第三章_金属材料的塑性变形

1、第三章 金属材料的塑性变形,3.1 单晶体和多晶体的塑性变形,3.2 金属的形变强化,3.3 塑性变形金属在加热时 组织和性能的变化,3.4 塑性加工性能及其指标,1,3.1单晶体和多晶体的塑性变形,3.1.1 单晶体的塑性变形 3.1.2 多晶体金属塑性变形的特点,2,3,单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力（垂直晶面）和切应力（平行晶面） 。 正应力只能引起弹性变形,当超过原子间结合力时，晶体断裂。 只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。,塑性变形的实质是：在应力的作用下，材料内部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原子到了另一平衡位置，物体将留下永久变形。,3.1.

2、1 单晶体的 塑性变形,4,滑移是指当应力超过材料的弹性极限后，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。在应力去除后，位移不能恢复，在金属表面留下变形的痕迹,塑性变形的形式：滑移和孪生 金属常以滑移方式发生塑性变形,(1) 滑移,5,1) 滑移只能在切应力的作用下发生。,1、滑移变形的特点,6,2) 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。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，产生滑移所需切应力最小。,7,沿其发生滑移的晶面叫做滑移面； 沿其发生滑移的晶向叫做滑移方向； 它们通常是晶体中的密排面和密排方向。,一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑

3、移系。,滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。,8,FCC,6,金属的塑性：fccbccchp,9,哪个滑移系先滑移？ 当作用于滑移面上滑移方向的切应力分量c（分切应力）大于等于一定的临界值（临界切应力，决定于原子间结合力），才可进行。,最先达到c的滑移系先开始滑移 滑移时,10,3) 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，若干条滑移线组成一个滑移带。,铜拉伸试样表面滑移带,11,4)滑移的同时伴随着晶体的转动。,转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶.,12,韧性断口,1

4、3,把滑移设想为刚性整体滑动滑移面上每一个原子都同时移到另一个平衡位置，外加的切应力必须同时克服滑移面上所有原子间的结合力。所需理论临界切应力值比实际测量值大3-4个数量级。 滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。,2、滑移的机理,14,刃位错的运动,滑移过程中会生成许多位错：塑性变形量增加，晶体中位错密度增大,晶体通过位错运动产生滑移时，只需要在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。,15,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，发生在滑移系较少或滑移受限制情况下。,发生切变的部分称孪生带或孪晶，

5、沿其发生孪生的晶面称孪生面。,(2） 孪生,16,孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。,孪生示意图,17,孪生使晶格位向发生改变； 所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近声速; 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距（滑移是原子间距的整数倍）。,与滑移相比：,密排六方晶格金属：滑移系少，常以孪生方式变形。 体心立方晶格金属：只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。 面心立方晶格金属：一般不发生孪生变形。,18,单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形更复杂。,多晶体是由众多取向不一的单晶体组成。在某一单向外力作用下各晶体的滑移面上的分切应力不同，只有一些达到临界切应力的滑移系才发生滑移

6、。由于晶体之间的相互制约，首先滑移的晶体会引起自身或相邻晶体的转动，从而使原来启动的滑移系偏离最大切应力方向，而停止滑移。另一些原来不能启动的滑移系开动，进而使整个晶体的塑性变形协调发展。,晶粒所处的位向为易滑移的位向称为“软位向” 反之谓“硬位向”。先发生于软位向晶粒，然后到硬位向。,（1）不均匀的塑性变形,3.1.2 多晶体金属塑性变形的特点,19,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。,这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。 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力提高。,（2）晶粒

7、位向差阻碍滑移,20,当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的变形抗力提高。,（3）晶界的影响,21,晶界对塑性变形的影响,Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积,22,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，另外，一定的变形量由更多晶粒分散承担，不会造成局部的应力集中，使在断裂前发生较大的塑性变形，强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也较好。,晶粒大小对塑性变形的影响,3.2 金属的形变强化,3.2.1 形变强化现象 3.2.2 塑性变形对组织及力

8、学性能影响3.2.3 塑性变形产生的残余应力,23,金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化，最明显的特点是强度随变形程度的增加而大为提高，其塑性却随之有较大的降低，这种现象称为形变强化，也称为加工硬化或冷作硬化。,3.2.1 形变强化现象,利用形变强化现象来提高金属材料的强度，在工业上应用甚广。例如冷拉钢丝。尤其是对于纯金属以及不能用热处理强化的合金，这种方法格外重要。 冷态压力加工后位错密度大增，晶格畸变很大，电阻有所增大，抗蚀性降低；冷变形产品尺寸精度高、表面质量好，但塑性下降，进一步加工困难。,24,加工硬化（形变强化强化材料的手段之一）,加工硬化的原因 塑性变形 位错密度增加，

