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1、第五章材料的变形 第一节金属的塑性变形与再结晶 第二节高分子材料的变形 第三节陶瓷材料的变形 第一节金属的塑性变形与再结晶 一 金属的塑性变形与强化 二 塑性变形对组织和性能的影响 三 变形金属在加热过程中组织和性能的变化 四 金属的热加工 变形后的金属材料再加热时 其内部组织和性能会发生很大变化 因此研究金属材料的塑性变形及变形后不规则加热时的组织与性能的变化 对于制定零件的加工工艺和保证零件的质量是非常重要的 一 金属的塑性变形与强化 1 单晶体金属的塑性变形 2 滑移的机理 3 多晶体金属的塑性变形与细晶强化 4 合金的塑性变形与强化 1 单晶体金属的塑性变形 单晶体受力后 外力在任何晶
2、面上都可分解为正应力和切应力 正应力只能引起弹性变形及断裂 只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形 将表面抛光的纯锌单晶体进行拉伸试验 在试样的表面上出现了许多互相平行的倾斜线条的痕迹 称为滑移带 指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对滑动位移的现象 滑移 晶体滑移后 在其表面上出现滑移痕迹 通常称为滑移带 在电子显微镜下观察发现 任何一条滑移带都是由若干条滑移线组成的 滑移带 金属塑性变形最基本的方式是滑移 图5 2滑移带和滑移系的示意图 滑移面与滑移方向构成一个滑移系 滑移变形具有以下特点 1 滑移在切应力作用下产生 产生滑移的最小切应力称为临界切应力 2 滑移沿原子
3、密度最大的晶面和晶向发生 原子排列最密的晶面和晶向最容易发生滑移 立方晶格塑性比密排立方晶格好 面心立方晶格塑性比体心立方晶格好 3 滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍 4 滑移的同时伴随着晶体的转动 两种转动 一是滑移面向外力轴向转动 二是在滑移面上滑移方向向最大切应力发行的转动 2 滑移的机理 实际上晶体内部存在着很多位错 滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的 上图左侧有一个刃型位错 在切应力作用下该位错沿滑移面逐步向右运动 当其运动出晶体时便在右侧表面形成了滑移量为一个原子间距大小的台阶 若有大量位错移出 则会在金属表面形成一条滑移线 图5 3晶体中通过位错运动而造成滑移的示
4、意图 3 多晶体金属的塑性变形与细晶强化 晶粒变形的不同时性 晶粒间变形的相互约束性 晶界的强化作用 处于有利位向 软位向 的晶粒先滑移 处于不利位向 硬位向 的晶粒后滑移 先滑移的晶粒必然受到在它周围晶粒的约束 晶粒间的这种约束使晶体的强度提高 晶界是滑移的障碍 使得晶界变形抗力较大 即晶界导致强度提高 晶粒越小 晶界越多 其强度和硬度就越高 细晶强化 通过细化晶粒来同时提高金属的强度和硬度 塑性和韧性的方法 细晶强化是金属的一种重要的强韧化手段 在实际生产中得到广泛应用 另 晶粒越细 单位体积内晶粒数目越多 在同样的变形量下同时参与变形的晶粒数目也越多 变形越均匀 不易造成局部应力集中 也
5、不会导致开裂 所以晶粒越细 其塑性和韧性越好 4 合金的塑性变形与强化 合金中由于含有合金元素而使其晶格发生了畸变 因而也使它的性能发生显著变化 多相合金的塑性变形与弥散强化 单相固溶体的塑性变形与固溶强化 单相固溶体的塑性变形与固溶强化 单相固溶体合金的塑性变形过程与多晶体纯金属相似 但由于固溶体存在着溶质原子 有固溶强化现象 固溶强化是提高金属材料性能的一个重要途径 固溶强化原因 溶质原子使固溶体的晶格发生畸变 阻碍了位错的移动 并且在位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用 使运动位错受阻 这两方面的原因 提高了固溶体的变形抗力 多相合金的塑性变形与弥散强化 多相合金也是多晶体 但其中有些
