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1、第六章金属的塑性变形第1页，共51页，编辑于2022年，星期三金属的塑性加工金属的塑性加工目的目的改变材料的尺寸和形状；改变材料的尺寸和形状；改善材料的组织，提高性能。改善材料的组织，提高性能。第2页，共51页，编辑于2022年，星期三金属的塑性加工金属的塑性加工分类：分类：冷变形加工冷变形加工：塑性变形是在：塑性变形是在再结晶温度以下再结晶温度以下进进行的。行的。热变形加工热变形加工：塑性变形是在：塑性变形是在再结晶温度以上再结晶温度以上进进行的。行的。第3页，共51页，编辑于2022年，星期三金属的塑性加工金属的塑性加工金属的塑性变形不仅是材料成形的重要手金属的塑性变形不仅是材料成形的重要
2、手段，而且在车、铣、刨、钻、磨等机械加段，而且在车、铣、刨、钻、磨等机械加工过程中也大量存在。工过程中也大量存在。第4页，共51页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形第5页，共51页，编辑于2022年，星期三单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形主要通过单晶体的塑性变形主要通过滑移滑移和和孪生孪生两两种方式进行。种方式进行。第6页，共51页，编辑于2022年，星期三滑移滑移 slip slip 在切应力作用下，单晶体的一部分相对于另一在切应力作用下，单晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（滑移面）和一定的方向部分沿一定的晶面（滑移面）和一定的方向（滑
3、移方向）发生相对移动的现象。（滑移方向）发生相对移动的现象。滑移滑移变既不改变变既不改变晶晶格格结结构构，也不影响晶体的取，也不影响晶体的取向。向。只是在晶体表面出现只是在晶体表面出现了一系列的台阶状痕迹了一系列的台阶状痕迹滑移带（滑移带（Slip Band）和滑移线（和滑移线（Slip Line）。第7页，共51页，编辑于2022年，星期三单晶体的滑移变形与断裂单晶体的滑移变形与断裂：弹性变形阶段弹性变形阶段：外力较小时，晶格原子偏离平衡位置，消除外力较小时，晶格原子偏离平衡位置，消除外力原晶格回复。外力原晶格回复。塑性变形阶段塑性变形阶段：外力较大时，晶格原子移动超过原子间距，消外力较大时
4、，晶格原子移动超过原子间距，消除外力，原子不能回到原位置，形成新晶格。除外力，原子不能回到原位置，形成新晶格。断裂阶段断裂阶段：外力很大时，原晶格完全被破坏，且不能形成新的外力很大时，原晶格完全被破坏，且不能形成新的晶格。晶格。第8页，共51页，编辑于2022年，星期三实际晶体的实际晶体的滑移是通过位错的运动来实现的滑移是通过位错的运动来实现的在位错运动时，由于不需整个晶体上下两部分的原子同时发生在位错运动时，由于不需整个晶体上下两部分的原子同时发生相对移动，而每次只需位错中心附近的少数原子作微量运动，相对移动，而每次只需位错中心附近的少数原子作微量运动，那么位错移动所需临界切应力大大减小。因
5、此，那么位错移动所需临界切应力大大减小。因此，滑移实际上是滑移实际上是在切应力作用下，位错沿滑移面运动的结果。在切应力作用下，位错沿滑移面运动的结果。第9页，共51页，编辑于2022年，星期三滑移的特定晶面被称为滑移的特定晶面被称为滑移面滑移面（Slip Slip PlanePlane）；）；特定晶向被称为特定晶向被称为滑移方向（滑移方向（Slip Slip DirectionDirection）滑移要素滑移要素滑移面滑移面和滑移方向和滑移方向一般一般为晶体中的原子密排为晶体中的原子密排面面和和密排方向密排方向密排密排面（方向）之间的间距面（方向）之间的间距最大，原子结合力最小。最大，原子结合
6、力最小。第10页，共51页，编辑于2022年，星期三滑移系滑移系（Slip SystemSlip System）晶体中一个滑移面晶体中一个滑移面和其上的和其上的一个滑移方向一个滑移方向组成组成一个滑移系一个滑移系。表示晶体在滑移时可能采取的一个空间位向表示晶体在滑移时可能采取的一个空间位向。一般地，滑移系的数量（晶体滑移时可能一般地，滑移系的数量（晶体滑移时可能采取的位向）越多，该晶体的塑性越好。采取的位向）越多，该晶体的塑性越好。在滑移系数量相同时，滑移方向较多的晶在滑移系数量相同时，滑移方向较多的晶体塑性较高。体塑性较高。第11页，共51页，编辑于2022年，星期三第12页，共51页，编辑
