机械工程材料 新3

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1、第三章 金属的塑性变形与再结晶 l 金属塑性变形的主要特点及本质l 塑性变形对金属组织和性能的影响l 形变金属在加热过程中组织和性能变化规律l热加工与冷加工的本质区别及热加工的特点单晶体试样拉伸变形外力在晶面上的分解切应力作用下的变形正应力只能引起弹性变形及解理断裂。 只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。一、金属的塑性变形 l滑移：晶体在切应力的作用下，其中一部分相对于另一部分发生滑动的结果。产生滑移的晶面和晶向，分别称为滑移面和滑移方向。a.未变形 b.弹性变形 c.弹塑性变形 d.塑性变形 1.单晶体的塑性变形通过滑移和孪生两种主要方式进行特点 只能在切应应力作用下进进行 cos

2、cos 当P/F=s时，kscoscos k为临界切应力。拉力P与滑移方向夹角为 ，与滑移面法线夹角为 临界切应力：使晶体开始滑动的切应力滑移系：一个滑移面和其上一个滑移方向构成滑移方向对塑性变形的作用要大于滑移面的作用 特点滑移沿原子密排面(滑移面)、原子密排方向(滑移方向)进行体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格110111 110 111晶格滑移面滑移 方向滑移系三种典型金属晶格的滑移系 滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。 因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。韧性断口脆性解理断口特点产生滑移线

3、和滑移带滑移线：滑移的结果在晶体表面形成台阶若干条滑移线组成一个滑移带。铜拉伸试样表面滑移带滑移的同时，伴随晶体转动。特点滑移的机理现象： cr理论：Cu：6480Mpa cr实测：Cu：0.4080MPa Fe：10960Mpa Fe：2.75MPa cr单位面积上所有位错产生、运动阻力之和。 刚性滑移理论同一瞬间：a.大量原子同时滑移；b.每个原子移动距离为原子间距的整数倍位错滑移理论 a.在晶体某些部位形成位错； b.位错沿滑移线运动；c.位错运动到晶体表面后消失。同一瞬间 a.少数原子参与滑移；b.每个原子移动距离为一个原子间距的几分之一 。 同一瞬间：a.少数原子参与滑移；b.每个原

4、子移动距离为一个原子间距的几分之一晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。l孪生晶体在切应力作用下，其一部分沿一定的晶面(孪晶面) 产生一 定角度的切变。孪晶：切变后，变形部分的晶体位向发生了改变，以孪晶面 为对称面与未变形部分相互对称，对称的两部分晶体 即为孪晶。孪生变形较滑移变形所需临界切应力大，一般而言， f.c.c、b.c.c金属很少发生孪生变形，h.c.p金属较容易发 生。 孪生变形过程特点： （1）不同时塑性变形。“软位向” 45，“硬位向” /，垂直。coscos（2）每个晶粒变

5、形时受周围不同位向晶粒的牵制（3）晶界有阻碍作用。（4）变形不均匀。2.多单晶体的塑性变形细晶强化:通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法。d减小，s增大。d减小， 塑性、韧性高： d较小，晶粒数增多，变形分散且均 匀，无应力集中；d较小，晶界增多，裂纹扩展要走迂 回曲折的道路。2、多晶体的塑性变形多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。细晶强化通过晶粒细化使强度提高、塑性提高 、韧性提高，硬度提高的现象。 强化原理晶界原子排列较不规则缺陷多滑移阻 力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗 力越大，则强度越大。晶粒越细小，单位体积晶粒多变形分散减少应力集

6、中 晶粒越细小，晶界多不利于裂纹的传播断裂前承受较 大的塑性变形，则塑性越好。 由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要 消耗较大的功。因而韧性也较好。二、塑性变形对金属组织和性能的影响 塑性变形强度、硬度，塑性、韧性，电阻，抗蚀性。 1、塑性变形对金属组织的影响 （1）显微组织的变化 形成“纤维组织”； （2）亚结构的细化 位错缠结、晶粒破碎； （3）织构现象的产生织构: 在塑性变形过程中，晶粒转动，当变形量达到一定程度(7090%以上)时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致。缺陷： 制耳；优点： 使硅钢片的特定晶界、 晶向平行于磁力线方向，提高导磁率 2、塑性变形对金属

7、性能的影响 (1)对力学性能的影响强度、硬度，塑性、韧性 (2)残余应力 材料经塑性变形后残存在内部的应力。其产生是由于金属内部各区域变形不均匀所致； 是一种弹性应力，在金属中处于自相平衡的状态；分三种：a. 宏观残余应力(第一类内应力) 由宏观变形不均匀引起，使工件变形；b. 微观残余应力(第二类内应力) 由晶粒或亚晶粒间变形不均匀引起，使工件内 部产生微裂纹 c. 晶格畸变应力(第三类内应力)；由晶格畸变引起，使工件强度、硬度，塑性、抗蚀性。 (3) 对理化性能的影响电阻率； 电阻温度系数；导磁率； 导热率； 腐蚀。 l加工硬化 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高， 塑性、韧性下降的

