工程材料第三章

1、第三章金屬的塑性變形與結(jié)晶,塑性加工：利用金屬材料在外力作用下所產(chǎn)生的塑性變形，獲得所需產(chǎn)品的加工方法。由于這種外力多數(shù)情況下是以壓力的形式出現(xiàn)的，因此也稱為壓力加工。塑性變形是壓力加工的基礎(chǔ)，凡具有一定塑性的金屬如鋼及大多數(shù)有色金屬，均可進(jìn)行壓力加工。塑性變形在使金屬成形的同時(shí)，還改變了金屬的組織和性能。因此，研究金屬的塑性變形，對(duì)改進(jìn)金屬材料加工工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量和合理使用金屬材料等方面具有重要意義。,金屬的塑性變形,一、

2、單晶體彈性變形1.滑移： 滑移是在外力作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相對(duì)于晶體的另一部分發(fā)生的相對(duì)滑動(dòng)。,說(shuō)明： 要使某一晶面滑動(dòng)，作用在該晶面上的力必須是相互平行、方向相反的切應(yīng)力，而且切應(yīng)力必須達(dá)到一定值，滑移才能進(jìn)行。當(dāng)原子滑移到新的平衡位置時(shí)，晶體就產(chǎn)生了微量的塑性變形。,3.晶體的滑移面、滑移方向及滑移系,晶體上的滑移帶分布是不均勻的，即塑性變形時(shí)，位錯(cuò)只沿一定的

3、晶面和一定的晶向移動(dòng)，并不是沿所有的晶面和晶向都能移動(dòng)的，這些一定的晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向，并且這些晶面和晶面都是晶體中的密排面和密排方向。因?yàn)槊芘琶嬷g和密排方向之間的原子間距最大，其原子之間的結(jié)合力最弱，所以在外力作用下最易引起相對(duì)的滑動(dòng)。,不同金屬的晶體結(jié)構(gòu)不同，其滑移面和滑移方向的數(shù)目和位向不同，一個(gè)滑移面和在這個(gè)滑移面上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)“滑移系”。所以不同晶體結(jié)構(gòu)的金屬，其滑移系的數(shù)目不同，滑移系的數(shù)

4、目越多則金屬的塑性愈好，反之滑移系數(shù)愈少，塑性不好，且相同滑移系數(shù)目相同時(shí)，滑移方向數(shù)越多，越易滑移，塑性越好。面心立方晶格好于體心立方晶格, 體心立方晶格好于密排六方晶格因而金屬的塑性，,㈡ 孿生孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。,與滑移相比：孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多, 變形速度極快, 接近聲速;孿生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距.,第二節(jié) 多晶體的塑性變形,工程

5、上使用的金屬材料大多為位向、形狀、大小不同的晶粒組成的多晶體，因此多晶體的變形是許多單晶體變形的綜合作用的結(jié)果。多晶體內(nèi)單晶體的變形仍是以滑移進(jìn)行的，但由于位向不同的晶粒是通過(guò)晶界結(jié)合在一起的，晶粒的位向和晶界對(duì)變形有很大的影響，所以多晶體的塑性變形較單晶體復(fù)雜。1. 晶界和晶粒位向的影響2.晶粒大小的影響,,晶粒位向的影響,,多晶體中，晶粒位向不同，在外力作用下，凡滑移面和滑移方向位于或接近與外力成45度方位的晶粒將首先發(fā)生

6、滑移變形，通常稱這些位向的晶粒為軟位向。凡滑移面和滑移方向位于或接近與外力成平行或垂直方位的晶粒，通常稱這些位向的晶粒為硬位向。此外，隨著滑移的發(fā)生，首批晶粒的位向同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這也會(huì)使這些晶粒從軟位向變?yōu)橛参幌?，不能再繼續(xù)發(fā)生滑移，從而促使另一批晶粒開始滑移變形，傳遞到另一批晶粒中。所以，多晶體的塑性變形總是一批一批晶粒逐步地發(fā)生，從少量晶粒開始逐步擴(kuò)大到大量的晶粒，從不均勻變形逐步發(fā)展到比較均勻的變形，變形過(guò)程要比單晶體復(fù)雜

