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1、,第三章 金属的塑性变形与再结晶,第一节 金属的变形过程,第二节 塑性变形对金属组织,第三节 金属的回复与再结晶,第四节 金属的热加工,第五节 金属的断裂,与性能的影响,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。,外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。,第一节 金属的变形过程,一、金属的弹性变形,原子间作用力与原子间距的关系,金属弹性变形主要的三个特点： 1、可逆性； 2、变形量小； 3、应力应变呈线性关系：=E.,弹性模量取决于原子间结合力,二、金属的塑性变形,锌单晶的拉伸照片,光滑试样在拉伸过程中，表面会出现许多相平行的倾斜线条的痕迹，称滑移
2、带。,滑移：一部分晶体沿着某一晶面和晶向相对于另一部分晶体滑动,滑移带间的晶体结构未发生改变。,1、外力在单晶体任何晶 面上都可分解为正应 力和切应力。 正应力引起弹性变形 及解理断裂。 切应力的作用下金属 晶体产生塑性变形。,外力在晶面上的分解,锌单晶的拉伸照片,滑移变形特点：,2、滑移常沿晶体中原子密度 最大的晶面和晶向发生。,沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移 面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和 密排方向。,一个滑移面和 其上的一个滑 移方向构成一 个滑移系。,滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑 性也越好。 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
3、格。,3、滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。,铜拉伸试样表面滑移带,压缩时晶体滑移转动示意图,4、两部分晶体的转动,转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分 量组成了力偶。,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。,滑移的机理,P,P,刃位错的运动,晶体滑移所需的最小切应力实际是滑移面内位错移动时所需的力，又称位错移动的临界应力。,单晶体的位错移动临界应力取决于：金属本性（原子间结合力和晶体结构类型等）、位错数量、位错与点缺陷和线缺陷的相互作用。,多
4、晶体金属的塑性变形,晶界的影响 位错运动到晶界附近时, 受到晶界的阻碍而堆积起 来,称位错的塞积。 要使变形继续进行, 则必须 增加外力, 从而使金属的变 形抗力提高。,Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积,金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。,晶粒大小与金属强度关系,金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。,第二节 塑性变形对金属组织与性能的影响,一、晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性,金属在较大的塑性变形后，内部晶粒会被拉长成为细条状或纤维状，这种组织称纤维状组织。,性能各向异性。 如：纵向强度和塑性远大于横向。,(a) 正火态,(c) 变形80%,(b) 变形40%,位错密度增加，导致金属强度
5、和硬度的提高，塑性和韧性下降，称为加工硬化或形变强化。,二、位错密度增加，产生加工硬化,产生加工硬化的原因是: 1.随变形量增加，位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加.,变形20%纯铁中的位错,未变形纯铁,2. 随变形量增加，亚结构细化 3. 随变形量增加， 空位密度增加 4. 几何硬化：由晶粒转动引起,加工硬化使一些压力加工工艺得以实现。,加工硬化不利的一面： 1、增加继续变形的动力； 2、冷变形过程中需中间处理工艺，增加生产周期； 3、改变物化性能，如电阻增加，抗腐蚀能力减弱。,由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会 使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋
6、于一致， 这种现象称变形织构或择优取向。,三、织构现象的产生,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。,残余内应力：塑性变形时，各部分不均匀变形引起的应力。 第一类内应力平衡于表面与心部之间 (宏观内应 力)； 第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域 之间 (微观内应力)； 第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。,四、残余内应力,第三节 金属的回复与再结晶,金属经冷变形后， 组织处于不稳定状态， 有自发恢复到稳定状态的倾向。 加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。,回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错
7、近距离迁移而引起的晶内某些变化。 内应力显著降低；点缺陷显著减少；位错密度变化小，但排列向稳定阶段过渡。,回复,点阵畸变消除，内应力显著降低，强度和硬度略有降低。,回复退火又称去应力退火，常用于去除冷加工金属件内的残余内应力。,再结晶,变形金属被加热到较 高温度时，由于原子 活动能力增大，晶粒 的形状开始发生变 化，由破碎拉长的晶 粒变为完整的等轴晶 粒。 这种冷变形组织在加 热时重新彻底改变的 过程称再结晶。,再结晶也是一个晶核形成 和长大的过程，但不是相 变过程，再结晶前后新旧 晶粒的晶格类型和成分完 全相同。,与结晶区别：没有新相生成。,由于再结晶后组织的复 原，因而金属的强度、 硬度下
8、降，塑性、韧性 提高，加工硬化消失。,再结晶后的晶粒长大,黄铜再结晶后晶粒的长大,580C保温8秒后的组织,580C保温15分后的组织,700C保温10分后的组织,再结晶完成后，若继续升 高加热温度或延长保温时 间，将发生晶粒长大，这 是一个自发的过程。,晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞 并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤 其是塑性和韧性降低 。,黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片,再结晶温度,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。 或变形量70%以上的金属，1h保温后能够 完全再结晶的温度。,T
