6西華大學(xué)-工程材料-期末考試總復(fù)習(xí)-金屬及合金的塑性變形和再結(jié)晶

1、6 金屬及合金的塑性變形與再結(jié)晶6.1 金屬的塑性變形6.2 塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響6.4 塑性變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化6.5 金屬的熱加工,1.單晶體的塑性變形,單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。塑性變形的方式：滑移和孿生。 （1）滑移 滑移是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面（滑移面

2、）上的一定晶向（滑移方向）相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)的現(xiàn)象。,塑性變形及隨后的加熱對(duì)金屬材料組織和性能有顯著的影響。,6.1 金屬的塑性變形,滑移變形的特點(diǎn) ：①滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力。 臨界分切應(yīng)力：滑移開始時(shí)，在滑移面上沿滑移方向的分切應(yīng)力。 滑移面上的分切應(yīng)力： 滑移開始時(shí)，宏觀上金屬開始屈服，則：τ0=σs cosλcosφm=cosλcosφ—取向因子(施

3、密特因子) 。,對(duì)任何φ角，若φ+ λ=90°，則沿此方向的τ值較其它λ時(shí)大，此時(shí)：cosλcosφ= cos（90 °- φ ）cosφ=1/2 sin2 φ，故： 當(dāng)φ=45°時(shí)，m=1/2，為最大值，則σs 最小，最有利于滑移—稱為軟取向； φ=90°或 φ=0°時(shí)，σs ∞，即外力與滑移面平行或垂直，晶體無法滑移，—稱為硬取向。,,② 滑移并非是

4、晶體兩部分沿滑移面作整體的剛性滑動(dòng)，而是晶體內(nèi)部位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。在切應(yīng)力作用下，一個(gè)多余半原子面從晶體一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)運(yùn)動(dòng)，即位錯(cuò)自左向右移動(dòng)時(shí)，晶體產(chǎn)生滑移。 ③由于位錯(cuò)每移出晶體一次即造成一個(gè)原子間距的變形量，因此晶體發(fā)生的總變形量一定是這個(gè)方向上原子間距的整數(shù)倍。,晶體通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，只在位錯(cuò)中心的少數(shù)原子發(fā)生移動(dòng)，它們移動(dòng)的距離遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作位錯(cuò)的易動(dòng)性。,,

5、④滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。 滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移面更大。因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格, 體心立方晶格好于密排六方晶格。,⑤滑移時(shí)

6、晶體伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng)。,滑移前：外力作用在o—o軸線上，滑移后：外力分別作用在o’、o’’上，構(gòu)成一對(duì)力偶，使晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果使晶體的位向發(fā)生改變，軟、硬位向發(fā)生交替，使參與滑移的滑移系發(fā)生改變，從而使晶體均勻變形。結(jié)果：使滑移面和滑移方向逐漸趨于平行于拉伸軸。壓縮時(shí)使滑移面逐漸趨于與壓力軸線垂直。,（2） 孿生 孿生是指在切應(yīng)力作用下晶體的一部分沿一定晶面（孿晶面）和晶向（孿生方向）相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。發(fā)生切變的

7、部分稱孿生帶或?qū)\晶，孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱。,與滑移相比：孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多, 只在滑移很難進(jìn)行的情況下才發(fā)生;孿生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距。密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。,①晶界原子排列較不規(guī)則，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來,稱位錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行, 則必須增加外力, 從而

8、使金屬的變形抗力提高。晶粒小 → 晶界多 → 變形抗力大 → 強(qiáng)度，硬度↑(細(xì)晶強(qiáng)化)。 ②多晶體中各相鄰晶粒位向不同。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應(yīng)力方向（軟位向），另一些晶粒處于硬位向。軟位向晶粒先開始滑移，當(dāng)位錯(cuò)在晶界受阻逐漸堆積時(shí)，其他晶粒發(fā)生滑移。因此多晶體變形時(shí)晶粒分批地逐步變形。晶粒小 → 變形分散，應(yīng)力集中小 → 塑性↑，韌性↑。,2．多晶體金屬的塑性變形,6.2 塑性變形對(duì)金屬組織和

