第三章金属的塑性变形与再结晶

SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶本章提要1、学习目的和要求通过本章的学习，掌握金属塑性变形的实质及其对金属组织和性能的影响。2、课程内容（1）金属的塑性变形(单晶体的塑性变形，多晶体的塑性变形)；SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶本章提要（2）冷塑性变形对金属组织和性能的影响（晶粒变形，亚结构的形成，形变织构，加工硬化，变形引起的内应力）；（3）加热对塑性变形金属的组织和性能的影响（回复，再结晶，晶粒长大）；（4）金属的热塑性加工（热加工和冷加工的区别，热加工对金属组织和性能的影响）。SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第一节金属的塑性变形第二节冷塑性变形对金属组织和性能的影响第三节回复与再结晶第四节金属的热塑性加工SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶在工业生产中，经熔炼而得到的金属锭，如钢锭、铝合金锭或铜合金铸锭等，大多要经过轧制、冷拔、锻造、冲压等压力加工，使金属产生塑性变形而制成型材或工件。金属材料经压力加工后，不仅改变了外形尺寸，而且改变了内部组织和性能。因此，研究金属的塑性变形，对于选择金属材料的加工工艺、提高生产率、改善产品质量、合理使用材料等均有重要的意义。a)轧制b)挤压c)锻造d)冷冲压SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶锻件冲压件挤压件辊锻件SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第一节金属的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的基本方式——滑移和孪生单晶体塑性变形的形式SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶通过位错移动造成滑移的示意图第一节金属的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形1.滑移的本质滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动。SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶金属计算值(MN/m2)实测值(MN/m2)计算值与实测值之比铜银金镍镁锌64004500450011000300048001.00.50.925.80.830.94640090004900190036005100第一节金属的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形1.滑移的本质SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶1由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量，因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距的整数倍，所以滑移后仍然可以保持晶体结构的完整性，晶体结构的取向也没有发生变化。2滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）进行，一个滑移面与其上的一个滑移方向构成一个滑移系。3滑移系只提供了金属晶体滑移的可能性，而金属晶体在外力的作用下产生滑移的驱动力乃是沿滑移面滑移方向上的分切应力。4滑移时晶体的转动。第一节金属的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形2.滑移规律SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第一节金属的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形滑移规律（滑移带）滑移带：用金相显微镜观察被拉伸金属单晶体试样表面时，可以见到试样表面有许多呈一定角度阶梯状的互相平行的线条，这些平行的线条称为滑移带。铜拉伸试样表面滑移带SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第一节金属的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形滑移规律（滑移带）SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第一节金属的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形滑移规律（滑移系）体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第一节金属的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形滑移规律（滑移系）FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC，金属塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第一节金属的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形滑移规律（临界分切应力）以单晶体单向拉伸为例SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第一节金属的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形滑移规律（转动）滑移时晶体伴随有转动。SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第一节金属的塑性变形二、多晶体的塑性变形常用金属材料都是多晶体。多晶体中各相邻晶粒的位向不同，并且各晶粒之间由晶界相连接，因此，多晶体的塑性变形具有下列特点：（1）晶粒位向差对变形的影响SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第一节金属的塑性变形二、多晶体的塑性变形（2）晶界对变形的影响两个晶粒试样在拉伸时的变形a)变形前b)变形后多晶体中首先发生滑移的是那些滑移系与外力夹角等于或接近于45°的晶粒，使位错在晶界附近塞积，当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。位错塞积示意图SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大晶粒小→晶界附近位错密度小→应力集中小→滑移由这晶粒到另外一个晶粒机会少→变形困难→屈服强度↑晶粒小→单位体积晶粒多→变形分散→减少应力集中晶粒小→晶界多→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形细晶强化：晶粒细化→强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高。