工程材料第三章.ppt

1、第三章金属的塑性变形与结晶,塑性加工：利用金属材料在外力作用下所产生的塑性变形，获得所需产品的加工方法。由于这种外力多数情况下是以压力的形式出现的，因此也称为压力加工。 塑性变形是压力加工的基础，凡具有一定塑性的金属如钢及大多数有色金属，均可进行压力加工。 塑性变形在使金属成形的同时，还改变了金属的组织和性能。 因此，研究金属的塑性变形，对改进金属材料加工工艺，提高产品质量和合理使用金属材料等方面具有重要意义。,金属的塑性变形,一、单晶体弹性变形 1.滑移： 滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生的相对滑动。,说明： 要使某一晶面

2、滑动，作用在该晶面上的力必须是相互平行、方向相反的切应力，而且切应力必须达到一定值，滑移才能进行。当原子滑移到新的平衡位置时，晶体就产生了微量的塑性变形。,3.晶体的滑移面、滑移方向及滑移系,晶体上的滑移带分布是不均匀的，即塑性变形时，位错只沿一定的晶面和一定的晶向移动，并不是沿所有的晶面和晶向都能移动的，这些一定的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向，并且这些晶面和晶面都是晶体中的密排面和密排方向。 因为密排面之间和密排方向之间的原子间距最大，其原子之间的结合力最弱，所以在外力作用下最易引起相对的滑动。,不同金属的晶体结构不同，其滑移面和滑移方向的数目和位向不同，一个滑移面和在这个滑移面上的一

3、个滑移方向组成一个“滑移系”。 所以不同晶体结构的金属，其滑移系的数目不同，滑移系的数目越多则金属的塑性愈好，反之滑移系数愈少，塑性不好，且相同滑移系数目相同时，滑移方向数越多，越易滑移，塑性越好。面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格因而金属的塑性，, 孪生 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。,与滑移相比： 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.,第二节 多晶体的塑性变形,工程上使用的金属材料大多为位向、形状、大小不同的晶粒组成的多晶体，因此多晶体的变形

4、是许多单晶体变形的综合作用的结果。 多晶体内单晶体的变形仍是以滑移进行的，但由于位向不同的晶粒是通过晶界结合在一起的，晶粒的位向和晶界对变形有很大的影响，所以多晶体的塑性变形较单晶体复杂。 1. 晶界和晶粒位向的影响 2.晶粒大小的影响,晶粒位向的影响,多晶体中，晶粒位向不同，在外力作用下，凡滑移面和滑移方向位于或接近与外力成45度方位的晶粒将首先发生滑移变形，通常称这些位向的晶粒为软位向。 凡滑移面和滑移方向位于或接近与外力成平行或垂直方位的晶粒，通常称这些位向的晶粒为硬位向。 此外，随着滑移的发生，首批晶粒的位向同时发生转动，这也会使这些晶粒从软位向变为硬位向，不能再继续发生滑移，从而促使

5、另一批晶粒开始滑移变形，传递到另一批晶粒中。所以，多晶体的塑性变形总是一批一批晶粒逐步地发生，从少量晶粒开始逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形，变形过程要比单晶体复杂,变形前,晶界对塑性变形有较大的阻碍作用，一个只包含两个晶粒的试样经过拉伸时的变形情况如图所示。由图可见，试样在晶界附近不易发生变形，出现了所谓的竹节现象。 这是因为晶界处原子排列比较乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移。很显然，晶界越多，晶体的塑性变形抗力越大。,晶界的影响,变形后,二、塑性变形对金属组织和性能的影响,加工硬化的工程意义： 加工硬化是强化材料的重要手段，尤其是对于那些不能用热处理方法强化的金

6、属材料。 加工硬化有利于金属进行均匀变形。金属已变形部分产生硬化，将使继续变形主要在未变形或变形较少的部分发展。 加工硬化给金属的继续变形造成了困难，加速了模具的损耗；在对材料进行较大变形量的加工中是不希望的，加工过程中常常要进行“中间退火”以消除这种不利影响，因而增加了能耗和成本。,加工硬化：材料变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降的现象称为形变强化.加工硬化或冷作硬化,一、塑性变形对金属性能的影响,二、塑性变形对金属对组织形貌的影响,晶粒变形：金属塑性变形时，随着外形的改变，晶粒的形状也相应变化。通常晶粒沿变形方向被拉长(拉伸)或压扁(压缩)。变形的程度愈大，则晶粒形状的变化也

7、愈大，晶界变得模糊不清。此时，金属的性能具有明显的各向异性，如纵向的强度和塑性远大于横向的，这种组织成为纤维组织。,2、亚结构形成：金属未变形或少量变形时，位错密度的分布一般是均匀的。但大量变形之后，由于位错的运动和交互作用，位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。亚晶粒边界上聚集大量位错，形成位错胞状结构；而内部位错密度相对低得多。随着变形量的增大，产生的亚结构也越细。 3 、产生形变织构 多晶体变形时，各晶粒则会发生晶面转动。当变形量很大时，原来位向不同的晶粒会逐渐调整其取向而取得一致的位向，这种现象叫择优取向。由于变形的结果而使晶粒具有择优取向的组织叫做形变织构 。,三、