9、性能的影響,(1) 晶粒拉長(zhǎng)，纖維組織 → 各向異性 (沿纖維方向的強(qiáng)度、塑性最大）,變形10% 100×,變形40% 100×,變形80%　纖維組織　100×,工業(yè)純鐵不同變形度的顯微組織,（3）織構(gòu),由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。,晶粒拉長(zhǎng)，但未出現(xiàn)織構(gòu)。,晶粒拉長(zhǎng)，且出現(xiàn)織構(gòu)。,（2）亞結(jié)構(gòu)

10、形成 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)的增殖，導(dǎo)致位錯(cuò)密度增大（增殖）和交互作用，產(chǎn)生位錯(cuò)堆積和纏結(jié)，形成胞狀結(jié)構(gòu)，使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊，而在晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞晶粒。,（4）加工硬化（形變強(qiáng)化　——　強(qiáng)化材料的手段之一）,加工硬化的原因　 塑性變形 → 位錯(cuò)密度增加，相互纏結(jié)(亞晶界)，運(yùn)動(dòng)阻力加大 → 變形抗力↑。,金屬在冷變形時(shí)，隨變形度的增大，強(qiáng)度、硬度↑ ，塑性、韌性↓。,P21，圖1-17,由于加工硬化, 使已變

11、形部分發(fā)生硬化而停止變形, 而未變形部分開始變形。沒有加工硬化, 金屬就不會(huì)發(fā)生均勻塑性變形。 加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，對(duì)于不能熱處理強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。,（5）塑性變形可影響金屬的物理、化學(xué)性能。如使電阻增大，耐腐蝕性降低。（6）殘余內(nèi)應(yīng)力 ——是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。由金屬內(nèi)部不均勻變形引起。,內(nèi)應(yīng)力分為三類：第一類內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間 (宏觀內(nèi)應(yīng)力)。第二類內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)

12、域之間, (微觀內(nèi)應(yīng)力)。第三類內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。 第三類內(nèi)應(yīng)力是形變金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力，也是金屬強(qiáng)化的主要原因。而第一、二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬強(qiáng)度降低。殘余內(nèi)應(yīng)力的危害　耐蝕性↓，引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。但有時(shí)零件表面有殘余壓應(yīng)力時(shí)，可提高疲勞強(qiáng)度。,6.4　塑性變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化,金屬經(jīng)冷變形后, 組織處于不穩(wěn)定狀

13、態(tài)，有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小，不穩(wěn)定狀態(tài)可長(zhǎng)時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。,1. 回復(fù)(去應(yīng)力退火) 回復(fù)是指在加熱溫度較低時(shí)，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。 位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷大大↓，而晶粒仍保持變形后的形態(tài)，變形金屬的顯微組織不發(fā)生變化，內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著↓ ，強(qiáng)度、硬度略有↓，塑性略有提高 。 回復(fù)溫度 =（0

14、.25 ~ 0.3 ）T0 工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法稱去應(yīng)力退火。,2.再結(jié)晶（再結(jié)晶退火） 當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大： 通過重新形核、長(zhǎng)大，生成新的等軸晶粒，晶格類型不變。由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，加工硬化消除 —— 強(qiáng)度、硬度大大↓ ，塑性、韌性大大↑ 。 再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成和長(zhǎng)大的過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前

15、后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。,再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。最低再結(jié)晶溫度 TR　　純金屬　TR =（0.4 ~ 0.35）T0　　合金　　TR =（0.5 ~ 0.7）T0溫度單位：絕對(duì)溫度( K )TR與下列因素有關(guān)：預(yù)變形度：如右圖。金屬預(yù)先變形程度越大, 再結(jié)晶溫度越低。當(dāng),變形度達(dá)到一定值后，再結(jié)晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結(jié)

16、晶溫度。金屬的熔點(diǎn)：T0越高，TR越高。雜質(zhì)和合金元素：特別是高熔點(diǎn)元素起阻礙擴(kuò)散和晶界遷移作用，顯著提高TR 。加熱速度和保溫時(shí)間：加熱速度提高則TR提高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)則TR越低。,再結(jié)晶后的晶粒度,,影響因素： ①加熱溫度 T ↑，保溫時(shí)間t ↑ → 晶粒直徑 D↑。 ②預(yù)變形度的影響，實(shí)質(zhì)上是變形均勻程度的影響：當(dāng)變形度很小時(shí)，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶；當(dāng)變形,達(dá)到2~10%時(shí)，只有部分晶粒變形，變形極不

17、均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長(zhǎng)大,再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個(gè)變形度稱臨界變形度；當(dāng)超過臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再結(jié)晶時(shí)形核量大而均勻，使再結(jié)晶后晶粒細(xì)而均勻，達(dá)到一定變形量之后，晶粒度基本不變；對(duì)于某些金屬，當(dāng)變形量相當(dāng)大時(shí)(?90%)，再結(jié)晶后晶粒又重新出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認(rèn)為這與形成織構(gòu)有關(guān)。 生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100~200℃。,3.

