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1、第4章 金属的塑性变形与再结晶轧制轧制 挤压挤压 冷拔冷拔 锻造锻造 冲压冲压 第4章 金属的塑性变形与再结晶冲压冲压拉伸模拉伸模第4章 金属的塑性变形与再结晶形形状状尺尺寸寸发发生生变变化化，组组织织和和性性能能如如何何变变化？化？冷加工冷加工？热加工热加工？经经塑塑性性变变形形的的金金属属，在在加加热热过过程程中中，组组织织和和性性能能又又会会发发生生什么变化？什么变化？第4章 金属的塑性变形与再结晶材料大师阮雪榆1933年出生于上海；年出生于上海；上上海海交交通通大大学学教教授授、中中国国工工程程院院士；院院士；塑性加工和模具技塑性加工和模具技术专术专家；家；我我国国冷冷挤挤压压理理论论
2、与与技技术术的的开开拓拓者者，在在国国内内外外首首创创冷冷挤挤压压许许用用变变形形程程度度理理论论，并并首首先先研研究究成成功黑色金属的冷功黑色金属的冷挤压挤压技技术术；在在国国内内率率先先将将CAD/CAM、数数值值模模拟拟技技术术和和人人工工智智能能技技术术的的研研究、开究、开发发与与应应用引入到塑性加工和模具制造用引入到塑性加工和模具制造领领域；域；美美国国国国家家科科学学技技术术政政策策研研究究所所2007年年6月月的的工工程程研研究究中中心心报报告告中中，该该所所调调研研了了11个个国国家家73个个工工程程研研究究中中心心，将将阮阮雪雪榆榆院院士士领领导导的的上海交通大学模具上海交通
3、大学模具CAD国家工程研究中心列于首位。国家工程研究中心列于首位。第4章 金属的塑性变形与再结晶弹性变形弹性变形 elastic deformation塑性变形塑性变形 plastic deformation4.1 金属的塑性变形滑移滑移slip孪生孪生twinning4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形滑滑移移晶晶体体的的一一部部分分沿沿一一定定晶晶面面和和晶晶向向相对于另一部分发生滑动位移的现象。相对于另一部分发生滑动位移的现象。4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形滑移：铜拉伸试样表面铜拉伸试样表面一一条条滑滑移移带带是是由由许许多多密密集集在在一一起起的的滑滑移移线线组成
4、，每一条滑移线对应于一个滑移台阶。组成，每一条滑移线对应于一个滑移台阶。4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形滑移滑移带面面心心立立方方和和体体心心立立方方金金属属滑滑移移系系较较多多，因因而而塑塑性性高高于于密排六方密排六方的金属。的金属。4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形滑移滑移系临界切应力临界切应力 使滑移系开动的最小切应力使滑移系开动的最小切应力。外外力力在在晶晶面面上上的的分分解解切切应应力力作作用用下下的的变变形形锌锌单单晶晶的的拉拉伸伸照照片片4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形滑移滑移的临界切应力滑移面趋向与拉滑移面趋向与拉伸轴平行伸轴平行滑移方向与最大
5、切应滑移方向与最大切应力方向趋于一致力方向趋于一致4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形滑移滑移时晶体的转动整整体体刚刚性性滑滑移移临临界界切应力差切应力差34个数量级；个数量级；滑滑移移是是通通过过位位错错在在滑滑移移面上的运动来实现的。面上的运动来实现的。4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形滑移滑移的机理发发生生孪孪生生的的部部分分称称为为孪孪孪孪生生生生带带带带或或孪孪孪孪晶晶晶晶(twins)(twins);沿沿其其发发生生孪孪生生的的晶晶面面称称为为孪孪孪孪生面生面生面生面。钛合金六方相中的形变孪晶钛合金六方相中的形变孪晶晶晶体体的的一一部部分分沿沿一一定定晶晶面面和和
