第5章 金属的塑性变形.ppt

1、第一章，第四章金属的塑性变形，塑性变形和随后的加热对金属材料的微观结构和性能有着重要的影响。了解塑性变形的本质、塑性变形以及加热过程中微观组织的变化，有助于充分发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺。单晶塑性变形后金属的恢复和再结晶金属的热塑性变形。第一节是单晶的塑性变形，1。单晶纯金属的塑性变形。当应力低于弹性极限时，材料的变形为弹性变形。e和b之间的应力变形是均匀塑性变形；b后将出现颈缩。断裂发生在点K.弹性变形的本质是在应力的作用下，材料中的原子偏离平衡位置，但不超过原子间的结合力。晶格被拉长(缩短)或扭曲。原子之间的相邻关系没有改变，所以在外力消除后，原子之间的结合力可以完全恢复变形。单

2、晶受力后，外力可以分解为任意晶面上的正应力(垂直晶面)和剪应力(平行晶面)。法向应力只能引起弹性变形，当原子间的结合力超过时，晶体就会断裂。金属晶体只有在剪切应力的作用下才会产生塑性变形。塑性变形的本质是，在应力的作用下，材料中原子的相邻关系发生了变化，因此外力消除后，原子达到另一个平衡位置，物体将保持永久变形。塑性变形，4，滑移是指当应力超过材料的弹性极限时，晶体的一部分相对于另一部分沿某一晶面和方向滑动的现象。应力消除后，位移无法恢复，在金属表面留下变形痕迹。塑性变形的形式：滑移和孪晶金属经常以滑移的形式发生塑性变形。5.滑移只能在剪应力的作用下发生。1.滑动变形的特征；6.滑移通常沿着晶

3、面和原子密度最高的方向发生。因为晶面与原子密度最高的晶体方向之间的原子距离最大，结合力最弱，所以滑移所需的剪应力最小。发生滑移的晶面称为滑移面；发生滑移的晶体方向称为滑移方向；它们通常是晶体中密集的平面和方向。滑动平面和其上的滑动方向形成滑动系统。滑移系统越多，金属滑移的可能性越大，塑性越好，滑移方向对塑性的贡献大于滑移面。8，FCC，6，金属塑性：fccbccchp，9，哪个滑移系统先滑移？只有当滑移面上滑移方向的剪切应力分量c(切应力)大于或等于某一临界值(临界剪切应力，由原子间的结合力决定)时，才能进行。当首先到达C的滑移系统首先开始滑移时，晶体两部分的相对位移是原子距离的整数倍。作为滑

4、移的结果，在晶体表面上形成一个台阶，称为滑移线，几条滑移线形成一个滑移区。铜拉伸试样表面的滑移带11随着晶体的旋转而滑动。旋转的原因：晶体滑移后，正应力分量和剪应力分量形成一对。12号韧性断裂13号。假设滑移是刚性整体滑移面上的每个原子同时移动到另一个平衡位置，施加的剪切应力必须同时克服滑移面上所有原子之间的结合力。所需的理论临界剪切应力值比实际测量值大3-4个数量级。滑动是通过位错在滑动面上的运动实现的。2，滑移机制，14，边缘位错的运动，滑移过程中会产生许多位错：塑性变形增加，晶体中的位错密度增加。当晶体通过位错运动时，只有位错中心的几个原子需要运动，它们的运动距离远小于一个原子的距离，因

5、此，晶体在位错中心的运动距离远小于一个原子的距离17、孪晶改变晶格取向的示意图；所需的剪应力远大于滑移，变形速度非常快，接近声速；孪生时，相邻原子面的相对位移小于一个原子距离(滑移是原子距离的整数倍)。与滑移相比，紧密堆积的六方晶格金属具有较少的滑移系统，并且经常以两种方式变形。体心立方晶格金属：孪生变形仅在低温或冲击下发生。面心立方晶格金属：孪晶变形一般不会发生。18，单晶的变形与单晶相似，多晶的变形更复杂。(2)多晶纯金属的塑性变形。多晶由许多不同取向的单晶组成。在一定的单向外力作用下，每个晶体滑移面上的剪应力不同，只有一些滑移系统达到临界剪应力滑移。由于晶体之间的相互制约，第一个滑动晶体

