第5章-金属的塑性变形

1第四章金属的塑性变形塑性变形及随后的加热，对金属材料组织和性能有显著的影响。了解塑性变形的本质、塑性变形及加热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形变形后金属的回复与再结晶金属的热塑性变形2第一节单晶体的塑性变形一、单晶体纯金属的塑性变形se在应力低于弹性极限σe时，材料发生的变形为弹性变形；应力在σe到σb之间将发生的变形为均匀塑性变形；在σb之后将发生颈缩；在K点发生断裂。弹性变形的实质是：在应力的作用下，材料内部的原子偏离了平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶格发生了伸长(缩短)或歪扭。原子的相邻关系未发生改变，故外力去除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。3PPPPP：载荷：正应力：切应力单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力（垂直晶面）和切应力（平行晶面）。正应力只能引起弹性变形,当超过原子间结合力时，晶体断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片塑性变形的实质是：在应力的作用下，材料内部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原子到了另一平衡位置，物体将留下永久变形。塑性变形4滑移是指当应力超过材料的弹性极限后，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。在应力去除后，位移不能恢复，在金属表面留下变形的痕迹塑性变形的形式：滑移和孪生金属常以滑移方式发生塑性变形㈠滑移5⑴滑移只能在切应力的作用下发生。1、滑移变形的特点6⑵滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。7沿其发生滑移的晶面叫做滑移面；沿其发生滑移的晶向叫做滑移方向；它们通常是晶体中的密排面和密排方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。8FCC6金属的塑性：fcc＞bcc＞chp9哪个滑移系先滑移？当作用于滑移面上滑移方向的切应力分量c（分切应力）大于等于一定的临界值（临界切应力，决定于原子间结合力），才可进行。coscosAFc取向因子最先达到c的滑移系先开始滑移滑移时10⑶滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。铜拉伸试样表面滑移带11⑷滑移的同时伴随着晶体的转动。转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶.12韧性断口13把滑移设想为刚性整体滑动——滑移面上每一个原子都同时移到另一个平衡位置，外加的切应力必须同时克服滑移面上所有原子间的结合力。所需理论临界切应力值比实际测量值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。2、滑移的机理14刃位错的运动滑移过程中会生成许多位错：塑性变形量增加，晶体中位错密度增大晶体通过位错运动产生滑移时，只需要在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。15孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变，发生在滑移系较少或滑移受限制情况下。发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。㈡孪生16孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。孪生示意图17孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近声速;孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距（滑移是原子间距的整数倍）。与滑移相比：密排六方晶格金属：滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属：只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属：一般不发生孪生变形。18单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形更复杂。二、多晶体纯金属的塑性变形多晶体是由众多取向不一的单晶体组成。在某一单向外力作用下各晶体的滑移面上的分切应力不同，只有一些达到临界切应力的滑移系才发生滑移。由于晶体之间的相互制约，首先滑移的晶体会引起自身或相邻晶体的转动，从而使原来启动的滑移系偏离最大切应力方向，而停止滑移。另一些原来不能启动的滑移系开动，进而使整个晶体的塑性变形协调发展。软位向硬位向晶粒所处的位向为易滑移的位向称为“软位向”反之谓“硬位向”。先发生于软位向晶粒，然后到硬位向。1、不均匀的塑性变形19由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。2、晶粒位向差阻碍滑移20当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的变形抗力提高。3、晶界的影响21晶界对塑性变形的影响Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积22晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高，另外，一定的变形量由更多晶粒分散承担，不会造成局部的应力集中，使在断裂前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大，因而其韧性也较好。晶粒大小对塑性变形的影响23三、塑性变形对组织、性能的影响1、对组织结构的影响1）、组织纤维化（晶粒变形）：随着塑性变形量增大，原来的等轴晶相应地被拉长或压扁，形成长条状或纤维状，使材料产生各向异性。242）、亚晶粒的增多：变形前，位错分布均匀。塑性变形伴随着大量位错产生，由于位错运动和相互间交互作用，并使晶粒“碎化”成许多位向略有差异的亚晶块（或称亚晶粒）。亚晶粒间界是由位错堆积而成的。3、产生织构：金属中的晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个晶粒是各向异性的，宏观性能表现出各向同性。当金属经受大量(70%以上)的一定方向的变形之后,由于晶粒的转动造成晶粒取向趋于一致，形成了“择优取向”，即某一晶面（晶向）在某个方向出现的几率明显高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构，它使金属材料表现出明显的各向异性。