7、于2022年，星期三孪生孪生 T Twinwinningning（孪晶（孪晶 T Twinwin）在切应力的作用下，在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面晶面（孪晶面）（孪晶面）发生共格切变发生共格切变（形成镜面对称结构）（形成镜面对称结构）。第13页，共51页，编辑于2022年，星期三孪生与滑移的区别：孪生与滑移的区别：滑移仅使滑移面上的原子相对滑动，移动距离为原子间距的滑移仅使滑移面上的原子相对滑动，移动距离为原子间距的整数倍；孪生则使孪晶带内所有的面都滑动，且每个面的滑整数倍；孪生则使孪晶带内所有的面都滑动，且每个面的滑动量和距孪生面的
8、距离成正比；动量和距孪生面的距离成正比；滑移后整个晶体的位向没有改变；而孪晶部分的位向与基体滑移后整个晶体的位向没有改变；而孪晶部分的位向与基体相对于孪生面呈晶面对称。相对于孪生面呈晶面对称。孪生所需的切应力比滑移大。孪生所需的切应力比滑移大。第14页，共51页，编辑于2022年，星期三孪生孪生（孪晶）孪生是一种次要的塑变方式，孪生是一种次要的塑变方式，只有在滑移难以进行的只有在滑移难以进行的条件下才发生条件下才发生。具有具有hcphcp晶晶格的金属格的金属（ZnZn、MgMg、BeBe等），由于滑移系数等），由于滑移系数量较少，孪生就量较少，孪生就比较容易比较容易发生。发生。具有具有bccb
9、cc晶格的金属，晶格的金属，只有在低温或受到冲击只有在低温或受到冲击时，才会时，才会产生孪生变形。产生孪生变形。具有具有fccfcc晶格的金属，一般晶格的金属，一般不会发生不会发生孪生变形。孪生变形。第15页，共51页，编辑于2022年，星期三多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形实际金属一般都是多晶体，其塑性变形的基本方式仍为滑实际金属一般都是多晶体，其塑性变形的基本方式仍为滑移和孪生移和孪生每个晶粒内的塑性变形仍是滑移与孪生每个晶粒内的塑性变形仍是滑移与孪生；每个晶粒的塑性变形又受到周围位向不同的晶粒与晶界每个晶粒的塑性变形又受到周围位向不同的晶粒与晶界的约束的约束需要形变协调需要形变协调。第1
10、6页，共51页，编辑于2022年，星期三晶界的作用晶界的作用：晶界处原子排列不规则，杂质聚集晶界处原子排列不规则，杂质聚集 晶格畸变，阻碍位错晶格畸变，阻碍位错运动运动 强度强度晶粒的作用晶粒的作用：晶粒细小晶粒细小 晶界面积晶界面积 材料的强度材料的强度 晶粒细小晶粒细小 晶粒数目晶粒数目 每个晶粒内塑变分量每个晶粒内塑变分量材料塑材料塑性性多晶体材料晶粒细化，会引起材料的多晶体材料晶粒细化，会引起材料的 、HBHB、a aK K 提高提高。晶粒位向：晶粒位向：晶粒的塑变受到周围不同位向晶粒的约束和阻碍，导致晶粒的塑变受到周围不同位向晶粒的约束和阻碍，导致材料的变形抗力材料的变形抗力强度强度
11、。第17页，共51页，编辑于2022年，星期三合金的塑性变形合金的塑性变形第18页，共51页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 冷塑性变形对金属组织冷塑性变形对金属组织与性能的影响与性能的影响第19页，共51页，编辑于2022年，星期三产生加工硬化产生加工硬化金属材料经过冷塑性变形以后，出现强度、硬金属材料经过冷塑性变形以后，出现强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。度提高，而塑性、韧性下降的现象。加工硬化可强化加工硬化可强化金属，提高金属金属，提高金属的强度、硬度和的强度、硬度和耐磨性。耐磨性。第20页，共51页，编辑于2022年，星期三产生纤维状组织产生纤维状组织金属材料在塑性变形时
