工程材料第五章金屬的塑性變形與再結(jié)晶分解

工程材料,王金星材料科學(xué)與工程學(xué)院,郵箱：wjx電話EngineeringMaterials,第五章金屬的塑性變形與再結(jié)晶,第五章金屬的塑性變形與再結(jié)晶,兩個(gè)方面的問題塑性變形各種壓力加工，如軋制、鍛造、擠壓、拉拔、沖壓等，均能使金屬發(fā)生塑性變形。一般來說，金屬在常溫下發(fā)生的塑性變形是冷塑性變形。金屬發(fā)生冷塑性變形后，其內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)和性能均將發(fā)生變化，宏觀性能表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度、電阻率升高，塑性和韌性、耐腐蝕性降低?；貜?fù)與再結(jié)晶經(jīng)過冷塑性變形的金屬被重新加熱后，其內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)和性能又將發(fā)生變化，宏觀性能表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度降低，塑性和韌性升高。,金屬的塑性變形是怎么回事？,塑性變形后，對組織和性能有什么影響？,如果重新加熱，組織和性能有什么變化？,問題,先學(xué)習(xí)單晶體的塑性變形是怎樣的？多晶體？合金？,金屬的塑性變形是怎么回事？,5.1金屬的塑性變形,一、單晶體金屬的塑性變形,滑移：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生相對滑動位移的現(xiàn)象。,孿生：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生對稱切變的現(xiàn)象。,兩種方式：,1、滑移變形的特點(diǎn)滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生產(chǎn)生滑移所需的最小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力。,5.1金屬的塑性變形,鋅單晶體拉伸試驗(yàn)示意圖,重要現(xiàn)象：當(dāng)外力與滑移所發(fā)生的晶面之間呈45時(shí)，臨界切應(yīng)力最小，即當(dāng)單晶體在外力作用下，呈45角的晶面最容易產(chǎn)生滑移。,滑移沿原子密度最大的晶面和原子密度最大的晶向發(fā)生,滑移面,滑移方向,滑移系,110,111,5.1金屬的塑性變形,重要結(jié)論：滑移系越多，則金屬發(fā)生滑移的可能性越大，該金屬的塑性也越好。,滑移的結(jié)果會在金屬表面造成臺階。,5.1金屬的塑性變形,滑移時(shí)兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數(shù)倍,滑移帶和滑移線,滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動,單晶體拉伸變形過程a)原試樣；b)自由滑移變形；c)受夾頭限制時(shí)的變形,5.1金屬的塑性變形,2、滑移的機(jī)理滑移是通過位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)位錯(cuò)線掃過滑移面到達(dá)金屬表面時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)原子間距的滑移量，同一滑移面上若有大量位錯(cuò)移出，則會在金屬表面形成一條滑移線。重要結(jié)論：位錯(cuò)運(yùn)動越困難，則金屬的強(qiáng)度越高；反之則強(qiáng)度越低，塑性越好。,5.1金屬的塑性變形,晶體通過位錯(cuò)運(yùn)動而造成滑移,5.1金屬的塑性變形,二、多晶體金屬的塑性變形多晶體金屬發(fā)生塑性變形的方式仍然是滑移或?qū)\生。（一）晶界和晶粒位向?qū)Χ嗑w塑性變形的影響晶界的存在和每個(gè)晶粒間存在的位向差將導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度提高。（原子紊亂）（易變形位向不同）,位錯(cuò)的塞積,5.1金屬的塑性變形,（二）晶粒大小對多晶體金屬力學(xué)性能的影響1、對硬度和強(qiáng)度的影響晶粒越小，則晶界越多，金屬的強(qiáng)度和硬度越高；晶粒越小，則晶粒越多，位向差越顯著，每個(gè)晶粒變形時(shí)受到的約束也越大，金屬的強(qiáng)度和硬度越高。因此，多晶體金屬的晶粒越細(xì)小，則強(qiáng)度和硬度越高。2、對塑性和韌性的影響晶粒越小，則晶粒越多，同時(shí)參與變形的晶粒也越多，變形越均勻，不易造成局部應(yīng)力集中，可推遲裂紋的形成和擴(kuò)展，使金屬能夠發(fā)生很大的塑性變形而不斷裂。同時(shí)，要使金屬斷裂則需要更大的能量。因此，多晶體金屬的晶粒越細(xì)小，則塑性和韌性越好。細(xì)晶強(qiáng)化：通過細(xì)化多晶體金屬的晶粒，以同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度和硬度、塑性和韌性的方法。