04 金属的塑性变形与再结晶-(《工程材料》机械专业).ppt

1、第4章 金属的塑性变形与再结晶,轧制 挤压 冷拔 锻造 冲压,第4章 金属的塑性变形与再结晶,冲压 拉伸模,第4章 金属的塑性变形与再结晶,形状尺寸发生变化，组织和性能如何变化？ 冷加工？热加工？ 经塑性变形的金属，在加热过程中，组织和性能又会发生什么变化？,第4章 金属的塑性变形与再结晶,材料大师阮雪榆,1933年出生于上海； 上海交通大学教授、中国工程院院士； 塑性加工和模具技术专家； 我国冷挤压理论与技术的开拓者，在国内外首创冷挤压许用变形程度理论，并首先研究成功黑色金属的冷挤压技术；,在国内率先将CAD/CAM、数值模拟技术和人工智能技术的研究、开发与应用引入到塑性加工和模具制造领域；

2、 美国国家科学技术政策研究所2007年6月的工程研究中心报告中，该所调研了11个国家73个工程研究中心，将阮雪榆院士领导的上海交通大学模具CAD国家工程研究中心列于首位。,第4章 金属的塑性变形与再结晶,弹性变形 elastic deformation 塑性变形 plastic deformation,4.1 金属的塑性变形,滑移slip 孪生twinning,4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形,滑移晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。,4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形,滑移：,铜拉伸试样表面,一条滑移带是由许多密集在一起的滑移线组成，每一条滑移

3、线对应于一个滑移台阶。,4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形,滑移滑移带,面心立方和体心立方金属滑移系较多，因而塑性高于密排六方的金属。,4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形,滑移滑移系,临界切应力 使滑移系开动的最小切应力。,4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形,滑移滑移的临界切应力,滑移面趋向与拉伸轴平行,滑移方向与最大切应力方向趋于一致,4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形,滑移滑移时晶体的转动,整体刚性滑移临界切应力差34个数量级； 滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的。,4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形,滑移滑移的机理,发生孪生的部分称为

4、孪生带或孪晶(twins); 沿其发生孪生的晶面称为孪生面。,钛合金六方相中的形变孪晶,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。,4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形,孪生,晶格位向是否变化； 相对位移量原子间距； 临界切应力的大小；,密排六方常以孪生方式变形； 体心立方只有在低温或受到冲击时才发生孪生变形； 面心立方结构的金属一般不发生孪生变形。,4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形,孪生与滑移的主要区别,晶界的影响,位错运动的主要障碍； 强度和硬度增加。,4.1 金属的塑性变形(2)多晶体的塑性变形,晶界和晶粒位向对塑性变形的影响,试样往往呈竹节状，晶界处

5、变粗； 这说明晶界变形抗力大，变形较小； 材料的晶粒越小，同体积的材料的晶界越多，塑性变形的抗力越大。,Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积,晶界的影响,4.1 金属的塑性变形(2)多晶体的塑性变形,晶界和晶粒位向对塑性变形的影响,晶粒位向的影响,4.1 金属的塑性变形(2)多晶体的塑性变形,晶界和晶粒位向对塑性变形的影响,各晶粒的滑移是不等时的； 塑性变形时晶粒间相互协调和配合； 只有多个滑移系才能保证变形的连续性； 多晶体变形是不均匀的； 多晶体比单晶体有较高的塑性变形抗力。,4.1 金属的塑性变形(2)多晶体的塑性变形,特点,合金按其组成相的不同，分为单相固溶体和多相混合物两种。,4.2

6、合金的塑性变形,与多晶的纯金属相似； 溶质原子的存在，使溶剂晶格发生畸变，增大了位错运动的阻力，使产生滑移的临界切应力远比纯金属大，滑移系的开动也比较困难； 固溶强化：通过形成固溶体而使金属的强度和硬度升高，而塑性和韧性下降的现象。,4.2 合金的塑性变形(1)单相固溶体塑性变形与固溶强化,第二相以连续网状分布在晶界上：对合金的强度和塑性不利；,4.2 合金的塑性变形(2)多相合金的塑性变形与弥散强化,第二相在基体晶粒内呈层片状分布：可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性；,基体相的性质； 第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关； 工业合金中第二相多数是硬而脆化合物。,颗粒钉扎作用的电镜照片,