12、，随着外形的变化，内部的晶粒形状金属材料在塑性变形时，随着外形的变化，内部的晶粒形状也由等轴状晶粒转变为也由等轴状晶粒转变为纤维状的晶粒纤维状的晶粒沿最大主变形沿最大主变形方向被拉长、拉细方向被拉长、拉细/压扁压扁。形成纤维组织后，形成纤维组织后，金属会具有明显的金属会具有明显的 方向性方向性纵向力纵向力 学性能高于横向力学性能高于横向力 学性能。学性能。第21页，共51页，编辑于2022年，星期三形成亚结构，细化亚组织形成亚结构，细化亚组织金属塑性变形时，由于位错密度加大和发生交互作用，使得大量位金属塑性变形时，由于位错密度加大和发生交互作用，使得大量位错堆积在局部区域，导致晶粒分化成许多位
13、向略有不同的亚晶粒。错堆积在局部区域，导致晶粒分化成许多位向略有不同的亚晶粒。随着塑性变形程随着塑性变形程度的增大，变形亚度的增大，变形亚组织将逐渐增多并组织将逐渐增多并细化，使亚晶界显细化，使亚晶界显著增多。著增多。亚晶界越多，位错亚晶界越多，位错密度密度金属塑性变金属塑性变形抗力形抗力。第22页，共51页，编辑于2022年，星期三产生形变织构产生形变织构金属发生塑性变形时，晶粒在滑移过程中按一定方向转动，金属发生塑性变形时，晶粒在滑移过程中按一定方向转动，当变形量很大时，各个晶粒的晶格位向趋于一致，该过程当变形量很大时，各个晶粒的晶格位向趋于一致，该过程称为称为择优取向择优取向，会，会导致
14、金属的性能出现明显的各向异性导致金属的性能出现明显的各向异性。具有择优取向的晶体结构称为形变织构具有择优取向的晶体结构称为形变织构（deformationtexturedeformationtexture）。第23页，共51页，编辑于2022年，星期三第24页，共51页，编辑于2022年，星期三产生残余内应力产生残余内应力残余内应力残余内应力 residual stress residual stress：是指当作用于金属材料上的外力去除后，仍残留在金属内是指当作用于金属材料上的外力去除后，仍残留在金属内部的应力。部的应力。是一种弹性应力，成对平衡于材料内部。是一种弹性应力，成对平衡于材料内部
15、。按作用范围，残余应力分为：按作用范围，残余应力分为：宏观内应力宏观内应力晶间内应力晶间内应力晶格畸变内应力晶格畸变内应力第25页，共51页，编辑于2022年，星期三宏观内应力宏观内应力（第一类内应力）：（第一类内应力）：由于金属内部各部分变形不均匀而造成的内应力。由于金属内部各部分变形不均匀而造成的内应力。第26页，共51页，编辑于2022年，星期三晶间内应力晶间内应力（微观内应力、第二类内应力）（微观内应力、第二类内应力）：由于各晶粒、亚晶粒的变形不均匀而在晶粒、亚晶粒之间产由于各晶粒、亚晶粒的变形不均匀而在晶粒、亚晶粒之间产生的内应力。生的内应力。第27页，共51页，编辑于2022年，星
16、期三晶格畸变内应力晶格畸变内应力（第三类内应力）（第三类内应力）：由于晶格畸变而产生的内应力。由于晶格畸变而产生的内应力。是存在于变形金属中最主要的内应力。是存在于变形金属中最主要的内应力。第28页，共51页，编辑于2022年，星期三残余内应力对残余内应力对金属零件金属零件/构件性能的影响：构件性能的影响：当残余内应力与工作应力相反时，可提高工件当残余内应力与工作应力相反时，可提高工件的疲劳应力，使疲劳强度增加（见的疲劳应力，使疲劳强度增加（见P19P19）。）。当残余内应力与工作应力一致时，会降低工件当残余内应力与工作应力一致时，会降低工件的实际应力，的实际应力，导致工件的承载能力、疲劳强度
17、导致工件的承载能力、疲劳强度下降下降；若工件的内应力松弛或重新分布，会导致工件若工件的内应力松弛或重新分布，会导致工件发生变形发生变形；导致工件的耐腐蚀能力下降导致工件的耐腐蚀能力下降 （应力腐蚀）（应力腐蚀）。残余内应力的消除：残余内应力的消除：去应力退火去应力退火机械处理机械处理第29页，共51页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 冷变形金属在加热时的冷变形金属在加热时的变化变化第30页，共51页，编辑于2022年，星期三冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化金属经过冷塑性变形后，能量增大晶格畸金属经过冷塑性变形后，能量增大晶格畸变、位错密度提高、残余内应力等变、位错密度提高
