金属热加工原理11-1.ppt

1、低碳钢单向拉伸应力应变曲线,三阶段,弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、断裂阶段,弹塑性变形,塑性变形,第十一章 金属的塑性变形与再结晶,基本概念,塑性变形： 当作用在物体上外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的残余变形。 塑性： 在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力称为塑性。,金属塑性成形的优点,组织、性能好： 使铸锭内部组织疏松多孔、晶粒粗大且不均匀等许多缺陷，经塑性成形使其结构致密、组织改善、性能提高。90以上铸钢要经过塑性加工。,铸造缺陷：缩孔, 材料利用率高： 不产生切屑，只有少量的工艺废料，并且流线分布合理。一般可达7585。,锻造缺陷：涡流,锻造缺陷：涡流,尺寸

2、精度较高： 精密锻造、精密挤压、精密冲裁等方法已达到少或无切削的要求。如叶片的复杂曲面可达到只需磨削的精度。,红原航空锻铸工业公司生产的精锻叶片, 生产效率高： 随着塑性加工工具和设备的改进及机械化、自动化程度的提高，生产率也相应得到提高。 高速冲床形成次数已达15001800次/分； 1200010kN热模锻压力机锻造一根汽车发动机用的六拐曲轴只需40s.,单晶体的塑性变形：滑移和孪生多晶体的塑性变形：各个晶粒变形的总和,一、滑移,在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动,塑性变形机制,11-1 单晶体的塑性变形,正应力：仅使晶

3、格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，使将晶体拉断； 切应力 ：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑动。,在最密排晶面之间的面间距及最密排晶向之间的原子间距才最大，原子结合力最弱。 自然过程的发生总是沿着阻力最小的方式进行！,Why? 滑移面（方向）最大密排面（晶向）,二、滑移系：滑移面和该面上的一个滑移方向,金属三种常见晶格的滑移系,滑移系数目，材料塑性； 滑移方向，材料塑性,（滑移方向的作用大于滑移面的作用） FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个； FCC的滑移方向多于BCC。 金属塑性：Cu（FCC）Fe（BCC）Zn（HCP）。,滑移的位错机制位错

4、滑移塑性变形,How?,切应力作用下，晶体中的位错沿着滑移面逐步移动，最后移出表面，留下一个大小等于该位错矢量模的台阶。 大量位错（原子距）移出晶体滑移线（1000原子距）滑移带,铜单晶变形后出现的滑移带,滑移的位错机制：,晶体的滑移是通过位错在滑移面上的动动来实现的，而勿需使晶体的两部分作整体相对移动。,滑移的实现 借助于位错运动。（刚性滑移模型计算出的临界切应力值实测值）,截面为A的圆柱单晶，受拉力F，在滑移面上沿滑移方向发生的滑移：,1.临界剪应力-在滑移面上沿滑移方向开始滑移 的最小分切应力,则F在滑移方向上的分切应力为,F作用在滑移面上沿滑移方向上的切向分力F为,三、滑移的临界剪应力

5、及其影响因素,当=s（屈服应力）时，晶体开始塑性变形。 这时滑移方向上的剪应力即为临界剪应力k,所以，当作用在滑移面上的切应力k时，受拉伸 的单晶体开始滑移。,2. 取向因子,称为取向因子。外力与滑移系之间的夹角 与不同时，不同。,不同滑移面及滑移方向的应力都不一样；同一滑移面上不同滑移方向，剪应力也不一样。,软取向：晶体最容易发生滑移的取向。=45o,硬取向：晶体不可能滑移的取向。=90o，0o,镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系,3.晶体的转动, 位向和晶面的变化,拉伸时，滑移面和滑移方向逐渐趋于平行的拉伸轴线。 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。, 取向因子的变化晶面转动引起的,几何

6、硬化：、远离45o，分切应力减小，滑移困难 几何软化：、接近45o，分切应力增大，滑移容易,4.影响临界分切应力的因素-k是一个材料常数, 金属的本性,位错运动的阻力与金属晶体原子间的结合力有关。 金属的本性（原子结构、点阵类型、点阵常数等）不同， 原子结合力不同，k也不同，与、无关, 金属中的杂质,杂质或溶质原子，使滑移阻力 ， k, 晶体缺陷 使缺陷多的因素，使k, 形变温度 T ，原子动能 ，结合力 ，k, 形变速率 v ， k,晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变。金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。发生孪生的部分（切变部分）

7、称为孪生带或孪晶。,为什么发生孪生变形？何种情况下才易发生？,特点： 均匀切变，切变部分位向改变，但点阵结构不变；发生孪生时各原子移动的距离是不相等的。 临界分切应力滑移分切应力； 形变量很小； 形变速度快，接近声速。,四、孪生,孪生仅会在滑移不易产生的情况下发生：,. FCC金属一般不发生孪生，少数（Cu、Ag、Au）在极低温度下发生。 . BCC金属仅在室温或受冲击时发生。 . HCP金属较容易发生孪生。,面心立方晶体孪生变形示意图 （a）孪晶面和孪晶方向 （b）孪生变形时原子的移动,锌晶体中的变形孪晶组织,孪生系统和原子的运动,孪生是在切应力作用下晶体内部发生均匀切变的过程，即一部分晶体

8、沿一定的晶面和晶向逐层移动。 孪生系统主要取决于晶体结构：在fcc中为111 ；在bcc中为112111 ，在hcp中为 、 。,孪生区域产生了均匀切变，即每层(111)面相对其相邻晶面沿 晶向移动了该晶向上原子间距的分数倍（图中所示为 ） 。 孪生变形也是通过位错运动来实现的，但产生孪晶的位错其柏氏矢量必须小于一个原子间距。 孪生可看成是不全位错滑过切变区中各层晶面而进行的。,滑移和孪生的比较,一、晶粒取向的影响（取向差效应）,变形有先有后各晶粒相对于外力轴的取向不同，位向有利的晶粒先变形，且不同晶粒变形量也不同。一般变形度达到20%，几乎所有晶粒都可参加变形。 各个晶粒的变形必须协调对一个

9、晶粒来讲不能自由地、均匀地滑移，它要受到相邻晶粒的牵制，故晶粒之间要互相配合、协调。如果协调不好，将会导致塑性下降（晶界处开裂）。理论分析指出，要能协调变形，每个晶粒至少能在5个独立的滑移系上进行滑移。这样，多晶体变形就比单晶体更复杂，应变硬化率也大得多。 变形不均匀导致内应力不均匀下图表明，A、B、C晶粒所处位向不同，故滑移次序不同，因而在它们之间产生了不同的应力。,11-2 多晶体的塑性变形,二、晶界对滑移的阻滞效应,晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，且晶界两侧的晶粒取向不同，因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，即室温下晶界对滑移有阻滞效应。,位错塞积示意图,拉伸后晶

10、界处呈竹节状,一般来说，晶界可使金属强化，也可使金属软化，这主要依赖于温度和变形速率。当温度低于 ，且变形速率较大时，晶粒细化会使金属强度升高；但当温度高于上述界限及变形速率很慢时，晶界增多反而使金属强度降低。故高温合金一般希望获得粗晶组织。,三、晶粒大小对变形抗力的影响,对于大多数金属材料，其屈服强度与晶粒平均直经d的关系可用Hall-Petch方程式表示： = + kyd -1/2 式中0 ,ky均为常数,锌单晶和多晶的拉伸曲线,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。,晶粒大小对变形抗力的影响,低碳钢的屈服强度与晶粒大小的关系,铜和铝的屈服强度与其亚晶尺寸的关系,细晶强化在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性和韧性，这是其他