金属材料的塑性变形(41)

1、l塑性变形及随后的加热对金塑性变形及随后的加热对金 属材料组织和性能有显著的属材料组织和性能有显著的 影响影响. . 了解塑性变形的本质了解塑性变形的本质, , 塑性变形及加热时组织的变塑性变形及加热时组织的变 化，有助于发挥金属的性能化，有助于发挥金属的性能 潜力，正确确定加工工艺潜力，正确确定加工工艺. . 5万吨水压机万吨水压机 塑性变形：当应力超过弹性极限 时，外力去除后金属的变形不能完全 恢复，而保留了残余变形，又称永久 变形，这种变形称为塑性变形。 l 滑移滑移 l滑移滑移是指晶体的一部分沿一定的晶是指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面和晶向相对于另一部分发生

2、滑动 位移的现象。位移的现象。 l塑性变形的形式：塑性变形的形式：滑移和孪生。滑移和孪生。 l金属常以滑移方式发生塑性变形。金属常以滑移方式发生塑性变形。 l 孪生孪生 l孪生孪生是指晶体的一是指晶体的一 部分沿一定晶面和部分沿一定晶面和 晶向相对于另一部晶向相对于另一部 分所发生的切变。分所发生的切变。 l合金可根据组织分为合金可根据组织分为单相固溶体单相固溶体和和多相混合物多相混合物两种两种. 合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同. 珠光体珠光体奥氏体奥氏体 l(一一)塑性变形对组织结构的影响塑性变形对组织结构的影响 l1.显微组织的变化

3、显微组织的变化 l金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其 内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。 l当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变 得模糊不清。得模糊不清。 l2.亚结构的细化亚结构的细化 l塑性变形还使晶粒塑性变形还使晶粒 破碎为亚晶粒。破碎为亚晶粒。 l由于晶粒的转动，由于晶粒的转动，当当塑性塑性变变 形达到一定程度时，会使绝形达到一定程度时，会使绝 大部分晶粒的某一位向与变大部分晶粒的某一位向与变 形方向趋于一致，这种现象形方向趋于一致，这种现象 称称织构

4、织构或或择优取向择优取向。 l变形织构使金属呈变形织构使金属呈 现各向异性现各向异性，在深，在深 冲零件时，易产生冲零件时，易产生 “制耳制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构 可提高硅钢片的导磁率。可提高硅钢片的导磁率。 板织构板织构 丝织构丝织构 变形织构示意图变形织构示意图 各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板 “制耳制耳” 有有无无 3.变形织构 l内应力内应力是指平衡于金属内部的应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力是由于金属受力 时时, 内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时, 外力所做

5、的功只有外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中转化为内应力残留于金属中. l内应力分为三类：内应力分为三类： l第一类内应力第一类内应力平衡于表面与心部之间平衡于表面与心部之间 (宏观内应力宏观内应力)。 l第二类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平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间, (微观内应力微观内应力)。 l第三类内应力第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。是由晶格缺陷引起的畸变应力。 l第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金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属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使

6、金属 强度降低。强度降低。 l内应力的存在，内应力的存在，使金使金 属耐蚀性下降，属耐蚀性下降，引起引起 零件加工、淬火过程零件加工、淬火过程 中的变形和开裂中的变形和开裂。因。因 此，金属在塑性变形此，金属在塑性变形 后，通常要进行退火后，通常要进行退火 处理，以消除或降低内应力。处理，以消除或降低内应力。 晶界位错塞积所晶界位错塞积所 引起的应力集中引起的应力集中 l随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑 性、韧性下降的现象称性、韧性下降的现象称加工硬化（形变强化）加工硬化（形变强化）。 冷塑性变形量，% 屈服强度，MPa 1040钢(0.

