《金属的塑性变形》ppt课件

1、第三章第三章 金属的塑性变形金属的塑性变形第一节第一节 单晶体、多晶体的塑性变形单晶体、多晶体的塑性变形根本概念根本概念: :金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变形，去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑性变形。形，去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑性变形。 抵抗塑性变形是普通工程构件的根本要求，不希望构造件在抵抗塑性变形是普通工程构件的根本要求，不希望构造件在承载时产生不可恢复的塑性变形；承载时产生不可恢复的塑性变形； 塑性变形是金属资料的一种重要加工成形方法，在资料加工塑性变形是金属资料的一种重要加工成形方法，在资料加工过程中，人们希望它

2、易于加工变形。过程中，人们希望它易于加工变形。塑性变形还可改动资料内部组织与构造并影响其宏观性能。塑性变形还可改动资料内部组织与构造并影响其宏观性能。压力加工方法压力加工方法一、金属单晶体的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形方式有金属单晶体的塑性变形方式有“滑移与滑移与“孪生孪生 ，但，但普通大多数情况下都是以滑移方式进展的。普通大多数情况下都是以滑移方式进展的。滑移：在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部滑移：在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面发生一定间隔的挪动，应力去除后不能回复分沿一定晶面发生一定间隔的挪动，应力去除后不能回复原状。原状。孪生

3、：在外加切应力作用下，孪生：在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面产生一定角度的切沿一定晶面产生一定角度的切变，应力去除后不能回复原状变，应力去除后不能回复原状孪生与滑移的主要区别：孪生与滑移的主要区别： 变形方式；变形方式； 变形后的位向变形后的位向 孪生是使一部分晶体整体发生均匀的切变；而滑移那么集中在一些滑移面上。孪生是使一部分晶体整体发生均匀的切变；而滑移那么集中在一些滑移面上。 孪生使一个晶体的两部分沿一个公共晶面构成了孪生使一个晶体的两部分沿一个公共晶面构成了镜面对称关系；而滑移那么不改动晶体的位向。镜面对称关系；而滑移那么不改动晶体的位

4、向。 原子位移间隔不同原子位移间隔不同孪生时，孪晶带中的原子沿孪生方向孪生时，孪晶带中的原子沿孪生方向的位移量为原子间距的的分数值；而的位移量为原子间距的的分数值；而滑移为原子间距的整数倍。滑移为原子间距的整数倍。 孪生变形困难孪生变形困难 普通先滑移，滑移困难后，普通先滑移，滑移困难后，发生孪生，二者交替进展发生孪生，二者交替进展 。 二、单晶体的滑移变形二、单晶体的滑移变形 任何应力都可以分解为：任何应力都可以分解为： 一个正应力一个正应力( ) 一个切应力一个切应力() 正应力正应力_伸长、断裂伸长、断裂 切应力切应力_滑移变形滑移变形正应力正应力：仅使：仅使晶格产生弹性伸晶格产生弹性伸

5、长，当超越原子长，当超越原子间结合力时，将间结合力时，将晶体拉断；晶体拉断；切应力切应力 ：使晶：使晶格产生弹性歪扭，格产生弹性歪扭，在超越滑移抗力在超越滑移抗力时引起滑移面两时引起滑移面两侧的晶体发生相侧的晶体发生相对滑动。对滑动。单晶体试样在拉伸实验时，除单晶体试样在拉伸实验时，除了沿滑移面产生滑移外，晶体了沿滑移面产生滑移外，晶体还会产生转动。还会产生转动。由于晶体在拉伸过程，当滑移由于晶体在拉伸过程，当滑移面上、下两部分发生微小滑移面上、下两部分发生微小滑移时，试样两端的拉力不再处于时，试样两端的拉力不再处于同不断线上，于是在滑移面上同不断线上，于是在滑移面上构成一力偶，使滑移面产生以

6、构成一力偶，使滑移面产生以外力方向为转向，趋向于与外外力方向为转向，趋向于与外力平行的转动。力平行的转动。 滑滑 移移 面：晶面上原子间距面：晶面上原子间距最小最小 滑移方向：原子陈列密度最滑移方向：原子陈列密度最大大三种典型金属晶体构造的滑移系密排面和密排方向三种典型金属晶体构造的滑移系密排面和密排方向一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑移系，一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑移系，每一个滑移系表示晶体在产生滑移时能够采取的一个空间位向。每一个滑移系表示晶体在产生滑移时能够采取的一个空间位向。滑移系滑移系=滑移面滑移方向滑移面滑移方向体心立方 面心立方 密排六方62=12 43

