第二章 金属的塑性及塑性变形.ppt

1、第二章金属的塑性和塑性形变，2.1塑性形变的实质2.2塑性形变后金属组织和性能的变化2.3金属的锻造性能，2.1塑性形变的实质1，基本概念1 .应力是指外力作用于物体内各质点间的力。 单位面积的内力称为应力。 应力可分解为两个分量，一个垂直于作用面，称为正应力，另一个平行于作用面，称为剪应力，用表示。 2 .塑性形变金属因外力而在内部产生应力。 这个应力迫使原子离开原来的平衡位置，改变原子之间的相互距离，使金属变形，提高原子的位置。 当应力低于该金属的弹性极限时，应力和应变呈线性关系，当外力消失时，变形也消失，这种变形称为弹性变形。 当应力超过材料的屈服极限时，即使外力消除，变形也不会完全消失

2、，消失的只有弹性变形部分，大部分变形残留，这部分的永久变形称为塑性形变。 e:弹性极限点c:屈服极限点b:强度极限点图2-1低碳钢的拉伸图，3 .单晶点聚集在同一组的单晶格中，构成金属单晶。 4 .多晶体由许多不同取向的晶粒组合而成，称为金属多晶体。 二、单晶塑性形变单晶的塑性形变主要以滑动和孪生子两种方式进行。 1 .滑坡金属塑性变形最常见的方式是滑坡。 晶体在剪应力的作用下，一部分原子相对于另一部分原子在某晶面和该晶面中的某晶方向上相对滑动，产生原子的排列偏移的现象。 该晶面和晶体称为滑移面和滑动方向。 如图2-2所示，图2-2的单晶的剪切应力引起的滑动变形由各自的滑移面和其上的滑动方向构

3、成滑动系统。 一般来说，金属晶体中的滑移系越多，塑性越好。 单晶的滑动变形除了晶体内的两个部分在刚性整体上相对滑动外，晶体内部的位错缺陷的运动容易滑动，而且位错运动所需的剪应力远小于刚性整体滑动所需的剪应力。 如图2-3所示，位错移动到晶体表面时，在晶体上产生塑性形变。 图2-3重排运动实现滑移的过程，2 .孪生子是指晶体内的一部分原子相对于另一部分原子沿某晶面旋转，未旋转的部分和未旋转的部分的原子呈镜面对称排列。 如图2-4所示。 图2-4单晶剪切应力引起的孪生子变形，三、多晶塑性形变多晶体的塑性形变，粒内变形与粒间变形均已完成。 如图2-5所示。 图2-5的多晶体的塑性形变的示意图是，在外

4、力的作用下，位错运动首先在晶格位置有利于滑移的晶粒内发生，其次在晶格位置不利于滑移的晶粒内进行。 与此同时，各晶粒间的相互牵制阻碍晶粒间的滑动和旋转，最初的滑动的晶粒位逐渐不利而停止滑动。 另一个晶粒的取向有利于开始滑动。 因此，多晶体的塑性形变经常分批进行，由少数晶粒的变形向多数乃至整个晶粒的变形扩大，由不均匀的变形向比较均匀的变形发展。 由于多晶体含有很多晶界，晶界附近的原子排列紊乱，杂质多，滑动向晶界发展时必然受到阻碍，因此多晶体的变形阻力大。 在晶粒越细，晶界越多，变形阻力也越大的云同步中，晶粒越细，晶粒的数量越多，变形量由更多的晶粒分配，变形变得更均匀。 因此，细晶粒的金属不仅强度高

5、，而且具有很高的塑性和韧性。2.2塑性形变后的金属组织和性能的变化，一、加工硬化1 .加工硬化金属在室温下塑性形变，内部的晶粒向变形最大方向延伸旋转，结晶内变位密度上升，由于晶格应变和晶粒破碎，进而引起滑动变形的阻力增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性降低的现象。 也称为冷作硬化。 2、加工硬化的优缺点：加工硬化是强化金属的重要方法之一。 冷拔、冷连轧、冷挤压等工艺可以提高金属或合金的强度和硬度。 缺点：在冷轧薄板、冷拉丝细钢丝及多道拉深过程中，加工硬化会导致后道加工困难，进而导致开裂报废。 二、回复和再结晶加工硬化是不稳定的现象，加热硬化后，回复、再结晶和晶粒长大现象相继发生，金属的组织和