7、4%C) 黄铜 铜 冷塑性变形量，% 伸长率，% 1040钢 (0.4%C) 黄铜 铜 二、对金属性能的影响 l产生加工硬化的原因是产生加工硬化的原因是: l1、随变形量增加、随变形量增加, 位错位错 密度增加密度增加，由于位错之，由于位错之 间的交互作用间的交互作用(堆积堆积、缠缠 结结)，使变形抗力增加，使变形抗力增加. 位错密度与强度关系位错密度与强度关系 l2. 随变形量增加，亚结构细化随变形量增加，亚结构细化 l3. 随变形量增加随变形量增加, 空位密度增加空位密度增加 l4. 几何硬化几何硬化：由晶粒转动引起：由晶粒转动引起 l由于加工硬化由于加工硬化, 使已变形部分发使已变形部分

8、发 生硬化而停止变形生硬化而停止变形, 而未变形部而未变形部 分开始变形。分开始变形。没有加工硬化没有加工硬化, 金金 属就不会发生均匀塑性变形。属就不会发生均匀塑性变形。 l加工硬化是强化金属的重要手加工硬化是强化金属的重要手 段之一，段之一，对于不能热处理强化对于不能热处理强化 的金属和合金尤为重要。的金属和合金尤为重要。 变形变形20%纯铁中的位错纯铁中的位错 未变形纯铁未变形纯铁 冷塑性变形以后，金属的物理、化 学性能会发生明显变化，如：电导率、 磁导率、电阻温度系数等下降，磁矫顽 力增强；耐腐蚀性下降。 金属经冷变形后金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态组织处于不稳定状态, 有自发恢

9、有自发恢 复到稳定状态的倾向。但复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力在常温下，原子扩散能力 小小,不稳定状态可长时间维持不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能加热可使原子扩散能 力增加，金属将依次发生力增加，金属将依次发生回复、再结晶回复、再结晶和和晶粒长大。晶粒长大。 加热温度加热温度 黄铜黄铜 l 回复回复 l回复回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷 及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如如空位空位 与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合 并

10、并而使缺陷数量减少等。而使缺陷数量减少等。 l由于位错运动使其由冷由于位错运动使其由冷 塑性变形时的无序状态塑性变形时的无序状态 变为垂直分布，形成亚变为垂直分布，形成亚 晶界，这一过程称晶界，这一过程称多边多边 形化形化。 l在回复阶段在回复阶段，金属组织，金属组织 变化不明显，其强度、变化不明显，其强度、 硬度略有下降，塑性略硬度略有下降，塑性略 有提高，但有提高，但内应力、电内应力、电 阻率等显著下降阻率等显著下降。 l工业上，常利用回复现工业上，常利用回复现 象象将冷变形金属低温加将冷变形金属低温加 热，既稳定组织又保留热，既稳定组织又保留 加工硬化，这种热处理加工硬化，这种热处理 方

11、法称方法称去应力退火去应力退火。 l 再结晶再结晶 l当变形金属被加热到较当变形金属被加热到较 高温度时，由于原子活高温度时，由于原子活 动能力增大，晶粒的形动能力增大，晶粒的形 状开始发生变化，状开始发生变化，由破由破 碎拉长的晶粒变为完整碎拉长的晶粒变为完整 的等轴晶粒的等轴晶粒。 l这种这种冷变形组织在加热冷变形组织在加热 时重新彻底改组的过程时重新彻底改组的过程 称称再结晶再结晶。 铁素体变形铁素体变形80% 670加热加热 650加热加热 l再结晶也是一个晶核形成再结晶也是一个晶核形成 和长大的过程，但不是相和长大的过程，但不是相 变过程，变过程，再结晶前后新旧再结晶前后新旧 晶粒的

12、晶格类型和成分完晶粒的晶格类型和成分完 全相同。全相同。 冷变形奥氏体不锈钢冷变形奥氏体不锈钢 加热时的再结晶形核加热时的再结晶形核 SEM-再结晶晶粒在原再结晶晶粒在原 变形组织晶界上形核变形组织晶界上形核 TEM-再结晶晶粒形核再结晶晶粒形核 于高密度位错基体上于高密度位错基体上 l由于再结晶后组织的复由于再结晶后组织的复 原，因而原，因而金属的强度、金属的强度、 硬度下降，塑性、韧性硬度下降，塑性、韧性 提高，加工硬化消失提高，加工硬化消失。 冷变形黄铜组织性能随温度的变化冷变形黄铜组织性能随温度的变化 冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜黄铜580C 保温保温15分后的的再结晶组

13、织分后的的再结晶组织 l 再结晶后的晶粒长大再结晶后的晶粒长大 l再结晶完成后，若继续再结晶完成后，若继续升升 高加热温度或延长保温时高加热温度或延长保温时 间，将发生晶粒长大，间，将发生晶粒长大，这这 是一个自发的过程。是一个自发的过程。 黄铜再结晶后晶粒的长大黄铜再结晶后晶粒的长大 580C保温保温8秒后的组织秒后的组织 580C580C保温保温1515分后的组织分后的组织700C700C保温保温1010分后的组织分后的组织 冷变形量为冷变形量为38的组织的组织580C保温保温3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织 580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580C保温保