18、 晶粒長(zhǎng)大,變形80%,工業(yè)純鐵　再結(jié)晶退火 顯微照片 100×,變形80% 600℃退火8小時(shí),變形80% 400℃退火8小時(shí),再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，將發(fā)生晶界遷移、大晶粒吞并小晶粒的過程，晶粒合并長(zhǎng)大，這是一個(gè)自發(fā)的過程。晶粒粗大會(huì)使金屬的強(qiáng)度，尤其是塑性和韌性降低 。,6.5　金屬的熱加工和冷加工,1．金屬的熱加工及其對(duì)組織和性能的影響,熱加工：金屬在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工。

19、實(shí)質(zhì)：變形中加工硬化與動(dòng)態(tài)軟化同時(shí)進(jìn)行的過程。動(dòng)態(tài)軟化包括：動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。熱加工時(shí)，有動(dòng)態(tài)軟化可以消除加工硬化(至少部分消除)，因此熱加工中金屬一直保持較高的塑性，可連續(xù)地進(jìn)行大變形量加工。主要用于截面尺寸較大、變形量較大的產(chǎn)品，以及脆性較大的金屬材料。溫度高，流變強(qiáng)度下降，形變阻力小，動(dòng)力消耗較少。,熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響：,①提高材料（鑄錠）致密性和力學(xué)性能： 熱加工可消除鑄造材料中的某些缺陷，如焊合氣孔、

20、疏松；部分消除偏析；打碎粗大的柱狀晶和樹枝晶；改善夾雜物或脆性相的形態(tài)與分布，提高材料的致密性，成分均勻，細(xì)化晶粒，提高材料的力學(xué)性能，特別是塑、韌性比鑄態(tài)有顯著提高。受力復(fù)雜，負(fù)荷較大的重要工件，都要經(jīng)過熱加工。②形成流線，使材料出現(xiàn)各向異性： 流線：夾雜物、第二相、偏析等沿變形方向分布，在經(jīng)浸蝕的宏觀磨面上出現(xiàn)的纖維組織。順流線方向性能高(特別是塑、韌性)，垂直于流線方向性能較差。 受力簡(jiǎn)單的零件，熱加工時(shí)應(yīng)

21、使流線與零件工作時(shí)受到的最大拉應(yīng)力方向一致，而與外加的切應(yīng)力和沖擊方向相垂直。,③形成帶狀組織,帶狀組織：在經(jīng)過壓延的金屬材料中常常出現(xiàn)的組織。 加工時(shí)存在兩相，兩個(gè)相都沿變形方向伸長(zhǎng)，在縱切面上形成兩相相間的條帶狀組織。 1Cr13：白色相，鐵素體；黑色相，由奧氏體轉(zhuǎn)變成的珠光體。 Cr12：白色碳化物顆粒成帶狀分布，黑色基體為珠光體。 由偏析造成的，壓延時(shí)偏析區(qū)沿變形方向伸長(zhǎng)成條帶狀，冷卻時(shí)偏析區(qū)

22、成分不同，轉(zhuǎn)變成的組織不同。 亞共析鋼中，枝晶間富P、Si等，提高GS溫 度，先共析F在此形核長(zhǎng)大(白色區(qū))，F(xiàn)析出后， 使C向兩側(cè)擴(kuò)散，富C區(qū)隨后轉(zhuǎn)變?yōu)镻。 非金屬夾雜物也會(huì)在加工中被拉長(zhǎng)(或碎成

23、 小粒成串鏈狀)，先共析F通常會(huì)依附于它們而 析出，形成帶狀組織。 帶狀組織也使材料的力學(xué)性能產(chǎn)生方向性，特別是橫向塑、韌性降低。 防止方法：①不在兩相區(qū)變形；②高溫?cái)U(kuò)散退火消除偏析； 消除方法：正火。,2．金屬的冷加工及其對(duì)組織和性能的影響 冷加工：金屬在再結(jié)晶溫度以下的塑