金属的塑性变形与再结晶(3)ppt课件

1、 各种金属的板材、棒材、线材和型材都是经过轧制、锻造、挤压、冷拔、冲压等压力加工方法制造而成，这些加工方法的特点是使金属资料发生永久性的塑性变形。 在本章研讨在塑性变形的过程中，金属的组织和性能也发生了哪些的变化。 同时研讨金属塑性变形以及变形金属在加热过程中所发生的变化。 了解塑性变形对充分发扬金属资料的力学性能具有重要的意义。 一、金属单晶体的塑性变形1.滑移和滑移带金属单晶体塑性变形的根本方式有滑移和孪生，在大多数情况下滑移是金属塑性变形的一种主要方式。滑移是晶体的一部分相对于另一部分沿着一定晶面上的晶向发生滑动。如图 经过对单晶体试样拉伸变形的分析，我们可将滑移变形的要点总结如下： 滑

2、移只能在切应力的作用下发生。正应力只能引起弹性变形或断裂使晶体开场滑移的最小切应力称为临界切应力，用表示。 影响晶体临界切应力的要素主要有金属的晶格类型、成分、温度和变形速度等。 用金相显微镜察看被拉伸的金属单晶体试样外表时，可以见到试样的外表有许多呈一定角度阶梯状的相互平行的线条，这些平行的线条称为滑移带。 一个滑移带实践上是由一束平行滑移线组成。晶体的塑性变形就是众多大小不同的滑移带的综合效果的宏观上的表达。 晶体在滑移过程中并未改动晶体的构造和晶格的取向，仅是晶体在切应力的作用下，一部分沿着某一滑移面上的某一晶向相对于另一部分发生滑动。 2.滑移系 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向

3、发生。一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑移系。Fcc和Bcc有12个滑移系。Hcp有3个滑移系。 一样的滑移系数量下，滑移方向数量多更易滑移。 滑移面总是原子陈列最密的晶面，而滑移方向也总是原子陈列最密的方向。 这是由于晶体中原子密度最大的晶面上，原子的结合力最强，而面与面之间的间隔却最大，所以其面与面之间的结合力最弱，最容易滑动。 同理，沿原子密度最大的方向滑动时，阻力也最小。 3.滑移时晶面的转动 在单晶体试样拉伸过程中，由于发生滑移后的晶体使试样两端拉力不再处于同不断线上，因此产生一个力矩迫使滑移面产生趋向与外力平行的方向转动，使试样两端拉力重新作用于一条直线上。因此金属单晶体在

4、拉伸过程中除了发生滑移外，也同时发生转动。 滑移的过程不是晶体的一部分相对于另一部分作整体刚性滑移。 滑移本质上是位错在滑移面上运动的结果，在切应力的作用下，晶体中存在的正刃位错逐渐挪动，当这个位错移到晶体的右边缘时，移出晶体的上半部就相对于下半部挪动了一个原子间距，构成一个原子间距的滑移量。 同一滑移面上假设有大量的位错移出，那么在晶体外表构成一条滑移线。 位错在晶体中挪动时所需切应力很小，由于当位错中心前进一个原子间距时，一齐挪动的只是位错中心少数原子，而且其位移量都不大，构成逐渐滑移，这就比一齐挪动所需的临界切应力要小得多，这称为“位错的易动性。 滑移所需的临界切应力的大小取决于位错滑动

5、时所要抑制的阻力，对单晶体来说，位错的阻力主要由晶体内位错的密度及其分布特征所决议。 晶体内存在少量的位错时，滑移易于进展，因此金属晶体的强度也就比较低。 当位错密度的添加到一定时，由于位错之间以及位错与其它缺陷之间存在着相互的牵制造用，使位错的运动受阻，结果金属的强度和硬度又逐渐添加。金属资料的冷加工硬化景象就是在加工过程中，金属内部位错密度的增大而引起的金属资料硬化。 金属单晶体塑性变形的本质是在切应力作用下位错延续运动，使金属沿一定的滑移面和滑移方向发生位移。 这对我们正确认识和深化了解金属的塑性变形，以及变形对金属性能的影响都具有非常重要的意义 晶体变形的另一种方式是孪生。孪生变形是在

