工程材料 第四章 材料的变形断裂与强化机制ppt课件

1、第四章 资料的变形断裂与强化机制4.1 资料的塑性变形4.2 金属的冷塑性变形4.3 金属的热塑性变形4.4 金属强化实际简介纳米铜的室温超塑性第四章 资料的变形断裂与强化机制第四章 资料的变形断裂与强化机制优良的塑性 - 金属最重要的特性塑性变形的作用： 1成形外观尺寸； 2内部组织、构造改动； 3性能改动。 为消除塑性变形能够呵斥的不良影响，必需在加工过程中及加工后加热。黄铜弹壳成形过程flash演示 金属压力加工方法塑性加工方法表示图 4.1 资料的塑性变形一、单晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形4.1 资料的塑性变形一、单晶体的塑性变形-滑移和孪生滑移：在切应力的作用下晶体的一部分相对

2、于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对滑动。滑移面4.1 资料的塑性变形一、单晶体的塑性变形-滑移和孪生4.1 资料的塑性变形一、单晶体的塑性变形-滑移和孪生4.1 资料的塑性变形一、单晶体的塑性变形位错滑移flash演示1位错滑移flash演示2滑移时晶体的转动一、单晶体的塑性变形4.1 资料的塑性变形4.1 资料的塑性变形一、单晶体的塑性变形 滑移变形具有以下特点： 1滑移总是沿着晶体中原子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展。 一个滑移面和该面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。滑移阻力最小原那么 4.1 资料的塑性变形一、单晶体的塑性变形4.1 资料的塑性变形一、单晶体

3、的塑性变形2滑移只能在切应力的作用下发生。k实践 k实际？4.1 资料的塑性变形例：Cu k实际 = 1500 MPa k实践 = 1 MPa一、单晶体的塑性变形滑移并非原子的刚性滑动！ 3 滑移是经过位错的运动来实现的。 微观上的位错运动与宏观上的塑性变形是一对因果关系；变形会产生位错，并且温度起作用。4.1 资料的塑性变形一、单晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形过程：与单晶体根本一样，以滑移为主。但要思索 ： 1晶粒本身大小； 2晶粒相互位向不同有角度； 3晶粒之间受晶界影响及共同的影响。4.1 资料的塑性变形二、多晶体的塑性变形4.1 资料的塑性变形 1. 晶界在变形中

4、的作用-竹节景象-“妨碍-晶界强化 晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。缘由是： 1强度高：按Hall - Petch公式，晶粒小， 大； 晶界越多，越难滑移。 2塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。 3韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。 因此，细晶强化是最正确强化方法,是一切强化的根底。二、多晶体的塑性变形4.1 资料的塑性变形2. 晶粒大小对塑性变形的影响 - 细晶强化Hall - Petch公式： 例：日本采用高温多轴加工法，在500750压轧钢材，使其强度比现有钢材高一倍，其晶粒数为100亿个/mm3，在74kgf/mm2作用下

5、也不会变形。因此，号称“超级钢 。二、多晶体的塑性变形4.1 资料的塑性变形多晶体的塑性变形总结：1与单晶体塑变的异同： 同：都主要依托滑移; 异：存在不同时性，需相互协调。2塑变过程：软取向的晶粒先滑移晶界处位错塞积产生应力集中 相邻晶粒滑移；滑移系数目多越有利塑变。3晶粒细化：强度，且塑韧性。二、多晶体的塑性变形4.1 资料的塑性变形4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响一对金属组织构造的影响二对金属性能的影响二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化(一) 回复(二) 再结晶一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响1. 显微组织的变化-纤维组织(一)对金属组织构造的影响

6、4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响4.2 金属的冷塑性变形 2. 亚构造的细化 - 位错增殖4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响3. 变形织构 - 择优取向，产生各向异性4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响板织构flash动画丝织构flash动画 4. 剩余应力 - 可导致资料变形、开裂和产生应力腐蚀 第一类内应力宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起。 第二类内应力微观内应力，由晶粒变形不均匀引起。 第三类内应力点阵畸变，由位错、空位等引起。4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响利：预应力处置，如提

7、高疲劳极限。弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳腐蚀开裂。消除: 去应力退火。二对金属性能的影响1. 对金属力学性能的影响-加工硬化形变强化 在冷塑性变形过程中随着变形程度的添加，金属的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性显著下降。缘由一是位错越来越多，位错间距越来越小，晶格畸变增大；二是位错交互作用加剧，位错运动的阻力增大，导致变形抗力增大。 4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响二对金属性能的影响1. 对金属力学性能的影响-加工硬化形变强化 加工硬化的实践意义

8、： 是一种非常重要的强化手段。 是某些工件或半废品能拉伸或冷冲加工成形的重要根底，有利于均匀变形。 可提高零件在运用过程中的平安性。 4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 - 经过再结晶退火可消除加工硬化喷丸强化 1敲击小压痕/凹陷金属表层拉伸表层下紧缩的晶粒试图将表层恢复到原来外形，从而产生一个高度紧缩力作用下的半球，无数凹陷重叠构成均匀的剩余压应力层。 2小钢丸、不锈钢丸、搪瓷珠或玻璃珠，最常用铸钢丸。 3抗金属疲劳4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑

