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1、第四章金属的塑性变形与再结晶本讲稿第一页，共四十三页第四章 金属的塑性变形与再结晶(P43)第一节 金属塑性变形的微观机制第二节 塑性变形对金属组织和性能影响第三节第三节 加热对冷变形金属组织和性能的影响加热对冷变形金属组织和性能的影响第四节 金属的热变形加工本讲稿第二页，共四十三页第四章 金属的塑性变形与再结晶(P43)轧制挤压拉拔锻压冲压压力加工压力加工：是利用金属的塑性，使其改变形状改变形状、尺寸和改善性能改善性能，获得型材、棒材、线材或锻压件的加工方法。本讲稿第三页，共四十三页第一节 金属塑性变形的微观机制一、塑性变形的基本形式（P43）当单晶体受拉力F时，在一定的晶面上分解为垂直于晶
2、面的正正应应力力N N和平行于晶面的切切应应力力。图应力的分解本讲稿第四页，共四十三页第一节 金属塑性变形的微观机制一、塑性变形的基本形式（P43）正应力正应力只能使晶体产生弹性变形和断裂脆性断裂本讲稿第五页，共四十三页一、塑性变形的基本形式（P43）切切应应力力使晶体产生滑滑移移。延性断裂（断口呈纤维状，且灰暗无光泽）本讲稿第六页，共四十三页一、塑性变形的基本形式（P43）单晶体的塑性变形方式塑性变形方式主要有两种：（一）滑移（一）滑移 （二）孪生 本讲稿第七页，共四十三页一、塑性变形的基本形式（一）滑移（P43）w晶体塑性变形时，分切应力使晶体内部上下两部分的原子沿着某特定的晶面相对移动，
3、这种现象称为滑移滑移。w它主要发生在原子排列最紧密原子排列最紧密或较紧密的晶面上，并沿着这些晶面上原子排列最紧原子排列最紧密的方向密的方向进行。本讲稿第八页，共四十三页一、塑性变形的基本形式（一）滑移（P43）1 1、滑移系、滑移系1）滑滑移移面面：发生滑移的面。2）滑滑移移方方向向：发生滑移的方向。3）滑滑移移系系：晶体中每个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。滑滑移移系系越越多多，塑性越好。塑性越好。12本讲稿第九页，共四十三页一、塑性变形的基本形式（一）滑移（P43）l滑移带l滑移线本讲稿第十页，共四十三页（一）滑移（一）滑移（P44）2 2、引起滑移的临界切应力引起滑移的临界切
4、应力1）滑移面内的切应力分解到滑移方向上的分切应力分切应力是晶体产生滑移的动力。2）分切应力：coscos（为滑移面与外力的夹角；为滑移方向与外力的夹角）3）coscos被称为取向因子取向因子，分切应力大的位向称为软软位向位向，反之为硬位向硬位向。4）能使滑移系产生滑移的最小分切应力值称为临界临界切应力切应力：c=scoscos本讲稿第十一页，共四十三页（一）滑移3、滑移是怎样进行的（P43）滑移是由位错的移动来实现的本讲稿第十二页，共四十三页（二）孪生（孪晶）（P46）w所谓孪生所谓孪生，就是晶体中的一部分原子对应特定的晶面（孪生面）沿着一定晶向（孪生方向）产生剪切变形。本讲稿第十三页，共四
5、十三页（二）孪生（孪晶）（P46）孪生与滑移的主要区别是：发生滑移后，晶体已变形区和未变形区位向位向没有发生变化，而孪生就使晶体两部分位向发生了变化。本讲稿第十四页，共四十三页二、实际金属的塑性变形（P46）1、晶界及晶粒位向的影响晶界及晶粒位向的影响：晶界抵抗塑性变形的能力较晶粒本身要大，多晶体中,由于晶界上原子排列不很规则,阻碍位错的运动,使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。多晶体塑性变形示意图本讲稿第十五页，共四十三页二、实际金属的塑性变形2、实际金属塑性变形过程（P46）w多晶体中每个晶粒位向不一致位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应
6、力方向(称晶粒处于软位向),另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。w当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其它晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。本讲稿第十六页，共四十三页二、实际金属的塑性变形2、实际金属塑性变形过程（P46）w晶粒越细，晶界面积越大，对位错的阻力越大，多晶体的强度就越高。w晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，因此使金属的塑性提高。w由于细晶粒金属的强度较高，塑性较好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。因此