7、=12 13=3 体心立方：体心立方：6个面个面2个方向个方向12 面心立方：面心立方：4个面个面3个方向个方向12 密排六方：密排六方：1个面个面3个方向个方向3滑移系越多资料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明显！滑移系越多资料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明显！滑移的微观机制滑移的微观机制实际滑移力与实践滑移力实际滑移力与实践滑移力Cu理理6400N/mm2实实 1.0N/mm2 晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。但晶体内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两但晶体内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两侧晶体之间的整体刚性滑

8、动，而是由于晶体内存在位侧晶体之间的整体刚性滑动，而是由于晶体内存在位错，因位错线两侧的原子偏离了平衡位置，这些原子错，因位错线两侧的原子偏离了平衡位置，这些原子有力求到达平衡的趋势。有力求到达平衡的趋势。 当晶体受外力作用时，位错刃型位错将垂直于受当晶体受外力作用时，位错刃型位错将垂直于受力方向，沿着一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐力方向，沿着一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐渐挪动到晶体的外表，构成一个原子间距的滑移量。渐挪动到晶体的外表，构成一个原子间距的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错挪动到晶体外表所一个滑移带就是上百个或更多位错挪动到晶体外表所构成的台阶。构成的台阶。发生了滑

9、移的金属试样外表形状发生了滑移的金属试样外表形状二、多晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形金属资料大多为位向、外形、大小不同的晶粒组金属资料大多为位向、外形、大小不同的晶粒组成的多晶体，因此多晶体的变形是许多单晶体变形的成的多晶体，因此多晶体的变形是许多单晶体变形的综协作用的结果。综协作用的结果。1、晶粒本身的变形滑移变形、晶粒本身的变形滑移变形主要的主要的2、晶粒之间的变形晶间变形、晶粒之间的变形晶间变形次要的次要的主要影响要素：晶界、位向主要影响要素：晶界、位向晶界：晶界： 滑移的主要妨碍：原子混乱陈列区，较不规那么滑移的主要妨碍：原子混乱陈列区，较不规那么缺陷、杂质缺陷、杂质集中。滑移不能

10、从一个晶粒直接延续到另一个晶粒中去。集中。滑移不能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒中去。协调变形：晶界本身变形协调变形：晶界本身变形以维持相邻晶粒变形坚持延续。以维持相邻晶粒变形坚持延续。位错塞积位错塞积位错运动到晶界附近，遭到晶界妨碍而堆积起来。位错运动到晶界附近，遭到晶界妨碍而堆积起来。晶粒愈细，金属的强度便愈高晶粒愈细，金属的强度便愈高 ，对抗塑性变形的才干也就越，对抗塑性变形的才干也就越大。大。细晶强化细晶强化 多晶体的变形抗力总是高于单晶体多晶体的变形抗力总是高于单晶体 晶粒愈细，单位体积内的晶粒越多，金属的变形可以分散，晶粒愈细，单位体积内的晶粒越多，金属的变形可以分散，变形均匀；变

11、形均匀； 晶粒愈细，晶界越曲折，可妨碍裂纹扩展；晶粒愈细，晶界越曲折，可妨碍裂纹扩展； 细晶粒的金属具有良好的韧性和塑性细晶粒的金属具有良好的韧性和塑性 多晶体的塑性变形过程多晶体的塑性变形过程 第二节第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响 经过塑性变形，可使金属的组织和性能发生一系列艰苦经过塑性变形，可使金属的组织和性能发生一系列艰苦的变化，这些变化大致可以分为如下四个方面。的变化，这些变化大致可以分为如下四个方面。产生纤维组织，性能趋于各向异性；产生纤维组织，性能趋于各向异性； 织构景象的产生织构景象的产生 ；晶粒破碎，位错密度添加，产生加工硬化晶粒破碎，位错

12、密度添加，产生加工硬化 ；剩余内应力剩余内应力 。1.晶粒变形，构成纤维组织：晶粒变形，构成纤维组织： 晶粒被拉长或被压扁，当变形足够晶粒被拉长或被压扁，当变形足够大时，晶界变得模糊不清，不易分辨。大时，晶界变得模糊不清，不易分辨。杂质呈细带状或链状分布。杂质呈细带状或链状分布。变形前变形后工业纯铁外表的滑移带工业纯铁外表的滑移带工业纯铁变形度为工业纯铁变形度为80%的显微组织的显微组织2.亚构造构成，资料加工硬化(work hardened )： 加工硬化：金属资料经冷塑性变形后，随变形度添加，强度硬度升高，塑性韧性降低的景象称为加工硬化或形变强化。加工硬化是提高资料强度的有效手段之一。例如

