项目三金属材料基础知识课件_任务四

1、项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o任务描述：o本任务主要介绍了金属材料的塑性变形的含义，并从微观领域深入分析了金属材料实现塑性变形的两种主要形式：滑移和孪生。从而掌握金属材料冷塑变形对材料组织和性能的影响。另外，还介绍了回复与再结晶的含义，区分了冷加工和热加工及其对材料组织和性能的影响。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o知识目标：o掌握塑性变形的方式和含义，了解塑性变形对金属材料组织和性能的影响；掌握回复和再结晶的含义，学会如何区分热加工和冷加工，了解热加工对金属材料组织和性能的影响。o能

2、力目标： o通过对塑性变形、回复和再结晶等理论的学习，初步学会对金属材料选择的一些要求，以及将来进行热处理的基本条件，为将来材料选择和热处理设计奠定基础。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o4.1 4.1 金属的塑性变形金属的塑性变形o工业用的金属材料通常是多晶体，但多晶体的塑性变形工业用的金属材料通常是多晶体，但多晶体的塑性变形较为复杂，为了更好的了解多晶体的塑性变形，先了解较为复杂，为了更好的了解多晶体的塑性变形，先了解单晶体塑性变形的特点。单晶体塑性变形的特点。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变

3、形与再结晶o4.1.14.1.1单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形o单晶体的塑性变形方式主要有滑移和孪生两种单晶体的塑性变形方式主要有滑移和孪生两种 a) 未变形 b) 滑移 c) 孪生 图41 单晶体塑性变形主要形式项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o一、滑移一、滑移 o 在切应力的作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和一定的方向相对于另外一部分产生的相对滑动的现象就称为滑移。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o滑移的特点：o1、滑移只能在切应力的作用下产生，产生滑移的最小切应力称为临界切应力；

4、项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o2、产生滑移的晶面称为滑移面，产生滑移的晶向称为滑移方向。滑移通常沿着晶体中原子排列密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）进行。o一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系。o晶体内可能滑移的滑移面和滑移方向的乘积叫做滑移系数。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o表41 三种常见金属晶格的滑移系 晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格滑移面1106个1114个00011个滑移方向2个3个3个滑移系数目6x2=12个4x3=12个1x

5、3=3个项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o3. 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一些台阶，称为滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。 图42 滑移线和滑移带项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o4、滑移的同时伴随着晶体的转动。转动有两种：o一种是滑移面向外力轴方向转动；o另外一种是滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o5. 实验发现晶体在切应力作用下，一部分相对于另外一

6、部分产生刚性整体移动需要的最小切应力与实际测量需要的切应力相差较大。经过研究发现，由于晶体中存在位错，滑移实际上是在切应力的作用下通过位错线沿滑移面的移动来实现的。 图43 晶体中通过位错运动而造成滑移示意图 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o二、孪生二、孪生 o o孪生是金属进行塑性变形的另一种基本方式。所谓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。发生孪生的部分称为孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称为孪生面。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶图44 孪生变形项目三

7、 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o孪生与滑移的主要区别：o1. 孪生通过晶格切变使晶格位向改变，使变形部分与未变形部分呈镜面对称；而滑移不引起晶格位向的变化。o2. 孪生时，相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距，而滑移时滑移面两侧晶体的相对位移量是原子间距的整数倍。o3. 孪生所需要的切应力比滑移大得多，如镁的孪生临界切应力为535MPa，而滑移时临界切应力仅0.5MPa。因此，只有在滑移难以进行时，才会产生孪生变形。o4. 孪生产生的塑性变形量较小，比滑移产生的变形量小得多。o5. 孪生变形完成得速度极快，接近于声速。项目三 金属材料基础知识

8、任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o4.1.2 4.1.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 o多晶体得塑性变形与单晶体变形方式基本相同，每个晶粒得塑性变形仍然以滑移或孪生方式进行。但由于晶粒之间存在晶界，以及具有不同的晶粒位向，因此多晶体塑性变形就要复杂得多 。项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o1晶界的影响o将两个晶粒组成的试样，如图45所示，进行拉伸试验，可以看到两个晶粒在其间结合的晶界处的变形是最小的，因此形成如图的“竹节”现象。这是由于在晶界处晶格畸变较大，原子排列很紊乱，同时也是杂质原子和其它缺陷集中的地方，

