第4章 金属材料的塑性变形与再结晶.ppt

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1、第第4 4章章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶铸态组织不均匀，缺陷多，大多数随后都进行压力加工，如：铸态组织不均匀，缺陷多，大多数随后都进行压力加工，如：轧制轧制、锻造、挤压、锻造、挤压、拉拔拉拔、冲压冲压等。等。塑性变形可使材料成型，并改善金属材料的组织和性能。塑性变形可使材料成型，并改善金属材料的组织和性能。第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形1 1、弹性变形：、弹性变形：2 2、塑性变形：、塑性变形：3 3、断裂：、断裂：外力去处后能够恢复的变形，外力去处后能够恢复的变形，弹性极限弹性极限 e外力去处后不能恢复的变形，外力去处后不能恢复的变形，伸长率和断面收缩率伸长率

2、和断面收缩率应力继续增大，发生颈缩后断裂，应力继续增大，发生颈缩后断裂，抗拉强度抗拉强度 b，断口形貌断口形貌韧性断口韧性断口脆性断口脆性断口切应力作用下的变形切应力作用下的变形锌单晶拉伸照片锌单晶拉伸照片主要通过主要通过滑移滑移和和孪生孪生两种方式两种方式一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形在切应力作用下晶体的一部分相对于另在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿着一部分沿着一定晶面和晶向一定晶面和晶向发生相对移发生相对移动的过程。外力除去后不能恢复原状。动的过程。外力除去后不能恢复原状。2 2、滑移系、滑移系滑移所依赖的晶面称为滑移所依赖的晶面称为滑移面滑移面，沿着某，沿着某个滑移面

3、上的某个方向进行滑移称为个滑移面上的某个方向进行滑移称为滑滑移方向移方向。滑移面。滑移面+滑移方向滑移方向=滑移系滑移系1 1、滑移、滑移单晶体多晶体工业纯铁轻微变形后的表面工业纯铁轻微变形后的表面电子显微镜下的滑移带电子显微镜下的滑移带滑移观察滑移观察滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向通常是晶体中原子密度最大的面和方向。通常是晶体中原子密度最大的面和方向。原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。产生滑移所需切应力最小。为何为何?滑移系数目滑移系数目，材料塑性，材料塑性；滑移方向；滑移方向，材料塑性，材料

4、塑性。如。如FCCFCC和和BCCBCC的滑移系为的滑移系为1212个，个，HCPHCP为为3 3个，个，FCCFCC的滑移方向多于的滑移方向多于BCCBCC，金属塑性：如，金属塑性：如CuCu（FCCFCC）FeFe（BCCBCC）ZnZn（HCPHCP）110X6为何面心立方晶格（为何面心立方晶格（CuCu）的塑性比体心立方晶格（）的塑性比体心立方晶格（FeFe）好？）好？3 3、滑移的实现滑移的实现：借助于借助于位错运动位错运动多多 脚脚 虫虫 的的 爬爬 行行位错的易动性位错的易动性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动，晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少

5、数原子发生移动，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小。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小。二、多晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形回忆：回忆：何为多晶体？何为多晶体？观察：观察：晶界对位错运动的影响晶界对位错运动的影响微观与宏观结合微观与宏观结合组织与性能结合组织与性能结合结论：结论：1 1、晶界对位错运动产生、晶界对位错运动产生阻碍，金属进一步变形困阻碍，金属进一步变形困难，需要施加更大的外力，难，需要施加更大的外力，体现在强度硬度的提高。体现在强度硬度的提高。Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积2 2、各晶粒位向不同，滑移时收到周围晶粒

6、的约束和阻碍，需克服较大的外、各晶粒位向不同，滑移时收到周围晶粒的约束和阻碍，需克服较大的外力才能滑移，也体现在强度的提高。力才能滑移，也体现在强度的提高。3 3、细晶强化、细晶强化细晶粒强度硬度高，且各晶粒变形较均匀，断裂时需消耗更大的功，韧性也好。细晶粒强度硬度高，且各晶粒变形较均匀，断裂时需消耗更大的功，韧性也好。竹节现象竹节现象第二节第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响 金属发生塑性变形时，金属发生塑性变形时，晶粒沿着变形方向被拉长或压扁。晶粒沿着变形方向被拉长或压扁。当变形量当变形量很大时，晶粒将被拉长为很大时，晶粒将被拉长为纤维状条纹纤维状条纹，材料