14、温15分后的组织分后的组织 700C保温保温10分后的组织分后的组织 l再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，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，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的发生再结晶的 最低温度称最低温度称再结晶温度再结晶温度。 580C保温保温3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织580C保温保温8秒后的组织秒后的组织 冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜的再结晶黄铜的再结晶 T再 再与 与的关系的关系 l影响再结晶温度的因素为：影响再结晶温度的因素为： l1、金属的预先变形程度：、金属的预先变形程

15、度：金属预先变形程度越大金属预先变形程度越大, 再结晶温度越低。再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶当变形度达到一定值后，再结晶 温度趋于某一最低值，称温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度最低再结晶温度。 l纯金属的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与其熔点之间的近似关系: T再 再0.4T熔熔 其中其中T再 再、 、T熔 熔为绝对温度 为绝对温度. l金属熔点越高金属熔点越高, T再 再也越高 也越高. T再 再 = (T熔 熔 +273)0.4273，如，如Fe的的T再 再=(1538+273) 0.4273=451 l2、金属的纯度、金属的纯度 l金属中

16、的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起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阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高使再结晶温度显著提高. l3、再结晶加热速度和加热时间、再结晶加热速度和加热时间 l提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生, 延长延长 加热时间加热时间, 使原子扩散充分使原子扩散充分, 再结晶温度降低。再结晶温度降低。 l生产中，把生产中，把消除加工硬化的热处理称为消除加工硬化的热处理称为再结晶退火再结晶退火。 再结晶退火温度比再结晶温度高再结晶退火温度比再结晶温度高100200。 黄铜黄铜580C保温

17、保温8秒后的组织秒后的组织 黄铜黄铜580C保温保温15分后的组织分后的组织 l1、加热温度和保温时间、加热温度和保温时间 l加热温度越高，保温时间越加热温度越高，保温时间越 长，金属的晶粒越粗大，加长，金属的晶粒越粗大，加 热温度的影响尤为显著。热温度的影响尤为显著。 再结晶退火温度对晶粒度的影响再结晶退火温度对晶粒度的影响 l预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响. l当变形度很小时当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶，晶格畸变小，不足以引起再结晶. l当变形达到当变形达到210%时时，只有部分晶粒变形，变形极，只有部分晶粒变形，变

18、形极 预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度对再结晶晶粒度的影响不均匀，再结晶晶不均匀，再结晶晶 粒大小相差悬殊，粒大小相差悬殊， 易互相吞并和长大易互相吞并和长大, 再结晶后晶粒特别再结晶后晶粒特别 粗大，这个变形度粗大，这个变形度 称称临界变形度临界变形度。 l当超过临界变形度后当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越，随变形程度增加，变形越 来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶 后晶粒细而均匀，后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度达到一定变形量之后，晶粒度 基本不变。基本不变。 l对于某些金属，当对于某些金属，当 变形量相当大时变

19、形量相当大时 ( 90%)，再结晶后，再结晶后 晶粒又重新出现粗晶粒又重新出现粗 化现象，一般认为化现象，一般认为 这与形成织构有关这与形成织构有关. 变形变形83% 变形变形88%变形变形93% l一、冷加工与热加工的区别一、冷加工与热加工的区别 l在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划 分的。分的。低于再结晶温度的加工称为低于再结晶温度的加工称为冷加工，冷加工，而高于而高于 再结晶温度的加工称为再结晶温度的加工称为热加工热加工。 轧制轧制模锻模锻 拉拔拉拔 l如如 Fe 的再结晶温度为的再结晶温度为451，其在，其在400 以下的加以下的加 工仍为冷加工。而工仍为冷加工。而 Sn 的再结晶温度为的再结晶温度为-71，则其，则其 在室温下的加工为热加工。在室温下的加工为热加工。 l热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化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。所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。 巨型自由锻件巨型自由锻件 模锻模锻自由锻自由锻 轧制轧制 正挤压正挤压反挤压反挤压拉拔拉拔冲压冲压 l热加工可使铸态金属与合金中的热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合气孔焊合，使，使粗大粗大 的树枝晶或拄状晶破碎，的树枝晶或拄状晶破碎，从而从而使组