13、，纯铁和低碳钢经例如，纯铁和低碳钢经70%变形度的冷轧变形后，变形度的冷轧变形后，抗拉强度能提高抗拉强度能提高400500MPa。 高强度钢丝是将含碳量为高强度钢丝是将含碳量为1.0%的高碳钢处置成的高碳钢处置成细片状珠光体，然后冷拔变形细片状珠光体，然后冷拔变形90%以上，抗拉强以上，抗拉强度可高达度可高达3000MPa。强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性加工硬化对力学性能的影响加工硬化对力学性能的影响 强化金属的重要途径；强化金属的重要途径； 利利 提高资料运用平安性；提高资料运用平安性； 2 2利弊利弊 资料加工成型的保证。资料加工成型的保证。 弊弊 变形阻力提高，动力耗费增变

14、形阻力提高，动力耗费增大；大； 脆断危险性提高。脆断危险性提高。 3.织构的构成：织构的构成：随着变形量的增大，各晶粒的位向将沿着变形的随着变形量的增大，各晶粒的位向将沿着变形的方向发生转变，当变形量足够大方向发生转变，当变形量足够大70% 90%时，绝大部分晶粒的某一方向趋向大体一致，使时，绝大部分晶粒的某一方向趋向大体一致，使资料呈现各向异性，甚至退火也难消除。资料呈现各向异性，甚至退火也难消除。丝织构板织构制 耳织构的作用：织构的作用：1普通情况下，对加工普通情况下，对加工成型极为不利；成型极为不利；2有些情况下，可以有些情况下，可以利用织构的作用利用织构的作用-硅钢片硅钢片5.其他性能

15、的影响：电阻添加，耐腐蚀性能降低等其他性能的影响：电阻添加，耐腐蚀性能降低等第一类内应力第一类内应力 第二类内应力第二类内应力 第三类内应力第三类内应力宏观应力宏观应力微观应力微观应力由整个物体变形由整个物体变形不均匀引起不均匀引起由晶粒变形由晶粒变形不均匀引起不均匀引起晶格畸变晶格畸变由位错、空位等引起由位错、空位等引起变形甚至开裂变形甚至开裂晶间腐蚀晶间腐蚀加工硬化加工硬化4.内应力金属在外力作用下各部分发生不均匀的内应力金属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性变形所导致：塑性变形所导致：剩余内应力剩余内应力1 宏观剩余内应力：宏观剩余内应力： 由于金属资料各部分变形不均匀而呵斥的宏观由于金

16、属资料各部分变形不均匀而呵斥的宏观范围内剩余应力。范围内剩余应力。弯曲变形后弯曲变形后剩余内应力剩余内应力2 微观剩余内应力：微观剩余内应力：多晶体的各晶粒的变形不均匀，而使各晶粒间产多晶体的各晶粒的变形不均匀，而使各晶粒间产生剩余内应力。生剩余内应力。剩余内应力剩余内应力3晶格畸变应力：金属在塑性变形后，添加了位错及空位晶格畸变应力：金属在塑性变形后，添加了位错及空位等晶体缺陷，使晶体中一部分原子其偏离平衡而呵斥晶等晶体缺陷，使晶体中一部分原子其偏离平衡而呵斥晶格畸变，从而产生的剩余内应力。需求部分原子范围内格畸变，从而产生的剩余内应力。需求部分原子范围内几百，几千来相互平衡。几百，几千来相

17、互平衡。剩余内应力：残留金属内部用于平衡的内部应力。剩余内应力：残留金属内部用于平衡的内部应力。 类别：类别：1、宏观剩余内应力、宏观剩余内应力 2、微观剩余内应力、微观剩余内应力 3、晶格畸变应力、晶格畸变应力引起剩余内应力的缘由：引起剩余内应力的缘由：塑性变形、温度急剧变化、结晶、固态相变等塑性变形、温度急剧变化、结晶、固态相变等有害影响：有害影响：1、降低工件的承载才干、降低工件的承载才干 2、 使工件尺寸和外形发生变化使工件尺寸和外形发生变化 3、降低工件的耐蚀性、降低工件的耐蚀性 回复回复recovery recovery 再结晶再结晶recrystallizationrecryst