9、再与的关系,影响再结晶温度的因素,纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系: T再0.35-0.4T熔 （绝对温度） 金属熔点越高, T再也越高.,T再 = (T熔+273)0.4273，如Fe的T再=(1538+273)0.4273=451,1、金属的预先变形程度 金属预先变形程度越大， 再结晶温度越低。当变 形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低 值，称最低再结晶温度。,2、金属的纯度 金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元 素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度 显著提高.,3、再结晶加热速度和加热时间,提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生； 延长加热时间, 使原子扩散充分
10、, 再结晶温度降低。 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。,影响再结晶退火后晶粒度的因素,1、加热温度和保温时间 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。,再结晶退火温度对晶粒度的影响,预先变形度的影响，实质是变形均匀程度的影响。,预先变形度对再结晶晶粒度的影响,2、预先变形度,当变形达到2-10%时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度称临界变形度。,变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。,当超过临界变形度后， 随变形程度增加，变
11、形越来越均匀，再结晶 时形核量大而均匀， 使再结晶后晶粒细而均 匀，达到一定变形量 之后，晶粒度基本不变。,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）,第四节 金属的热加工,一、冷加工与热加工的区别 随温度升高，金属的强度、硬度下降，而塑性升高。,模锻,拉拔,冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再 结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的 加工称为热加工。,如 Fe 的再结晶温度为451，其在400 以 下的加工仍为冷加工。而 Sn 的再结晶温度为 -7
12、1，则其在室温下的加工为热加工。 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。,巨型自由锻件,热加工对金属组织和性能的影响,1、热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。,2、热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作流线，由这种流线体现的组织称纤维组织。 它使钢产生各向异性，制定加工工艺时，应使流线尽量与拉应力方向一致。,在加工亚共析钢时，发现钢中的F与P呈带状分布，这种组织称带状组织。,降低强度和韧性，可通过多次正火或扩散退火消除.,热加工能量
13、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。 而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。,蒸汽-空气锤,金属的冷热加工,第五节 金属的断裂,根据材料断裂前所产生的宏观塑性变形量大小确定断裂类型，分为韧性断裂与脆性断裂。,根据裂纹扩展路径，分为穿晶断裂与沿晶断裂。,韧性断裂的特征是断裂前发生明显宏观塑性变形，断口呈暗灰色纤维状。,脆性断裂的特征是无明显宏观塑性变形，断口平齐而光亮，常呈人字纹或放射花样。,韧性断口：暗灰色纤维状。,脆性断口：呈人字纹或放射花样。,TITANIC,建造中的Titanic 号,TITANIC的沉没与船体材
14、料的质量直接有关,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,第四章 评价金属材料在应力、 介质作用下的性能指标,零件工作条件：应力(载荷)、介质及温度。 载荷：静载荷、动载荷、冲击载荷及摩擦。 结构强度：指零件短时承载能力及长期的使用寿命，受结构、材料、加工工艺等因素影响。,第一节 金属材料在静载荷作用下的,第二节 金属材料在其它载荷,第三节 金属的缺口效应与性能指标,第四节 金属的磨损与接触疲劳,第五节 应力腐蚀与氢脆,作用下的性能指标,性能指标,第一节 金属材料在静载荷作用下的性能指标,静载荷是指作用于材料上的载荷方向与作用时间无关的载荷。,单向的拉伸、压缩、弯曲
15、、扭转等。,静载荷作用下，金属材料将发生弹性变形、塑性变形及断裂三个基本过程。,机械性能是指材料在外力作用时抵抗变形和破坏的能力。,刚性(刚度)、弹性、强度和塑性等。,低碳钢的应力-应变曲线,拉伸试验机,应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0,1、刚度,刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。刚度指标为弹性模量E。,(2)增加横截面积或减小长度可提高零件刚度。,(1)弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。,2、弹性,弹性：材料在载荷作用下产生变形，载荷去除后，变形可消失而恢复原状的性能。,弹性指标为弹性
16、极限或比例极限P(材料承受最大弹性变形时的应力。),p,弹性极限e：开始产生塑性变形的抗力。,国标规定弹性极限0.01：残余伸长率为0.01%的应力。,3、强度,强度（塑变抗力）：材料在载 荷作用下抵抗变形和破坏的能 力。包括：屈服强度和抗拉强度,s,屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。,拉伸过程中，出现载荷不增加或开始下降，而试样 还继续伸长的现象称屈服现象。,屈服时对应的应力为屈服点或屈服强度，又称屈服 极限。,条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值,抗拉强度b：材料断裂前 所承受的最大应力值。,s,拉伸试样的颈缩现象,抗拉强度的物理意义：表征材料对最 大均匀变形的抗力，是材料在拉伸条 件下所能承受的最大载荷的应力值。,试样断裂时的载荷为断裂载荷Pk，此 时的断面面积为Fk。,塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。,伸长率：,断面收缩率：,断裂后,指标为：,4、塑性,说明： 用面缩