7、细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。本讲稿第十七页，共四十三页第二节 冷塑性变形对金属组织和性能的影响（P47）一、产生一、产生纤维组织纤维组织金属发生塑性变形后,晶粒发生变形,沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时,晶粒变成细条状 (拉伸时),金属 中的夹杂物也被 拉长,形成纤维 组织。本讲稿第十八页，共四十三页第二节 冷塑性变形对金属组织和性能的影响（P48）一、产生产生加工硬化加工硬化 金属发生塑性变,随变形度的增大,金属的强度和硬度显著提高,塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化加工硬化,也叫形变强化。本讲稿第十九页，共四十三页第二节 冷塑性变形对金属组织和性能的影响（P48）w
8、产生加工硬化的原因产生加工硬化的原因是：金属发生塑性变形时,位错密度增加,位错间的交互作用增强,相互缠结,造成位错运动阻力的增大,引起塑性变形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎细化,使强度得以提高。在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。本讲稿第二十页，共四十三页第二节 冷塑性变形对金属组织和性能的影响（P48）三、产生形变织构产生形变织构 金属塑性变形到很大程度(70%以上)时,由于晶粒发生转动,使各晶粒的位向趋近于一致,形成特殊的择优取向,这种有序化的结构叫做形变织构。本讲稿第二十一页，共四十三页第二节 冷塑性变形对金属组织和性能的影响（P49）产生各向异性产生各向异性 由于纤维组织和形
9、变织构的形成,使金属的性能产生各向异性各向异性。如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的。本讲稿第二十二页，共四十三页第二节第二节冷塑性变形对金属组织和性能冷塑性变形对金属组织和性能的影响的影响（P49）四、产生残余的内应力产生残余的内应力w宏观内应力（第一类内应力）0.1%w晶间内应力（第二类内应力）1%2%w晶格畸变内应力（第三类内应力）90%以上本讲稿第二十三页，共四十三页第二节 冷塑性变形对金属组织和性能的影响（P49）w对物理、化学性能的影响：对物理、化学性能的影响：塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大电阻增大,耐腐蚀性降低耐腐蚀性降低本讲稿第二十四页，共四十三页第三节
10、 加热对冷变形金属的组织和性能的影响（P49）金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化。如果对变形后的金属进行加热，金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复回复、再结晶再结晶和晶粒长大晶粒长大过程。本讲稿第二十五页，共四十三页一、回复（P50）变形金属在较低温度进行加热，晶粒的形态形态没有发生变化，只是晶格畸变畸变大为降低，这个过程称为形变金属的回复回复。本讲稿第二十六页，共四十三页一、回复（P50）w晶格畸变降低的原因：1）空位和间隙原子相互作用而减少；2）位错交互作用或按一定规律排列。w回复后性能变化：1）变形残余应力变形残余应力大幅度下降；2）力
11、学性能仍保留着加工硬化加工硬化效果。本讲稿第二十七页，共四十三页二、再结晶（P50）1 1、变形金属的再、变形金属的再结晶结晶:当变形金属加热到一定温度后，一批新生的等轴晶等轴晶取代了原来的变形晶粒变形晶粒，完成了一次新的结晶过程，这种变形金属的重新结晶称为再结晶。本讲稿第二十八页，共四十三页二、再结晶（P50）w再结晶的特点再结晶的特点:只是晶粒形态和大小发生了变化，晶体结构没有改变，正是此原因才称为再结晶，以别于重结晶。w再结晶后性能变化再结晶后性能变化:残余应力全部消除；加工硬化全部消失，力学性能恢复到变形前的水平。本讲稿第二十九页，共四十三页二、再结晶（P51）2 2、再结晶温度、再结