6、将导致其自身或其相邻的晶体旋转，从而使最初开始的滑动系统偏离最大剪应力的方向并停止滑动。其他无法启动的滑移系统被启动，然后整个晶体的塑性变形协调发展。晶粒所处的取向容易滑移，这称为“软取向”，反之亦然。它首先出现在软取向晶粒中，然后出现在硬取向晶粒中。1。不均匀的塑性变形。由于相邻晶粒的取向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，如果周围的晶粒不发生塑性变形，它们必须通过弹性变形与之协调。这种弹性变形成为塑性变形颗粒的变形阻力。由于晶粒间的相互约束，提高了多晶金属的塑性变形抗力。2，晶粒取向差异阻碍滑移，和20，当位错移动到晶界附近时，它们被晶界阻挡并聚集，这称为位错堆积。为了继

7、续变形，必须增加外力，从而提高金属的抗变形能力。3，晶界的影响，21，晶界对塑性变形的影响，Cu-4.5Al合金晶界的位错堆积，22，晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的不同取向的晶粒越多，金属的抗塑性变形能力就越高。另外，一定量的变形由较多的晶粒承担，不会引起局部应力集中，因此在断裂前会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很大，所以它的韧性也很好。晶粒尺寸对塑性变形的影响；23、塑性变形对组织和性能的影响；1、塑性变形对组织结构的影响；1)组织纤维化(晶粒变形):随着塑性变形的增加，原来的等轴晶相应拉长或变平，形成条状或纤维状，使材料各向异性。24，2

8、)，亚晶粒增加：变形前位错分布均匀。塑性变形伴随着大量的位错。由于位错运动和相互作用，晶粒被“破碎”成许多取向略有不同的亚晶粒。亚晶界是由堆垛位错形成的。3.纹理：金属中晶粒的取向通常是随机排列的，尽管每个晶粒都是各向异性的，但宏观性质表现出各向同性。金属在某一方向(大于70%)发生大量变形后，由于晶粒的旋转，晶粒取向趋于一致，形成“择优取向”，即某一方向出现某一晶面(晶向)的概率明显高于其他方向。这种金属变形后形成的有序结构称为变形织构，它使金属材料表现出明显的各向异性。25，由于晶粒的旋转，当塑性变形达到一定程度时，大多数晶粒的某一取向趋于与变形方向一致，这被称为织构或择优取向。变形纹理使

9、金属各向异性，这是，2。对机械性能的影响，28，1。位错密度随着形变的增加而增加，形变是加工硬化的原因。位错密度和强度之间的关系，变形阻力增加，塑性降低，强度和硬度由于位错之间的相互作用而增加(堆积和缠结)，30，2。子结构随着变形的增加而细化；3.随着变形量的增加，空位密度增加。4.几何硬化：由颗粒旋转引起。加工硬化使变形零件变硬并停止变形，而未变形零件开始变形。没有加工硬化，金属将不会经历均匀的塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一，特别是对于不能通过热处理强化的金属和合金。31、3、残余内应力，内应力是指金属内部平衡的应力。它是由金属受力时不均匀的内部变形引起的。当金属塑性变形时，由

10、晶界位错堆积引起的应力集中，只有10%的外力功转化为内应力并保留在金属中。第三种内应力是变形金属的主要内应力，也是强化金属的主要原因。而第一种和第二种内应力会降低金属的强度。内应力的存在降低了金属的耐腐蚀性；它会导致零件在加工和淬火过程中变形和开裂。因此，在塑性变形后，金属通常被退火以消除或减少内应力。第一种内应力是表面和核心之间的平衡(宏观内应力)。第二种内应力是晶粒之间或晶粒内不同区域之间的平衡(微观内应力)。第三种内应力是晶格缺陷引起的畸变应力。4.变形后金属的加热变化(恢复和再结晶)。简介：金属塑性变形后，会出现晶粒伸长、位错增加、内应力上升等现象，这将导致材料系统的能量增加，处于高能

11、亚稳态，并趋于向低能态转变。在加热过程中，变形材料将经历三个过程：恢复、再结晶和晶粒生长，如下图所示。恢复、再结晶和晶粒生长都是减少或消除结构缺陷的过程。因此，材料的结构和性质也相应地改变。加热促进转变，34，1，恢复，1)恢复概念，当冷加工材料保持在较低温度时，材料的点缺陷消失、位错重排和应力降低的过程是恢复。利用回复现象对冷变形金属进行低温加热，可以稳定组织并保持加工硬化效果的方法是应力消除退火。2)恢复导致材料结构和性能的变化。宏观应力(第一类应力)基本消除，但微观应力(第二类和第三类应力)仍然存在。l机械性能，如强度、硬度(略有下降)和塑性(略有增加)，无明显变化。35，当变形的金属被