7、,變形前,晶界對(duì)塑性變形有較大的阻礙作用，一個(gè)只包含兩個(gè)晶粒的試樣經(jīng)過(guò)拉伸時(shí)的變形情況如圖所示。由圖可見(jiàn)，試樣在晶界附近不易發(fā)生變形，出現(xiàn)了所謂的竹節(jié)現(xiàn)象。這是因?yàn)榫Ы缣幵优帕斜容^亂，阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)，因而阻礙了滑移。很顯然，晶界越多，晶體的塑性變形抗力越大。,晶界的影響,變形后,二、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響,加工硬化的工程意義：加工硬化是強(qiáng)化材料的重要手段，尤其是對(duì)于那些不能用熱處理方法強(qiáng)化的金屬材料。 加工硬化有利于金屬

8、進(jìn)行均勻變形。金屬已變形部分產(chǎn)生硬化，將使繼續(xù)變形主要在未變形或變形較少的部分發(fā)展。加工硬化給金屬的繼續(xù)變形造成了困難，加速了模具的損耗；在對(duì)材料進(jìn)行較大變形量的加工中是不希望的，加工過(guò)程中常常要進(jìn)行“中間退火”以消除這種不利影響，因而增加了能耗和成本。,加工硬化：材料變形后，強(qiáng)度、硬度顯著提高，而塑性、韌性明顯下降的現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化.加工硬化或冷作硬化,一、塑性變形對(duì)金屬性能的影響,二、塑性變形對(duì)金屬對(duì)組織形貌的影響,晶粒變形：金屬

9、塑性變形時(shí)，隨著外形的改變，晶粒的形狀也相應(yīng)變化。通常晶粒沿變形方向被拉長(zhǎng)(拉伸)或壓扁(壓縮)。變形的程度愈大，則晶粒形狀的變化也愈大，晶界變得模糊不清。此時(shí)，金屬的性能具有明顯的各向異性，如縱向的強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)大于橫向的，這種組織成為纖維組織。,2、亞結(jié)構(gòu)形成：金屬未變形或少量變形時(shí)，位錯(cuò)密度的分布一般是均勻的。但大量變形之后，由于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和交互作用，位錯(cuò)不均勻分布，并使晶粒碎化成許多位向略有差異的亞晶粒。亞晶粒邊界上聚集大量位錯(cuò)，

10、形成位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)；而內(nèi)部位錯(cuò)密度相對(duì)低得多。隨著變形量的增大，產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)也越細(xì)。3 、產(chǎn)生形變織構(gòu) 多晶體變形時(shí)，各晶粒則會(huì)發(fā)生晶面轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)變形量很大時(shí)，原來(lái)位向不同的晶粒會(huì)逐漸調(diào)整其取向而取得一致的位向，這種現(xiàn)象叫擇優(yōu)取向。由于變形的結(jié)果而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫做形變織構(gòu) 。,三、塑性變形產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力,塑性變形后材料內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力明顯增加，它主要是由于材料在外力作用下內(nèi)部變形不均勻所造成的。,金屬材料各部分之間而形成的宏

11、觀范圍內(nèi)的變形不均勻而形成的宏觀范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力,通常稱為第一類內(nèi)應(yīng)力。相鄰晶粒取向不同引起變形不均勻，或晶內(nèi)不同部位變形不均勻，會(huì)造成微觀內(nèi)應(yīng)力，通常稱為第二類內(nèi)應(yīng)力。由于位錯(cuò)等缺陷的增加，會(huì)造成晶格畸變，通常也稱為第三類內(nèi)應(yīng)力。 其中，第三類內(nèi)應(yīng)力占絕大部分，這是使變形金屬?gòu)?qiáng)化的主要原因。但會(huì)使材料，如金屬的耐腐蝕性下降。第一、二類內(nèi)應(yīng)力占的比例不大，但當(dāng)進(jìn)一步加工會(huì)打破原有平衡，引起材料的變形；或者和零件使用應(yīng)力發(fā)生疊加

12、，引起材料的破壞。所以一般都要用退火的辦法盡量將其消除。,第三節(jié) 塑性變形后的金屬在加熱時(shí)的變化,金屬材料冷變形后，存在加工硬化和殘余內(nèi)應(yīng)力等性能變化，在很多情況下并不是人們希望的，可以通過(guò)加熱引起的組織變化來(lái)改變這些性能。 金屬材料在加熱過(guò)程中，隨著加熱溫度的升高，會(huì)依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶 和晶粒長(zhǎng)大等變化。,四、回復(fù)與再結(jié)晶,回復(fù),當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，變形金屬顯微組織無(wú)明顯變化，其力學(xué)性能也變化不大，但殘余應(yīng)力顯著下降，物

