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1、第五章 塑性变形 对金属组织与性能的影响,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1 金属的塑性变形 5.2 回复与再结晶 5.3 超塑性成形 5.4 金属的热加工,5.1金属的塑性变形,一单晶体与多晶体 单晶体：其组成原子按相同规律和空间取向排列的晶体。 多晶体：由许多空间取向不同的单晶体（晶粒）组成的晶体。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,一单晶体与多晶体 实际金属多晶体塑性变形复杂； 单晶体单晶体塑性变形主要是滑移变形，其次是孪生变形； 单晶体具有各向异性，多晶体则无各向异性。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,二单晶体的塑性
2、变形 1、滑移变形 （1）滑移的显微观察,产生滑移的晶面称为滑移面， 由射线结构分析表明，滑移面两侧的晶体结构类型并未发生改变。晶格的空间位向大致相同，这种塑性变形称为滑移变形。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,二单晶体的塑性变形 1、滑移变形 （1）滑移的显微观察,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,二单晶体的塑性变形 1、滑移变形 （2）滑移的作用力 在任一晶面上，外力可分解为垂直于晶面的正应力N和平行于晶面的切应力。 正应力N：使晶体发生弹性变形，当 大于原子结合力时，则晶体发生断裂。 切应力：使晶体发生弹性剪切变形，当 大于临界切
3、应力k时，即发生滑移变形。 滑移只与有关，与N无关。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,二单晶体的塑性变形 1、滑移变形 （3）滑移面、滑移方向及滑移系 滑移面与滑移方向： 发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。 滑移系：一个滑移面与其上一个滑移方向组成一个滑移系。一个滑移系表明晶体的一个滑移空间位向。 密排六方结构：如Mg、Zn有3个滑移系13 （面方向）； 体心立方结构：如Fe、Cr、W有12个滑移系62； 面心立方结构：如Ni、Cu、Al有12个滑移系43。 为什么滑移在原子最密排的晶面与晶向上进行？ 滑移面：原子最密排的晶面间距离最大，结合力就小，滑移易
4、于发生。 滑移方向：原子最密排的晶向上原子间距较小，在此晶向上滑移一个 原子间距所需的滑移功最小。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,二单晶体的塑性变形 1、滑移变形 （3）滑移面、滑移方向及滑移系, 面心立方滑移系43； 体心立方滑移系62； 密排六方滑移系13,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,二单晶体的塑性变形 1、滑移变形 （4）滑移的位错机制 按刚性滑移模型计算的临界分切应力比实测值大1000倍。说明刚性 滑移模型是不正确的。 塑性变形依靠晶体整体滑移非常困难，因为需要滑移面两侧晶体的 原子间键合几乎同时全部断开。,第五章 塑性
5、变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,二单晶体的塑性变形 1、滑移变形 （4）滑移的位错机制, 位错原理：即滑移的过程中滑移面上的原子不是整体作相对滑移，而是在切应力作用下，位错沿滑移方向逐次进行一个原子间距的滑移，当一个位错运动到晶体表面时，即形成一个原子间距的滑移量。如图4-6所示。根据位错移动模型计算的临界分切应力与实测值基本上吻合。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,二单晶体的塑性变形 2.滑移变形的特征 （1）滑移是位错的连续运动所致； （2）存在滑移临界分切应力，不同晶体结构临界分切应力不同； （3）原子移动距离是晶格常数的整数倍，滑移后仍保
6、持晶体结构的 完整性； （4）滑移发生在晶体的密排面和密排晶向上； （5）不同晶体结构的滑移系不同，滑移系越多，越容易塑性变形， 相同滑移系条件下，滑移方向越多，越容易塑性变形。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,二单晶体的塑性变形 3孪生变形 孪生变形是金属塑性变形的另一种形式。 孪生变形产生的条件：孪生的临界分切应力要比滑移大得多。故只有在金属滑移受到限制时才产生孪生。 孪生的概念：晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面与一定的晶向进行剪切变形。变形的结果，使变形部分与未变形部分的晶格位向沿孪生面形成镜面对称，好象孪生兄弟一样，故这种变形称为孪生。,第五章
7、 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,二单晶体的塑性变形 2孪生变形 发生剪切变形的那部分晶体称为孪晶带，简称孪晶。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,二单晶体的塑性变形 2孪生变形 孪晶的晶格类型没有改变，但它的晶格位向改变了。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,三、多晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形方式主要是：滑移与孪生，但同时也要考虑晶界与 晶粒位向的影响。 1、晶界的作用 晶界可以阻碍位错的通过和移动，使晶体具有较高的屈服强度。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,三、多晶体的塑性变形
8、2、晶粒位向差的影响 （1）晶粒位向 多晶体中，有的晶粒滑移系处于有利于滑移的软位向。有的晶粒滑移系处于不利于滑移的硬位向。当软位向晶粒滑移时，必然会受到硬位向晶粒的阻碍，使滑移力增加。故同一金属，多晶体强度比单晶体强度要高。 （2）晶粒大小 在一定体积条件下： 晶粒越小，软位向的晶粒数量就越多，变形可分散在许多晶 粒内进行，因此变形比较均匀，可以避免应力集中。 晶粒越细，强度越高，塑性越好。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,四、塑性变形对金属组织和性能的影响 1、塑性变形对金属结构和组织的影响 （1）显微组织的变化 晶粒内出现滑移带： 纤维组织： （2）亚结构的