25由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐、厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。板织构丝织构形变织构示意图各向异性导致的铜板“制耳”有无26Smallanglegrainboundary271）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。2.对力学性能的影响281、随变形量增加,位错密度增加.变形20%纯铁中的位错未变形纯铁产生加工硬化的原因29位错密度与强度关系由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加，塑性降，强度、硬度升高.302.随变形量增加，亚结构细化；3.随变形量增加，空位密度增加；4.几何硬化：由晶粒转动引起。加工硬化使已变形部分发生硬化而停止变形，而未变形部分开始变形。没有加工硬化，金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。313、残余内应力内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,内部变形不均匀而引起的。晶界位错塞积所引起的应力集中金属发生塑性变形时，外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中。32第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。内应力的存在，使金属耐蚀性下降；引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。第一类内应力平衡于表面与心部之间(宏观内应力)。第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间(微观内应力)。第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。33四、变形后金属的加热变化(回复与再结晶)引言金属塑性变形后，出现晶粒拉长，位错增多，内应力升高等现象，他们会引起材料体系能量提高，处于一个高能亚稳态，有向低能态转变的倾向。在加热过程中，形变了的材料会发生回复、再结晶和晶粒长大三个过程，如右图所示。回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。相应地,材料的结构和性能也发生对应变化。加热促使转变进行341、回复1）、回复概念经冷加工的材料在较低的温度保温，这时材料发生点缺陷消失，位错重排，应力下降的过程为回复。利用回复现象将冷变形金属进行低温加热，既可稳定组织又保留了加工硬化效果的方法为去应力退火2）、回复引起材料组织和性能变化宏观应力（第一类应力）基本消除，但微观应力（第二、第三类）仍然残存。力学性质，如强度、硬度（略下降）和塑性（略升高）没有明显变化。35当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，在亚晶界或晶界处形成了新的结晶核心，并不断以等轴晶形式生长，取代被拉长及破碎的旧晶粒，这一过程称为再结晶。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。铁素体变形80%670℃加热650℃加热2.再结晶36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。核心出现在位错聚集的地方，原子能量最高，最不稳定。它只是一个形态上的变化。新晶粒中缺陷减少，内应力消失了。冷变形奥氏体不锈钢加热时的再结晶形核SEM-再结晶晶粒在原变形组织晶界上形核TEM-再结晶晶粒形核于高密度位错基体上37由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。冷变形黄铜组织性能随温度的变化冷变形(变形量为38%)黄铜580ºC保温15分后的的再结晶组织38再结晶温度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。580ºC保温3秒后的组织580ºC保温4秒后的组织580ºC保温8秒后的组织冷变形(变形量为38%)黄铜的再结晶39T再与ε的关系金属预先变形程度越大,再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系:T再≈0.4T熔其中T再、T熔为绝对温度.如Fe：T再=(1538+273)×0.4–273=451℃影响再结晶温度的因素1）、金属的预先变形程度40金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素，起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高。2）、金属的纯度413）、再结晶加热速度和加热时间提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生；延长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低。生产中把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℃。黄铜580ºC保温8秒后的组织黄铜580ºC保温15分后的组织42再结晶完成后，若继续升高温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。黄铜再结晶后晶粒的长大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3.晶粒长大431．长大驱动力再结晶完成后，金属获得均匀细小的晶粒，但有长大的趋势，因为长大有利于减少界面，降低界面能。这种自由能的降低即为晶粒长大的驱动力。2．正常长大和非正常长大•正常长大：再结晶晶粒均匀长大。方式：相互兼并，组织均匀。•非正常长大：一些晶粒迅速长大，并吞并临近小晶粒，造成组织不均匀。晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。44加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。再结晶退火温度对晶粒度的影响1、加热温度和保温时间影响因素45预先变形度对再结晶晶粒度的影响2、预先变形量当变形量达到2~10%时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大，再结晶后晶粒特别粗大，这个变形量称临界变形量。预先变形量的影响，实质是变形均匀程度