18、、残余内应力等，处于处于不稳定的状态，不稳定的状态，具有自发恢复到冷塑性变具有自发恢复到冷塑性变形前的状态的倾向形前的状态的倾向。但在室温下，原子活。但在室温下，原子活动能力很弱，这种不稳定的状态不能改变。动能力很弱，这种不稳定的状态不能改变。当温度提高时，原子活动能力增强，转变当温度提高时，原子活动能力增强，转变开始进行。开始进行。第31页，共51页，编辑于2022年，星期三随着加热温度的提高，随着加热温度的提高，变化过程可分为：变化过程可分为：回复回复再结晶再结晶晶粒长大晶粒长大 三个阶段。三个阶段。冷变形金属在加热时的变化冷变形金属在加热时的变化第32页，共51页，编辑于2022年，星期
19、三回复回复 Recovery Recovery冷塑性变形的金属冷塑性变形的金属在加热温度不太高在加热温度不太高时，时，组织和性能无组织和性能无明显变化，但残余明显变化，但残余内应力明显下降内应力明显下降，这一阶段的变化称这一阶段的变化称为回复。为回复。第33页，共51页，编辑于2022年，星期三回复的特点：回复的特点：温度较低，温度较低，：T T回复回复(0.250.3)*T(0.250.3)*T熔熔 （采用绝采用绝对温标，单位对温标，单位K K）显微组织无明显变化，一般仍为显微组织无明显变化，一般仍为纤维状晶粒。纤维状晶粒。晶体点缺陷得以消除：位错晶体点缺陷得以消除：位错/空空位对消，晶格畸
20、变减轻。位对消，晶格畸变减轻。性能：加工硬化仍保留，但性能：加工硬化仍保留，但内应力明显下降。内应力明显下降。第34页，共51页，编辑于2022年，星期三回复的应用：回复的应用：去应力退火去应力退火/低温退火低温退火目的是消除残余内目的是消除残余内应力，防止工件变形和应力腐蚀开裂。应力，防止工件变形和应力腐蚀开裂。例如：例如：冷拉钢丝绳，在冷拉钢丝绳，在250300250300温度下退火，既能温度下退火，既能保持加工硬化的强化效果，又能消除内应力。保持加工硬化的强化效果，又能消除内应力。第35页，共51页，编辑于2022年，星期三再结晶再结晶RecrystallizationRecrystal
21、lization冷塑性变形的金属在较冷塑性变形的金属在较高温度下加热，高温度下加热，通过新通过新的晶核的形成和长大，由的晶核的形成和长大，由纤维状晶粒转变为等轴晶纤维状晶粒转变为等轴晶粒粒（晶格类型不变晶格类型不变!），加加工硬化和残余内应力完全工硬化和残余内应力完全消除，这一转变过程称为消除，这一转变过程称为再结晶。再结晶。第36页，共51页，编辑于2022年，星期三再结晶的特点：再结晶的特点：转变温度较高：转变温度较高：纯金属：纯金属：T T再再0.4*T0.4*T熔熔 （采用绝对采用绝对温标，单位温标，单位K K）合合 金：金：T T再再0.6*T0.6*T熔熔 显微组织发生明显变化显微
22、组织发生明显变化：通过通过新的晶核的形成和长大，纤维新的晶核的形成和长大，纤维状组织消除，获得细小的状组织消除，获得细小的等轴等轴晶粒晶粒。改变晶粒外形，不改变晶格类改变晶粒外形，不改变晶格类型型无相变无相变。性能：加工硬化消除，内应力性能：加工硬化消除，内应力完全消除完全消除 ，材料塑性恢复。，材料塑性恢复。第37页，共51页，编辑于2022年，星期三再结晶再结晶的应用的应用再结晶退火目的是消除加工硬化，恢复材料的塑性以便继续加工。例如：冲压加工过程中，应考虑在多次拉深中间安排再结晶退火。思考：冷拉钢丝绳，能否进行再结晶退火？第38页，共51页，编辑于2022年，星期三晶粒长大晶粒长大 Gr
23、ain Growth Grain Growth冷塑性变形的金属在加热温冷塑性变形的金属在加热温度过高或保温时间过长时，度过高或保温时间过长时，再结晶后形成的晶粒会逐渐再结晶后形成的晶粒会逐渐长大，导致长大，导致金属材料的机械金属材料的机械性能下降性能下降。注：晶粒长大是自发现象注：晶粒长大是自发现象第39页，共51页，编辑于2022年，星期三 变形80%变形80%、400退火8小时 变形80%、600退火8小时工业纯铁的再结晶退火显微照片工业纯铁的再结晶退火显微照片 100第40页，共51页，编辑于2022年，星期三影响再结晶后晶粒度的因素影响再结晶后晶粒度的因素加热温度和保温时间加热温度和保