6、晶粒是另一相 有些界面是相界面 当第二相在晶界上呈网状分布时 对强度和塑性都不利 当在晶内呈层片状分布时 可提高强度和硬度 但会降低塑性和韧性 当在晶内呈弥散质点分布时 塑性 韧性会稍降低 但可显著提高强度和硬度 且质点越细 越多 合金的强度 硬度越高 弥散强化是合金的主要强化方法之一 二 塑性变形对组织和性能的影响 2 形变织构的产生 3 塑性变形对金属性能的影响 4 残余内应力 1 塑性变形对金属显微组织的影响 晶粒会沿着变形方向伸长成为长条形或扁平形晶粒 形成纤维组织 塑性变形也会使晶粒内部的亚结构发生变化 使晶粒破碎成亚晶粒 2 形变织构的产生 当金属的变形量很大时 由于晶粒的转动 会
7、使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致 这种现象称织构或择优取向 形变织构使金属呈现各向异性 在深冲零件时 易产生 制耳 现象 使零件边缘不齐 厚薄不匀 但织构可提高硅钢片的导磁率 3 塑性变形对金属性能的影响 在塑性变形的过程中 随着金属内部组织的变化 金属的性能也将产生变化 随着变形程度的增加 金属的强度 硬度提高 而塑性 韧性下降 这一现象称为 加工硬化 或 形变强化 在塑性变形过程中晶体内位错 空位等缺陷的密度逐步增加 造成位错间相互缠结 使位错运动困难 从而提高了强度 加工硬化产生的原因 由于加工硬化现象使金属的塑性下降 会给材料的进一步加工带来困难 不得不增加中间退火工序 降低
8、了生产率 增加了生产成本 加工硬化也是强化金属的重要手段之一 尤其对于那些不能以热处理强化的金属和合金更为重要 但由于加工硬化的存在 使已变形部分发生硬化而停止变形 而未变形部分开始变形 即加工硬化促使金属变形更加均匀 4 残余内应力 金属发生塑性变形时 外力所做的功大部分转化为热能 只有10 留在金属内 形成残余内应力 第一类内应力 宏观内应力 存在于金属表层与心部之间 由于金属材料各个部分变形不一致而形成的 第二类内应力 微观内应力 存在于晶粒之间 由于晶粒之间变形不均匀造成的 第三类内应力 点阵畸变 残余内应力的存在 还会使金属耐蚀性下降 引起零件加工 淬火过程中的变形和开裂 因此 金属
9、在塑性变形后 通常要进行退火处理 以消除或降低内应力 存在于晶体缺陷中 由于晶体缺陷增加引起点阵畸变而造成的内应力 第三类内应力是形变金属中的主要内应力 占90 以上 是金属强化的主要原因 而第一 二类内应力都使金属强度降低 第三类内应力 点阵畸变 三 变形金属在加热过程中组织和性能的变化 金属材料在冷变形加工后 为了消除残余应力或恢复其某些性能 如提高塑性 韧性 降低硬度等 一般要对金属材料进行加热处理 而加工硬化虽然使塑性变形比较均匀 但却给进一步的冷成形加工带来困难 所以常常需要将金属加热进行退火处理 以使其性能向塑性变形前的状态转化 对冷变形金属加热 会使原子扩散能力增加 金属将依次发
10、生 图5 4变形金属在不同加热温度时晶粒大小和性能的变化示意图 3 晶粒长大 1 回复 2 再结晶 回复时组织和性能的变化 组织没有明显变化 晶粒保持纤维状 强度 硬度 塑性 韧性变化不大 残余应力显著降低 应用 对加工硬化的金属进行低温退火 使其内应力基本消除 但同时保持强化了的力学性能 如冷卷弹簧在卷制之后都要进行一次250 300 的低温退火 或称去应力回火 指在加热温度较低时 由于金属中的点缺陷及位错的近距离迁移而引起的晶内某些变化 晶格畸变减轻 残余应力显著下降 1 回复 特点 组织发生变化 加工硬化现象得到消除 即强度硬度显著降低 塑性韧性明显提高 内应力完全消除 如果将变形金属加
11、热到更高温度 使原子具有更强的扩散能力 就会以滑移面上的碎晶块为晶核 结晶为细小均匀的无变形的等轴晶粒 这个过程称为再结晶 2 再结晶 铁素体变形后 加热时所发生的显微组织变化 变形后为破碎拉长的晶粒 经过再结晶 得到了新的等轴晶粒 再结晶不是一个恒温过程 它是自某一温度开始 在一个温度范围内连续进行的过程 发生再结晶的最低温度称再结晶温度 其中T再 T熔为绝对温度 单位为K 金属的熔点越高 T再也越高 T再 0 4T熔 再结晶也是一个晶核 以碎晶或杂质为核心 形成和长大的过程 但不是相变过程 它没有新相产生 再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同 再结晶刚刚完成后的晶粒是无畸变的等轴晶粒