12、晶温度:变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围，并非某一恒定温度。一般所说的再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再),通常用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属,经一小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度与该金属的熔点有如下关系：T再再=(0.350.4)T熔点熔点 式中的温度单位为绝对温度(K)。本讲稿第三十页，共四十三页影响再结晶温度的因素（P51）1 1）变形量的影响：）变形量的影响：变 形 度 越 大,再 结晶温度越低。因为预 先 变 形 度 越 大,金属的晶体缺陷就越 多,组 织 越 不 稳定。本讲稿第三十一页，共四十三页影响再结晶温度的因素影响再结晶温度的因
13、素（P51）2）原始晶粒度原始晶粒度的影响:变形前的晶粒越粗大，再结晶温度越高。3）化学成分化学成分的影响:杂质和合金元素特别是高熔点元素,阻碍原子扩散和晶界迁移,可显著提高最低再结晶温度。4）加热速度和保温时间加热速度和保温时间：提高加热速度会提高再结晶温度；增加保温时间可以降低再结晶温度。本讲稿第三十二页，共四十三页二、再结晶（P51）3 3、再再结结晶晶退退火火：把变形金属加热到再结晶温度以上的温度保温，使变形金属完成再结晶过程的热处理工艺。主要目的是消除加工硬化消除加工硬化现象。为了尽量缩短退火周期并且不使晶粒粗大，一般情况下把退火工艺温度取为最低再结晶温度以上100200。钢的再结晶
14、退火温度可选680720。本讲稿第三十三页，共四十三页三、晶粒长大（P51）l再结晶完成后的晶粒是细小的,但如果加热温度过高或保温时间过长时,晶粒会明显长大,最后得到粗大晶粒的组织,使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。l一般情况下晶粒长大是应当避免发生的现象。本讲稿第三十四页，共四十三页三、晶粒长大（P51）w在通常情况下，这种晶粒的长大是逐步地缓慢进行的，称为正常长大正常长大。w某些因素（如：细小杂质粒子、变形机构）阻碍晶粒正常长大，但一旦这种阻碍失效，常会出现晶粒突然长大，这种晶粒不均匀地急剧长大现象称为二次再结晶二次再结晶。本讲稿第三十五页，共四十三页四、影响再结晶后晶粒
15、大小的因素（P52）1 1、加热温度的影响、加热温度的影响 加热温度越高,再结晶 晶粒也越大。晶粒度再结晶退火温度图416加热温度与再结晶晶粒度的关系本讲稿第三十六页，共四十三页四、影响再结晶后晶粒大小的因素（P52）2、变形度的影响、变形度的影响:主要与金属变形的均匀度有关。变形越不均匀,再结晶退火后的晶粒越大。当变形度达到210%时，得到极粗大的晶粒。使晶粒发生异常长大的变形度称作临界变形度。当变形度过大（约90%)时,晶粒可能再次出现异常长大,一般认为它是由形变织构造成的。本讲稿第三十七页，共四十三页第四节 金属的热变形加工（P53）一、热变形加工与冷变形加工的区别一、热变形加工与冷变形
16、加工的区别w冷变形加工：再结晶温度以下冷变形加工：再结晶温度以下的变形。的变形。可以达到较高精度和较低的表面粗糙度，有加工硬化的效果，变形抗力大，一次变形量有限。w热变形加工：再结晶温度以上热变形加工：再结晶温度以上的变形。本讲稿第三十八页，共四十三页二、热变形对金属组织和性能的影响（P53）w由于温度处于再结晶温度以上，金属材料发生塑性变形后，随即发生再结晶过程。因此塑性变形引起的加工硬化效应随即被再结晶过程的软化作用所消除，使材料保持良好的塑性状态良好的塑性状态。w热变形加工虽然没有加工硬化现象没有加工硬化现象，但也会使金属的组织和性能发生很大的变化组织和性能发生很大的变化。本讲稿第三十九
17、页，共四十三页二、热变形对金属组织和性能的影响（P53）1、可以焊合铸态金属中的气孔、显微裂纹气孔、显微裂纹等，提高金属的致密度；2、可以破坏铸态的大枝晶和柱状晶，并发生再发生再结晶使晶粒细化结晶使晶粒细化；本讲稿第四十页，共四十三页二、热变形对金属组织和性能的影响（P53）3 3、产生热变形纤维组织（流线）、产生热变形纤维组织（流线）热加工能使金属中残存的枝晶偏析、可变形夹杂物和第二相沿金属流动方向被拉长，形成纤维组织(或称“流线”)，使金属的机械性能特别是塑性和韧性具有方向性，纵向上的性能显著大于横向上的。因此热加工时应力求工件流线分布合理。本讲稿第四十一页，共四十三页二、热变形对金属组织和性能的影响（P53）锻造曲轴的合理流线分布锻造曲轴的合理流线分布，可保证曲轴工作时所受的最大拉应力与流线一致，而外加剪切应力或冲击力与流线垂直，使曲轴不易断裂。a）锻造曲轴b）车削曲轴本讲稿第四十二页，共四十三页作业（P54）第4、5、7、8、9题。本讲稿第四十三页，共四十三页