金属材料的塑形变形与再结晶课件

1、第4章金属材料的塑性变形与再结晶14-0 材料的性能 4-0-1 静载时材料的力学性能拉伸机上,低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线相对应的应力-应变图2断裂后拉伸试样的颈缩现象3荷载伸长量 拉伸图 四个阶段：(1)弹性阶段(2)屈服阶段(3)强化阶段(4)局部变形阶段4为了消除掉试件尺寸的影响，将试件拉伸图转变为材料的应力应变曲线图。A 原始横截面面积 名义应力l 原始标距 名义应变51. 强度 强度是指材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。（1）弹性极限e和弹性模量E弹性极限e 是指材料在不产生塑性变形的情况下所能承受的最大应力。弹性模数E是指材料在弹性范围内，应力与应变的比值/（单位GPa）。E

2、 = /E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。6（2）屈服强度s屈服强度s(屈服极限）是指材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值（单位MPa(MN/mm2) ）。s =Fs/So 0.2条件屈服强度 中高碳钢、无屈服点，国家标准， 以产生一定的微量塑性变形的抗 力的极限应力值来表示。 0.2 =F0.2/So 7（3）抗拉强度b抗拉强度b是指材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。b=Fb/So脆性材料：b=s 灰口铸铁（4）断裂强度k断裂强度k是材料拉断时最大载荷所对应的强度。k=Fk/So82. 塑性 塑性是指材料发生塑性变形的能力。1)伸长

3、率表示试样拉伸断裂后的相对伸长量。式中，l0为标距原长，lk为断裂后标距长度。2)断面收缩率表示试样拉伸断裂后截面的相对收缩量。 式中，S0为试样原始横截面积，Sk为断口处的横截面积。93. 硬度硬度是表征材料抵抗比它更硬的物体压入或刻划的能力。适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。 （1）布氏硬度应用：淬火钢球用以测定硬度450的金属材料，其硬度值以HBS表示。布氏硬度在450650之间的材料，压头用硬质合金球，其硬度值用HBW表示。优点：具有较高的测量精度。 10布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度计 11 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度

4、值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。12（2） 洛氏硬度 h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计13定义：每0.002mm相当于洛氏1度洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种HRB 轻金属，未淬火钢HRC 较硬，淬硬钢制品HRA 硬、薄试件优点：操作迅速、简便，可由表盘上直接读出硬度值；缺点：精度较差，硬度值波动较大。1415（3）维氏硬度维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的压力可以测

5、定显微组织硬度。优点：维氏硬度可测定从很软到很硬的各种材料，可测定较薄材料和各种表面渗层，且准确度高。缺点：测试手续较繁。16适用范围: 测量薄板类 HVHBS 17显微硬度18硬度种类硬度符号压头类型载荷/kgf硬度值有效范围典型应用布氏HBS10mm淬火钢球1000450退火、正火或调质钢件HBW10mm硬质合金球1000 体心立方晶格【滑移系相同，看滑移方向】，体心立方晶格 密排六方晶格【看滑移系】。金属塑性：Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。塑性脆性铝(FCC)镁(HCP)31(C)滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干

6、条滑移线组成一个滑移带。 铜拉伸试样表面滑移带滑移带和滑移线示意图32(D)滑移的同时伴随着晶体的转动。转动的结果使滑移产生转移，使晶体产生大量的塑性变形。 33滑移的位错机制晶体的滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的，而不需要使晶体的两部分作整体相对移动。34晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图 35单个晶粒变形与单晶体相似，而多晶体变形是一个不均匀的塑性变形过程。(1) 晶界的影响 当位错运动到晶界附近时，由于晶界处的原子排列紊乱，缺陷和杂质多，能量高，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，称位错的塞积。要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的塑性变形抗力提高。位错

7、塞积示意图4-1-3 多晶体的塑性变形36(2) 晶粒位向的影响由于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，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这就意味着增大了晶粒变形的抗力，阻碍滑移的进行，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。 37(3)晶粒大小对金属力学性能的影响金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。因金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。因晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑

8、性同时增加，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。38Hall-Pitch关系：s=0+Kyd-1/2 细晶强化：通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。 晶粒小晶界面积大变形抗力大强度大晶粒小单位体积晶粒多变形分散相邻晶粒不同滑移系相互协调晶粒小晶界多不利于裂纹的传播断裂前承受较大的塑性变形39细晶强化是金属的一种非常重要的强韧化手段！L. LU, M.L. SUI, K. LU. Superplastic extensibility of nanocrystalline copper at room temperature. Science, 287 (

9、2000) 1463-1466. 40 4-2 塑性变形对组织和性能的影响 4-2-1 塑性变形对金属组织结构的影响 (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。 41(a) 正火态(c) 变形80%(b) 变形40%工业纯铁在塑性变形前后的组织变化42(2)亚结构形成 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

10、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。 43轧制板材中形成的织构称为板织构；拉拔线材中形成的织构称为丝织构。金属或合金在塑性变形中形成织构，使材料性能具有方向性（各向异性），对材料加工工艺影响极大。把具有波浪形凸起的部分称为“制耳”。把由于织构而产生的制耳现象称为“制耳效应”。板织构丝织构形变织构示意图各向异性导致的“制耳”变形前变形后44Equal channel angle pressing (ECAP)【图片来源】E.A. El-Danaf,

11、 Mechanical properties and microstructure evolution of 1050 aluminum severely deformed by ECAP to 16 passes. Mater. Sci. Eng. A 487 (2008) 189-20045【图片来源】 C.X. Huang, et al., Influence of processing temperature on the microstructures and tensile properties of 304L stainless steel by ECAP, Mater. Sci

12、. Eng. A 485 (2008) 643-650464-2-2 塑性变形对金属性能的影响(1)产生加工硬化现象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，这种现象称为加工硬化，也称形变强化。 塑性变形 位错移动 位错大量增殖 相互作用运动阻力加大 变形抗力强度、硬度、塑性、韧性47(2)产生残余应力去除外力后残留于且平衡于金属内部的应力。第一类内应力宏观，表面和心部塑性变形不均匀造成；第二类内应力微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均；第三类内应力超微观，晶格畸变，增加位错运动阻力（材料产生强化的主要原因）。48 4-3 回复与再结晶(1)回复工业上，常利用回复现象将冷变形金

13、属低温加热进行去应力退火，以降低残余应力，又保留加工硬化效果。这种热处理方法称去应力退火。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。49(2)再结晶 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新的均匀、细小、完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。发生再结晶的最低温度称再结晶温度。纯金属：TR=0.4-0.35Tm(K) 合金：TR=0.5-0.7Tm(K)铁素体变形80%650加热670加热50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

14、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100 200。 再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。580C保温3秒后的组织580C保温4秒后的组织580C保温8秒后的组织冷变形(变形量为38%)黄铜的再结晶51(3)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 。580C保温8秒后的组织580C保温15分后的组织700C保温10分后的组织黄铜再结晶后晶粒的长大52回复、再结晶及晶粒长大引起的材料性能变化534.4 金属材料的热加工(1)冷加工与热加工的区别在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工为冷加工，而高于再结晶温度的加工为热加工。54(2)热加工对金属组织与性能的影响1）热加工(热轧、锻造)可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。2）热加工可获得细小均匀、等轴的再结晶晶粒，从而使金属的力学性能全面提高。3）热加工可使各种