9、这些都会对位错的运动产生阻碍作用，从而提高了抵抗变形的能力。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶图45 两个晶粒组成试样 图46 锌的拉伸曲线拉伸试验示意图 1-多晶体试样 2单晶体试样项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o2. 晶粒位向的影响o 多晶体中具有很多不同晶粒位向的晶粒，在外力作用下，一些晶粒发生滑移时会受到其它具有不同晶粒位向的晶粒的制约。这样就会增加晶粒发生滑移的阻力，如图46所示，使塑性变形的抵抗力提高 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形

10、与再结晶o3. 多晶体的塑性变形过程o在多晶体金属中，出于晶粒间的位向不同。会使塑性变形产生不均匀性。由材料力学可知，拉伸时，在与外力成45方向上的切应力最大。偏移该方向越远，则切应力越小(与外力平行或垂直方向的切应力等于零)。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o细晶强化o晶粒越细，在同等体积内的晶粒数量就越多，晶界面积和不同位向的晶粒也就越多，在进行塑性变形是遇到的抵抗力就越大，因此可以有较高的强度和硬度；同时，变形时可能发生滑移的晶粒也会越多，总的变形量就分布到更多的晶粒中，这样使变形更加的均匀，不容易出现应力集中，故而可以承受较大的塑性

11、变形，因此其塑性和韧性越大。可以看出通过细化晶粒可以提高金属材料的强度、硬度、塑性和韧性，是一种十分有效的强化金属材料的方法。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o4.2 4.2 冷塑变形对金属组织和性能的影响冷塑变形对金属组织和性能的影响o4.2.1 4.2.1 冷塑变形对金属组织的影响冷塑变形对金属组织的影响o冷塑变形就是指金属在室温下进行的塑性变形。在冷塑变形后不冷塑变形就是指金属在室温下进行的塑性变形。在冷塑变形后不但改变了材料的外形，也会改变其内部的组织结构。但改变了材料的外形，也会改变其内部的组织结构。 项目三 金属材料基础知识 任

12、务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o1晶粒的变形 o金属在外力作用下产生塑性变形时，随着变形量的增加，晶粒形状也发生变化。通常晶粒沿变形方向被拉长、变细或压扁，如图48所示。 a) 变形前 b) 变形后 图48变形前后晶粒形状变化示意图项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o2. 亚结构细化o金属的塑性变形，除了产生滑移带、孪晶带之外，还会使晶粒逐渐碎化成许多位向略有不同（位向差不大于1）的小晶块，就象是在原晶粒内又出现许多小晶粒似的，这种组织称为亚结构。每个小晶块称为亚晶粒，亚晶粒边界排列着许多位错。经塑性变形后，亚晶粒将进

13、一步细化，位错的密度进一步增高。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o3. 形变织构产生o金属在接受拔丝、轧制等单向塑性变形时，各个晶粒在发生滑移变形的同时，还会发生晶体的转动。在变形量较大的情况下，拔丝使各个晶粒的某一晶向转向与拉拔方向平行，轧制时则会使晶粒的某一晶向转向与轧制方向平行。变形越大，这种现象越明显。这一现象称为“择优取向”。择优取向的结果形成具有明显方向性的组织，称为“织构”。由于是变形过程中产生的，故称为“形变织构”，拔丝产生的织构又称为丝织构，轧制产生的织构又称为板织构。项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形

14、与再结晶金属的塑性变形与再结晶图49 形变织构示意图项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o4.2.2 4.2.2 冷塑变形对金属性能的影响冷塑变形对金属性能的影响o一、加工硬化o塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度和硬度增加，而塑性和韧性降低，这一现象称为加工硬化或形变强化。o产生加工硬化的主要原因：一是随着塑性变形量的不断增大，位错密度不断增加，使位错间的交互作用不断增强，使变形抗力增加；二是随着塑性变形量的增大，晶粒变形、破碎形成亚晶粒，亚晶界阻止位错运动，使强度和硬度提高。项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再