12、加热到更高的温度时，由于原子迁移率的增加，晶粒的形状开始改变，并且在亚晶粒边界或晶粒边界处形成新的晶核，其以等轴晶体的形式连续生长，取代拉长和断裂的旧晶粒。这个过程叫做重结晶。加热时完全重组这种冷变形结构的过程称为再结晶。再结晶也是成核和生长的过程，但它不是相变过程。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，原子能最高，也最不稳定。这只是形态上的变化。新晶粒中的缺陷减少，内应力消失。37，由于再结晶后显微组织的恢复，金属的强度和硬度降低，塑性和韧性增加，加工硬化消失。38，再结晶温度，再结晶不是恒温过程，它是在一定温度范围内的连续过程，再结晶发生的最低温度称为再结晶

13、温度。金属预变形程度越大，再结晶温度越低纯金属的最低再结晶温度和熔点之间的近似关系是： T，然后是0.4T，其中T和T被熔化到绝对温度，如Fe: t然后=(1538 273)0.4273=451，影响再结晶温度的因素，1)金属的预变形程度，40。金属中的微量杂质或合金元素，特别是高熔点元素，开始熔化，2)，金属纯度，41，3)，再结晶加热速度和加热时间。提高加热速度将延迟再结晶到更高的温度；加热时间延长，使得原子扩散充分，再结晶温度降低。在生产中，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100，200。42，再结晶后，如果温度升高或保温时间延长，将发生晶粒生长，这是一个

14、自发过程。3.粮食增长，驱动力43，1。再结晶后，金属获得均匀细小的晶粒，但倾向于生长，因为生长有利于降低界面和界面能。自由能的减少是谷物生长的驱动力。2正常生长和异常生长，正常生长：再结晶晶粒生长均匀。方法：相互融合，均匀组织。异常生长：一些颗粒快速生长并吞并相邻的小颗粒，导致结构不均匀。晶粒生长是通过晶界迁移来实现的，这是一个大晶粒吞并小晶粒的过程。44，加热温度越高，保温时间越长，金属颗粒越粗，尤其是加热温度的影响。再结晶退火温度对晶粒尺寸的影响。加热温度和保温时间，影响因素，45。预变形程度对再结晶晶粒尺寸的影响。预变形量，当变形量达到210%时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶

15、晶粒尺寸差异很大，容易相互吞噬长大，再结晶晶粒非常粗大，称为临界变形量。预变形的效果本质上是变形均匀性的效果。当变形较小时，晶格畸变较小，不足以引起再结晶。46，当超过临界变形时，随着变形程度的增加，变形变得越来越均匀，再结晶过程中形核大且均匀，使得再结晶晶粒细小且均匀，达到一定变形后晶粒尺寸基本不变。对于某些金属，当变形相当大(90%)时，再结晶后晶粒再次粗化，这通常被认为与织构的形成有关。5.金属的热加工。冷加工和热加工的区别在金相学中，冷加工和热加工的边界用再结晶温度来划分。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。48，热加工引起的加工硬化很快被再结晶引起的软化

16、所抵消，因此热加工不会带来加工硬化效应。巨型自由锻造，差冷加工：加工硬化，晶粒变形热加工：加工硬化和再结晶过程同时发生，加工硬化消失。为什么经受热加工的金属材料的强度和硬度随着温度的升高而降低，而塑性随着温度的升高而增加？因此，较高温度下的塑性变形会降低材料的抗力，并且容易形成。热加工对金属组织和性能的影响1)热加工可以将铸态金属与合金中的气孔焊接在一起，使粗大的枝晶或枝晶断裂，从而使组织致密，成分均匀，晶粒细化，力学性能提高。50，这使得钢各向异性。在制定加工工艺时，流线分布应合理并尽可能与拉应力方向一致。2)滚轧成形后纤维在螺纹内的分布，钩内的纤维结构，以及2)热加工流线。在热加工过程中，各种可变形夹杂物将沿变形方向拉长并呈流线型分布，导致各向异性。在流线方向，性能更好，但在垂直于应力的方向蒸汽气锤，52，3，金属强化，1。基本原理因为塑性变形的本质是位错滑移。因此，提高强度就是要尽量防止错位运动。主要有以下几种方式：1 .细晶强化和细化依靠晶界来防止位错运动。颗粒越小，强度越高。强度s=0 Kd-1/2 0:晶体中位错运动的总阻力k:常数，表明晶界对变形的影响，与晶界结构有关。大多数零件在提高抗塑性变形能力的过程中不允许产生塑性变形。在给定的外加载