6、晶晶向向，相相对对于于另另一一部部分分所所发发生的切变。生的切变。4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形孪生晶格位向是否变化；晶格位向是否变化；相对位移量相对位移量原子间距；原子间距；临界切应力的大小；临界切应力的大小；密排六方常以孪生方式变形；密排六方常以孪生方式变形；体体心心立立方方只只有有在在低低温温或或受受到到冲冲击击时时才才发发生孪生变形；生孪生变形；面面心心立立方方结结构构的的金金属属一一般般不不发发生生孪孪生生变变形。形。4.1 金属的塑性变形(1)单晶体的塑性变形孪生与滑移的主要区别晶界的影响晶界的影响位错运动的主要障碍；位错运动的主要障碍；强度和硬度增加。强度和硬度增加
7、。4.1 金属的塑性变形(2)多晶体的塑性变形晶界和晶粒位向对塑性变形的影响试样往往呈竹节状，晶界处变粗；试样往往呈竹节状，晶界处变粗；这说明晶界变形抗力大，变形较小；这说明晶界变形抗力大，变形较小；材材料料的的晶晶粒粒越越小小，同同体体积积的的材材料料的的晶界越多，塑性变形的抗力越大。晶界越多，塑性变形的抗力越大。Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积晶界的影响晶界的影响4.1 金属的塑性变形(2)多晶体的塑性变形晶界和晶粒位向对塑性变形的影响晶粒位向的影响晶粒位向的影响4.1 金属的塑性变形(2)多晶体的塑性变形晶界和晶粒位向对塑性变形的影响各各晶晶粒粒的的滑滑移移是是不不等
8、等时的；时的；塑塑性性变变形形时时晶晶粒粒间间相相互协调和配合；互协调和配合；只只有有多多个个滑滑移移系系才才能能保证变形的连续性；保证变形的连续性；多多晶晶体体变变形形是是不不均均匀匀的；的；多多晶晶体体比比单单晶晶体体有有较较高的塑性变形抗力。高的塑性变形抗力。铜多晶试样拉伸后形成的滑移带铜多晶试样拉伸后形成的滑移带铜多晶试样拉伸后形成的滑移带铜多晶试样拉伸后形成的滑移带4.1 金属的塑性变形(2)多晶体的塑性变形特点合合金金按按其其组组成成相相的的不不同同，分分为为单单相相固固溶溶体体和和多相混合物多相混合物两种。两种。珠光体珠光体奥氏体奥氏体4.2 合金的塑性变形与多晶的纯金属相似；与
9、多晶的纯金属相似；溶溶质质原原子子的的存存在在，使使溶溶剂剂晶晶格格发发生生畸畸变变，增增大大了了位位错错运运动动的的阻阻力力，使使产产生生滑滑移移的的临临界界切切应应力力远远比比纯纯金金属属大大，滑滑移移系系的开动也比较困难；的开动也比较困难；固固溶溶强强化化：通通过过形形成成固固溶溶体体而而使使金金属属的的强强度度和和硬硬度度升升高高，而而塑塑性性和韧性下降的现象。和韧性下降的现象。4.2 合金的塑性变形(1)单相固溶体塑性变形与固溶强化第第二二相相以以连连续续网网状状分分布布在在晶晶界界上上：对对合合金金的的强强度度和和塑塑性性不利；不利；4.2 合金的塑性变形(2)多相合金的塑性变形与
10、弥散强化第第二二相相在在基基体体晶晶粒粒内内呈呈层层片片状状分分布布：可可提提高高强强度度、硬硬度度，但会降低塑性和韧性；但会降低塑性和韧性；基体相的性质；基体相的性质；第二相第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关；的性质、形态、大小、数量和分布有关；工业合金中第二相多数是工业合金中第二相多数是硬而脆化合物硬而脆化合物。颗粒钉扎作用的电镜照片颗粒钉扎作用的电镜照片第第二二相相以以弥弥散散的的质质点点(或或粒粒状状)分分布布在在晶晶内内：使使合合金金的的强强度度和和硬硬度度显显著著提提高高，而而塑塑性性和和韧韧性性稍稍有有降低；降低；这这种种由由于于第第二二相相以以细细小小的的形形态态弥弥散散
