机械工程材料课件 学习情境四  金属的塑性变形与再结晶

学习情境四 金属的塑性变形与再结晶二、认知塑性变形对金属组织和性能的影响一、认知金属的塑性变形四、认知金属的热加工三、认知回复与再结晶单晶体金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生，其中滑移是最主要的变形方式。一、单晶体的塑性变形滑移变形有如下特点：（1）滑移只能在切应力作用下发生。（2）滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。一、单晶体的塑性变形滑移变形有如下特点：（3）滑移的距离为滑移方向上原子间距的整数倍。（4）滑移的同时伴随着晶体的转动。（5）滑移是由于滑移面上的位错运动而产生的。一、单晶体的塑性变形孪生和滑移的主要区别如下：（1）孪生变形使孪晶内晶体发生均匀的切变，并改变其位向；而滑移变形是晶体中两部分晶体发生滑动，并不发生晶体位向的变化。（2）孪生时孪晶带内原子沿孪生方向的位移都是原子间距的分数倍，而且相邻原子面原子的相对位移量小于一个原子间距，并与距孪晶面的距离成正比；而滑移时原子在滑移方向的相对位移是原子间距的整数倍。一、单晶体的塑性变形孪生和滑移的主要区别如下：（3）在晶体滑移和孪生变形的比较中可了解到，孪生变形区域包含许多原子面，即变形区内有许多原子在同时移动；而滑移变形是在滑移面一层原子面上移动，且又是逐步滑移的。当然，孪生变形所需的切应力比滑移变形大得多，因此，一般在不易滑移的条件下产生孪生变形。例如在面心立方晶体中不易产生孪生，而在密排六方晶体中则易产生孪生一、单晶体的塑性变形1.晶界和晶粒位向的影响晶界附近是两晶粒晶格位向过渡的地方。在这里，原子排列紊乱，而且该区域杂质原子较多，增大了其晶格的畸变，因而位错运动在该处受到的阻力较大，使之难以发生变形，即具有较高的塑性变形抗力。此外，各晶粒晶格位向不同也会增大其滑移的抗力，这是因为其中任一晶粒的滑移都必然会受到它周围不同位向晶粒的约束和阻碍，各晶粒必须相互协调，才能发生塑性变形。多晶体的滑移必须克服较大的阻力，因而使多晶体材料的强度增高。二、多晶体的塑性变形2.多晶体的塑性变形过程在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向不同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，因此在外力作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上受到的分切应力也不同。而在拉伸试验时，试样中的分切应力在与外力呈45°的方向上最大，在与外力相平行或垂直的方向上最小。二、多晶体的塑性变形3.晶粒大小对金属力学性能的影响由于晶界和晶粒间的位向差会提高变形抗力，所以金属晶粒越细小，晶界面积越大，每个晶粒周围具有不同位向的晶粒数目也越多，其塑性变形的抗力（即强度、硬度）就越高。细晶粒金属不仅强度、硬度高，而且塑性、韧性也好。二、多晶体的塑性变形一、塑性变形对组织结构的影响在外力的作用下，随着外形的变化，金属内部组织也要发生如下变化：（1）晶粒形状的变化。“纤维组织”。（2）亚结构的形成。亚晶粒（3）形变织构的产生。“织构”塑性变形对金属组织和性能的影响二、塑性变形对性能的影响1.对金属力学性能的影响在金属冷塑性变形过程中，随着内部组织的变化，其力学性能也将发生明显的变化。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性显著下降，这一现象称为加工硬化（形变强化）。塑性变形对金属组织和性能的影响二、塑性变形对性能的影响2.对金属的物理、化学性能的影响经冷塑性变形以后，金属的物理、化学性能也会发生明显的变化，如磁导率、电导率、电阻温度系数等下降，而磁矫顽力等增加。由于塑性变形提高了金属的内能，加速了金属中的扩散过程，提高了金属的化学活性，故金属的耐蚀性下降。塑性变形对金属组织和性能的影响二、塑性变形对性能的影响3.残余内应力金属塑性变形时，外力所做的功90%以上以热量的形式失散掉，只有不到10％的功转变为内应力残留于金属中。所谓内应力是指平衡于金属内部的应力。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。残余内应力还会使金属耐蚀性下降，引起加工、淬火过程中零件的变形和开裂，因此金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低残余内应力。塑性变形对金属组织和性能的影响一、回复加热温度较低时，变形金属中的一些点缺陷和位错，在某些晶内发生迁移变化的过程，称为回复。工程上所称的去应力退火，就是利用回复的原理，使冷加工的金属件在基本上保持加工硬化状态的条件下降低内应力，降低电阻，改善塑性和韧性。学习任务三认知回复与再结晶二、再结晶变形金属加热到较高温度时，原子具有较强的活动能力，有可能在破碎的亚晶界处重新形核和长大，使原来破碎拉长的晶粒变成新的、内部缺陷较少的等轴晶粒。这一过程，使晶粒的外形发生了变化，而晶格的类型无任何改变，故称为“再结晶”。学习任务三认知回复与再结晶三、晶粒长大由再结晶后得到的细的无畸变等轴晶粒，在温度继续升高或保温时，会相互吞并长大。这个过程是总界面能减小的过程，故也称自发过程。晶粒的长大，实质上是晶粒的边界，从一个晶粒向另一个晶粒中迁移，并将另一晶粒的晶格位向逐渐变成与这个晶粒相同的位向，则另一个晶粒似乎被这个晶粒“吞并”为一个大晶粒。学习任务三认知回复与再结晶四、金属再结晶温度变形金属开始进行再结晶的最低温度称为金属的再结晶温度。应该指出，在金属再结晶时，新旧晶粒的结构（晶格类型）和成分完全相同，所以再结晶不是相变过程，没有恒定的转变温度，而是随着温度的升高从某一温度开始，逐渐形核和长大的连续过程。再结晶过程的驱动力主要是变形晶粒的畸变能，它的发展必须通过金属内部的原子扩散，因而再结晶过程能否进行主要取决于晶粒畸变能的高低和原子扩散的能力。影响再结晶温度的因素如下：（1）预先的变形程度。（2）原始晶粒大小。（3）金属的纯度及成分。（4）加热速度和保温时间。学习任务三认知回复与再结晶一、热加工与冷加工的区别 由于金属在高温下强度、硬度低，而塑性、韧性高，在高温下对金属进行加工变形比在较低温度下容易，因此，生产上便有冷、热加工之分。从金属学的观点来看，热加工与冷加工的区别是以金属材料的再结晶温度为分界。凡是在材料再结晶温度以上所进行的塑性变形加工称为热加工；而在材料再结晶温度以下所进行的塑性变形加工称为冷加工。学习任务四认知金属的热加工