退火。 因为它因为它既可保留变形后金属原有的力学性能，又可消既可保留变形后金属原有的力学性能，又可消除内应力，使性能改善除内应力，使性能改善。( (一一) ) 回复回复 1、变形金属的再结晶实质和目的变形金属的再结晶实质和目的 加热温度提高加热温度提高, 原子扩散能力增大原子扩散能力增大; 被拉长、破碎的晶粒转变为均匀被拉长、破碎的晶粒转变为均匀, 细小的等轴晶粒。细小的等轴晶粒。 再结晶的实质再结晶的实质: 新晶粒的成核和长大的过程新晶粒的成核和长大的过程, 由破碎而无畸由破碎而无畸变的小晶粒作为核心通过晶界的迁移而长大。晶粒只改

18、变外变的小晶粒作为核心通过晶界的迁移而长大。晶粒只改变外形形, 晶格类型不变晶格类型不变。 在再结晶的同时在再结晶的同时变形组织逐渐消失变形组织逐渐消失, 金属的强度、硬度金属的强度、硬度明显降低明显降低, 而塑性和韧性显著提高而塑性和韧性显著提高, 内应力全部消除内应力全部消除, 恢复变恢复变形前的性能。形前的性能。 工程上为了降低硬度工程上为了降低硬度, 提高塑性提高塑性, 便于继续冷加工的处便于继续冷加工的处理理, 采用采用再结晶退火再结晶退火(中温退火中温退火)。( (二二) ) 再结晶再结晶 2、再结晶温度再结晶温度 工业中常以经过大变形度工业中常以经过大变形度(7080)变形后的金

19、属变形后的金属, 在在 1h 内能完成再结晶的最低温度。内能完成再结晶的最低温度。 再结晶温度主要决定于金属的冷变形程度。再结晶温度主要决定于金属的冷变形程度。 金属变形程度越大金属变形程度越大, 晶体缺陷越多晶体缺陷越多, 再结晶温度越低。再结晶温度越低。 当变形程度达到一定值当变形程度达到一定值(7080%)之后之后, 趋于一定值趋于一定值。 注意注意：没有变形的金属不会发生再结晶。没有变形的金属不会发生再结晶。 结果表明：结果表明： 工业纯金属的最低再结晶温度工业纯金属的最低再结晶温度TR与熔点与熔点Tm之间关系：之间关系： TR= (0.4 0.5) Tm (K) 可见可见: 金属的熔

20、点越高金属的熔点越高, 再结晶温度越高再结晶温度越高。 金属中的微量杂质或合金元素会使再结晶温度提高金属中的微量杂质或合金元素会使再结晶温度提高。 加热速度低或原始晶粒细小会使再结晶温度降低。加热速度低或原始晶粒细小会使再结晶温度降低。 工业生产中工业生产中, 常采用的再结晶退火温度要比计算值高常采用的再结晶退火温度要比计算值高出出100200。 3、 影响再结晶晶粒度的因素影响再结晶晶粒度的因素 . 加热温度和保温时间的影响加热温度和保温时间的影响 加热温度越高加热温度越高, 保温时间越长保温时间越长, 晶粒长大越快晶粒长大越快; 加热温度加热温度的影响尤其显著。的影响尤其显著。(这是由于温

21、度高，原子扩散快，这是由于温度高，原子扩散快，晶界移动快的缘故晶界移动快的缘故) . 变形度的影响变形度的影响 变形度变形度, 变形变形, 再结晶退火后的晶粒就越再结晶退火后的晶粒就越。 分析分析: (1) 变形度很小变形度很小( 2%)时时 晶格畸变很小晶格畸变很小, 不足以引起再结晶不足以引起再结晶, 晶粒保持原状。晶粒保持原状。 (2) 变形度达变形度达210时时 金属中只有部分晶粒变形并且极不均匀金属中只有部分晶粒变形并且极不均匀, 再结晶的再结晶的晶粒大小相差悬殊，晶粒相互吞并长大为粗大的晶粒。晶粒大小相差悬殊，晶粒相互吞并长大为粗大的晶粒。此变形度称为此变形度称为临界变形度临界变形

22、度。 金属生产中要避免在这个范围内加工变形。金属生产中要避免在这个范围内加工变形。 (3) 随着变形度增大随着变形度增大: 变形趋于均匀变形趋于均匀, 加热时产生大量均匀分布的晶核，再加热时产生大量均匀分布的晶核，再结晶后得到细小且均匀的晶粒。结晶后得到细小且均匀的晶粒。 例如例如: 弹孔周围至远离弹孔弹孔周围至远离弹孔处，由于变形程度不同而处，由于变形程度不同而晶粒度不同。晶粒度不同。 (4) 若变形度大于若变形度大于90时时: 对某些金属对某些金属(Fe)的再结晶后的晶粒又会重新出现粗化的再结晶后的晶粒又会重新出现粗化现象。现象。 因此因此, 只有选择合适的变形度只有选择合适的变形度, 才

23、能确保获得良好的才能确保获得良好的组织和性能。组织和性能。(三三) 晶粒长大晶粒长大会发生大晶粒吞并小晶粒而长大使金属的会发生大晶粒吞并小晶粒而长大使金属的机械性能显著降低机械性能显著降低温度继续升高及延长保温时间温度继续升高及延长保温时间原来变形不均匀原来变形不均匀再结晶后的晶粒大小不均匀再结晶后的晶粒大小不均匀再结晶后再结晶后4-3 金属的热塑性变形金属的热塑性变形 一、热加工的概念一、热加工的概念 金属在高温下塑性、韧性高金属在高温下塑性、韧性高, 容易进行塑性变形，而容易进行塑性变形，而且还会产生加工硬化现象。且还会产生加工硬化现象。 在金属学上在金属学上, 冷加工和热加工不是根据变形

24、时金属是冷加工和热加工不是根据变形时金属是否加热否加热, 而是根据金属的再结晶温度来区分的。而是根据金属的再结晶温度来区分的。 冷加工：在再结晶温度以下的塑性变形。冷加工：在再结晶温度以下的塑性变形。 热加工：在再结晶温度以上的塑性加工。热加工：在再结晶温度以上的塑性加工。 例如：铅的例如：铅的TR-33, 钨的钨的TR = 1200, 铁的铁的TR = 450 金属在热加工时容易产生表面氧化金属在热加工时容易产生表面氧化。 通常：通常： 热加工热加工用于截面尺寸大、变形量大、硬度高、用于截面尺寸大、变形量大、硬度高、脆性大的金属制品。脆性大的金属制品。 冷加工冷加工用于塑性好、截面小、加工尺寸和表面用于塑性好、截面小、加工尺寸和表面光洁要求较高的金属制品。光洁要求较高的金属制品。 二、热加工对金属组织和性能的影响二、热加工对金属组织和性能的影响 1、粗大的柱状晶和枝晶被击碎形成等轴细晶粒组织、粗大的柱状晶和枝晶被击碎形成等轴细晶粒组织,改善改善了机械性能。了机械性能。 2、铸态金属中的疏松、气孔、微裂纹等缺陷、铸态金属中的疏松、气孔、微裂纹等缺陷, 被压实或焊被压实或焊合合, 使组织致密使组织致密, 性能提高。性能提高。表表4-5 3、改善夹杂物、碳化物的形态、改善夹杂物、碳化物的形态(拉长拉长)、大小、大小(破碎破碎)和分布和分布(沿晶粒晶界沿晶粒晶界)等。等。 即即: 形