9、细化 在铸态金属结构中的亚结构（晶粒边 长约10-2mm），塑性变形后将细化至 10-4-10-6mm，这种细化后的亚晶粒称为 “形变胞”。变形越大，胞的数量越多。 胞周围晶格严重畸变，聚集了大量位 错，胞内晶格完整。,变形亚结构示意图 1-晶格较完整的亚晶块；2-严重畸变区,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,四、塑性变形对金属组织和性能的影响 1、塑性变形对金属结构和组织的影响 （3）变形织构的形成： 变形前，晶粒位向随机分布，变形量70%，金属的晶粒位向会大致 趋于一致，即形成变形织构。产生各向异性。,丝织构示意图,板织构示意图,第五章 塑性变形对金属组织与性能
10、的影响,5.1金属的塑性变形,四、塑性变形对金属组织和性能的影响 1、塑性变形对金属结构和组织的影响 （3）变形织构的形成 织构的形成明显的各向异性对材料加工成型性和使用性能产生影响。 织构一旦形成就很难消除 生产中为避免形成织构，大变形量零件可分成几次变形工序来完成，并在变形工序间进行退火，即可消除织构的产生。,经5%冷变形的纯铝中的位错网络,各向异性导致的“制耳”,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,四、塑性变形对金属组织和性能的影响 2、残余内应力与晶格畸变 （1）宏观内应力（第一类内应力） 变形较大部分受压应力，变形较小部分受拉应力。,第五章 塑性变形对金属组
11、织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,四、塑性变形对金属组织和性能的影响 2、残余内应力与晶格畸变 （2）微观内应力（第二类内应力） 晶粒或亚晶粒之间由于变形不均而引起的残余应力。 （3）晶格畸变力（第三类内应力） 塑性变形时，晶粒内部产生大量位错、空位等缺陷，使部分原子偏离平衡位置。产生晶格畸变而引起内应力。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.1金属的塑性变形,四、塑性变形对金属组织和性能的影响 3、塑性变形对性能的影响 （1）性能的变化 随变形量的增加，强度和硬度增加，塑性和韧性减小，此种现象即为加工硬化或冷作硬化。 加工硬化是强化金属的一种重要工艺方法。特别是对用热处理方法不能
12、强化的材料，如工业纯铜、黄铜、奥氏体不锈钢等。 （2）产生加工硬化的原因 随变形量的增加，两组或多组的滑移系开始滑移，位错就会产生交割，使位错移动受到牵制和阻碍，使变形抗力增加，产生加工硬化。 另一方面，晶粒破碎，形成胞状亚结构，胞的周围为聚集着大量位错的缠绕区，阻碍位错移动，使变形抗力增加。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.2 回复与再结晶,塑性变形后，晶体内存在严重晶格畸变，原子处于不稳定状态，有向稳定状态转变的趋势。 按加热温度不同，将变化过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.2 回复与再结晶,回复、再结晶和晶粒长大三个阶段与性
13、能的关系。,不同加热温度对变形金属组织与性能的影响,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.2 回复与再结晶,一、回复 T回 （0.250.3）T熔 K 组织与性能 加热温度不高时，组织没有明显的变化。 随加热温度升高，点缺陷的密度降低，电阻率明显下降； 晶体的畸变能下降，内应力有明显下降； 金属的机械性能基本没有变化，即强度、硬度下降很少，塑性提高不多。但抗腐蚀性有所提高。 晶粒内分散杂乱的位错会按照某种规律进行规则排列（攀移、滑移和多边化），见下图。 生产应用：去应力退火。 冷拉钢丝绕制的弹簧，绕成后在280300进行去应力退火。,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.2 回复与
14、再结晶,一、回复,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.2 回复与再结晶,二、再结晶 再结晶温度 纯金属：T结 （0.350.4）T熔 K 变形量在70%以上，保温一小时以内，能完成再结晶（已再结晶的体积95%）的最低温度，作为金属的再结晶温度。 组织与性能 金属的变形组织（如拉长的晶粒等）完全消失，形成了无晶格畸变的等轴细晶粒； 金属的强度、硬度显著下降，塑性显著提高； 再结晶有形核与长大的两个结晶过程。当变形量较小时，一般在原晶界的某些部位形核；当变形量较大时（如20%），一般由两个相邻的回复亚晶粒合并而形核。见下图。 再结晶前和后，金属的晶格类型没有改变，故再结晶不是一种相变。 生
15、产应用：再结晶退火。,吊车用钢丝,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.2 回复与再结晶,二、再结晶,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.2 回复与再结晶,三、晶粒长大 再结晶后的金属具有细小而均匀的晶粒，再结晶后如继续升温或延长时间，晶粒将会长大。 晶粒长大，金属的机械性能下降，一般不希望晶粒长大。 （1）影响晶粒长大的因素 1)加热温度与晶粒尺寸的关系,退火温度与晶粒尺寸的关系,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.2 回复与再结晶,三、晶粒长大 2)变形度 临界变形度 变形度达210%时，再结晶后晶粒变得十分粗大，这个变形度叫临界变形度。 原因：在临界变形度时，只有部
16、分晶粒变形，变形不均匀，退火时，只在少数产生塑性变形的部位形核，长大是吞并周围晶粒，形成十分粗大的晶粒，故冷变形时应避开临界变形度。 变形度大于临界变形度时，随变形度增加，晶粒逐渐变小。,变形度与结晶后晶粒 大小的关系,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.2 回复与再结晶,三、晶粒长大 2)变形度,低碳钢冷塑性变形后的显微组织,(a) 冷变形量30%,(b) 冷变形量50%,思考题：户外用的架空铜导线（要求一定的强度）和户内电灯用花线，在加工之后可否采用相同的最终热处理工艺？,第五章 塑性变形对金属组织与性能的影响,5.3 超塑性成形,1、超塑性成形的定义 许多金属或合金，在一定温度和应变速度等条件下，可以获得极大的均匀变形量（可达100%），材料的这种行为，称为超塑性。 2、具有超塑性的条件 极细小的晶粒 晶粒直径应小于0.005mm（5um）必须在高温变形，变形温度一般
