《材料成型金属学》教学资料：Chpt.7-1 金属在塑性加工中组织与性能变化的基本规律

1、,Chapter 7 金属在塑性加工中组织与性能 变化的基本规律 Basic laws of microstructure and mechanical property variation in plastic working,材料成形,形状/尺寸/表面质量 组织性能 工艺因素-组织演变-力学性能/物理性能/化学性能 联系/规律,Properties,Processing,Microstructure,7.1 金属在冷塑性加工中组织与性能变化的规律Change of microstructures and mechanical properties in cold working,1.纤维组

2、织 多晶金属冷变形 等轴晶粒沿主变形方向拉长 大变形量晶粒呈纤维状称纤维组织,7.1.1 显微组织的变化,2. Substructure 亚结构 deformation 变形dislocation density 位错密度增加dislocation tangles 位错缠结 高位错密度区将位错密度低的区域隔开 晶粒内部出现“小晶粒” ，取向差不大 胞状亚结构 cellular substructure,晶界与亚晶界, dsub subgrain strengthening 亚晶强化 变形达到一定程度,变化减小。,3. 变形织构 deformation texture 变形量较大时，各晶粒取向大

3、体趋于一致, “择优取向” preferred orientation 具有择优取向的组织称为 “变形织构” deformation texture,Deformation texture appears in extrusion挤压/drawing拉拔/forging锻造/rolling轧制,织构- 描述多晶体中晶体取向的特征。 理想情况:变形金属中的每个晶粒都转到所给出织构的晶向和晶面。 实际情况:变形金属的晶粒取向只是趋向于这种织构.随着变形程度的增加, 趋向于这种取向的晶粒越多,这种织构越完整。,Generally, deformation texture includes fiber

4、 texture(丝织构)and plate texture(板织 构)。 丝织构 fiber texture 挤压drawing/拉拔extrusion 轴对称axisymmetric 特定晶向/最大主变形方向.,丝织构 fiber texture,板织构 plate texture 轧制 rolling/宽展很小的矩形件-镦粗 upsetting 平面变形 plane strain 某一晶向/轧向某一晶面/轧面,method for measuring texture: x 射线衍射x-ray diffraction 极图pole figures/ 取向分布函数 ODF ( orienta

5、tion distribution function) 无择优取向 random distribution of orientation,Shear Textures: idealized texture components,织构,背散射电子衍射 超细晶粒钢 ultra-fine grained steel,Electron back scatted diffraction ,EBSD,普通碳钢 low carbon steel,7.1.2. 力学性能的变化Change of mechanical properties,1. 加工硬化 work hardening 金属在变形过程中随着变形程

6、度的增加,强度和硬度明显增加,塑性迅速下降的现象称为 。,单晶体 single crystal 加工硬化曲线,曲线斜率=d/d,加工硬化率 Work/strain hardening rate 剪切应力 c 塑性变形阶段 塑性变形阶段的曲线： 易滑移阶段 线性硬化阶段 抛物线硬化阶段,.易滑移阶段单系滑移 singular slip 一组滑移系开动, 硬化率很小。,滑移线相互平行,铜的单滑移,.线性硬化阶段多系滑移multiple slip system 多系滑移位错交割/反应位错缠结胞状亚结构 必须加大外加切应力变形抗力硬化率, Cross-Slip: 交滑移,b,b,b,Primary s

7、lip plane,Cross slip plane,edge,.抛物线硬化阶段交滑移cross slip 交滑移位错绕过障碍硬化率,多晶体polycrystal：多系滑移,无阶段,加工硬化率比较高。,h.c.p(如镁)一组滑移面 单系滑移硬化率 易滑移阶段 b.c.c. f.c.c滑移系较多 硬化率,影响因素 (1)晶体结构,(2)层错能 stacking fault energy(SFE) 层错能高(Al)扩展位错宽度窄交滑移容易阶段短/阶段出现早 层错能低(Cu) 与此相反 (3) 晶粒尺寸 grain size d硬化-晶界阻碍变形,(4)变形温度和变形速率 硬化hardening 软

8、化 softening 此消彼长 室温：变形硬化 高温：温度硬化,2.各向异性anisotropy 加工方式不同不同织构 不同方向上 性能的差异,负面影响 negative effect 深冲 deep drawing “制耳效应”earing,.,(b),裂 纹 crack,正面影响 positive effect,磁性材料magnetic material 例:变压器用硅钢片 (110) 001 高斯取向 100易磁化方向 沿轧制方向磁导率 铁损,控制织构 电解电容器铝箔 电容器容量 铝箔表面积容量 体积 选择浸蚀铝箔表面积 立方织构表面结构均匀整齐 浸蚀深度大, 强化作用 h.c.p.

9、Ti (0001)织构 平面应力下强度高,可作抗压容器。,7.1.3 储存能 stored energy Es 冷变形结束后，约10%能量以点缺陷、位错、层错的形式储存在金属的内部,称为储存能Es。 ,影响因素 factors: (1)材料的内在因素 intrinsic factor 熔点 Tm Es 溶质原子/d Es 畸变 distortion 第二相/基体性质差异大 Es,位错交割 dislocation intersection,位错增殖 dislocation multiplication,(2) 工艺条件 processing schedules 加工硬化 Es 变形温度变形速度变

10、形程度不均匀变形 储存能thermodynamically unstable,7.1.4 其他性能的变化Changes of other properties,1.金属密度Density crack 裂纹(b)Time-temperature variation of yield stress during recovery,无孕育期 温度 回复速度,7.2.2 Recrystallization 再结晶,再结晶温度recrystallization temperature 0.40.5 Tm (Tm=melting point),位错密度 dislocation density 强度stre

11、ngth 塑性ductility,金属再结晶是通过形核和长大 的方式来完成的 再结晶形核nucleation 在局部高能区域优先形成.,晶界 grain boundary 变形带 deformation bands 夹杂物 inclusion 孪晶界 twin boundary 自由表面 free surface,ABC间位相差很小,A和B合并,ABC合并,形成大位相差界面,亚晶聚合subgrain coalescence 伴随着亚晶长大,高位错密度晶界迁移，亚晶长大，成为再结晶的晶核.,变形程度较小时，大角度晶界上有一小段弓出，晶界扫过的区域储存能释放，可以作为再结晶晶核而长大。 晶界弓出,

12、(a) Sudden growth of a boundary into a high dislocation density grain;(b) Model to describe this “nucleation”event,再结晶晶核的长大 晶界迁移 boundary migration 驱动力 driving force 再结晶晶粒与变形基体之间的应变能之差 表面能surface energy 应变能strain energy,再结晶动力学,再结晶存在孕育期(形核过程) 晶粒接触后再结晶速度减慢,直到终了。,铝在350C时的再结晶动力学曲线,Nucleation and Growth,standard incubation/growth law:,研究再结晶的方法 硬度法 金相法 x射线法 透射电镜观察 (transmission electron microscopy， TEM),再结晶温度 recrystallization T,退火1小时: 开始出现再结晶晶粒的温度：Ts 再结晶结束的温度：Tf,Discussion,在原始晶界两边，一侧亚晶尺寸小，另一侧亚晶尺寸大。若该晶界在再结晶初期发生弓出，其弓出方向为何？,何种形核机制