8、塑性变形产生的残余内应力,塑性变形后材料内部的残余内应力明显增加，它主要是由于材料在外力作用下内部变形不均匀所造成的。,金属材料各部分之间而形成的宏观范围内的变形不均匀而形成的宏观范围内的残余应力,通常称为第一类内应力。相邻晶粒取向不同引起变形不均匀，或晶内不同部位变形不均匀，会造成微观内应力，通常称为第二类内应力。 由于位错等缺陷的增加，会造成晶格畸变，通常也称为第三类内应力。 其中，第三类内应力占绝大部分，这是使变形金属强化的主要原因。但会使材料，如金属的耐腐蚀性下降。第一、二类内应力占的比例不大，但当进一步加工会打破原有平衡，引起材料的变形；或者和零件使用应力发生叠加，引起材料的破坏。所

9、以一般都要用退火的办法尽量将其消除。,第三节 塑性变形后的金属在加热时的变化,金属材料冷变形后，存在加工硬化和残余内应力等性能变化，在很多情况下并不是人们希望的，可以通过加热引起的组织变化来改变这些性能。 金属材料在加热过程中，随着加热温度的升高，会依次发生回复、再结晶 和晶粒长大等变化。,四、回复与再结晶,回复,当加热温度较低时，变形金属显微组织无明显变化，其力学性能也变化不大，但残余应力显著下降，物理性能和化学性能也部分地恢复到变形前的情况。,四、回复与再结晶,塑性变形后，金属材料加热到较高温度时(一般大于0.4Tm)，可以发生晶粒的重新改组。首先在位错或其他缺陷集中处，形成新的无畸变的小

10、晶粒，这些小晶粒消耗周围发生过变形的晶体而不断长大，同时也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒全部代替变形过的晶体。这个过程也是一形核和核长大，称为再结晶。,材料经过再结晶后，由冷塑性变形带来的所有性能变化就全部消失，材料的组织发生了变化，性能完全彻底回到变形前的状态。-变形组织和性能完全恢复到变形前状态。,3.再结晶特点,再结晶过程不是相变：尽管冷塑性变形后，发生再结晶，晶粒以形核和核长大来进行，但变化前后的晶粒成分相同，晶体结构并未发生变化，因此它们是属于同一个相。,再结晶没有确定的转变温度：再结晶是在温度达到一定程度后，原子活动能力增强发生迁移进行晶格位置的重排，温度愈高，完成愈快，没有固定温

11、度，但有一温度下限，这个温度称为再结晶开始温度(T再)。,纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系: T再（K）0.4T熔（K） 其中T再、T熔为绝对温度. T熔 -为以热力学温度表示的金属熔点 T熔 = t 熔 + 273 金属熔点越高, T再也越高., 再结晶后的晶粒长大 再结晶完成后，若继续升温或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。,一、冷变形和热变形,把金属的塑性变形分称为冷变形和热变形，凡是在其再结晶温度以上进行变形称为热变形，反之在其再结晶温度以下进行的变形称为冷变形。,这里的冷、热加工分界线不是以变形过程是否进行过加热进行区分的。铅的再结晶温度在 0以下，在室温

12、下进行变形是属于热变形，铁的再结晶温度为450左右，在400进行变形仍属于冷变形,而钨在1000进行变形也属于冷变形。,第四节 金属的热变形,金属在冷变形加工时会引起加工硬化，使变形抗力增大，对于那些变形量较大，特别是截面尺寸较大的工件，冷变形加工十分困难；另外有些塑性较低或较硬的金属，甚至不能用冷加工，必须用热加工进行。,因此，热变形加工主要用于截面尺寸较大，变形量较大的金属制品及室温下硬脆性较大的金属材料的变形。如船舶主机的贯穿螺栓和尾轴等零件的毛坯制作。轴的热加工,甲合金（熔点为310）在20、乙合金（熔点为1100）在210的塑性变形各属于哪种变形？ 解:(1)计算两合金的再结晶温度 T再甲=0.4(310+273)=235.2 K=233.2-273=-39.8 T再乙=0.4(1100+273)=549.2 K=549.2-273=276.2 (2)确定两种合金的加工类型 甲合金在20进行塑性变形,因加工温度高于再结晶温度以上进行(20 T再甲)，所以属于热加工。 乙合金在210进行塑性变形，因加工温度低于再结晶温度（210T再乙），所以属于冷加工。,2.热加工对金属组织和性能影响,有利影响： (1)通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高； (2)通过热加工，可使