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1、工程材料,张建军 主讲,材料在外力作用下会产生变形，首先产生弹性变形。当应力超过材料的弹性极限时，金属将产生塑性变形。,第一节 金属的塑性变形,当外载荷在材料内部所产生的内应力超过了材料的屈服强度以后，即使去掉外载荷，变形也不能完全消失的变形称为塑性变形。它不仅改金属的外形，而且使内部组织和结构发生变化。经过塑性变形后的金属，在随后的加热过程中，内部组织也发生一系列变化，这些都对性能有明显的影响。,金属塑性变形方法,单晶体的塑性变形的主要方式是滑移和孪生。其中滑移是最基本、最普遍的塑性变形方式，孪生只是在滑移难以进行时出现。 1.滑移 （1）滑移带和滑移线 滑移:在切应力作用下，晶体的一部分相
2、对于另一部分沿一定晶面产生的相对移动（滑动）。,一、单晶体的塑性变形,观察产生滑移后的金属表面痕迹，滑移带和滑移线。,铜变形后表面的滑移带,（2）滑移系 滑移总是沿原子排列密度最大的晶面和晶向发生。即滑移面和滑移方向。,滑移面和滑移方向大多是原子排列最密的晶面和晶向。图中A晶面是原子排列最密的晶面，晶面间的距离最大，即面与面之间的结合力最弱，故在切应力作用下，沿该晶面滑移比较容易；反之，B A晶面不易沿此面滑移。,一个滑移面和其面上任一滑移方向构成一个滑移系。,a） 6 2=12个滑移系 b）4 3=12个滑移系 c）1 3=3个滑移系,相同条件下，滑移系多，塑性好；滑移系相同时，滑移方向多，
3、塑性好。,滑移的同时伴随着晶体的转动。 转动有两种：一种是滑移面向外力轴向的转动；另一种是滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。,（3）晶体的转动,轴向的转动,最大切应力方向转动,（4）滑移机理,滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。,把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大几百千倍。,皱折运动,位错的运动,2.孪生,孪生晶体的一部分沿一定晶面的晶向，相对于另一部分所产生剪切变形。,2.孪生,1)孪生变形使一部分晶体发生均匀的切应变(发生孪生变形的部分称为孪晶带)，而滑移变形则集中在一些滑移面上。 2)孪生使晶体变形部分(孪晶带)的位向发生了改变，并与未变形部分的
4、位向形成了镜面对称关系，构成了以孪晶面为对称面的一对晶体，称为孪晶(或双晶)。而滑移变形后，晶体各部分的相对位向不发生改变。 3)孪生变形时，孪晶带中每层原子沿孪生方向的位移量都是原子间距的分数值，并且和距孪晶面的距离成正比。而滑移变形时，晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向的位移量为原子间距的整数倍。 4)孪生变形所需的切应力比滑移变形大得多，故只有在滑移很难进行的条件下才发生孪生。如六方晶格的金属因滑移系较少，孪生就比较容易发生。而滑移系较多的体心立方晶格的金属，只有在低温或受到冲击时，才产生孪生变形。面心立方晶格的金属一般不发生孪生变形。,主要特点：,1.多晶体的塑性变形特点：,不均匀（
5、均一）的塑性变形。 多晶体中各晶粒位向不同，处于软位向的晶粒先变形，处于硬位向的转动后再变形或不变，且晶粒内部变形也不一致，所以多晶体的塑性变形不一致、不同时。,二、多晶体的塑性变形,对于多晶体的塑性变形，在塑性变形过程中，金属的晶粒内部也是滑移为主要方式，晶粒间也产生了滑移并转动（多晶体的晶间变形）。,由于晶界和晶粒位向的影响，位错的运动阻力加大，致使细晶粒的金属的强度增大。金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。,2.晶界及晶粒位向差的影响,晶界的影响 当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
6、续进行, 则必须增加外力, 从而使金属的变形抗力提高（强度提高）。,晶粒位向差的影响,由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高（强度提高）。,晶粒越细、塑性也越好。其原因在于：晶粒越细，则晶界越曲折，越不利于裂纹的传播；晶粒越细，变形可以分散在更多的晶粒内进行，且变形均匀，减少应力集中，从而可以在断裂之前承受更大的塑性变形。,塑性变形改变了材料的外形，对组织和性能也带来了影响。,第二节 塑性变形对金属组织与性能
7、的影响,一、冷塑性变形对金属性能的影响,产生加工硬化,由于塑性变形的变形度增加，使金属的强度、硬度提高，而塑性下降的现象称为加工硬化。,二、冷塑性变形对金属组织的影响,金属在外力作用下产生塑性变形时，随着外形变化，而且其内部的晶粒形状也相应地被拉长或压偏。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状。,1. 形成纤维组织,由于塑性变形过程中晶粒的转动，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，形成织构。,塑性变形使晶粒碎化，内部形成更多位向略有差异的亚晶粒（亚结构），在其边界上聚集着大量位错。,2. 亚组织的细化,3. 产生形变织构,由于金属塑性变形时, 内
8、部变形不均匀，外力取消后，金属内部残存内应力。 可分为三类： 第一类内应力是金属表面与心部变形不均匀造成的宏观应力。宏观应力会引起零件变形。 第二类内应力是由于相邻晶粒之间或晶粒内部变形不均匀造成的晶间微观应力。过高，易造成应力腐蚀、显微裂纹。 第三类内应力是由于晶格畸变、位错密度增加引起的，又称晶格畸变内应力。是变形中的主要内应力(占90%以上)，是金属强化的主要原因。 加工硬化和残余应力的存在，使金属的物理和化学性能发生显著变化。如电阻增加、耐蚀性下降。 残余拉应力会降低承载能力，尤其是降低疲劳强度。,二、产生残余应力,第三节 冷变形金属在加热时的变化,金属经冷塑性变形后，组织处于不稳定状