9、性变形对金属组织和性能的影响风电设备外表处置方案：1风机叶片 喷丸强化2风电齿轮箱 低Ra超精研磨3风机轮毂 抛丸处置4风机塔架 抛丸/喷砂除锈等涂防腐涂层4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 2. 对金属的物理、化学性能的影响 经冷塑性变形后，金属的磁导率、电导率、电阻温度系数等下降； 磁矫顽力添加； 提高化学活性，耐蚀性下降。4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化4.2 金属的冷塑性变形畸变添加； 冷塑性变形加热晶粒长大稳定温度升高回复再结晶回复与再结晶flash演示金属 内能升高； 热力学上不稳定 (

10、一) 回复 点缺陷减少，位错重新陈列，晶格畸变减弱。 显微组织尚无变化，电阻率和剩余内应力显著下降，耐蚀性得到改善。 加工硬化形状根本保管。 - 相当于去应力退火二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化4.2 金属的冷塑性变形季裂加工过程铸、锻、焊、切削产生的内应力如何消除加工过程中产生的内应力？二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化4.2 金属的冷塑性变形 金属拉伸时，除Pb、Sn，都会产生加工硬化，需求去应力退火，尽量低温退火，也可高温退火。退火后工件外表有氧化皮、污物，必需酸洗。酸洗前用苏打水去油，酸洗后冷水冲洗，再用热水洗涤，以免酸液残留。 对于普通硬化金属，如08、10、15、

11、黄Cu、退火Al等，普通可免于中间退火。 对于高硬化金属，如不锈钢、耐热钢，普通在两次拉伸后需中间退火。4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 各种资料不需中间退火就能完成的拉伸工序次数为： 低碳钢 34次 Al 45次 黄Cu 24次 Mg合金、Ti合金 1次4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响TR (0.4 0.5) Tm最低再结晶温度： (二) 再结晶 再结晶后，加工硬化消逝，内应力根本消除“恢复。 此时新晶粒位向不同于塑性变形前，但晶格类型一样。4.2 金属的冷塑性变形二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化材料TR /材料TR /Al黄

12、铜AuFePbMgNi1503752004500150620PtAg20钢TaSnWZn45020046010200121015金属资料的最低再结晶温度保温1h4.2 金属的冷塑性变形二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化4.2 金属的冷塑性变形二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化问：碳素弹簧钢的再结晶退火温度为何空缺？ 铜棒 24 mm如何消除拉拔过程中的硬化景象？ 电缆线 0.15 mm4.2 金属的冷塑性变形二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响再结晶退火 1消除加工硬化，将金属件加热保温缓冷至室温，保温温度高于再

13、结晶温度 TR 100200K ； 2对于没有同素异构转变的金属如铜、铝 ，冷变形+再结晶退火是细化晶粒的重要手段。3%变形后经550退火6%变形后经550退火9%变形后经550退火12%变形后经550退火15%变形后经550退火冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响纯铝片试样4.2 金属的冷塑性变形一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 4.3 金属的热塑性变形一、金属热加工的概念冷加工 T加工 TR 热加工温度 T加工0.6Tm金属资料T加工: 上限普通控制在固相线以下100 200范围内4.3 金属的热塑性变形概念：再结晶温度以上的加工过程。 景象：同时存在硬化与软化，动态回复与动态再结晶。

14、特点：反复形核，有限长大，晶粒较细。 包含亚晶粒，位错密度较高,强度硬度高。温度： T再T热加工T固100200。再结晶温度以下的加工过程称为冷加工一、金属热加工的概念4.3 金属的热塑性变形碳钢：始锻温度保证无过烧； 终锻温度高于T再，保证再结晶完全。一、金属热加工的概念4.3 金属的热塑性变形 1改善铸锭组织。气泡焊合、破碎碳化物、细化晶粒、降低偏析。提高强度、塑性、韧性。 2构成纤维组织加工流线。 组织：枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分布。 性能：各向异性。沿流线方向塑性和韧性提高明显。 3构成带状组织 构成：两相合金变形或带状偏析被拉长。 影响：各向异性。类似于流线组织。 消除：

15、防止在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高温分散退火 或正火。 4影响晶粒大小二、热加工对金属组织和性能的影响4.3 金属的热塑性变形4.3 金属的热塑性变形二、热加工对金属组织和性能的影响热加工的优点 1可继续大变形量加工； 2动力耗费小； 3提高资料质量和性能。热加工金属晶粒组织控制 温度：T再T热加工T固100200 变形量：适中 锻后冷却：锻后快冷，降低低终锻温度前往4.3 金属的热塑性变形二、热加工对金属组织和性能的影响钢在热轧时奥氏体的变形和再结晶 4.3 金属的热塑性变形二、热加工对金属组织和性能的影响钢在热轧时奥氏体的变形和再结晶 4.3 金属的热塑性变形二、热加工对金属组织和性能的影响4.