12、 如果继续升高温度或延长保温时间 晶粒之间就会相互吞并而长大 使金属的强度显著降低 3 晶粒长大 黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片 4 影响再结晶后晶粒度的因素 1 加热温度与保温时间的影响 再结晶退火温度对晶粒度的影响 加热温度越高 保温时间越长 金属的晶粒越粗大 加热温度的影响尤为显著 这是由于加热温度升高 原子扩散能力和晶界迁移能力增强 有利于晶粒长大 2 预先变形程度的影响 大于临界变形度时 变形度越大 退火后晶粒尺寸越小 临界变形度 金属冷变形后再结晶时晶粒极易长得粗大 这时所对应的应变量 称为临界变形度 金属材料的临界变形度一般为 2 10 图5 6预先变形程度对晶粒度的影响
13、 60 变形 纯铁 不同退火温度对再结晶后晶粒大小的影响 纯铁经60 变形 60 变形后450 退火 60 变形后500 退火 60 变形后700 退火 60 变形后600 退火 60 变形后800 退火 3 变形后经550 退火 6 变形后经550 退火 9 变形后经550 退火 12 变形后经550 退火 15 变形后经550 退火 冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响 纯铝片试样 四 金属的热加工 热加工 在再结晶温度以上的加工过程 冷加工 在再结晶温度以下的加工过程 1 热加工与冷加工的区别 如Fe的最低再结晶温度为450 故即使它在400 进行加工变形仍应属于冷变形 而Pb的再结晶温
14、度为 33 则其在室温下的加工也是热加工 热变形加工在变形的同时进行着动态再结晶 即热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消 因而热加工不会带来加工硬化效果 热加工动态再结晶示意图 2 热加工对金属组织和性能的影响 1 改善铸锭组织 可消除钢锭中的某些缺陷 如将疏松和气泡焊合 粗大柱状晶打碎 提高钢的性能 2 带状组织 复相合金中的各个相 在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布 这种组织称为带状组织 带状组织 带状组织会降低金属的强度 塑性和冲击韧性 对性能极为不利 轻微的带状组织可以通过正火来消除 3 热加工流线 曲轴中的流线分布 a 锻造变形 b 切削加工 左图所示锻造而成曲轴流
15、线分布合理 而右图曲轴是由切削加工而成 其流线分布不合理 在轴肩处容易断裂 第二节高分子材料的变形 一 高聚物的物理状态 二 高聚物的变形特点 一 高聚物的物理状态1 线型非晶态高聚物的物理状态玻璃在玻璃化温度Tg以下只发生弹性形变 在Tg以上产生粘性流动 1 玻璃态高聚物处于线弹性阶段 应力与应变成正比 外力去除 变形立即消失 变形量很小 2 粘弹态与高弹态高弹态高聚物的重要特征 可回复的弹性变形量高达100 1000 弹性模量比普通弹性材料小三个数量级 高弹态高聚物变形时生热 回弹时放热 3 粘流态 2 结晶高聚物的物理状态如果高聚物是完全结晶的 和低分子晶体材料类似 部分结晶时 未结晶区
16、域将保持线型非晶态高聚物的特性 部分结晶的高聚物存在有一种既韧又硬的皮革态 随着结晶度的增加 熔点提高 高弹态缩小 至完全结晶时高弹态消失 3 高聚物的交联结构对其物理状态的影响不同组成 相对分子质量大小 结晶度和交联密度的高分子材料 对各种外部条件的反应特性不同 其敏感性及变化幅度都比金属材料大 二 高聚物的变形特点1 高聚物的弹性变形高聚物具有高弹性的必要条件是要有柔性链 但是柔性好的链容易引起链间滑动而造成粘性流动 所以必须采用分子链间的适当交联防止链间的滑动 2 高聚物的粘弹性变形皮革态的变形是粘弹性变形 理想的弹性固体材料受力时产生弹性变形与时间无关 即变形与外力同步 高聚物受力后产生的宏观变形 通过调整内部分子链构象来实现 3 线型高聚物的变形特点 冷变形 对无定形塑料在Tg以下约50 左右 对结晶态塑料在晶体相熔点以下 线型高聚物的变形行为主要取决于玻璃化温度Tg 4 体型高聚物的变形特点热固性塑料是刚硬的三位网络结构 分子不易运动 拉伸时 表现出脆性金属一样的变形特性 压缩时 容易剪切屈服 并有大量变形 在屈服之后有 应变软化 现象 第三节陶瓷材料的变形 一 陶瓷材料的
