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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),工程材料,王金星,材料科學(xué)與工程學(xué)院,郵箱：,電話：,Engineering Materials,第五章,金屬的塑性變形與再結(jié)晶,第五章金屬的塑性變形與再結(jié)晶,兩個(gè)方面的問(wèn)題,塑性變形,各種壓力加工，如軋制、鍛造、擠壓、拉拔、沖壓等，均能使金屬發(fā)生塑性變形。,一般來(lái)說(shuō)，金屬在常溫下發(fā)生的塑性變形是冷塑性變形。,金屬發(fā)生冷塑性變形后，其內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)和性能均將發(fā)生變化，宏觀性能表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度、電阻率升高，塑性和韌性、耐腐蝕性降低。,回復(fù)與再結(jié)晶,經(jīng)過(guò)冷塑性變形的金屬被重新加熱后，其內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)和性能又將發(fā)

2、生變化，宏觀性能表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度降低，塑性和韌性升高。,金屬的塑性變形是怎么回事？,塑性變形后，對(duì)組織和性能有什么影響？,如果重新加熱，組織和性能有什么變化？,問(wèn) 題,先學(xué)習(xí)單晶體的塑性變形是怎樣的？,多晶體？合金？,金屬的塑性變形是怎么回事？,未變形,滑移,孿生,5.1金屬的塑性變形,一、單晶體金屬的塑性變形,滑移,：,在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。,孿生,：,在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生對(duì)稱切變的現(xiàn)象。,兩種方式：,1、滑移變形的特點(diǎn),滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生,產(chǎn)生滑移所需的最小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)

3、力。,5.1金屬的塑性變形,鋅單晶體拉伸試驗(yàn)示意圖,重要現(xiàn)象：,當(dāng)外力與滑移所發(fā)生的晶面之間呈45,時(shí)，臨界切應(yīng)力最小，即當(dāng)單晶體在外力作用下，呈,45,角的晶面最容易產(chǎn)生滑移。,滑移沿原子密度最大的晶面和原子密度最大的晶向發(fā)生,滑移面,滑移方向,滑移系,體心立方晶格（bcc),面心立方晶格(fcc),密排六方晶格(hcp),110,111,5.1金屬的塑性變形,重要結(jié)論：,滑移系越多，則金屬發(fā)生滑移的可能性越大，該金屬的塑性也越好。,滑移的結(jié)果會(huì)在金屬表面造成臺(tái)階。,5.1金屬的塑性變形,滑移時(shí)兩部分晶體的相對(duì)位移是原子間距的整數(shù)倍,滑移帶和滑移線,滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng),單晶體拉伸變形

4、過(guò)程,a,)原試樣；,b,)自由滑移變形；,c,)受夾頭限制時(shí)的變形,5.1金屬的塑性變形,2、滑移的機(jī)理,滑移是通過(guò)位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。,當(dāng)位錯(cuò)線掃過(guò)滑移面到達(dá)金屬表面時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)原子間距的滑移量，同一滑移面上若有大量位錯(cuò)移出，則會(huì)在金屬表面形成一條滑移線。,重要結(jié)論：,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)越困難，則金屬的強(qiáng)度越高；反之則強(qiáng)度越低，塑性越好。,5.1金屬的塑性變形,晶體通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而造成滑移,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng).swf,位錯(cuò)3D運(yùn)動(dòng).swf,5.1金屬的塑性變形,二、多晶體金屬的塑性變形,多晶體金屬發(fā)生塑性變形的方式仍然是滑移或?qū)\生。,（一）晶界和晶粒位向?qū)Χ嗑w塑性變形的影響,晶界的存在和每個(gè)晶粒間存