15、结晶金属的塑性变形与再结晶o 加工硬化在工业生产中具有重要意义：o1. 它是提高金属强度、硬度和耐磨性的重要手段之一，特别是对那些不能进行热处理强化的金属及合金尤为重要。如冷卷弹簧高锰钢制造的坦克或拖拉机的履带板，破碎机的颚板等。o2. 加工硬化有利于金属变形均匀。因为金属已经变形的部分出现加工硬化，继续变形将主要在未变形的部分进行，使变形更加均匀。如在加工杯装零件时，已变形部分因为强化不再继续变形，而未变形部分继续变形，从而得到壁厚一致的产品。o3. 加工硬化可以使材料具有很好的形变强化能力，在短时超载时可避免出现突然断裂，提高安全性。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形

16、与再结晶金属的塑性变形与再结晶o加工硬化的不利影响o1、造成金属塑性下降，给进一步的塑性变形带来困难。o2、为了恢复金属的塑性不得不进行退火，这样将延长生产周期，增加生产成本。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o二、产生各向异性o由于纤维组织和形变织构的产生，使金属的性能产生各向异性，如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向。织构可能对金属性能带来不利影响，如用有织构的板材冲压筒形零件可能产生上面说过的“制耳”现象， 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 a) 无制耳 b) 有制耳 图411 冲

17、压件的制耳现象项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o三、物理、化学性能的变化三、物理、化学性能的变化 o 塑性变形还会对金属的物理和化学性能发生明显的变化，如导电性下降，化学活性提高和耐腐蚀性下降等。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o四、产生残余应力 o残余应力是指外力撤除后，残留在金属内部的应力。内应力主要是由于金属在外力作用下，内部变形不均匀而引起的。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o 内应力可分为三类：o第一类内应力即宏观内应力，系平

18、衡于金属各部分之间的应力，这是由于金属各部分变形不均所造成的；o第二类内应力即微观内应力，系平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间的应力，这是由于相邻晶粒变形不均或晶粒不同部位变形不均造成的；o第三类内应力即晶格畸变内应力，是由于位错、空位及间隙原子等晶体缺陷而引起的。项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o第一、二类内应力约占残余应力的10，它们可引起构件变形、开裂和耐蚀性降低等，通常采用退火处理进行消除或降低。而第三类内应力占整个内应力的90以上，是使金属强化的主要原因。o残余应力有时是有害的，它将导致工件变形、开裂、抗蚀性和抗外负荷能力降低，为此

19、需进行适当的热处理以消除残余应力。当然有时残余应力也可以被利用，以提高工件的抗负荷能力，如对弹簧、齿轮等零件进行喷丸处理将会提高抗疲劳强度 。项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o4.3 4.3 回复与再结晶回复与再结晶o加热则使原子扩散能力提高，随加热温度的提高，加工加热则使原子扩散能力提高，随加热温度的提高，加工硬化金属的组织和性能就会出现如图硬化金属的组织和性能就会出现如图412412所示的显著所示的显著变化，这些变化过程可划分为回复、再结晶和晶粒长大变化，这些变化过程可划分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。三个阶段。 项目三 金属材料基础

20、知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶图412 冷塑变形金属加热时组织和性能变化图项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o4.3.1 4.3.1 回复回复o加热温度较低时，变形金属发生回复过程。此时原子的活动能力不大，变形金属的显微组织不发生显著的变化。金属的变形使空位浓度和位错密度增大。当在低温加热时，空位和位错开始移动，到达表面、晶界等处消失，因而减少了晶格畸变。另外，回复过程中，位错的运动使其变为垂直分布，形成亚晶界，这一过程称为多边形化，使位错间的作用力减少，因而使晶体过渡为较稳定的状态。 项目三 金属材料基础知识

21、 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o回复的作用o加工硬化后的强度和硬度略有下降，塑性略有回升，而内应力和电阻明显下降。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o4.3.2 4.3.2 再结晶再结晶o一、再结晶的过程o冷变形金属加热到一定温度后，由于原子获得更大活动能力，显微组织发生明显变化，在原来的变形组织中重新产生了新的等轴晶粒，加工硬化现象消除，力学性能和物理性能恢复到变形前的水平，这个过程称为再结晶。 o再结晶与重结晶(即同素异晶转变)的共同点是：两者都是形核与长大的过程。两者的区别是：再结晶前后各晶粒的晶格类型不变

