第三节+金属的塑性变形与再结晶课件.ppt
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- 三节 金属 塑性变形 再结晶 课件
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1、n金属的一项重要特性就是具有金属的一项重要特性就是具有塑性塑性,能够,能够在外力作用下进行在外力作用下进行塑性变形塑性变形。n利用其塑性,可对金属材料进行各种利用其塑性,可对金属材料进行各种压力压力加工加工(如轧制、锻造、挤压、拉丝、冲压(如轧制、锻造、挤压、拉丝、冲压等等),为金属件的成形提供经济而有效等等),为金属件的成形提供经济而有效的途径。的途径。n金属经压力加工变形后,不仅改变了其外金属经压力加工变形后,不仅改变了其外形和尺寸,还使其内部组织和有关性能发形和尺寸,还使其内部组织和有关性能发生变化。生变化。第三节第三节 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶韧性断口韧性断口脆性解
2、理断口脆性解理断口n 滑移滑移n滑移滑移是指晶体的一部分沿一定的晶是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。位移的现象。l塑性变形的形式:塑性变形的形式:滑移滑移和和孪生。孪生。一、单晶体金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形n单晶体受力后,外力单晶体受力后,外力在任何晶面上都可分在任何晶面上都可分解为解为正应力正应力和和切应力切应力。正应力正应力只能引起弹性只能引起弹性变形及解理断裂。变形及解理断裂。只只有在有在切应力切应力的作用下的作用下金属晶体才能产生塑金属晶体才能产生塑性变形。性变形。外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切应力作用
3、下的变形切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片n1、滑移变形的特点、滑移变形的特点:n 滑移只能在切应力的作滑移只能在切应力的作用下发生。用下发生。产生滑移的最产生滑移的最小切应力称小切应力称临界切应力临界切应力.n 滑移常沿晶体中原滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和子密度最大的晶面和晶向发生。晶向发生。因原子密因原子密度最大的晶面和晶向度最大的晶面和晶向之间原子间距最大,之间原子间距最大,结合力最弱,产生滑结合力最弱,产生滑移所需切应力最小。移所需切应力最小。l沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面滑移面和和滑移滑移方向方向。通常是晶体中的密排面和
4、密排方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。n一个滑移一个滑移面和其上面和其上的一个滑的一个滑移方向构移方向构成一个成一个滑滑移系。移系。体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格110111110111晶格晶格滑移面滑移面滑移滑移方向方向滑移系滑移系三种典型金属晶格的滑移系三种典型金属晶格的滑移系n滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大,塑性也滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大,塑性也越好,其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大越好,其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。n因而金属的塑性,面心立方晶格好于体心立方晶格因而金属的塑性,面心立方晶格好于体心立方晶格,体心
5、立方晶格好于密排六方晶格。体心立方晶格好于密排六方晶格。n滑移时,晶体两部分的相滑移时,晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数对位移量是原子间距的整数倍倍.n滑移的结果在晶体表面形成滑移的结果在晶体表面形成台阶,称台阶,称滑移线滑移线,若干条滑,若干条滑移线组成一个移线组成一个滑移带滑移带。铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带n 滑移的同时伴随着晶体的转动滑移的同时伴随着晶体的转动n转动有两种:转动有两种:滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。滑移方向向最大切应力方向转动。切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动切应力作用下的变形和