9、相互缠结(亚晶界)，运动阻力加大 变形抗力,金属在冷变形时，强度、硬度 ，塑性、韧性。,25,26,3.2.2 塑性变形对组织及力学性能影响,（1）对组织结构的影响,1）组织纤维化（晶粒变形）：随着塑性变形量增大，原来的等轴晶相应地被拉长或压扁，形成长条状或纤维状，使材料产生各向异性。,27,2）亚晶粒的增多：变形前，位错分布均匀。塑性变形伴随着大量位错产生，由于位错运动和相互间交互作用，并使晶粒“碎化”成许多位向略有差异的亚晶块（或称亚晶粒）。亚晶粒间界是由位错堆积而成的。,3产生织构：金属中的晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个晶粒是各向异性的，宏观性能表现出各向同性。当金属经受大量

10、(70%以上)的一定方向的变形之后,由于晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致，形成了“择优取向”，即某一晶面 （晶向）在某个方向出现的几率明显高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构，它使金属材料表现出明显的各向异性。,28,由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。,形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐、厚薄不匀。 但织构可提高硅钢片的导磁率。,29,1）加工硬化,随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。,（2）对力学性能的影响,30,

11、1）随变形量增加, 位错密度增加；,产生加工硬化的原因,31,位错密度与强度关系,由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加，塑性降，强度、硬度升高.,32,2）随变形量增加，亚结构细化； 3）随变形量增加，空位密度增加； 4）几何硬化：由晶粒转动引起。,加工硬化使已变形部分发生硬化而停止变形，而未变形部分开始变形。没有加工硬化，金属就不会发生均匀塑性变形。 加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。,3.2.3 塑性变形产生的残余应力 由于多晶体的晶粒有各种位向和受晶界的约束，各晶粒的变形先后不一致，有些晶粒的变形较大，有些变形较小，在同一晶粒内变形

12、也不一致，因而造成多晶体变形的不均匀性。晶粒内部和晶粒之间会存在不同的内应力，变形结束后残留在晶粒内部或晶粒之间形成残余应力。,33,残余应力分为: 1)宏观残余应力即第一类残余应力，是由于金属材料各部分之间变形不均匀而形成的宏观范围内的残余应力； 2)微观残余应力即第二类残余应力，是各晶粒或亚晶粒之间变形不均匀，在各晶粒或亚晶粒间产生的残余应力； 3)晶格畸变残余应力即第三类残余应力，是金属在塑性变形后增加了位错和空位等晶体缺陷，使晶体中一部分原子偏离其平衡位置造成晶格畸变所产生的残余应力。,34,残余应力的危害主要有： 1）降低工件的承载能力 2）使工件尺寸及形状发生变化 3）降低工件的耐

13、腐蚀性。 消除残余应力的方法：去应力退火。,35,3.3.1 回复 3.3.2 再结晶 3.3.3 晶粒长大 3.3.4 冷变形和热变形 3.3.5 金属纤维组织及其应用,3.3 塑性变形金属在加热时 组织和性能的变化,36,37,金属塑性变形后，出现晶粒拉长，位错增多，内应力升高等现象，他们会引起材料体系能量提高，处于一个高能亚稳态，有向低能态转变的倾向。 在加热过程中，形变了的材料会发生回复、再结晶和晶粒长大三个过程，如右图所示 。,回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。相应地,材料的结构和性能也发生对应变化。,加热促使转变进行,38,（1）回复概念,经冷加工的材料在

14、较低的温度保温， 这时材料发生点缺陷消失，位错重排，应力下降的过程为回复。 利用回复现象将冷变形金属进行低温加热，既可稳定组织又保留了加工硬化效果的方法为去应力退火,（2）回复引起材料组织和性能变化,宏观应力（第一类应力）基本消除，但微观应力（第二、第三类）仍然残存。 力学性质，如强度、硬度（略下降）和塑性（略升高）没有明显变化。,3.3.1 回复,39,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，在亚晶界或晶界处形成了新的结晶核心，并不断以等轴晶形式生长，取代被拉长及破碎的旧晶粒，这一过程称为再结晶。 这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。,3.3

15、.2 再结晶,40,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。核心出现在位错聚集的地方，原子能量最高，最不稳定。它只是一个形态上的变化。新晶粒中缺陷减少，内应力消失了 。,41,由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。,42,再结晶温度,再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。,43,T再与的关系,金属预先变形程度越大, 再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。,纯金属的最低再结晶温度与其熔

16、点之间的近似关系: T再0.4T熔 其中T再、T熔为绝对温度.,如Fe：T再=(1538+273)0.4273=451,影响再结晶温度的因素,1）金属的预先变形程度,44,金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素，起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高。,2）金属的纯度,45,3）再结晶加热速度和加热时间,提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生； 延长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低。 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。,46,再结晶完成后，若继续升高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。,3.3.3 晶