13、理性能和化學(xué)性能也部分地恢復(fù)到變形前的情況。,四、回復(fù)與再結(jié)晶,塑性變形后，金屬材料加熱到較高溫度時(shí)(一般大于0.4Tm)，可以發(fā)生晶粒的重新改組。首先在位錯(cuò)或其他缺陷集中處，形成新的無(wú)畸變的小晶粒，這些小晶粒消耗周圍發(fā)生過(guò)變形的晶體而不斷長(zhǎng)大，同時(shí)也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒全部代替變形過(guò)的晶體。這個(gè)過(guò)程也是一形核和核長(zhǎng)大，稱為再結(jié)晶。,材料經(jīng)過(guò)再結(jié)晶后，由冷塑性變形帶來(lái)的所有性能變化就全部消失，材料的組織發(fā)生了變化，性能完全徹底

14、回到變形前的狀態(tài)。--變形組織和性能完全恢復(fù)到變形前狀態(tài)。,3.再結(jié)晶特點(diǎn),再結(jié)晶過(guò)程不是相變：盡管冷塑性變形后，發(fā)生再結(jié)晶，晶粒以形核和核長(zhǎng)大來(lái)進(jìn)行，但變化前后的晶粒成分相同，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，因此它們是屬于同一個(gè)相。,再結(jié)晶沒(méi)有確定的轉(zhuǎn)變溫度：再結(jié)晶是在溫度達(dá)到一定程度后，原子活動(dòng)能力增強(qiáng)發(fā)生遷移進(jìn)行晶格位置的重排，溫度愈高，完成愈快，沒(méi)有固定溫度，但有一溫度下限，這個(gè)溫度稱為再結(jié)晶開始溫度(T再)。,純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其

15、熔點(diǎn)之間的近似關(guān)系: T再（K）≈0.4T熔（K） 其中T再、T熔為絕對(duì)溫度. T熔 --------為以熱力學(xué)溫度表示的金屬熔點(diǎn) T熔 = t 熔 + 273 ℃ 金屬熔點(diǎn)越高, T再也越高.,㈢ 再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升溫或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，這是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。,一、冷變形和熱變形,把金屬的塑性變形分稱為冷變形和熱變形，凡是在其再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行變形稱為熱變形，反之在其再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的變

16、形稱為冷變形。,這里的冷、熱加工分界線不是以變形過(guò)程是否進(jìn)行過(guò)加熱進(jìn)行區(qū)分的。鉛的再結(jié)晶溫度在 0℃以下，在室溫下進(jìn)行變形是屬于熱變形，鐵的再結(jié)晶溫度為450℃左右，在400℃進(jìn)行變形仍屬于冷變形,而鎢在1000℃進(jìn)行變形也屬于冷變形。,第四節(jié) 金屬的熱變形,金屬在冷變形加工時(shí)會(huì)引起加工硬化，使變形抗力增大，對(duì)于那些變形量較大，特別是截面尺寸較大的工件，冷變形加工十分困難；另外有些塑性較低或較硬的金屬，甚至不能用冷加工，必須用熱加工進(jìn)

17、行。,因此，熱變形加工主要用于截面尺寸較大，變形量較大的金屬制品及室溫下硬脆性較大的金屬材料的變形。如船舶主機(jī)的貫穿螺栓和尾軸等零件的毛坯制作。軸的熱加工,甲合金（熔點(diǎn)為310℃）在20℃、乙合金（熔點(diǎn)為1100℃）在210℃的塑性變形各屬于哪種變形？ 解:(1)計(jì)算兩合金的再結(jié)晶溫度T再甲=0.4×(310+273)=235.2 K=233.2-273=-39.8 ℃T再乙=0.4×(1100+273)=

18、549.2 K=549.2-273=276.2 ℃(2)確定兩種合金的加工類型甲合金在20℃進(jìn)行塑性變形,因加工溫度高于再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行(20℃> T再甲)，所以屬于熱加工。乙合金在210℃進(jìn)行塑性變形，因加工溫度低于再結(jié)晶溫度（210℃<T再乙），所以屬于冷加工。,2.熱加工對(duì)金屬組織和性能影響,有利影響：(1)通過(guò)熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的氣孔焊合，從而使其致密度得以提高；(2)通過(guò)熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的