11、分分布布于于基基体体中中，从从而而使使合合金金显显著著强强化化的的现现象象称称为为弥散强化弥散强化4.2 合金的塑性变形(2)多相合金的塑性变形与弥散强化弥散强化的原因弥散强化的原因相相界界面面积积显显著著增增多多，并并使使其其周周围围晶晶格格发发生畸变；生畸变；第第二二相相质质点点本本身身成成为为位位错错运运动动的的障障碍碍物物，增增加加了了位位错错运运动动的的阻阻力力，使使塑塑性性变形抗力增加。变形抗力增加。4.2 合金的塑性变形(2)多相合金的塑性变形与弥散强化工业纯铁不同变形度的显微组织工业纯铁不同变形度的显微组织变形变形10%100变形变形40%100 变形变形80%100 纤维组织
12、纤维组织(1)塑性变形对组织结构的影响4.3 塑性变形对组织和性能的影响晶粒变形(1)塑性变形对组织结构的影响亚结构形成4.3 塑性变形对组织和性能的影响 晶粒逐渐碎化成许多位向略有不同(不大于1)的小晶块亚结构；每个小晶块称为亚晶粒；亚晶粒边界排列着许多位错；经塑性变形后，亚晶粒将进一步细化，位错密度进一步提高。晶粒在发生滑移变形的同时，还会发生晶体的转动；晶粒在发生滑移变形的同时，还会发生晶体的转动；晶粒的取向趋于一致；晶粒的取向趋于一致；这就形成了晶体的择优取向这就形成了晶体的择优取向形变织构。形变织构。(1)塑性变形对组织结构的影响形变织构的产生4.3 塑性变形对组织和性能的影响板织构
13、板织构丝织构丝织构形变织构示意图形变织构示意图各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板“制耳制耳”有有无无器皿壁厚不均匀；器皿壁厚不均匀；“制耳制耳”现象。现象。(1)塑性变形对组织结构的影响形变织构的产生4.3 塑性变形对组织和性能的影响金金属属材材料料在在塑塑性性变变形形过过程程中中，随随变变形形量量的的增增加加，强强度度和和硬硬度度不不断断上上升升，而而塑塑性性和和韧韧性性不不断断下下降降，这这一一现现象象称称为为加工硬化加工硬化。金属材料发生均匀塑性变形的保证；金属材料发生均匀塑性变形的保证；强化金属的一种方法；强化金属的一种方法；工程结构瞬间过载的安全保证。工程结构瞬间过载的安全保证。原
14、原因因：随随变变形形量量增增加加,位位错错密密度度增增加加，由由于于位位错错之之间间的的交交互互作作用用(堆堆积积、缠缠结结)，使变形抗力增加。，使变形抗力增加。(2)塑性变形对性能的影响4.3 塑性变形对组织和性能的影响加工硬化物理、化学性能的变化u晶格发生畸变、空位和位错密度增加，电阻增大、电阻温度系数下降、导磁率下降、磁滞和矫顽力略有增加；u变形提高金属内能，原子活动能力增大，容易扩散，加快腐蚀速度。加热温度加热温度黄黄铜铜4.4 回复与再结晶回回复复加加热热温温度度较较低低时时，由由于于金金属属中中的的点点缺缺陷陷及及位位错错近近距距离离迁迁移移而而引起的晶内某些变化。引起的晶内某些变
15、化。特特点点：变变形形金金属属的的显显微微组组织织不不发发生生显显著著变变化化，强强度度和和硬硬度度略略有有下下降降，塑塑性性略略有有回回升升，而而内内应应力和电阻明显下降。力和电阻明显下降。空空位位、位位错错移移动动、消消失，减少晶格畸变；失，减少晶格畸变；位位错错垂垂直直分分布布，形形成成亚晶界亚晶界多边形化。多边形化。4.4 回复与再结晶(1)回复在在工工业业上上，常常利利用用回回复复现现象象将将冷冷变变形形金金属属低低温温加加热热，既既稳稳定定组组织织，又又保保留留了了加加工工硬硬化化，这这种种方方法法称称为为去去应力退火应力退火。4.4 回复与再结晶(1)回复当当变变形形金金属属被被
16、加加热热到到较较高高温温度度时时，由由于于原原子子活活动动能能力力增增大大，晶晶粒粒的的形形状状开开始始发发生生变变化化，由由破破碎碎拉拉长长的的晶粒变为晶粒变为等轴等轴晶粒；晶粒；强强度度、硬硬度度下下降降，塑塑性性、韧韧性性上上升升，所所有有的的性性能能恢恢复复到到变变形形前前的的水水平平，这这一一过程称为过程称为再结晶再结晶。铁素体变形铁素体变形80%670加热加热650加热加热4.4 回复与再结晶(2)再结晶再结晶经经较较大大冷冷塑塑性性变变形形(70%)，加加热热1h，95%再再结结晶晶温度温度；工业纯金属：工业纯金属：Ta=(0.350.45)Tm。在在工工业业生生产产中中，把把消