7、的性能具有明显的方向，材料的性能具有明显的方向性，纵向的强度和硬度远大于横向。性，纵向的强度和硬度远大于横向。一、晶粒形状变化一、晶粒形状变化轧制过程轧制过程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(a)(a)常态常态(c)(c)变形变形80%80%(b)(b)变形变形40%40%二、产生加工硬化二、产生加工硬化随变形量增加，由于位错数目急剧增加，晶体的变形抗力明显升随变形量增加，由于位错数目急剧增加，晶体的变形抗力明显升高，使金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象高，使金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。优点：优点：提高强度、硬度，如：自行车链板，冲压多次

8、；钢丝拉拔提高强度、硬度，如：自行车链板，冲压多次；钢丝拉拔缺点：缺点：后续变形困难，需要加热软化（退火）后续变形困难，需要加热软化（退火）（视频视频）三、择优取向三、择优取向随变形度增大，大多数晶粒的位向沿变形方向转动并趋于一随变形度增大，大多数晶粒的位向沿变形方向转动并趋于一致，产生择优取向，称为织构致，产生择优取向，称为织构 。轧制铝板的轧制铝板的“制耳制耳”现象现象形变织构使金属呈现形变织构使金属呈现各向异性各向异性，深冲产，深冲产品的杯口部出现的波浪形的突起，它象品的杯口部出现的波浪形的突起，它象人的耳朵，故称人的耳朵，故称“制耳制耳”earingearing。四、残余内应力四、残余

9、内应力 由于材料在塑性变形时各部分之间变形不均匀导致的，会引起零件加由于材料在塑性变形时各部分之间变形不均匀导致的，会引起零件加工过程中的工过程中的变形和开裂变形和开裂，并使金属，并使金属耐蚀性下降耐蚀性下降。如如:黄铜弹壳的季裂；拉拔钢丝表面车削后易变形黄铜弹壳的季裂；拉拔钢丝表面车削后易变形第三节第三节 变形金属在加热时的变化变形金属在加热时的变化金属经冷变形后，金属经冷变形后，组织处于组织处于不稳定不稳定状态；但在常温下，原子状态；但在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散扩散能力小，不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生能力增加，金属

10、将依次发生回复回复、再结晶再结晶和和晶粒长大晶粒长大。是指在是指在加热温度较低加热温度较低时，由于原子运动促使材料回到稳定状态，内应时，由于原子运动促使材料回到稳定状态，内应力下降、力学性能无变化。力下降、力学性能无变化。一、一、回复回复1 1、利用回复现象将冷变形金属低温加、利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留加工硬化，热，既稳定组织又保留加工硬化，这种热处理方法称这种热处理方法称去应力退火去应力退火。避免黄铜弹壳发生避免黄铜弹壳发生“季裂季裂”，冲压，冲压后于后于260260去应力退火；去应力退火；2 2、回复的应用回复的应用：冷拉的钢丝卷制弹簧后，加热到冷拉的钢丝卷制弹簧后

11、，加热到250250300300低温退火、定形低温退火、定形;视频视频1 1、继续加热到较高温度时，变、继续加热到较高温度时，变形晶粒重新形核和长大，形成等形晶粒重新形核和长大，形成等轴晶粒的过程。轴晶粒的过程。铁素体变形铁素体变形80%670加热加热650加热加热二、再结晶二、再结晶（1 1）新旧晶粒晶体结构相同，材）新旧晶粒晶体结构相同，材料性质得到完全恢复。料性质得到完全恢复。（2 2）再结晶温度）再结晶温度纯金属的再结晶温度和熔点有关纯金属的再结晶温度和熔点有关“再结晶退火再结晶退火”消除加工硬化消除加工硬化（3 3）影响再结晶晶粒大小的因素）影响再结晶晶粒大小的因素 加热温度加热温度