,5.1金屬的塑性變形,三、合金的塑性變形（一）單相固溶體合金的塑性變形固溶體中存在溶質(zhì)原子，造成晶格畸變，從而對位錯(cuò)的運(yùn)動有阻礙作用，使合金的強(qiáng)度和硬度升高。溶質(zhì)原子在位錯(cuò)線上的偏聚，會對位錯(cuò)起“釘扎”作用，使位錯(cuò)運(yùn)動困難，也使合金的強(qiáng)度和硬度升高。固溶強(qiáng)化：通過在金屬中溶入某種溶質(zhì)元素，從而形成固溶體而使合金的強(qiáng)度和硬度提高的方法。,5.1金屬的塑性變形,（二）多相合金的塑性變形多相合金的組織中通常有兩類不同的相，一是連續(xù)分布的基體相，二是以一定的形狀和數(shù)量分布在基體相中的分散相（又稱為第二相）。分散相的性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量及分布對多相合金的塑性變形和力學(xué)性能有很大的影響。1、第二相以網(wǎng)狀分布在晶界上降低強(qiáng)度和韌性。如過共析鋼平衡組織中的Fe3C。2、第二相以片狀分布在基體相中提高強(qiáng)度和硬度，降低塑性和韌性。如共析鋼平衡組織中的Fe3C。3、第二相以顆粒狀分布在基體相中顯著提高強(qiáng)度和硬度，略降低塑性和韌性。如粒狀珠光體中的Fe3C。彌散強(qiáng)化：第二相以細(xì)小的顆粒形狀，均勻彌散地分布在基體相中，以顯著提高合金強(qiáng)度和硬度的方法。又稱為分散強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化。,5.1金屬的塑性變形,金屬塑性變形后，對組織和性能有什么影響？,一、塑性變形對金屬組織影響1、晶粒形狀發(fā)生變化,等軸狀,晶粒伸長,纖維狀,2、晶粒破碎成亞晶粒隨著變形量的增加，位錯(cuò)密度不斷升高，晶粒內(nèi)形成許多亞晶粒。3、產(chǎn)生形變織構(gòu)由于塑性變形使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織，稱為形變織構(gòu)。,5.2塑性變形對金屬組織和性能的影響,性能各向異性,5.2塑性變形對金屬組織和性能的影響,深沖件的制耳,5.2塑性變形對金屬組織和性能的影響,二、塑性變形對金屬性能的影響1、產(chǎn)生加工硬化加工硬化（形變強(qiáng)化）：隨著變形量的增加，金屬強(qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象。,5.2塑性變形對金屬組織和性能的影響,殘余內(nèi)應(yīng)力的危害：引起壓力加工、熱處理過程中零件的變形和開裂。降低金屬的強(qiáng)度（第一、二類內(nèi)應(yīng)力）。降低金屬的耐腐蝕性。,5.2塑性變形對金屬組織和性能的影響,2、產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）：平衡于金屬表層與心部之間的內(nèi)應(yīng)力。產(chǎn)生原因：表層與心部變形不一致。微觀內(nèi)應(yīng)力（第二類內(nèi)應(yīng)力）：平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力。產(chǎn)生原因：晶粒之間的變形不均勻。點(diǎn)陣畸變（第三類內(nèi)應(yīng)力）：存在于晶體缺陷中的內(nèi)應(yīng)力。(占90%以上)產(chǎn)生原因：晶體缺陷增加引起畸變增大。,殘余內(nèi)應(yīng)力的消除：去應(yīng)力退火或低溫回火。,如果重新加熱，組織和性能有什么變化？,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,冷變形金屬在不同加熱溫度時(shí)組織和性能的變化,三、變形金屬在加熱過程中組織和性能的變化：回復(fù)+再結(jié)晶,（一）回復(fù)冷變形金屬在較低溫度加熱時(shí)，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過程稱為回復(fù)。1、組織、結(jié)構(gòu)方面顯微組織沒有明顯變化。亞結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，表現(xiàn)為晶體缺陷數(shù)量有所減少?？瘴慌c間隙原子的合并、同一滑移面上的異號位錯(cuò)相互抵消。2、性能方面力學(xué)性能沒有明顯變化。強(qiáng)度和硬度略有下降，塑性和韌性略有升高。內(nèi)應(yīng)力和電阻率明顯降低。3、工業(yè)應(yīng)用去應(yīng)力退火將已經(jīng)加工硬化的金屬在較低的溫度下加熱，使其內(nèi)應(yīng)力基本消除，同時(shí)保持加工硬化的工藝方法。舉例：冷卷彈簧制品，在成型后進(jìn)行一次250300C的低溫加熱，充分消除殘余內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，改善性能。,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,（二）再結(jié)晶冷變形金屬在加熱到一定溫度后，在已變形組織中重新產(chǎn)生無畸變的新晶粒，性能發(fā)生明顯的變化，并恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)的過程稱為再結(jié)晶。