221223金属的塑性变形与再结晶

工程材料与应用工程材料与应用机械工程学院机械工程学院 机制系机制系孙桂芳孙桂芳2011年年2月月2.2 金属的塑性变形与再结晶大多数工件在工作或加工过程中都要承受大多数工件在工作或加工过程中都要承受外力或负载的作用。在外力作用下，材料外力或负载的作用。在外力作用下，材料会产生弹性变形，塑性变形，甚至断裂。会产生弹性变形，塑性变形，甚至断裂。一般来说，金属材料具有良好的强度和塑一般来说，金属材料具有良好的强度和塑性，但耐腐蚀性较差。性，但耐腐蚀性较差。本节目的本节目的阐明金属塑性变形的主要特点及本质阐明金属塑性变形的主要特点及本质指出塑性变形对金属组织和性能的影响指出塑性变形对金属组织和性能的影响揭示加工硬化的本质揭示加工硬化的本质本节重点本节重点塑性变形的宏观变化规律与微观机制。塑性变形的宏观变化规律与微观机制。加工硬化的本质。加工硬化的本质。塑性变形对金属与合金组织、性能的影塑性变形对金属与合金组织、性能的影响。响。金属材料的强化机制。金属材料的强化机制。金属及合金变形的三个阶段金属及合金变形的三个阶段1.三个阶段：三个阶段：e:弹性变形阶段sb:（均匀）塑性变形阶段b:不均匀塑性变形阶段（断裂阶段）2.力性指标：力性指标：e 弹性极限s 屈服极限b 强度极限塑性变形阶段塑性变形阶段弹性变形阶段弹性变形阶段断裂分离阶断裂分离阶段段P26弹性模量与刚度P381 1 金属的塑性成形原理金属的塑性成形原理 各种压力加工方法，都是通过对金属材料施各种压力加工方法，都是通过对金属材料施加外力，使之产生塑性变形来实现的。单晶加外力，使之产生塑性变形来实现的。单晶体的塑性变形形式主要有滑移和孪晶两种。体的塑性变形形式主要有滑移和孪晶两种。第一章第一章 金属塑性成形工艺基础金属塑性成形工艺基础 一、金属塑性变形的实质一、金属塑性变形的实质1.1.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形1 1）滑移）滑移晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对滑动。2 2）孪晶）孪晶晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对转动。2.2.多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形多晶体塑性变形的实质：晶粒内部发生滑移和孪晶（为主）；同时晶粒之间发生滑移和转动（少量）。2.2.1、单晶体的塑性变形 滑移滑移 将一个表面抛光的单晶体金属试样经适当的塑性将一个表面抛光的单晶体金属试样经适当的塑性变形后，在金相显微镜下可以观察到，在抛光的表面变形后，在金相显微镜下可以观察到，在抛光的表面上有许多上有许多平行的细线，称为滑移带平行的细线，称为滑移带。在外力作用下，晶体相邻的两部分沿一定晶面、在外力作用下，晶体相邻的两部分沿一定晶面、一定晶向彼此产生的相对滑动，这种滑动叫做滑移。一定晶向彼此产生的相对滑动，这种滑动叫做滑移。滑移带滑移线滑移带形成的示意图 滑移特点滑移特点 发生在发生在最密排晶面最密排晶面，滑移方向为滑移方向为最密排晶向最密排晶向；只在切应力下发生，存在只在切应力下发生，存在临界分切应力临界分切应力弹弹性性伸伸长长断断裂裂弹性歪扭弹性歪扭塑性变形塑性变形（滑移滑移）F 滑移两部分相对移动的距离是原子间距滑移两部分相对移动的距离是原子间距的整数倍，滑移后滑移面两边的晶体位向的整数倍，滑移后滑移面两边的晶体位向仍保持一致仍保持一致；晶体在滑移时的转动 晶体的塑性变形是由于滑移面沿着滑移方向运动产生的，在滑移的同时，晶体也会发生转动，从而使晶体的空间取向发生了变化。如果晶体受拉伸产生滑移时，如果两端不受限制，在滑移过程中，为使滑移面和滑移方向保持不变，晶体轴线就会发生偏移。但是，拉伸时，在夹头的作用下，晶体轴线不能自由偏斜，这就迫使滑移面发生转动，使位向发生了改变。FFFF滑移方向S滑移方向S孪生孪生 在金属的塑性变形中，另一种较常见的形变方式为孪生，它常作为滑移不易进行时的补充。一些具有密排六方结构的金属，如镉、锌、镁、铍等，塑性变形常常部分的以孪生的方式进行；而铋、锑金属的塑性变形几乎完全以孪生的方式进行。