9、态，有自发恢复到变形前稳定组织状态的倾向。但在常温下，原子的扩散能力小，这种不稳定状态可维持相当长的时间。而加热则使原子扩散能力增加，金属将依发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。,回复是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晶内某些变化，如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等。随着温度的升高，已产生加工硬化的金属其晶格的扭曲程度减小，但金属组织还没有显著变化的现象。,一、回复,回复使金属的内能降低。金属在回复阶段强度、硬度略有下降、塑性略有上升，内应力和电阻显著降低，但组织变化不明显。 如 ：经冷拉的钢丝卷成弹簧后的低温回火（加热到250
10、300）,青铜丝弹簧加工后的回火处理(加热到120125)。,T回=（0.250.3）T熔 （ K ）,随着温度的进一步升高，已发生回复的金属开始以某些碎晶或杂质为核心通过新晶核的形成和长大，形成新的晶粒，从而消除了加工硬化的现象。,二、再结晶,由畸变的晶粒变为等轴晶粒的过程称为再结晶。,1. 再结晶过程,当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。 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。,再结晶温度指冷塑性变形金属发生再结晶的最低温度。再结晶不是一个恒温过程，它是自某
11、一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，与变形量等因素有关。,2. 再结晶温度,金属的预变形度，预变形度越大，再结晶温度越低。 金属的熔点，金属的熔点越高，它的再结晶温度越高。纯金属的再结晶温度T再熔点T再下列近似关系： T再=（0.350.45）T熔 （K） 金属的纯度，一般就来，杂质或合金元素均会阻碍原子扩散和晶界迁移，使再结晶湿度升高。 加热条件，加热速度越慢，保温时间越长，原子扩散越充分，再结晶温度越低。,影响再结晶度的因素,生产中金属的再结晶退火温度比其再结晶温度高100200。,2. 再结晶退火,把冷变形金属加热到再结晶温度以上，使其产生再结晶的热处理称为再结晶退火。,三、晶粒
12、长大,再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，金属晶粒将继续长大是通过晶界的迁移进行的，是大晶粒吞食小晶粒的过程。这是一个自发的过程。,影响晶粒大小的因素除加热温度和保温时间外，还有晶粒原始尺寸、杂质的分布、预先变形度等。加热温度和预先变形度影响最大。,晶粒粗大会使金属的强度，特别是塑性和冲击韧性降低。,加热温度越高，保温时间越长，金属晶粒越粗大。,1. 加热温度和保温时间的影响,对一般金属，当变形度为2%10%时，由于变形很不均匀，会造成晶粒异常长大，应予避免。变形度过大（90%），因织构，晶粒也会粗大。通常变形度为30%60%。,2. 预变形度的影响,预先变形度对再结晶晶粒度的影响
13、,金属的冷加工和热加工是以再结晶温度来划分的。 凡是在金属再结晶温度以上进行的加工称为热加工；而在再结晶温度以下进行的工称为冷加工。,第四节 金属的热塑性变形（热变形加工）,一、 热变形加工和冷变形加工的区别,金属热加工的特点是：不显示加工硬化现象，变形后获行再结晶组织。并且用较小的能量消耗得较大的变形量。,例如，钨的最低再结晶温度约为1200 ，故钨即使在稍低于1200的高温下进行变形仍属于冷变形加工；锡的最低再结晶温度约为-7，故锡即使在室温下进行变形仍属于热变形加工。,热加工对金属组织和性能有很大的影响。进行热变形加工时，应控制金属的变形温度范围与最终的变形度。,一般情况下，热变形加工可
14、应用于截面尺寸较大、变形量较大、材料在室温下硬脆性较高的金属制品；冷变形加工则一般适于制造截面尺寸较小、材料塑性较好、加工精度较高与表面粗糙度值要求较低的金属制品。,二、 热加工对金属组织与性能的影响,2.形成热变形纤维组织(流线) 铸态金属中分布在晶界上的杂质，在金属变形时，塑性杂质（如FeS等）沿晶粒变形方向伸长，呈带状分布；而碎性杂质（如氧化物等）则被击碎，呈链状分布。再结晶时，晶粒的形状改变，而杂质依然沿被拉长的方向（呈流线状）保留下来，形成纤维组织。金属的机械性能呈现各向异性。,1.消除铸态金属的某些缺陷 通过热加工可使气孔、缩孔大部分焊合，铸态疏松被消除，使其力学性能得到提高。,纤
15、维组织很稳定，只有用锻压的方法才能改变纤维组织的方向和形状。 在设计和制造零件时，应使零件工作时的最大正应力方向与纤维方向重合，最大剪应力方向与纤维方向垂直，并使纤维能与零件轮廓相符合而不被切断。,热变形纤维组织(流线)应用,带状组织,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。这种组织横向的塑性和韧性明显下降。 带状组织与枝晶偏析被沿加工方向拉长有关。可通过多次正火或扩散退火消除.,3.形成带状组织,小结,要求：1.了解金属变形的基本方式和冷变形对组织与性能的影响； 2.了解形变金属在退火过程中的变化； 3.了解金属的热变形组织及应用 。,主要内容：1.金属材料塑性变形的基本方式：滑移、孪生。 2.冷塑性变形对组织与性能的影响。 3.形变金属在加热过程中的变化。 4.金属的热变形组织及应用 。,本章介绍了冷热塑性变形及金属组织性能的影响。,习题:,