1、組織、結(jié)構(gòu)方面變形的晶粒完全恢復(fù)為等軸狀晶粒。晶體缺陷數(shù)量明顯減少。2、性能方面強(qiáng)度和硬度顯著下降，塑性和韌性顯著升高。冷變形時(shí)的加工硬化現(xiàn)象完全消失。內(nèi)應(yīng)力也基本被消除。3、工業(yè)應(yīng)用再結(jié)晶退火將已經(jīng)加工硬化的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，使其發(fā)生再結(jié)晶，以消除加工理化的工藝方法。舉例：冷拉鋼絲時(shí)，每拉拔一次，中間均進(jìn)行再結(jié)晶退火，消除加工硬化，以便于下一次拉拔。,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,4、再結(jié)晶的驅(qū)動力再結(jié)晶的驅(qū)動力來自冷變形所產(chǎn)生的儲存能。再結(jié)晶過程也是一個(gè)形核和長大的過程。在溫度作用下，再結(jié)晶的核心（晶核）在變形造成的最大畸變處形成，隨后進(jìn)一步長大，最終全面替換畸變的晶粒，金屬組織重新恢復(fù)成無畸變的等軸晶。5、再結(jié)晶溫度冷變形金屬發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度。再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過程，沒有恒定的轉(zhuǎn)變溫度。因此，再結(jié)晶溫度的意義是開始發(fā)生再結(jié)晶的溫度，即在畸變的晶粒中產(chǎn)生無畸變等軸晶粒的最低溫度。6、再結(jié)晶與重結(jié)晶（相變）的區(qū)別本質(zhì)區(qū)別在于是否發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的變化。再結(jié)晶過程沒有，重結(jié)晶（相變）過程有。,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,純金屬的再結(jié)晶溫度：T再0.4Tm，單位為K,（三）晶粒長大冷變形金屬在再結(jié)晶結(jié)束后，繼續(xù)升高溫度或保溫，晶粒就會不斷長大，這一過程即稱為晶粒長大。晶粒長大的類型正常長大隨溫度升高或保溫時(shí)間延長，晶粒均勻連續(xù)地長大。反常長大（二次再結(jié)晶）晶粒不均勻不連續(xù)地迅速長大。四、影響再結(jié)晶后晶粒度的因素1、加熱溫度和保溫時(shí)間加熱溫度越高、保溫時(shí)間越長，晶粒越粗大。其中溫度的影響尤其顯著。2、變形程度變形量較小不發(fā)生再結(jié)晶，晶粒保持原狀、大小。變形量達(dá)到210%再結(jié)晶后的晶粒異常粗大。210%的變形量稱為臨界變形度。變形量超過臨界變形度隨變形程度的增加，晶粒細(xì)小而均勻。,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,加熱溫度對晶粒度的影響,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,預(yù)先變形程度對晶粒度的影響,如果在T再以上溫度進(jìn)行變形，將發(fā)生什么？,一、熱加工與冷加工熱加工：指在再結(jié)晶溫度以上的加工過程。冷加工：指在再結(jié)晶溫度以下的加工過程。二、動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶金屬在熱加工時(shí)，溫度在T再之上，因此金屬內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行著加工硬化與回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個(gè)相反的過程，即回復(fù)和再結(jié)晶是邊加工邊發(fā)生的，此即動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶。三、熱加工對金屬組織和性能的影響1、改善鑄錠組織使氣孔和裂紋焊合，增大材料的致密性。改善夾雜物與脆性相的形態(tài)、大小和分布。部分消除枝晶偏析。破碎粗大晶粒而使晶粒細(xì)化。,5.4金屬的熱加工,思考：純鉛：Tm=327純鎢：Tm=3407,2、產(chǎn)生熱加工流線組織中的夾雜物及偏析沿變形方向伸長，在宏觀上變成一條條細(xì)線，即流線。由一條條流線溝劃出來的組織稱為纖維組織。出現(xiàn)纖維組織，會使金屬產(chǎn)生各向異性。順纖維方向具有較高的力學(xué)性能，垂直于流線方向的性能則較低。3、產(chǎn)生帶狀組織合金中的各個(gè)相在熱加工時(shí)沿著變形方向交替地呈帶狀分布的組織稱為帶狀組織。舉例：亞共析鋼在熱軋后，其中的珠光體和鐵素體常沿軋向呈帶狀或?qū)訝罘植?，即形成帶狀組織。出現(xiàn)帶狀組織，會使材料的力學(xué)性能產(chǎn)生方向性，特別是橫向塑性和韌性明顯下降。,5.4金屬的熱加工,5.4金屬的熱加工,曲軸中的流線分布a)鍛造變形；b)切削加工,5.4金屬的熱加工,低碳鋼中的帶狀組織,F,P,本章小結(jié),塑性變形機(jī)理：塑性變形