12、越高，越高，保温时间保温时间越长，金属的越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。再结晶温度对晶粒度的影响580C580C保温保温8 8秒后的组织秒后的组织580C580C保温保温1515分后的组织分后的组织700C700C保温保温1010分后的组织分后的组织预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度对再结晶晶粒度的影响实际生产采用比最低再结晶温度高实际生产采用比最低再结晶温度高100200100200，控制晶粒大小。表，控制晶粒大小。表4-34-3三、晶粒长大三、晶粒长大 再结晶完成后，若继续再结晶完成后，若继续升高加热温升高加热温度度或或延长保温时间

13、延长保温时间，将发生晶粒长，将发生晶粒长大，力学性能变差。大，力学性能变差。变形变形80%变形变形80%400再结晶退火再结晶退火8小时小时变形变形80%400再结晶退火再结晶退火2小时小时变形变形35%35%后的晶粒后的晶粒 580580加热加热3 3秒后出现细小晶粒秒后出现细小晶粒580580加热加热4 4秒后再结晶晶粒增多秒后再结晶晶粒增多 580580加热加热8 8秒后全部再结晶晶粒秒后全部再结晶晶粒580580加热加热1515分钟后晶粒长大分钟后晶粒长大 700700加热加热1010分钟后晶粒粗大分钟后晶粒粗大再结晶刚刚完成后的晶粒是无畸变的等轴晶粒，如果继再结晶刚刚完成后的晶粒是无

14、畸变的等轴晶粒，如果继续升高温度或延长保温时间，晶粒之间就会通过晶界的续升高温度或延长保温时间，晶粒之间就会通过晶界的迁移、大晶粒吞并小晶粒而长大。迁移、大晶粒吞并小晶粒而长大。第四节第四节 金属的热加工金属的热加工1、在金属学中，冷热、在金属学中，冷热变形变形的界限是的界限是以以再结晶温度再结晶温度来划分的。来划分的。一、冷一、冷加工加工与热加工的区别与热加工的区别2 2、FeFe 的再结晶温度为的再结晶温度为450450，其在，其在400 400 以下的加工仍为冷加工。以下的加工仍为冷加工。3 3、热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵、热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软

15、化所抵消，因而消，因而热加工不会带来加工硬化效果热加工不会带来加工硬化效果。低于再结晶温度的加工称为低于再结晶温度的加工称为冷冷加工加工，高于再结晶温度的加工称为，高于再结晶温度的加工称为热热加工加工。WW的再结晶温度为的再结晶温度为12001200，则其在，则其在10001000的加工为冷加工。的加工为冷加工。SnSn 的再结晶温度为的再结晶温度为00，则其在室温下的加工为热加工。，则其在室温下的加工为热加工。金属的冷热加工金属的冷热加工模锻模锻镦镦粗粗轧制轧制正挤压正挤压反挤压反挤压拉拔拉拔冲压冲压二、热加工的优缺点（视频）二、热加工的优缺点（视频）优点：形成等轴晶粒，机械性能改善；减少缺

16、陷，使组织致密；优点：形成等轴晶粒，机械性能改善；减少缺陷，使组织致密；形成形成流线流线，它使钢产生各向异性，在制定加工工艺时，应使流，它使钢产生各向异性，在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与外形轮廓方向一致。线分布合理，尽量与外形轮廓方向一致。（a a）锻造曲轴）锻造曲轴 （b b）切削加工曲轴）切削加工曲轴缺点：缺点：带状组织带状组织1 1、高温脆性；、高温脆性；2 2、表面氧化；、表面氧化；3 3、尺寸控制；、尺寸控制；4 4、带状组织；、带状组织；避免在两相区变形，减少避免在两相区变形，减少杂质含量，可通过多次扩杂质含量，可通过多次扩散退火消除。散退火消除。正常组织正常组织、名词解释二、简答题1 1、单晶体金属塑性变形的主要方式和实质、单晶体金属塑性变形的主要方式和实质?回复回复 再结晶再结晶加工硬化加工硬化热加工热加工 冷加工冷加工2 2、为何面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性好？、为何面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性好？3 3、回复和再结晶对塑性变形后金属性能带来什么影响？、回复和再结晶对塑性变形后金属性能带来什么影响？4 4、钢经冷轧等冷加工后是否产生