6、滑移面向外力方向的转动韧性断口韧性断口多多 脚脚 虫虫 的的 爬爬 行行 把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值临界切应力值比实际测量临界切应力值大大3-4个数量级个数量级。滑移是通过滑移面上位滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。错的运动来实现的。滑移的机理滑移的机理l晶体通过位错运动产生滑移时,晶体通过位错运动产生滑移时,只在位错中心的少数原子发生移只在位错中心的少数原子发生移动,它们移动的距离远小于一个动,它们移动的距离远小于一个原子间距,因而所需临界切应力原子间距,因而所需临界切应力小,这种现象称作小,这种现象称作位错的易
7、动性位错的易动性。刃位错的运动刃位错的运动n 孪生孪生n孪生孪生是指晶体的一是指晶体的一部分沿一定晶面和部分沿一定晶面和晶向相对于另一部晶向相对于另一部分所发生的切变。分所发生的切变。n发生切变的部分称发生切变的部分称孪生带孪生带或或孪晶孪晶,沿其发生孪生的,沿其发生孪生的晶面称晶面称孪生面孪生面。n孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。孪晶组织孪晶组织孪生示意图孪生示意图n与滑移相比:与滑移相比:n孪生使晶格位向发生改变;孪生使晶格位向发生改变;n所需切应力比滑移大得多所需切应力比滑移大得多,变形速度极快变形速度极快,接近声速接近声速;n孪生时相邻原子
8、面的相对位移量小于一个原子间距孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.n密排六方晶格金属滑移系少,常以孪生方式变形密排六方晶格金属滑移系少,常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。孪生变形。面心立方晶格金属,一般不发生孪生变面心立方晶格金属,一般不发生孪生变形,但常发现有孪晶存在,这是由于相变过程中原形,但常发现有孪晶存在,这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的,称子重新排列时发生错排而产生的,称退火孪晶退火孪晶。奥氏体不锈钢中退火孪晶奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶钛合金六方相中的形变孪
9、晶三、多晶体金属的塑性变形三、多晶体金属的塑性变形n单个晶粒变形与单晶体相似单个晶粒变形与单晶体相似,多多晶体变形比单晶体复杂。晶体变形比单晶体复杂。n(一一)晶界及晶粒位向差的影响晶界及晶粒位向差的影响n1、晶界的影响、晶界的影响n当位错运动到晶界附近时,受当位错运动到晶界附近时,受到晶界的阻碍而堆积起来到晶界的阻碍而堆积起来,称称位位错的塞积错的塞积。要使变形继续进行。要使变形继续进行,则必须增加外力则必须增加外力,从而使金属的从而使金属的变形抗力提高。变形抗力提高。图图2-7 由两个晶粒所做成的试样由两个晶粒所做成的试样 图图2-8 锌的拉伸曲线锌的拉伸曲线 在拉伸时的变形在拉伸时的变形
10、 1-多晶试样多晶试样 2-单晶体单晶体晶界处的原子晶界处的原子:杂乱;晶格严重畸变;杂质原子比较集中:杂乱;晶格严重畸变;杂质原子比较集中增大了晶增大了晶格畸变格畸变滑移时位错运动的阻力滑移时位错运动的阻力(即塑性变形抗力即塑性变形抗力)增大增大变形难。变形难。图图5-9,拉伸时:拉伸时:晶界处塑性变形抗力大、变形小晶界处塑性变形抗力大、变形小形成了形成了“竹节竹节现象现象晶界对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积l当滑移面、滑移方向与外力方向都呈当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45角时,滑移角时,滑移 方向上切应力最方向上切应力最大,因而最
11、容易大,因而最容易发生滑移发生滑移.l滑移后滑移后,滑移面两滑移面两侧晶体的位向关侧晶体的位向关系未发生变化。系未发生变化。A0A1FFA0n2、晶粒位向的影响、晶粒位向的影响n拉伸时,在与外力成拉伸时,在与外力成45方向上的切应方向上的切应力最大,偏移该方向越远,则切应力越力最大,偏移该方向越远,则切应力越小小(与外力平行或垂直方向的切应力等与外力平行或垂直方向的切应力等于零于零)。n各个晶粒的位向是无序的,有的晶粒的各个晶粒的位向是无序的,有的晶粒的滑移面和滑移方向可能接近滑移面和滑移方向可能接近45方向方向(称称为软位向为软位向),有的晶粒的滑移面和滑移有的晶粒的滑移面和滑移方向可能偏离
12、方向可能偏离45方向方向(称为硬位向称为硬位向)。n处于软位向的晶粒先发生滑移变形,处于软位向的晶粒先发生滑移变形,而而处于硬位向的晶粒可能还只有弹性变形。处于硬位向的晶粒可能还只有弹性变形。图图2-10 多晶体金属不均匀塑性变多晶体金属不均匀塑性变形过程的示意图形过程的示意图n多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于于45的晶粒。的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度,加当塞积位错前端的应力达到一定程度,加上相邻晶粒的转动,使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移上相邻晶粒的转动,使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动,从而使滑