18、allization 晶粒长大晶粒长大 第三节第三节 变形金属在加热时的组织和性能的变化变形金属在加热时的组织和性能的变化 冷变形后冷变形后 回复回复 再结晶再结晶 晶粒长大晶粒长大1. 回复阶段回复阶段 原理：温度较低，原子的活动才原理：温度较低，原子的活动才干不大，这时金属的晶粒大小和干不大，这时金属的晶粒大小和外形没有明显的变化，只是在晶外形没有明显的变化，只是在晶内发生点缺陷的消逝以及位错的内发生点缺陷的消逝以及位错的迁移等变化迁移等变化 性能变化：强度、硬度和塑性等性能变化：强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，内应力及电机械性能变化不大，内应力及电阻率等性能显著降低。阻率等性能显著降

19、低。 运用：工业将金属在低温下加热，运用：工业将金属在低温下加热，进展进展“消除内应力退火消除内应力退火 处置，处置，以保管金属的变形强化性能以保管金属的变形强化性能2 .再结晶再结晶 原理：当它被加热到较高的温度时，原理：当它被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动才干，使晶粒原子也具有较大的活动才干，使晶粒的外形开场变化。从破碎拉长的晶粒的外形开场变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒外形类似，晶格类型一样，把这一阶外形类似，晶格类型一样，把这一阶段称为段称为“再结晶。再结晶。再结晶过程同样是经过形核和长大两再结晶过程同样是经过形核和长大两

20、个过程进展的。个过程进展的。再结晶终了后，金属中内应力全部消再结晶终了后，金属中内应力全部消除，显微组织恢复到变形前的形状，除，显微组织恢复到变形前的形状，其一切性能也恢复到变形前的数值，其一切性能也恢复到变形前的数值，消除了加工硬化。消除了加工硬化。再结晶退火消除加工硬化的热处置工再结晶退火消除加工硬化的热处置工艺艺影响再结晶粒大小的要素影响再结晶粒大小的要素 1变形度影响 当变形量很小时，由于晶格畸变很小，缺乏以引起再结晶；当变形度到达某一临界值时，由于此时金属中只需部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶核少，且晶粒极易相互吞并长大，因此再结晶后晶粒粗大，此变形度即为临界变形度；当变形度大于

21、临界变形度时，随变形量的添加，越来越多的晶粒发生了变形，变形愈趋均匀，晶格畸变大，再结晶的晶核多，再结晶后晶粒愈来愈细。可见冷压加工应留意防止在临界变形度范围内加工，以免再结晶后产生粗晶粒。2 2再结晶温度的影响再结晶温度的影响 再结晶是在一个温度范围内进展的，假设温度过低不能发再结晶是在一个温度范围内进展的，假设温度过低不能发生再结晶；假设温度过高，那么会发生晶粒长大，因此要生再结晶；假设温度过高，那么会发生晶粒长大，因此要获得细小的再结晶晶粒，必需在一个适宜的温度范围内进获得细小的再结晶晶粒，必需在一个适宜的温度范围内进展加热展加热 再结晶退火温度必需在再结晶退火温度必需在T再以上，消费上

22、实践运用的再结再以上，消费上实践运用的再结晶温度通常是比晶温度通常是比T再高再高150250，这样就既可保证完全，这样就既可保证完全再结晶，又不致使晶粒粗化。再结晶，又不致使晶粒粗化。再结晶温度：纯金属再结晶温度：纯金属 TR=0.4-0.35Tm(K) 合金：合金：TR=0.5-0.7Tm(K) 3 .晶粒长大晶粒长大 再结晶终了后，升温或保温，晶界迁移位向改动，晶粒再结晶终了后，升温或保温，晶界迁移位向改动，晶粒被吞并而长大被吞并而长大 晶粒长大对资料的机械性能极不利，强度、塑性、韧性晶粒长大对资料的机械性能极不利，强度、塑性、韧性下降。且塑性与韧性下降的更明显。下降。且塑性与韧性下降的更

23、明显。三、热加工对金属组织和性能的影响三、热加工对金属组织和性能的影响 热加工相关概念：再结晶温度是热加工与冷加工的分界限，热加工相关概念：再结晶温度是热加工与冷加工的分界限，高于再结晶温度的压力加工是热加工高于再结晶温度的压力加工是热加工hot working hot working ，低，低于再结晶温度的压力加工是冷加工于再结晶温度的压力加工是冷加工cold working cold working 。 区别：热加工变形量大，外表粗糙，无加工硬化景象，有区别：热加工变形量大，外表粗糙，无加工硬化景象，有再结晶。再结晶。 冷加工变形量小，外表光滑，有加冷加工变形量小，外表光滑，有加工硬化景象，无再结晶。工硬化景象，无再结晶。 用途：热变形加工多用于外形较复杂的零件毛坯及大件毛用途：热变形