第一节金属的塑性变形二、多晶体的塑性变形细晶强化的原因SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第二节冷塑性变形对金属组织和性能的影响一、冷塑性变形对金属组织结构的影响1、晶粒变形工业纯铁20%形变工业纯铁40%形变工业纯铁60%形变SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶吊钩、曲轴中的流线分布第二节冷塑性变形对金属组织和性能的影响一、冷塑性变形对金属组织结构的影响1、晶粒变形SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第二节冷塑性变形对金属组织和性能的影响一、冷塑性变形对金属组织结构的影响2、形变织构绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，性能出现各向异性。晶粒拉长，但未出现织构。晶粒拉长，且出现织构。SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第二节冷塑性变形对金属组织和性能的影响一、冷塑性变形对金属组织结构的影响3、亚结构的形成SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第二节冷塑性变形对金属组织和性能的影响二、冷塑性变形对金属性能的影响加工硬化随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第二节冷塑性变形对金属组织和性能的影响二、冷塑性变形对金属性能的影响加工硬化(工程意义）（1）它是一种非常重要的强化手段（2）是某些工件或成品能够拉伸或冷冲压加工成形的重要基础（3）可提高金属零件在使用过程中的安全性（4）使变形抗力增加，继续变形越来越困难SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第二节冷塑性变形对金属组织和性能的影响二、冷塑性变形对金属性能的影响残余内应力（1）宏观残余应力：由于金属材料各部分变形不均匀而造成的宏观范围内的残余应力，称为宏观残余应力。（2）微观残余应力：晶粒与晶粒之间以及同一颗晶粒的不同区域之间，因变形不均匀而引起的内应力。（3）晶格畸变应力：多晶体金属在塑性变形后，由于位错、空位等晶体缺陷增加，使晶体一部分原子偏离其平衡位置而造成晶格畸变、这种由于晶格畸变而产生的残余应力，称为晶格畸变应力。物理、化学性能的变化电阻增大，耐蚀性降低等。SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第三节回复与再结晶如果对冷塑性变形后的金属加热，就会发生一系列的组织和性能的变化，这种过程可分为回复、再结晶、晶粒长大三个阶段的变化。SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第三节回复与再结晶1、回复当加热温度较低时，原子有一定的活动能力，进行较短距离的移动，这样使金属内部晶体缺陷数量减少，晶格畸变程度降低，从而使残余应力有所降低，这个阶段称为回复。生产中对塑性变形后的工件进行低温退火，就是利用回复的原理。如碳钢弹簧在冷卷后加热到250~300℃，再缓慢冷却以消除力应力。T回≈(0.25-0.3)T熔多边形化示意图SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第三节回复与再结晶2、再结晶随着加热温度的升高，原子的活动能力增强，变形金属中的纤维状晶粒通过形核及晶核长大而形成等轴晶粒，这一阶段称为再结晶。再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。再结晶后金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第三节回复与再结晶2、再结晶T再≈（0.35-0.4)T熔金属T熔(℃)T再(℃)Fe1538450Cu1083269Al660100SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第三节回复与再结晶3、晶粒长大580ºC保温8秒后的组织580ºC保温15分后的组织700ºC保温10分后的组织黄铜再结晶后晶粒的长大SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第四节金属的热塑性加工一、热加工与冷加工的区别在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。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。热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。铸造锻造冲压SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第四节金属的热塑性加工二、热塑性加工对金属组织和性能的影响1.消除铸态金属的组织缺陷2.细化晶粒SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第四节金属的热塑性加工二、热加工对金属组织和性能的影响3.形成纤维组织SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶第四节金属的热塑性加工二、热加工对金属组织和性能的影响4.形成带状组织SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶本章练习1、将未经过塑性变形的金属加热到再结晶温度，会发生再结晶吗？为什么?2、简要比较液态结晶、重结晶、再结晶的异同处。3、用一冷拉钢丝绳吊一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃，加热完毕，再次吊装该工件时，钢丝绳发生断裂。试分析其原因。4、在制造齿轮时，有时采用喷丸法（即将金属丸喷射到零件表面上）使齿面得以强化。试分析强化原因。5、用你低碳钢板冷冲压成形的零件，冲压后发现各部位的硬度不同，为什么？6、一辆高档自行车的车架，是冷拔合金钢管制作的。由于使用不当而断裂，用常规的电弧焊将它修复。但正常使用短时间后又断了，这次在焊缝附近，试分析造成第二次断裂的可能原因。SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶本章练习7、已知金属钨、铁、铅、锡的熔点分别为3380℃、1538℃、327℃、232℃，试计算这些金属的最低再结晶温度，并分析钨和铁在1100℃下的加工、铅和锡在室温（20℃）下的加工各为何种加工？8、为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？9、在室温下对铅板进行弯折，愈弯愈硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又象最初一样柔软，这是什么原因？10、在面心立方晶体中，分别画出（101）[101]、(111)[110]和、(111)[011]，指出哪些是滑移面、滑移方向，并就图中情况分析它们能否构成滑移系？若外力方向为[001]，请问哪些滑移系可以开动？SDUST机械工程材料第三章金属的塑性变形与再结晶本章练习10、（101）[101](111)[110](111)[011]