5、在的位向差將導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度提高。,（原子紊亂）（易變形位向不同）,位錯(cuò)的塞積,5.1金屬的塑性變形,（二）晶粒大小對(duì)多晶體金屬力學(xué)性能的影響,1、對(duì)硬度和強(qiáng)度的影響,晶粒越小，則晶界越多，金屬的強(qiáng)度和硬度越高；晶粒越小，則晶粒越多，位向差越顯著，每個(gè)晶粒變形時(shí)受到的約束也越大，金屬的強(qiáng)度和硬度越高。,因此，多晶體金屬的晶粒越細(xì)小，則強(qiáng)度和硬度越高。,2、對(duì)塑性和韌性的影響,晶粒越小，則晶粒越多，同時(shí)參與變形的晶粒也越多，變形越均勻，不易造成局部應(yīng)力集中，可推遲裂紋的形成和擴(kuò)展，使金屬能夠發(fā)生很大的塑性變形而不斷裂。同時(shí)，要使金屬斷裂則需要更大的能量。,因此，多晶體金屬的晶粒越細(xì)小，則塑性和韌性

6、越好。,細(xì)晶強(qiáng)化：,通過(guò)細(xì)化多晶體金屬的晶粒，以同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度和硬度、塑性和韌性的方法。,5.1金屬的塑性變形,三、合金的塑性變形,（一）單相固溶體合金的塑性變形,固溶體中存在溶質(zhì)原子，造成晶格畸變，從而對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有阻礙作用，使合金的強(qiáng)度和硬度升高。,溶質(zhì)原子在位錯(cuò)線上的偏聚，會(huì)對(duì)位錯(cuò)起“釘扎”作用，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，也使合金的強(qiáng)度和硬度升高。,固溶強(qiáng)化：,通過(guò)在金屬中溶入某種溶質(zhì)元素，從而形成固溶體而使合金的強(qiáng)度和硬度提高的方法。,5.1金屬的塑性變形,（二）多相合金的塑性變形,多相合金的組織中通常有兩類不同的相，一是連續(xù)分布的基體相，二是以一定的形狀和數(shù)量分布在基體相中的分散相（又稱為

7、第二相）。,分散相的性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量及分布對(duì)多相合金的塑性變形和力學(xué)性能有很大的影響。,1、第二相以網(wǎng)狀分布在晶界上,降低強(qiáng)度和韌性。,如過(guò)共析鋼平衡組織中的Fe,3,C,。,2、第二相以片狀分布在基體相中,提高強(qiáng)度和硬度，降低塑性和韌性。,如共析鋼平衡組織中的Fe,3,C,。,3、第二相以顆粒狀分布在基體相中,顯著提高強(qiáng)度和硬度，略降低塑性和韌性。,如粒狀珠光體中的,Fe,3,C,。,彌散強(qiáng)化：,第二相以細(xì)小的顆粒形狀，均勻彌散地分布在基體相中，以,顯著提高合金強(qiáng)度和硬度的,方法。又稱為分散強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化。,黃銅中圍繞著,Al,2,O,3,顆粒的位錯(cuò)環(huán),Al,2,O,3,位

8、錯(cuò)環(huán),位錯(cuò)線,5.1金屬的塑性變形,位錯(cuò)線切過(guò)留下的痕跡,Ni,3,Al粒子,在NiCrAl合金中位錯(cuò)切過(guò)Ni,3,Al粒子,金屬塑性變形后，對(duì)組織和性能有什么影響？,一、塑性變形對(duì)金屬組織影響,1、晶粒形狀發(fā)生變化,等軸狀,晶粒伸長(zhǎng),纖維狀,2、晶粒破碎成亞晶粒,隨著變形量的增加，位錯(cuò)密度不斷升高，晶粒內(nèi)形成許多亞晶粒。,3、產(chǎn)生形變織構(gòu),由于塑性變形使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織，稱為形變織構(gòu)。,5.2塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響,晶粒拉長(zhǎng).swf,性能各向異性,5.2塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響,深沖件的制耳,5.2塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響,二、塑性變形對(duì)金屬性能的影響,1、產(chǎn)生加工

9、硬化,加工硬化（形變強(qiáng)化）：,隨著變形量的增加，金屬?gòu)?qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象。,5.2塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響,在拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)入屈服階段后卸載，再次拉伸時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？原因是？,思考,A,A,B,C,D,E,p,e,s,b,E,低碳鋼的,曲線,O,殘余內(nèi)應(yīng)力的危害：,引起壓力加工、熱處理過(guò)程中零件的變形和開(kāi)裂。,降低金屬的強(qiáng)度（第一、二類內(nèi)應(yīng)力）。,降低金屬的耐腐蝕性。,5.2塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響,2、產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力,宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）：,平衡于金屬表層與心部之間的內(nèi)應(yīng)力。,產(chǎn)生原因：,表層與心部變形不一致。,微觀內(nèi)應(yīng)力（第二類內(nèi)應(yīng)力）：,平衡于晶粒之間或晶