7、第二相以弥散的质点(或粒状)分布在晶内：使合金的强度和硬度显著提高，而塑性和韧性稍有降低；,这种由于第二相以细小的形态弥散分布于基体中，从而使合金显著强化的现象称为弥散强化,4.2 合金的塑性变形(2)多相合金的塑性变形与弥散强化,弥散强化的原因,相界面积显著增多，并使其周围晶格发生畸变；,第二相质点本身成为位错运动的障碍物，增加了位错运动的阻力，使塑性变形抗力增加。,4.2 合金的塑性变形(2)多相合金的塑性变形与弥散强化,纤维组织,(1)塑性变形对组织结构的影响,4.3 塑性变形对组织和性能的影响,晶粒变形,(1)塑性变形对组织结构的影响亚结构形成,4.3 塑性变形对组织和性能的影响,晶粒

8、逐渐碎化成许多位向略有不同(不大于1 )的小晶块亚结构； 每个小晶块称为亚晶粒； 亚晶粒边界排列着许多位错； 经塑性变形后，亚晶粒将进一步细化，位错密度进一步提高。,晶粒在发生滑移变形的同时，还会发生晶体的转动； 晶粒的取向趋于一致； 这就形成了晶体的择优取向形变织构。,(1)塑性变形对组织结构的影响形变织构的产生,4.3 塑性变形对组织和性能的影响,器皿壁厚不均匀； “制耳”现象。,(1)塑性变形对组织结构的影响形变织构的产生,4.3 塑性变形对组织和性能的影响,金属材料在塑性变形过程中，随变形量的增加，强度和硬度不断上升，而塑性和韧性不断下降，这一现象称为加工硬化。,金属材料发生均匀塑性变

9、形的保证； 强化金属的一种方法； 工程结构瞬间过载的安全保证。,原因：随变形量增加, 位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加。,(2)塑性变形对性能的影响,4.3 塑性变形对组织和性能的影响,加工硬化,物理、化学性能的变化 晶格发生畸变、空位和位错密度增加，电阻增大、电阻温度系数下降、导磁率下降、磁滞和矫顽力略有增加； 变形提高金属内能，原子活动能力增大，容易扩散，加快腐蚀速度。,4.4 回复与再结晶,回复加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。 特点：变形金属的显微组织不发生显著变化，强度和硬度略有下降，塑性略有回升，而内应力和电阻

10、明显下降。,空位、位错移动、消失，减少晶格畸变； 位错垂直分布，形成亚晶界多边形化。,4.4 回复与再结晶(1)回复,在工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织，又保留了加工硬化，这种方法称为去应力退火。,4.4 回复与再结晶(1)回复,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等轴晶粒； 强度、硬度下降，塑性、韧性上升，所有的性能恢复到变形前的水平，这一过程称为再结晶。,4.4 回复与再结晶(2)再结晶,再结晶,经较大冷塑性变形(70%)，加热1h，95%再结晶温度； 工业纯金属：Ta=(0.350.45)Tm。,在工业生产

11、中，把消除加工硬化所进行的热处理称为再结晶退火； 一般将再结晶温度定的比理论再结晶温度高100200。,4.4 回复与再结晶(2)再结晶,再结晶温度及其影响因素,影响再结晶温度的主要因素： 纯度微量杂质和合金元素提高金属的再结晶温度； 变形度金属的冷变形越大，再结晶温度越低； 加热速度和保温时间提高加热速度，再结晶温度较高；保温时间延长再结晶温度就低。,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。,580C保温15分后的组织,700C保温10分后的组织,4.4 回复与再结晶(2)再结晶,再结晶后的晶粒大小,晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶

12、粒的过程。,4.4 回复与再结晶(2)再结晶,再结晶后的晶粒大小,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称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。,4.5 金属的热加工,(1)热加工和冷加工的区别,热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或拄状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。,消除铸态组织缺陷，细化晶粒,4.5 金属的热加工(2)热加工对金属组织和性能的影响,铸态组织中的各种夹杂物，在高温下具有一定塑性，它们会沿着变形方向伸长而形成锻造流线(纤维组织)。它使金属材料产生各向异性，在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。,形成锻造流线,4.5 金属的热加工(2)热加工对金属组织和性能的影响,在加工亚共析钢时，发现钢中的F与P沿轧制方向呈带状分布，这种组织