对于有体心立方及面心立方结构的金属，当变形温度很低，形变速度极快，或由于其它原因使滑移过程难以进行时，也会通过孪生的方式进行塑性变形。孪生孪生就是在切应力作用下晶体的一部分就是在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面与晶向产生的一种均匀切相对于另一部分沿一定的晶面与晶向产生的一种均匀切变过程。在孪生变形中，已发生均匀切变的那部分晶体变过程。在孪生变形中，已发生均匀切变的那部分晶体称为称为孪晶孪晶；均匀切变区与未切变区的分界面称为；均匀切变区与未切变区的分界面称为孪晶界孪晶界；发生均匀切变的那个晶面称为孪生面；孪生面切动的方发生均匀切变的那个晶面称为孪生面；孪生面切动的方向则为向则为孪生方向孪生方向。晶体在切应力下其一部分沿一定的晶面晶体在切应力下其一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分作均匀切变。和晶向相对于另一部分作均匀切变。孪晶带孪晶带孪生面孪生面孪生面孪生面孪生面 孪生方向(111)112孪生区域A C E GA CEBDFH面心立方晶体（110）晶面的孪生变形过程示意图2.2.2 多晶体的塑性变形与强化多晶体的塑性变形与强化 实际工业生产中使用的金属材料很多都是多晶体。多晶体由许多位向不同的单晶组成，因此其塑性变形过程也更为复杂。多晶体塑性变形的特点 晶粒之间变形的协调性，要求滑移系多，FCC和BCC滑移系多，变形容易协调，所以塑性好，HCP晶体滑移系少，协调性差，塑性差 晶粒大小对塑性变形的影响晶粒大小对塑性变形的影响 实际表明，多晶体金属的晶粒愈细小，其屈服强实际表明，多晶体金属的晶粒愈细小，其屈服强度愈高，并且滑移线与孪晶带大多终止于晶界处而极度愈高，并且滑移线与孪晶带大多终止于晶界处而极少穿越。这些表明在多晶体中晶界对变形过程有着明少穿越。这些表明在多晶体中晶界对变形过程有着明显的阻碍作用。金属的屈服强度显的阻碍作用。金属的屈服强度S与晶粒直径与晶粒直径d有如有如下关系下关系 此式即为霍耳此式即为霍耳-佩奇（佩奇（Hall-Petch）公式。式中）公式。式中0为一常数，大体相当于单晶体金属的屈服强度；为一常数，大体相当于单晶体金属的屈服强度；K为为表征晶界对强度影响程度的常数，与晶界结构有关。表征晶界对强度影响程度的常数，与晶界结构有关。霍耳霍耳-佩奇公式是一个非常重要的公式，材料的屈服强佩奇公式是一个非常重要的公式，材料的屈服强度与其亚晶粒之间，塑性材料的流变应力与晶粒大小度与其亚晶粒之间，塑性材料的流变应力与晶粒大小之间，脆性材料的脆性应力与晶粒大小之间都满足上之间，脆性材料的脆性应力与晶粒大小之间都满足上述关系式。述关系式。210SKd合金的塑性变形合金的塑性变形五、五、金属强化机制金属强化机制塑性变形对金属力学性能的影响（加工硬化）随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著提高，而塑性、韧性则显著下降，这种现象称为加工硬化或冷变形强化。这种现象是因为随着塑性变形的进行，位错的密度不断增加，位错运动时的相互交割加剧，产生位错塞积、交割等障碍，阻碍了位错的进一步运动，引起变形抗力增加，提高了金属的强度。利：提高强度、使变形均匀 弊：耗费能源、使继续变形困难、需要增加中间退火2.2.3 塑性变形对材料组织性能的影响塑性变形对材料组织性能的影响显微组织的变化（冷变形强化）晶粒拉长，纤维状组织晶粒拉长，纤维状组织形变织构 在金属塑性变形时，随着变形程度的增加，各个晶粒从原来互不在金属塑性变形时，随着变形程度的增加，各个晶粒从原来互不相同的取向逐渐向主变形方向转动。当变形量很大时，各个晶粒在空相同的取向逐渐向主变形方向转动。当变形量很大时，各个晶粒在空间取向上将呈现出一定程度的一致性，这一现象称为晶粒的择优取向，间取向上将呈现出一定程度的一致性，这一现象称为晶粒的择优取向，形变金属中的这种组织状态称为形变织构。形变金属中的这种组织状态称为形变织构。由形变织构所造成的由形变织构所造成的“制耳制耳”u 残余应力（P43）第一类内应力-宏观内应力第二类内应力-微观内应力 晶粒与亚晶粒之间晶粒与亚晶粒之间第三类内应力-点阵畸变 热力学不稳定，具有热力学不稳定，具有向稳定状态转变的向稳定状态转变的自发趋势自发趋势（回复，再结晶驱动力）（回复，再结晶驱动力）