10、粒內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力。,產(chǎn)生原因：,晶粒之間的變形不均勻。,點(diǎn)陣畸變（第三類內(nèi)應(yīng)力）：,存在于晶體缺陷中的內(nèi)應(yīng)力。(占90%以上),產(chǎn)生原因：,晶體缺陷增加引起畸變?cè)龃蟆?殘余內(nèi)應(yīng)力的消除：,去應(yīng)力退火或低溫回火。,如果重新加熱，組織和性能有什么變化？,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,冷變形金屬在不同加熱溫度時(shí),組織和性能的變化,三、變形金屬在加熱過(guò)程中組織和性能的變化：回復(fù)+再結(jié)晶,（一）回復(fù),冷變形金屬在較低溫度加熱時(shí)，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過(guò)程稱為回復(fù)。,1、組織、結(jié)構(gòu)方面,顯微組織沒(méi)有明顯變化。,亞結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，表現(xiàn)為晶體缺陷數(shù)量有所減少。,空位與間隙原子的合并、同

11、一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)相互抵消。,2、性能方面,力學(xué)性能沒(méi)有明顯變化。,強(qiáng)度和硬度略有下降，塑性和韌性略有升高。,內(nèi)應(yīng)力和電阻率明顯降低。,3、工業(yè)應(yīng)用去應(yīng)力退火,將已經(jīng)加工硬化的金屬在較低的溫度下加熱，使其內(nèi)應(yīng)力基本消除，同時(shí)保持加工硬化的工藝方法。,舉例：,冷卷彈簧制品，在成型后進(jìn)行一次250,300,C的低溫加熱，充分消除殘余內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，改善性能。,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,（二）再結(jié)晶,冷變形金屬在加熱到一定溫度后，在已變形組織中重新產(chǎn)生無(wú)畸變的新晶粒，性能發(fā)生明顯的變化，并恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)的過(guò)程稱為再結(jié)晶。,1、組織、結(jié)構(gòu)方面,變形的晶粒完全恢復(fù)為等軸狀晶粒。,晶體缺陷數(shù)量明顯減少。

12、,2、性能方面,強(qiáng)度和硬度顯著下降，塑性和韌性顯著升高。,冷變形時(shí)的加工硬化現(xiàn)象完全消失。,內(nèi)應(yīng)力也基本被消除。,3、工業(yè)應(yīng)用再結(jié)晶退火,將已經(jīng)加工硬化的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，使其發(fā)生再結(jié)晶，以消除加工理化的工藝方法。,舉例：,冷拉鋼絲時(shí)，每拉拔一次，中間均進(jìn)行再結(jié)晶退火，消除加工硬化，以便于下一次拉拔。,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,4、再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力,再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自冷變形所產(chǎn)生的儲(chǔ)存能。,再結(jié)晶過(guò)程也是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程。在溫度作用下，再結(jié)晶的核心（晶核）在變形造成的最大畸變處形成，隨后進(jìn)一步長(zhǎng)大，最終全面替換畸變的晶粒，金屬組織重新恢復(fù)成無(wú)畸變的等軸晶。,5、再結(jié)晶溫度,冷變形金屬發(fā)生再

13、結(jié)晶的最低溫度。,再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過(guò)程，沒(méi)有恒定的轉(zhuǎn)變溫度。因此，再結(jié)晶溫度的意義是開(kāi)始發(fā)生再結(jié)晶的溫度，即在畸變的晶粒中產(chǎn)生無(wú)畸變等軸晶粒的最低溫度。,6、再結(jié)晶與重結(jié)晶（相變）的區(qū)別,本質(zhì)區(qū)別在于是否發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的變化。,再結(jié)晶過(guò)程沒(méi)有，重結(jié)晶（相變）過(guò)程有。,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,純金屬的再結(jié)晶溫度：,T,再,0.4,T,m,，,單位為K,（三）晶粒長(zhǎng)大,冷變形金屬在再結(jié)晶結(jié)束后，繼續(xù)升高溫度或保溫，晶粒就會(huì)不斷長(zhǎng)大，這一過(guò)程即稱為晶粒長(zhǎng)大。,晶粒長(zhǎng)大的類型,正常長(zhǎng)大,隨溫度升高或保溫時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒均勻連續(xù)地長(zhǎng)大。,反常長(zhǎng)大（二次,再結(jié)晶）,晶粒不均勻不連續(xù)地迅速長(zhǎng)大。,四、影