6、性能也发生变化。 如图2图6所示。图2-6硬化金属加热时的组织和性能的变化、1 .恢复：将发生加工硬化的金属加热到绝对温度t次=(0.250.3)T熔融(k )以上，原子得到的热能使原子恢复到正常的排列位置，消除晶格应变，减少内部应力，部分消除加工硬化，减少强度、硬度在生产中，多利用恢复来消除加工硬化后的工件残留应力。 2 .再结晶再结晶：将加工硬化的金属进一步加热到绝对温度t匝=0.4T熔融(k )以上，原子具有一盏茶的扩散能力，变形晶粒的晶界和结晶在高应变区再生核，生长，形成新的微小的等轴晶粒(晶格类型不变)，从而完全消除加工硬化的现象经过再结晶，金属的综合力学性能明显提高。 但是，再结晶

7、过程结束后，如果升温和保温时间过长，微细均匀的再结晶组织会发生晶粒长大现象，最终变成粗大的晶粒组织，塑性降低，锻压性能恶化。 因此，必须严格控制生产中、再结晶退火的加热温度和保温时间，以及热锻时的最终温度。 三、冷变形和热变形1 .冷变形冷变形：金属在再结晶温度以下进行的塑性形变。 变形的金属只有加工硬化组织。 变形量不能太大。 因为容易破裂。 冷变形金属表面粗度低，尺寸正确，硬度和强度高。 因此，冷变形常被用于对加工后的原材料进行再加工，以提高产品的表面质量和性能。 常用的冷变形方法：冷冲压、冷冲压、冷镦定径套、冷连轧、冷拔等。 2 .热变形热变形：金属在再结晶温度以上的塑性形变。 在变形过

8、程中加工硬化和再结晶交替进行，变形的金属一般只具有再结晶组织，没有加工硬化现象。 热变形时金属可以达到较大的变形，得到具有较高力学性能的再结晶组织。 常用的热变形方法：锻造、热挤压、热轧等。 四、锻造流线和锻造比1 .锻造流线锻造流线：在塑性形变过程中，金属原材中的塑性夹杂物(MnS、FeS等)与晶粒一起向最大变形方向延伸，脆性夹杂物(FeO、SiO2等)呈链状裂纹分布。 再结晶的话，伸长的结晶粒返回等轴细的结晶粒，夹杂物残留在伸长的方向，形成永久的点状或链状的锻造流线(也称为纤维状组织)。 锻造流线的化学稳定性高，用热处理和其他方法无法消除，只能通过重新锻压来改变流线的方向和分布状况。 锻流

9、线的存在是锻压材力学性能的各异性，即平行于流线方向的强度、塑性、韧性高于垂直于流线方向。 因此，零配件的设计和制造必须考虑锻造流线的合理分布。 尽量不要将流线的方向对准零配件的轮廓切断，要使零配件受到的最大正应力的方向与流线的方向一致，最大切线的应力的方向必须与流线的方向垂直。 如图2-7所示。图2-7的锻造流线的合理分布，2 .锻造比锻造流线的明显程度与金属的变形程度有关。 变形程度越大，锻造流线越显山露水。 锻造比：表示锻压加工时金属不变形程度大小的物理量。 用常用的y锻炼来表示。 拔长时：镦粗时：式中： F0，F-在坯料变形前后的横截面积H0，H-在坯料变形前后的高度锻造坯料时，根据零配

10、件的力学性能要求选择合适的锻造比。 2.3金属的锻造性能，一、锻造性能的定义锻造性能是指金属材料的锻压成形的容易度，也称为锻性。 二、影响锻造性能的因素影响锻造性能的因素有金属的本质和塑性成形条件两种。 1 .金属的本质1 )化学成分：不同化学成分的金属锻造性能不同。 纯金属的锻造性能优于合金的合金元素体种类、含量越多，锻造性能越差。 2 )金属组织：同一成分的合金，如果组织架构不同，锻造性能也不同。 单相组织好于多相，钢中碳化物分散分布好于网状分布，晶粒微细的组织好于粗大的组织。 2、工艺条件1 )变形温度：温度越高，原子活动能力越大，滑移所需的应力越小，因此变形阻力降低，塑性增加，因此加热有助于提高锻造性能，但加热不当会产生氧化、脱碳、过热等缺陷，导致产品因过烧而废弃。 因此，金属的变形必须严格控制在规定的温度范围内。 2 )变形速度：采用通常的锻压方法，随着变形速度的增加，