17、粒长大,47,1长大驱动力,再结晶完成后，金属获得均匀细小的晶粒，但有长大的趋势，因为长大有利于减少界面，降低界面能。这种自由能的降低即为晶粒长大的驱动力。,2正常长大和非正常长大,正常长大：再结晶晶粒均匀长大。方式：相互兼并，组织均匀。 非正常长大：一些晶粒迅速长大，并吞并临近小晶粒，造成组织不均匀。,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。,48,加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。,再结晶退火温度对晶粒度的影响,1）加热温度和保温时间,影响因素,49,预先变形度对再结晶晶粒度的影响,2）预先变形量,当变形量达到210%时，只有部分晶粒变

18、形，变形极不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大，再结晶后晶粒特别粗大，这个变形量称临界变形量。,预先变形量的影响，实质是变形均匀程度的影响。,当变形量很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。,50,当超过临界变形量后，随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。,对某些金属，当变形量相当大(90%)时，再结晶后晶粒又重新出现粗化现象，一般认为这与形成织构有关。,3.3.4 冷变形和热变形 在再结晶温度以下的变形叫冷变形。冷变形后金属产生形变强化。 在再结晶温度以上的变形叫热变形。热变形后金属具有再结晶组织，而无形

19、变强化。 金属塑性加工最原始的坯料是铸锭，其内部组织很不均匀，晶粒较粗大，并存在气孔、缩松、非金属夹杂物等缺陷。铸锭经热塑性加工后，获得细化的再结晶组织，气孔、缩松压合在一起，金属更加致密，力学性能有很大提高。,51,3.3.5 金属纤维组织及其应用 铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们都将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫纤维组织。,金属的回复和再结晶示意图,52,纤维组织使金属在性能上具有了方向性，对金属变形后的质量也有影响。纤维组织越明显，金属在纵向(平行纤维方向)上塑性和韧性提鬲，而在横向(垂直纤维方向)上塑性和韧性降低。纤

20、维组织的明显程度与金属的变形程度有关。变形程度越大，纤维组织越明显。压力加工过程中，常用锻造比(y)来表示变形程度。 拔长时的锻造比为 y拔= A。 A 镦粗时的锻造比为 y镦= H。 H 式中：H。 、A。 分别为坯料变形前的高度和横 截面积； H、A分别为坯料变形后的高度和横截面积。,53,纤维组织的稳定性很高，不能用热处理方法加以消除。只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。因此，为了获得具有最好力学性能的零件，在设计和制造零件时，都应使零件在工作中产生的最大正应力方向与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直。并使纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量使纤维组织不被切断。 例如，当采

21、用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较弱(图37a)。当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时(图37b)，则纤维不被切断，连贯性好，纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。,54,图 3-7 不同工艺方法对纤维组织形状的影响,55,3.4 塑性加工性能及其指标,3.4.1 塑性加工性能及其指标 3.4.2 塑性加工性能的影响因素,56,金属的塑性加工性能是指衡量金属材料通过塑性加工获得优质零件的难易程度。塑性加工性能常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。 金属的塑性指金属材料在外力作用下发生永久性变形而又不破坏其完

22、整性的能力。常用截面收缩率、延伸率和冲击韧度等指标表示。变形抗力指变形过程中金属抵抗外力的能力。,3.4.1 塑性加工性能及其指标,57,(1) 金属的本质 1)化学成分的影响 不同化学成分的金属其可锻性不同。一般情况下，纯金属的可锻性比合金好；碳钢的含碳量越低，可锻性越好；钢中含有形成碳化物的元素(如铬、钼、钨、钒等)时，其可锻性显著下降。 2)金属组织的影响 金属内部的组织结构不同，其可锻性有很大差别。纯金属及固溶体(如奥氏体)的可锻性好，而碳化物(如渗碳体)的可锻性差。铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好。,3.4.2 塑性加工性能的影响因素,58,(2)加工条件

23、 1)变形温度的影响 提高金属变形时的温度，是改善金属可锻性的有效措施，并对生产率、产品质量及金属的有效利用等均有极大的影响。 金属在加热中，随温度的升高、金属原子的运动能力增强(热能增加，处于极为活泼的状态中)，很容易进行滑移，因而塑性提高，变形抗力降低，可锻性明显改善，更加适宜进行压力加工。但温度过高，对钢而言，必将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷，甚至使锻件报废，所以应该 严格控制锻造温度。 锻造温度范围系指始锻温度(开始锻造的温度)和终锻温度(停止锻造的温度)间的温度区间。,59,锻造温度范围的确定以合金状态图为依据。碳钢的锻造温度范围如图38所示，其始锻温度比AE线低200左右，终锻温度为800左右。终锻温度过低，金属的可锻性急剧变差，使加工难于进行，