17、消除除加加工工硬硬化化所所进进行行的的热热处处理理称称为为再结晶退火再结晶退火；一一般般将将再再结结晶晶温温度度定定的的比比理理论论再再结结晶晶温温度度高高100200。4.4 回复与再结晶(2)再结晶再结晶温度及其影响因素影响再结晶温度的主要因素：影响再结晶温度的主要因素：纯度纯度微量杂质和合金元素提高金属的再结晶温度；微量杂质和合金元素提高金属的再结晶温度；变形度变形度金属的冷变形越大，再结晶温度越低；金属的冷变形越大，再结晶温度越低；加加热热速速度度和和保保温温时时间间提提高高加加热热速速度度，再再结结晶晶温温度度较较高；保温时间延长再结晶温度就低。高；保温时间延长再结晶温度就低。再再结
18、结晶晶完完成成后后，若若继继续续升升高高加加热热温温度度或或延延长长保保温温时时间间，将将发发生生晶晶粒粒长长大大，这这是是一一个个自自发发的的过过程。程。580C保温保温15分后的分后的组织组织700C保温保温10分后的分后的组织组织4.4 回复与再结晶(2)再结晶再结晶后的晶粒大小580C保温保温8秒后的秒后的组织组织黄黄铜铜组组织织晶晶粒粒的的长长大大是是通通过过晶晶界界迁迁移移进进行行的的，是是大大晶晶粒粒吞并小晶粒的过程。吞并小晶粒的过程。原子穿过原子穿过晶界扩散晶界扩散晶界迁移方向晶界迁移方向4.4 回复与再结晶(2)再结晶再结晶后的晶粒大小在在金金属属学学中中，冷冷热热加加工工的
19、的界界限限是是以以再再结结晶晶温温度度来来划划分分的的。低低于于再再结结晶晶温温度度的的加加工工称称为为冷冷加加工工，而而高高于于再再结结晶晶温温度度的的加加工工称称为为热加工。热加工。轧制轧制模锻模锻拉拔拉拔4.5 金属的热加工(1)热加工和冷加工的区别热热加加工工可可使使铸铸态态金金属属与与合合金金中中的的气气孔孔焊焊合合，使使粗粗大大的的树树枝枝晶晶或或拄拄状状晶晶破破碎碎，从从而而使使组组织织致致密密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。锻锻压压热加工动态再结热加工动态再结晶示意图晶示意图消除铸态组织缺陷，细化晶粒4.5 金属的热加工(2)热加工对金属组
20、织和性能的影响滚压成型后螺纹内部的纤维分布滚压成型后螺纹内部的纤维分布吊吊钩钩中中的的纤纤维维组组织织铸铸态态组组织织中中的的各各种种夹夹杂杂物物，在在高高温温下下具具有有一一定定塑塑性性，它它们们会会沿沿着着变变形形方方向向伸伸长长而而形形成成锻锻造造流流线线(纤纤维维组组织织)。它它使使金金属属材材料料产产生生各各向向异异性性，在在制制定定加加工工工工艺艺时时，应应使使流流线线分分布布合合理理，尽尽量量与拉应力方向一致。与拉应力方向一致。形成锻造流线4.5 金属的热加工(2)热加工对金属组织和性能的影响正火组织正火组织带状组织带状组织在在加加工工亚亚共共析析钢钢时时，发发现现钢钢中中的的F
21、与与P沿沿轧轧制制方方向向呈呈带带状状分分布布，这种组织称这种组织称带状组织带状组织；带带状状组组织织会会使使钢钢件件的的力力学学性性能能破破坏坏，可可通通过过正正火火或或扩扩散散退退火火消除。消除。形成带状组织4.5 金属的热加工(2)热加工对金属组织和性能的影响热热加加工工能能量量消消耗耗小小，但但钢钢材材表表面面易易氧氧化化。一一般般用用于于截截面面尺尺寸寸大大、变变形形量量大大、在在室室温温下加工困难的工件。下加工困难的工件。冷冷加加工工一一般般用用于于截截面面尺尺寸寸小小、塑塑性性好好、尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。4.5 金属的热加工(2)热加工对金属组织和性能的影响 作业：The EndThe End