14、響再結(jié)晶后晶粒度的因素,1、加熱溫度和保溫時(shí)間,加熱溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒越粗大。,其中溫度的影響尤其顯著。,2、變形程度,變形量較小,不發(fā)生再結(jié)晶，晶粒保持原狀、大小。,變形量達(dá)到,2,10%,再結(jié)晶后的晶粒異常粗大。,2,10%的變形量稱為臨界變形度。,變形量超過(guò)臨界變形度,隨變形程度的增加，晶粒細(xì)小而均勻。,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,加熱溫度對(duì)晶粒度的影響,5.3回復(fù)與再結(jié)晶,預(yù)先變形程度對(duì)晶粒度的影響,如果在T,再,以上溫度進(jìn)行變形，將發(fā)生什么？,一、熱加工與冷加工,熱加工：,指在再結(jié)晶溫度以上的加工過(guò)程。,冷加工：,指在再結(jié)晶溫度以下的加工過(guò)程。,二、動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)

15、態(tài)再結(jié)晶,金屬在熱加工時(shí)，溫度在,T,再,之上，因此金屬內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行著加工硬化與回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個(gè)相反的過(guò)程，即回復(fù)和再結(jié)晶是邊加工邊發(fā)生的，此即動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。,三、熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響,1、改善鑄錠組織,使氣孔和裂紋焊合，增大材料的致密性。,改善夾雜物與脆性相的形態(tài)、大小和分布。,部分消除枝晶偏析。,破碎粗大晶粒而使晶粒細(xì)化。,5.4金屬的熱加工,思考：,純鉛：,T,m=327,純鎢：,T,m=3407,2、產(chǎn)生熱加工流線,組織中的夾雜物及偏析沿變形方向伸長(zhǎng)，在宏觀上變成一條條細(xì)線，即流線。,由一條條流線溝劃出來(lái)的組織稱為纖維組織。,出現(xiàn)纖維組織，會(huì)使金屬產(chǎn)生各向異性。順纖維

16、方向具有較高的力學(xué)性能，垂直于流線方向的性能則較低。,3、產(chǎn)生帶狀組織,合金中的各個(gè)相在熱加工時(shí)沿著變形方向交替地呈帶狀分布的組織稱為帶狀組織。,舉例：,亞共析鋼在熱軋后，其中的珠光體和鐵素體常沿軋向呈帶狀或?qū)訝罘植?，即形成帶狀組織。,出現(xiàn)帶狀組織，會(huì)使材料的力學(xué)性能產(chǎn)生方向性，特別是橫向塑性和韌性明顯下降。,5.4金屬的熱加工,5.4金屬的熱加工,曲軸中的流線分布,a)鍛造變形；b)切削加工,5.4金屬的熱加工,低碳鋼中的帶狀組織,F,P,本章小結(jié),塑性變形機(jī)理：,塑性變形滑移位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),多晶體：也是滑移，只是多了,晶界,和,晶粒位向,的影響,合金：也是滑移，只是多了,固溶,和,第二相,的影響,塑性變形對(duì)組織和性能均有影響,加熱：,回復(fù)+再結(jié)晶,+晶粒長(zhǎng)大,T,再,0.4,T,m,熱加工和冷加工,強(qiáng)化思路：,細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化（彌散）、加工硬化,阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),提高點(diǎn)線面缺陷,阻礙塑性變形,5.4金屬的熱加工,第四次作業(yè)：,1.四種強(qiáng)化方式分別是什么,？分別敘述其強(qiáng)化的基本原理。,2、對(duì)純鉛在室溫下變形需不需中間退火？為什么？（已知純鉛的熔點(diǎn)為327）,