22、，成分不变；而重结晶则发生了晶格类型的变化。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o二、再结晶温度o变形后金属发生再结晶的温度不是一个恒定的温度，而是一个温度范围。再结晶温度是指开始再结晶的最低温度。工程上通常规定，经过大于70的冷塑变形的金属，在一小时加热能完成再结晶过程的最低温度，称为再结晶温度。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o最低再结晶温度影响因素：o1. 变形度o 金属再结晶前塑性变形的相对变形量，即变形度越大，金属的晶体缺陷越多，组织就越不稳定，开始再结晶的温度也就越低。当变形度达

23、到一定值后，再结晶温度将趋近某个最低值，这个温度就被称为最低再结晶温度。o 2. 原始晶粒大小 金属原始晶粒越小，则变形抗力越大，变形后储存的能量就越高，再结晶温度就越低。项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o3. 金属的熔点o 各种纯金属的最低再结晶温度与其自身的熔点有关，具有如下的关系： T再（0.350.4）T熔点 T再最低再结晶温度（K）； T熔点纯金属熔点（K）。o4. 杂质和合金元素o由于杂质和合金元素特别是一些熔点较高的元素存在于金属中，将会阻碍原子扩散和晶界迁移，故将提高金属的最低再结晶温度。如纯铁的最低再结晶温度在450C左右，

24、当在其中加入碳元素后，其最低再结晶温度提高到540C左右。各种工业用合金的最低再结晶温度大约为： T再（0.50.7）T熔点项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o5. 加热速度和保温时间o因为再结晶是原子的扩散过程，故需要一定的时间完成。提高加热的速度可使再结晶温度提高；保温时间的延长，可使原子扩散更加充分，故再结晶温度降低。在生产中把为消除加工硬化而进行的热处理称为再结晶退火，其温度应比再结晶温度高100200C。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o4.3.3 4.3.3 晶粒长大晶粒长大o再

25、结晶完成后，得到的是等轴的再结晶初始晶粒。随着加热温度的升高或保温时间的延长，晶粒之间就会互相吞并而长大，这一现象称为晶粒长大。 o再结晶后的晶粒长大，对金属的力学性能是不利的，它会使金属的塑性和韧性明显下降，所以应正确控制再结晶退火的加热温度和保温时间，以避免晶粒粗化。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o 影响晶粒长大的主要因素o1. 加热温度o再结晶时加热温度越高，则原子的活性越强，晶界移动就越容易，晶粒长大就越快；o2变形度o变形度的影响实际上是一个变形均匀的问题。变形度愈大，变形便愈均匀再结晶后的晶粒度便愈细。当变形度很小时，由于晶格

26、畸变小，不足以引起再结晶，故晶粒度保持原祥。当变形度在210时再结晶后的晶粒十分粗大因此时晶体中仅有部分晶粒发生变形，变形很不均匀。再结晶时的形核数目少。再结晶后的晶体颗粒度不均匀，故晶粒极易吞并长大。这个变形度称为“临界变形度”生产中应设法避免。项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o4.4 4.4 金属的热加工金属的热加工 o4.4.1 4.4.1 热加工与冷加工的区别热加工与冷加工的区别o金属的冷加工和热加工是以再结晶温度划分的。凡在金属的再结晶温度以下进行的加工变形称为冷加工，而在再结晶温度以上的加工变形称为热加工。例如，钨的最低再结晶温度为1200C，锡的最低再结晶温度为7C。那么锡在室温下进行加工，已属热加工了。而钨在低于1200以下的加工变形还是属于冷加工。 项目三 金属材料基础知识 任务四任务四 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶o4.4.2 4.4.2 热加工对金属组织和性能的影响热加工对金属组织和性能的影响o一、改善铸态金属的组织和性能o通过热加工可使钢锭中的气孔、缩孔大部分焊合