6、切应力作用下，晶体的一部分对应于一定的晶面孪晶面沿一定方向进展的相对挪动。 大多数金属资料是由多晶体组成的。 多晶体塑性变形的本质与单晶体一样。 要思索到晶粒彼此之间在变形过程中的约束作用，以及晶界对塑性变形的影响。 多晶体中各晶粒的位向不同，滑移系与外力的取向也各不一样，在外力的作用下，不同位向的晶粒和同一晶粒内不同的滑移系获得的应力形状和应力大小也各不一样。 因此，不同的晶粒或是同一晶粒内的不同部位变形的先后顺序和变形量是不一样的。 由于相邻晶粒之间存在位向差，当一个晶粒发生变形时，周围的晶粒如不发生塑性变形，那么必需产生弹性变形来与之协调。这样，周围晶粒的弹性变形就成为该晶粒继续塑性变形

7、的阻力。所以，由于晶粒间相互约束，多晶体金属抗塑性变形的才干就大大提高。而且晶粒越细，一样体积内晶粒越多，晶粒位向对金属塑性变形的影响就越显著。 多晶粒中的晶界是原子陈列比较紊乱的区域，又是杂质聚集的地方，必然会妨碍位错的运动，使滑移变形难以进展。 因此多晶体的塑性变形抗力比同种金属的单晶体大得多。 多晶体的塑性变形，是在各晶粒相互影响，相互制约的条件下，从少量晶粒开场， 分批进展，逐渐扩展到其它晶粒；从不均匀的变形逐渐开展到均匀的变形。 一、冷塑性变形对金属组织构造的影响 1.晶粒变形 金属发生塑性变形时，其内部晶粒的外形也发生变化，各个晶粒将沿着变形的方向被拉长或压扁，变形量越大，晶粒变形

8、也越显著。 当变形量很大时，各晶粒将沿着变形方向被拉长成纤维状。这种组织被称为“纤维组织。 构成纤维组织后，金属的性能会出现明显的各向异性，如其纵向(沿纤维的方向)的强度和塑性远大于其横向(垂直纤维的方向)的强度和塑性。 金属在塑性变形时，除了产生滑移之外，晶粒内部还破碎成许多位向差小于1的小晶块，这种小晶块称为亚晶粒，这种构造被称为亚构造。 亚晶粒的边境堆积有大量的位错，而亚晶粒内部的晶格那么相对地比较完好。塑性变形程度愈大，构成的亚晶粒愈多，亚晶界也就愈多，位错密度随之增大。 研讨阐明，亚晶界的存在使晶体的变形抗力添加，是引起加工硬化的重要要素之一。 在塑性变形过程中，当金属按一定的方向变

9、形量很大时(变形量大于70%以上)，多晶体中原来恣意位向的各晶粒的取向会大致趋于一致，这种有序化构造叫作“变形织构，又称为“择优取向， 金属资料的加工方式不同构成不同类型的织构：拉拔时构成的织构称为丝织构，其特征是各个晶粒的某一晶向平行于拉拔方向；轧制时构成的织构称为板织构，其特征是不仅某一晶面平行于轧制平面，而且某一晶向也平行于轧制方向。 金属中存在形变织构时，具有明显的各向异性，用退火方法也难以消除。 织构的构成在多数情况下是不利的。例如用有织构的板材去冲制杯形零件时，由于板材各个方向变形才干的不同，深冲后零件的边缘不齐，会产生“制耳景象。 在某些情况下织构也是有用的。如变压器铁芯用的硅钢

10、片，沿晶向最易磁化。假设用这种织构的硅钢片制造变压器和电机时，那么可提高铁芯的导磁率，降低其磁滞损失，提高设备的效率。1.加工硬化 加工硬化是金属在塑性变形过程中，随着亚晶粒的增多和位错密度的添加，位错间的交互作用加强，位错滑移发生困难，使金属塑性变形的抗力增大，其强度和硬度显著升高，塑性和韧性下降。也称形变强化或冷作硬化。 金属的加工硬化景象的有利之处，它可以作为一种工提高金属强度、硬度和耐磨性的重要手段之一，尤其是对一些不能用热处置强化的资料显得更为重要， 加工硬化还能使金属各部分相继发生塑性变形，使变形更加均匀 加工硬化还可以提高构件在运用过程中的平安性。 加工硬化也有不利的一面，如使资

