第五章 塑性应变和温度对金属(8月23日再再修改稿)

第五章

塑性应变和温度

对金属结构与性能的影响第五章

塑性应变和温度对金属

结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形5.2回复与再结晶5.3超塑性成形5.4金属的热加工

第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形一．单晶体与多晶体

单晶体：其组成原子按相同规律和空间取向排列的晶体。

多晶体：由许多空间取向不同的单晶体（晶粒）组成的晶体。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形一．单晶体与多晶体实际金属→多晶体→塑性变形复杂；单晶体→单晶体塑性变形主要是滑移变形，其次是孪生变形；单晶体具有各向异性，多晶体则无各向异性。第四章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形二．单晶体的塑性变形1、滑移变形（1）滑移的显微观察第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形二．单晶体的塑性变形1、滑移变形（1）滑移的显微观察拉伸试样→表面抛光→拉伸一定变形量后，在显微镜观察→许多相互平行的变形线。如图4-1所示。电子显微镜观察→许多相互平行的更细的线条组成的一个滑移带。如图4-2所示。滑移带中的细线条称为滑移线。滑移线是晶体两部分沿某一晶面产生了相对滑移的痕迹。滑移量7～120nm/滑移线，滑移线之间的间距为5～50nm。产生滑移的晶面称为滑移面，由射线结构分析表明，滑移面两侧的晶体结构类型并未发生改变。晶格的空间位向大致相同，这种塑性变形称为滑移变形。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形二．单晶体的塑性变形1、滑移变形（1）滑移的显微观察第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形二．单晶体的塑性变形1、滑移变形（2）滑移的作用力在任一晶面上，外力可分解为垂直于晶面的正应力σN和平行于晶面的切应力στ。正应力σN：使晶体发生弹性变形，当大于原子结合力时，则晶体发生断裂。切应力στ：使晶体发生弹性剪切变形，当大于临界切应力τk时，即发生滑移变形。滑移只与στ有关，与σN无关。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形二．单晶体的塑性变形1、滑移变形（3）滑移面、滑移方向及滑移系滑移面与滑移方向：发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。滑移系：一个滑移面与其上一个滑移方向组成一个滑移系。一个滑移系表明晶体的一个滑移空间位向。密排六方结构：如Mg、Zn有3个滑移系1×3（面×方向）；体心立方结构：如Fe、Cr、W有12个滑移系6×2；面心立方结构：如Ni、Cu、Al有12个滑移系4×3。为什么滑移在原子最密排的晶面与晶向上进行？滑移面：原子最密排的晶面间距离最大，结合力就小，滑移易于发生。滑移方向：原子最密排的晶向上原子间距较小，在此晶向上滑移一个原子间距所需的滑移功最小。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形二．单晶体的塑性变形1、滑移变形（3）滑移面、滑移方向及滑移系第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形二．单晶体的塑性变形1、滑移变形（4）滑移的位错机制

►按刚性滑移模型计算的临界分切应力比实测值大1000倍。说明刚性滑移模型是不正确的。►塑性变形依靠晶体整体滑移非常困难，因为需要滑移面两侧晶体的原子间键合几乎同时全部断开。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形二．单晶体的塑性变形1、滑移变形（4）滑移的位错机制►位错原理：即滑移的过程中滑移面上的原子不是整体作相对滑移，而是在切应力作用下，位错沿滑移方向逐次进行一个原子间距的滑移，当一个位错运动到晶体表面时，即形成一个原子间距的滑移量。如图4-6所示。根据位错移动模型计算的临界分切应力与实测值基本上吻合。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形二．单晶体的塑性变形2.滑移变形的特征（1）滑移是位错的连续运动所致；（2）存在滑移临界分切应力，不同晶体结构临界分切应力不同；（3）原子移动距离是晶格常数的整数倍，滑移后仍保持晶体结构的完整性；（4）滑移发生在晶体的密排面和密排晶向上；（5）不同晶体结构的滑移系不同，滑移系越多，越容易塑性变形，相同滑移系条件下，滑移方向越多，越容易塑性变形。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形二．单晶体的塑性变形3．孪生变形①孪生变形是金属塑性变形的另一种形式。②孪生变形产生的条件：孪生的临界分切应力要比滑移大得多。故只有在金属滑移受到限制时才产生孪生。③孪生的概念：晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面与一定的晶向进行剪切变形。变形的结果，使变形部分与未变形部分的晶格位向沿孪生面形成镜面对称，好象孪生兄弟一样，故这种变形称为孪生。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形二．单晶体的塑性变形2．孪生变形