24、温时间冷变形程度冷变形程度第41页，共51页，编辑于2022年，星期三加热温度和保温时间：加热温度和保温时间：加热温度过高或保温时间过长，都会导致晶粒长大，特别加热温度过高或保温时间过长，都会导致晶粒长大，特别是加热温度的影响尤为明显。是加热温度的影响尤为明显。第42页，共51页，编辑于2022年，星期三冷变形程度当变形度很小时，不会发生再结当变形度很小时，不会发生再结晶，晶粒度保持不变；晶，晶粒度保持不变；在在变形度为变形度为210%210%（临界变形程（临界变形程度）度）时，金属变形度不大而且时，金属变形度不大而且不均匀，再结晶时形核数目少，不均匀，再结晶时形核数目少，晶粒异常长大；晶粒异
25、常长大；变形度较大时，各晶粒变形均变形度较大时，各晶粒变形均匀，再结晶时形核数目增大，匀，再结晶时形核数目增大，再结晶后的晶粒也比较细小、再结晶后的晶粒也比较细小、均匀。均匀。第43页，共51页，编辑于2022年，星期三第四节第四节 金属的热塑性变形金属的热塑性变形（热变形加工）（热变形加工）第44页，共51页，编辑于2022年，星期三热变形和冷变形热变形和冷变形热变形加工热变形加工再结晶温度再结晶温度以上以上的加工变形，变形过程中的加工变形，变形过程中发生发生再结晶，再结晶，会会消除消除加工硬化。加工硬化。冷变形加工冷变形加工以下以下，不发不发 ，不会不会，产生，产生。例如：例如：钨的再结晶
26、温度约为钨的再结晶温度约为12001200，因此钨在，因此钨在10001000下的加工下的加工变形仍为冷变形。变形仍为冷变形。锡的再结晶温度为锡的再结晶温度为-7-7，因此锡在室温下的加工变形仍为热变，因此锡在室温下的加工变形仍为热变形。形。第45页，共51页，编辑于2022年，星期三热变形对金属组织和性能的影响热变形对金属组织和性能的影响改善铸造组织，提高性能改善铸造组织，提高性能铸态金属中的气孔、疏松被焊合，材料的致密铸态金属中的气孔、疏松被焊合，材料的致密度提高，铸态的大枝晶粒被打碎，获得细小的度提高，铸态的大枝晶粒被打碎，获得细小的等轴晶粒。等轴晶粒。第46页，共51页，编辑于2022
27、年，星期三热变形对金属组织和性能的影响热变形对金属组织和性能的影响形成热变形加工的纤维组织形成热变形加工的纤维组织流线流线热变形时，铸态组织中的偏析物和夹杂物会沿热变形时，铸态组织中的偏析物和夹杂物会沿变形方向拉长，形成变形方向拉长，形成“流线流线”，使材料的性能，使材料的性能具有方向性，沿流线方向的性能比垂直流线方具有方向性，沿流线方向的性能比垂直流线方向更好。因此，向更好。因此，制造工件时，应尽量使工件的制造工件时，应尽量使工件的流线与受力方向一致。流线与受力方向一致。第47页，共51页，编辑于2022年，星期三第48页，共51页，编辑于2022年，星期三热变形对金属组织和性能的影响热变形
28、对金属组织和性能的影响热变形温度的影响热变形温度的影响加热温度过低，引起加工硬化，造成残余内加热温度过低，引起加工硬化，造成残余内应力；应力；加热温度过高，会引起材料的晶粒长大，力加热温度过高，会引起材料的晶粒长大，力学性能下降。学性能下降。第49页，共51页，编辑于2022年，星期三本本 章章 小小 结结机械零件加工制造过程中，往往伴随有大机械零件加工制造过程中，往往伴随有大量的金属的塑性变形。量的金属的塑性变形。研究金属材料的塑性变形过程及其组织、研究金属材料的塑性变形过程及其组织、性能的变化规律，对改进机械零件的加工性能的变化规律，对改进机械零件的加工工艺、提高产品的性能具有重要意义。工
29、艺、提高产品的性能具有重要意义。第50页，共51页，编辑于2022年，星期三本本 章章 重重 点点金属塑性变形的基本方式为滑移和孪生，滑移是通过位错金属塑性变形的基本方式为滑移和孪生，滑移是通过位错运动实现的。运动实现的。冷塑性变形对金属组织和性能的影响（加工硬化、纤维冷塑性变形对金属组织和性能的影响（加工硬化、纤维组织、形变织构、残余内应力）。组织、形变织构、残余内应力）。冷变形金属在加热时的变化（回复、再结晶、晶粒冷变形金属在加热时的变化（回复、再结晶、晶粒长大）。长大）。金属的塑性变形（热变形加工和冷变形加工）。金属的塑性变形（热变形加工和冷变形加工）。第51页，共51页，编辑于2022年，星期三