11、料在冷轧时的动力耗费增大，也给金属继续变形呵斥困难。因此，在金属的冷变形和加工过程中，必需进展中间热处置来消除加工硬化景象。 2.物理、化学性能的变化 金属的塑性变形也使金属的某些物理性能、化学性能发生变化，例如使电阻增大，耐蚀性降低等。 在金属塑性变形过程中，大约有10的能量转化为内应力而残留在金属中，使其内能添加。 这些残留于金属内部且平衡于金属内部的应力称为剩余内应力。它是由于金属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性变形而产生的。 内应力普通可分为三种类型：1宏观内应力(第一类内应力) 金属资料在塑性变形时，由于各部分变形不均匀，使整个工件或在较大的宏观范围内(如表层与心部)产生的剩余应力

12、。2微观内应力(第二类内应力) 它是金属经冷塑性变形后，由于晶粒间或晶粒内各亚晶粒之间因变形不均匀而构成的微观内应力。冷塑性变形在金属内部产生大量的位错和空位，呵斥晶格畸变，这种因晶格畸变而产生的剩余应力叫晶格畸变应力。这类应力占内应力总量的90左右，是存在于变形金属中主要的剩余内应力。它使金属的硬度、强度升高，同时使塑性和抗腐蚀才干下降。 内应力的大小与形变条件有关。变形量大、变形不均匀、变形时温度低、变形速率大等都能使内应力添加。 第一类内应力所占比例虽然不大，但当其放置一段时间后会因其松弛或应力重新分布而引起金属自动变形，严重时会引起工件开裂。 第二类内应力使金属产生晶间腐蚀，所以塑性变

13、形后的金属应进展消除应力退火处置，以消除或降低这部分内应力。 第三类内应力那么是产生加工硬化的主要缘由。 合理利用内应力的存在有时可以提高零件的寿命，如齿轮进展外表淬火和喷丸处置，在其外表产生一层极薄的塑性变形层。在变形层中产生的剩余压应力可以大大提高资料的疲劳极限，抵消任务时齿面遭到的张应力，从而提高齿轮的运用寿命。 内应力对热处置质量也有很大的影响。钢经塑性变形所产生的各种内应力是导致淬火工件产生变形甚至开裂的重要缘由之一。 实际阐明，经过粗机械加工、冷压力加工的工件，以及锻造后的毛坯，其内部都残存着因塑性变形而产生的内应力。为了减少淬火变形量并防止产生淬火裂纹，在淬火之前，必需进展消除内

14、应力处置(如退火处置)。 金属冷塑性变形后，产生了加工硬化景象，结果金属晶体中缺陷密度添加，内能升高，这种处于不稳定形状的组织有自发恢复到变形前的组织形状的倾向。 在常温下，这种转变普通不易进展。假设对金属进展加热，随着加热温度的升高，其组织会相继发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化。 1. 回 复 当冷变形金属的加热温度不太高时，内部原子活动才干尚不大，只能作短间隔分散，这一过程称为回复。 在回复这一阶段，金属的某些力学性能、物理性能和亚构造发生变化，但没有新的晶粒出现。 内部的“多边化过程 由于回复过程温度比较低，金属的晶粒大小和外形不会发生明显变化，所以金属加工硬化后的强度、硬度和塑

15、性等力学性能根本不变，但剩余内应力和电阻显著下降，应力腐蚀景象也根本消除。 因此，冷变形金属假设要在消除剩余内应力的同时仍坚持冷变形强化形状的话，就可以采取回复处置，进展一次250300的低温退火。 当冷变形金属加热温度高于回复阶段温度后，原子的分散才干进一步加强，塑性变形时被破碎、拉长的晶粒全部被转变成均匀而细小的等轴晶粒。这个过程称为“再结晶。 变形的金属发生再结晶后，位错密度降低，金属中的内能下降，使冷变形呵斥的加工硬化消逝，金属的性能又恢复到金属变形前的性能。 由于冷变形金属在再结晶过程中构成的细小等轴晶粒也是经过生核和晶粒长大方式进展的，变化过程中只需晶粒的外形的变化，而晶格类型不变