►发生剪切变形的那部分晶体称为孪生带，简称孪生。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形二．单晶体的塑性变形2．孪生变形

孪晶的晶格类型没有改变，但它的晶格位向改变了。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形三、多晶体的塑性变形

►多晶体的塑性变形方式主要是：滑移与孪生，但同时也要考虑晶界与

晶粒位向的影响。1、晶界的作用晶界可以阻碍位错的通过和移动，使晶体具有较高的屈服强度。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形三、多晶体的塑性变形2、晶粒位向差的影响（1）晶粒位向多晶体中，有的晶粒滑移系处于有利于滑移的软位向。有的晶粒滑移系处于不利于滑移的硬位向。当软位向晶粒滑移时，必然会受到硬位向晶粒的阻碍，使滑移力增加。故同一金属，多晶体强度比单晶体强度要高。（2）晶粒大小在一定体积条件下：①晶粒越小，软位向的晶粒数量就越多，变形可分散在许多晶粒内进行，因此变形比较均匀，可以避免应力集中。②晶粒越细，强度越高，塑性越好。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形四、塑性变形对金属组织和性能的影响1、塑性变形对金属结构和组织的影响（1）显微组织的变化①晶粒内的滑移带：②纤维组织：（2）亚结构的细化在铸态金属结构中的亚结构（晶粒边长约10-2cm），塑性变形后将细化至

10-4～10-6cm，这种细化后的亚晶粒称为“形变胞”。变形越大，胞的数量越多。胞周围晶格严重畸变，聚集了大量位错，胞内晶格完整。变形亚结构示意图1-晶格较完整的亚晶块；2-严重畸变区第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形四、塑性变形对金属组织和性能的影响1、塑性变形对金属结构和组织的影响（3）变形织构的形成：

变形前，晶粒位向随机分布，变形量>70%，金属的晶粒位向会大致趋于一致，即形成变形织构。产生各向异性。丝织构示意图板织构示意图第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形四、塑性变形对金属组织和性能的影响1、塑性变形对金属结构和组织的影响（3）变形织构的形成织构的形成→明显的各向异性→对材料加工成型性和使用性能产生影响。织构一旦形成就很难消除生产中为避免形成织构，大变形量零件可分成几次变形工序来完成，并在变形工序间进行退火，即可消除织构的产生。经5%冷变形的纯铝中的位错网络各向异性导致的“制耳”第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形四、塑性变形对金属组织和性能的影响2、残余内应力与晶格畸变（1）宏观内应力（第一类内应力）变形较大部分受压应力，变形较小部分受拉应力。

第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形四、塑性变形对金属组织和性能的影响2、残余内应力与晶格畸变（2）微观内应力（第二类内应力）

晶粒或亚晶粒之间由于变形不均而引起的残余应力。（3）晶格畸变力（第三类内应力）塑性变形时，晶粒内部产生大量位错、空位等缺陷，使部分原子偏离平衡位置。产生晶格畸变而引起内应力。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形四、塑性变形对金属组织和性能的影响3、塑性变形对性能的影响（1）性能的变化随变形量的增加，强度和硬度增加，塑性和韧性减小，此种现象即为加工硬化或冷作硬化。加工硬化是强化金属的一种重要工艺方法。特别是对用热处理方法不能强化的材料，如工业纯铜、黄铜、奥氏体不锈钢等。（2）产生加工硬化的原因随变形量的增加，两组或多组的滑移系开始滑移，位错就会产生交割，使位错移动受到牵制和阻碍，使变形抗力增加，产生加工硬化。另一方面，晶粒破碎，形成胞状亚结构，胞的周围为聚集着大量位错的缠绕区，阻碍位错移动，使变形抗力增加。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.1金属的塑性变形四、塑性变形对金属组织和性能的影响典型塑性加工工艺示意图第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.2回复与再结晶