8、现象。冷塑性变形量，%屈服强度，MPa1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量，%伸长率，%1040钢 (0.4%C)黄铜铜三、变形金属在加热时组织与性能的变化 1、回复 经过冷变形的金属加热时，在显微组织发生变化前所发生的一些亚结构的改变过程。特点： 温度低。TT再显微组织没有明显变化；力学性能变化不大；残余应力显著降低；理化性能基本恢复到变形前。应用：低温去应力退火(如深冲黄铜弹壳，会自动变形，甚至开裂） 变形金属加热到较高温度时， 由于原子扩散能力增加，在晶格畸 变严重处形成一些位向与变形晶粒 不同，内部缺陷减少的等轴小晶粒， 这些小晶粒不断向外扩展长大，直 至金属中的变形金属全部被等

9、轴晶 取代，即冷变形组织完全消失， 这一过程为再结晶。（1）性能变化 （位错密度），强度、硬度，塑性、韧性，内应力消除。2、再结晶再结晶温度：工业条件下定义：经大变形量(70%以上)的金属，在一 小时的保温时间内全部完成再结晶所需的最低温度。 预先变形程度：程度，T再；加热速度与保温时间：V，t热，T再；t保，扩散，T再；原始晶粒度：d，内能，T再；残金属纯度及成分：杂质使T再，但过量，反而使T再， 各种工业纯金属的最低再结晶温度与其熔点间存在以下关系 ：T再0.350.40T熔(2)影响再结晶温度的因素生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。 再结晶退火温度比再结晶温度高100200。

10、(3)再结晶后晶粒度的影响因素预先变形程度 实质上是变形均匀程度的影响.临界变形度：冷变形量。210% 。 金属获得粗大的再结晶晶粒的。加热温度与保温时间：T，t，晶粒。再结晶全图： 加热温度、冷变形程度、晶粒大小关系图。加热温度和保温时间对晶 粒度的影响（3）晶粒长大再结晶后，形成等轴晶，若T，或t，则d。是一个自发过程：d ，晶界面积，表面能，是一个能量降低的自发过程 。实质：晶界迁移。正常长大与异常长大：正常长大：再结晶后的晶粒细而均匀，长大时均匀；异常长大：再结晶后的晶粒大小不均匀，大晶粒吞并小晶粒，形成异常粗大的晶粒。(二次再结晶)四、金属的热加工及组织性能的变化问题： 金属锡Sn

11、（再结晶温度为：-7）在室温27加工变形，金属铁Fe (再结晶温度为：400)在380加工变形，金属钨W(再结晶温度为：1200)在1100加工变形，上述金属的变形各属于热加工还是冷加工？ 热加工在再结晶温度以上的加工变形。冷加工在再结晶温度以下的加工变形。 不能以温度高低区分热、冷加工。1. 热加工的特点(1)容易变形；(2)同时进行着加工硬化和再结晶软化过程(动态再结晶) (3)易发生氧化，表面精度、光洁度低。 金属的冷热加工模锻自由锻轧制正挤压反挤压拉拔冲压(2)纤维组织(锻造流线) 2. 对组织性能的影响吊钩要切削加工吗？滚压成型后螺纹内部的纤维分布在制定加工工艺时，应使流线分布合理，

12、尽量与拉应力方向一致。(1) 改善铸态金属的组织、性能l 气孔闭合，致密度增加； l 粗大枝晶和柱状晶破碎，细化晶粒，消除偏析l 脆性杂质被打碎，沿金属主要伸长方向呈碎粒状、链状分布； l 塑性杂质沿主要伸长方向呈带状 问题(3)带状组织经热锻或热轧后，具有明显的层状特性组织。原因：成分偏析未被消除。消除：通过多次正火或扩散退火。巨型自由锻件锻压热加工动态再 结晶示意图l热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。 一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温 下加工困难的工件。 l冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺 寸精度及表面光洁度要求高的工件。问题1：金属铸件是否能通过再结晶退火来细化晶粒？ 解：不能。金属铸件未进行冷塑性变形，加热后不会发生再结晶 。 问题2：在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段 时间，再弯折铅板又象最初一样柔软，这是何原因？（铅 Pd的熔点：327.35） 解：Pd熔点的绝对温度为：327.35+273.15=600.5 T再=0.45600.5=270.2 0K 换算为摄氏温度：T再=270.2-273.15=-2.95故在室温条件下变形,属于热加工,会发生再结晶。再结晶退火工艺参数： T=T再+（100200）因此变形接近最低再结晶温度。再结晶速度V再与加工硬化速度V加比较：当V再V加无加工硬化现象；反之，V加V再会出现加工硬化现象。