16、，因此再结晶过程不应属于相变过程。 变形金属开场产生再结晶景象的最低温度称为再结晶温度T再。 消费上通常规定在一小时的保温时间内全部完成再结晶过程时所需的最低温度，称为再结晶温度。 1金属的纯度 当金属中含有少量合金元素或微量杂质时，会妨碍原子的分散和晶界的迁移，显著提高再结晶温度。实验阐明，当变形程度较大时，纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在如下关系：T再=(0.35-0.40)T熔式中T再和T熔均以绝对温度表示。 2 预先的变形度 变形程度越大，金属畸变能越高，再结晶时的驱动力就越大，故再结晶温度就越低。 当变形量到达一定值后，再结晶温度便趋近于某一恒定值，称为最低再结晶温度， 3 加

17、热速度和加热保温时间 提高加热速度会使再结晶温度提高。而加热保温时间越长，原子的分散挪动越能充分进展，再结晶温度就越低。在工业消费中，为了缩短再结晶退火周期，普通将再结晶温度定得比实际再结晶温度高出100200。 冷变形金属在再结晶刚终了时晶粒比较细，晶界面积比较大，系统界面能也比较高。 随着加热温度的升高或保温时间的延伸，晶粒会继续长大。 晶粒的长大减少了晶界的面积，使晶界外表能降低，因此再结晶后的晶粒长大是一个自发进展的过程。 再结晶后的晶粒大小与金属的冷塑性变形程度的关系见图。 当变形度很小时，由于金属晶格畸变很小，缺乏以引起再结晶，因此晶粒仍坚持原来的外形。 当变形度在2l0范围内时，

18、晶粒容易吞并长大，最后得到异常粗大的晶粒。使晶粒发生异常长大的变形度称为临界变形度。 消费中应尽量防止在这一变形范围内进展加工。 当变形度超越临界变形度后，随变形程度的添加，晶格畸变愈加严重，再结晶晶核数目越来越多，因此再结晶后的晶粒细而均匀。 某些金属在变形量很大时(90)，再结晶后的晶粒又重新出现粗化景象。这种景象称为二次再结晶。 普通以为，这种景象是大变形量构成的再结晶织构所呵斥的。由于晶粒取向大致一样时，给晶粒沿一定方向迅速长大提供了条件。 晶粒粗化将使金属资料组织性能恶化，所以冷变形金属的再结晶退火温度应严厉控制在再结晶温度范围内，而且保温时间不宜过长，以获得细而均匀的晶粒。一、热加

19、工与冷加工的区别金属的冷加工和热加工可以按其再结晶温度来划分。金属在再结晶温度以下的塑性变形称为冷加工；金属在再结晶温度以上的塑性变形称为热加工。 热加工的主要优点是资料容易变形，加工耗能量少。这是由于在热加工过程中，金属的内部同时进展着加工硬化和再结晶软化两个相反的过程。 冷加工变形会引起加工硬化，增大金属的变形抗力。所以假设继续进展冷加工，那么必需进展中间退火处置，重新软化后才干进展继续加工。 金属在热加工过程中外表发生氧化，使得工件外表比较粗糙，尺寸精度比较低。所以热加工普通用来制造一些截面比较大、加工变形量大的半废品。 而冷加工那么能保证工件有较高的尺寸精度和外表粗糙度，在冷加工过程中资料同时也得到强化处置。有时经冷加工后可以直接获得废品。1.改善钢锭的组织和性能铸锭的组织：在铸造过程中，由于铸锭的外表和中心的结晶条件不同，在铸锭的截面上有三个不同特征的结晶区：表层细晶粒区、柱状晶区及中心等轴晶区图3-19。 除了上述几个晶区外，铸锭内还存在一些铸造缺陷，如缩孔与缩松、化学成分偏析、气孔、夹杂、裂纹等。经过热加工可以把大部分的缩松、气孔和微裂纹在加工过程中焊合，提高了金属的致密度。对于铸锭内部的晶内偏析、粗大柱状晶或大块碳化物，可以在压力的作用下使晶粒破碎，消除了成