塑性变形后，晶体内存在严重晶格畸变，原子处于不稳定状态，有向稳定状态转变的趋势。按加热温度不同，将变化过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.2回复与再结晶回复、再结晶和晶粒长大三个阶段与性能的关系。不同加热温度对变形金属组织与性能的影响第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.2回复与再结晶一、回复①T回＝（0.25～0.3）T熔

K②组织与性能加热温度不高时，组织没有明显的变化。随加热温度升高，点缺陷的密度降低，电阻率明显下降；晶体的畸变能下降，内应力有明显下降；金属的机械性能基本没有变化，即强度、硬度下降很少，塑性提高不多。但抗腐蚀性有所提高。晶粒内分散杂乱的位错会按照某种规律进行规则排列（攀移、滑移和多边化），见下图。③生产应用：去应力退火。◐冷拉钢丝绕制的弹簧，绕成后在280～300℃进行去应力退火。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.2回复与再结晶一、回复第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.2回复与再结晶二、再结晶①再结晶温度

纯金属：T结＝（0.35～0.4）T熔

K

变形量在70%以上，保温一小时以内，能完成再结晶（已再结晶的体积＞95%）的最低温度，作为金属的再结晶温度。②组织与性能金属的变形组织（如拉长的晶粒等）完全消失，形成了无晶格畸变的等轴细晶粒；金属的强度、硬度显著下降，塑性显著提高；再结晶有形核与长大的两个结晶过程。①当变形量较小时，一般在原晶界的某些部位形核；②当变形量较大时（如＞20%），一般由两个相邻的回复亚晶粒合并而形核。见下图。再结晶前和后，金属的晶格类型没有改变，故再结晶不是一种相变。③生产应用：再结晶退火。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.2回复与再结晶二、再结晶第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.2回复与再结晶三、晶粒长大再结晶后的金属具有细小而均匀的晶粒，再结晶后如继续升温或延长时间，晶粒将会长大。晶粒长大，金属的机械性能下降，一般不希望晶粒长大。（1）影响晶粒长大的因素

1)加热温度与晶粒尺寸的关系退火温度与晶粒尺寸的关系第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.2回复与再结晶三、晶粒长大2)变形度临界变形度变形度达2～10%时，再结晶后晶粒变得十分粗大，这个变形度叫临界变形度。原因：在临界变形度时，只有部分晶粒变形，变形不均匀，退火时，只在少数产生塑性变形的部位形核，长大是吞并周围晶粒，形成十分粗大的晶粒，故冷变形时应避开临界变形度。变形度大于临界变形度时，随变形度增加，晶粒逐渐变小。变形度与结晶后晶粒大小的关系第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.2回复与再结晶三、晶粒长大2)变形度低碳钢冷塑性变形后的显微组织(a)冷变形量30%(b)冷变形量50%第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影响

5.3超塑性成形

1、超塑性成形的定义

许多金属或合金，在一定温度和应变速度等条件下，可以获得极大的均匀变形量（可达100%），材料的这种行为，称为超塑性。2、具有超塑性的条件

►极细小的晶粒

晶粒直径应小于0.005mm（5um）必须在高温变形，变形温度一般约为：（0.5～0.65）T熔点(为绝对温度)►很低的应变速率3、超塑性的机制

►

机制很复杂。简单可理解为：不只是靠滑移，而是靠滑移和转动产生超塑性。第五章

塑性应变和温度对金属结构与性能的影