13、移由系上的位错开动,从而使滑移由一批晶粒传递到另一批一批晶粒传递到另一批晶粒,晶粒,当有大量晶粒发当有大量晶粒发生滑移后,金属便显示生滑移后,金属便显示出明显的塑性变形。出明显的塑性变形。多晶体中各晶多晶体中各晶粒位向的不同粒位向的不同其中任一晶粒的滑移都会受其中任一晶粒的滑移都会受到周围不同位向晶粒的约束和限制到周围不同位向晶粒的约束和限制滑移抗力滑移抗力 多晶体多晶体的塑性变形抗力总是高于单晶体。的塑性变形抗力总是高于单晶体。由于各相邻晶粒位向不同,由于各相邻晶粒位向不同,当一当一个晶粒发生塑性变形时,个晶粒发生塑性变形时,为了保为了保持金属的连续性,周围的晶粒若持金属的连续性,周围的晶粒
14、若不发生塑性变形,则必不发生塑性变形,则必以弹性变以弹性变形来与之协调形来与之协调。n晶粒间的位向不同晶粒间的位向不同塑性变形产生不均匀性。塑性变形产生不均匀性。(三)(三)晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响n1.金属的晶粒越细,其强度和硬度越高。金属的晶粒越细,其强度和硬度越高。n因为因为金属金属晶粒越晶粒越细,晶界总面积细,晶界总面积越大,位错障碍越大,位错障碍越多;需要协调越多;需要协调的具有不同位向的具有不同位向的晶粒越多,的晶粒越多,使使金属塑性变形的金属塑性变形的抗力越高。抗力越高。晶粒大小与金属强度关系晶粒大小与金属强度关系n2.金属的晶粒越细,其塑性和韧性
15、也越高。金属的晶粒越细,其塑性和韧性也越高。n因为因为晶粒越细,晶粒越细,单位体积内晶粒数目越多,单位体积内晶粒数目越多,参与变参与变形的晶粒数目也越形的晶粒数目也越多,变形越均匀,多,变形越均匀,使在断裂前发生较使在断裂前发生较大的塑性变形。大的塑性变形。强强度和塑性同时增加度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗金属在断裂前消耗的功也大,的功也大,因而其因而其韧性也比较好。韧性也比较好。应变应变应力应力塑性材料塑性材料脆性脆性材料材料通过通过压力加工和热处理压力加工和热处理细细化晶粒来同时提高金属的化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性强度、硬度、塑性和韧性的方法称的方法称细晶强化。细晶强
16、化。第二节第二节 塑性变形对组织和性能的影响塑性变形对组织和性能的影响 n一、塑性变形对组织结构的影响一、塑性变形对组织结构的影响 n金属发生塑性变形时,不仅外形发生变化,而且其金属发生塑性变形时,不仅外形发生变化,而且其内部的晶内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。粒也相应地被拉长或压扁。n(一一)晶粒形状的变化。晶粒形状的变化。塑性变形后晶粒的外形沿着变形方向塑性变形后晶粒的外形沿着变形方向被压扁或拉长,形成细条状或纤维状,晶界变得模糊不清,被压扁或拉长,形成细条状或纤维状,晶界变得模糊不清,且随变形量增大而加剧。且随变形量增大而加剧。(a)30压下量压下量 (b)55压下量压下量 (c)75压
17、下量压下量 图图5-12 纯铁经不同程度冷轧变形后的显微组织纯铁经不同程度冷轧变形后的显微组织(250)(二二)亚结构的形成。亚结构的形成。在未变形的晶粒内部存在着大量的在未变形的晶粒内部存在着大量的位错壁位错壁(亚晶亚晶界界)和位错网,和位错网,随着塑性变形的发生,即位错运动,在位错之间产随着塑性变形的发生,即位错运动,在位错之间产生一系列复杂的交互作用,使大量的位错在位错壁和位错网旁边造生一系列复杂的交互作用,使大量的位错在位错壁和位错网旁边造成堆积和相互纠缠,产生了成堆积和相互纠缠,产生了位错缠结现象。位错缠结现象。随着变形的增加,位错随着变形的增加,位错缠结现象的进一步发展,便会把各晶
18、粒破碎成为细碎的缠结现象的进一步发展,便会把各晶粒破碎成为细碎的亚晶粒。亚晶粒。变变形愈大,晶粒的碎细程度便愈大,亚晶界也愈多,位错密度显著增形愈大,晶粒的碎细程度便愈大,亚晶界也愈多,位错密度显著增加。同时,加。同时,细碎的亚晶粒也随着变形的方向被拉长。细碎的亚晶粒也随着变形的方向被拉长。工业纯铁在塑性变形前后的组织变化工业纯铁在塑性变形前后的组织变化5%冷变形纯铝中的位错网冷变形纯铝中的位错网(a)正火态正火态(c)变形变形80%(b)变形变形40%(三三)形变织构的产生。形变织构的产生。在在定向变形定向变形情况下,金属中的情况下,金属中的晶粒晶粒不仅被破碎拉长,不仅被破碎拉长,而且各而且
19、各晶粒的位向晶粒的位向也会朝着变形的方向也会朝着变形的方向逐步发生转动。当变形量达到一定值逐步发生转动。当变形量达到一定值(7090以上以上)时,时,金属中的每个晶粒的位向都趋于大体一致,这种现象称为金属中的每个晶粒的位向都趋于大体一致,这种现象称为“织构织构”现象,或称现象,或称“择优取向择优取向”。n由于晶粒的转动,当塑性变形达到一定程度时,会使绝大部分晶由于晶粒的转动,当塑性变形达到一定程度时,会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致,这种现象称粒的某一位向与变形方向趋于一致,这种现象称织构或择优取向。织构或择优取向。这种有序化的结构叫做这种有序化的结构叫做形变织构。形变织构。n形变
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