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资源描述
金属经熔炼浇注成铸锭以后,通常要进行各种塑性加工,如轧制、挤压、冷拔、锻压、冲压等,以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材,以及零件毛坯或零件。,主要内容:,4.1金属及合金的(冷)塑性变形 4.2塑性变形对金属组织和性能的影响 4.3金属与合金的回复与再结晶 4.4金属的热加工 4.5固态金属中的扩散,第四章 金属及合金的塑性变形与再结晶,4.1 金属与合金的塑性变形,4.1.1 应力应变曲线和力学性能指标,一、强度 strength,概念:强度是指金属抵抗永久变形(塑性变形)和断裂 的能力。通过拉伸试验测得大小。,强度判据:屈服点 (屈服强度s )、 抗拉强度b,试样按GB639786制 分长试样L0=10d0 短试样 L0=5d0,弹性阶段,弹性极限P,屈服阶段,屈服极限S,强化阶段,强度极限B,颈缩阶段,4.1 金属与合金的塑性变形,屈服点,概念:力不增加仍能继续伸长时的应力。用符号:s 表示,抗拉强度,概念:试样拉断前所承受的最大拉应力。用符号:b表示,注:s 、 b 是设计与选材的重要依据,另:e 表示弹性极限。在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力。,4.1 金属与合金的塑性变形,二、塑性 plasticity,概念:在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。,判据:断后伸长率 、断后断面收缩率,断后伸长率,概念:试样断后标准的伸长量与标准的百分比。,其中:Lk断后试样长度 Lo试样原始长度,断后断面收缩率,概念:断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比。,说明:伸长率和收缩率在实际应用中,一般是用表示塑性大小。 、 越大,材料的塑性越好。通常认为5%脆性材料。,4.1 金属与合金的塑性变形,4.1.2 单晶体金属的塑性变形,单晶体的塑变的主要形式,滑移孪晶,4.1.2 单晶体金属的塑性变形,滑移:在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)产生相对位移,且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。,滑移线和滑移带,4.1.2 单晶体金属的塑性变形,滑移系:一个滑移面(密排面)和其上的一个滑移方向(密排方向)组成一个滑移系。滑移系越多,晶体塑性越好。,4.1.2 单晶体金属的塑性变形,滑移时晶体的转动和旋转,拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向 压缩时,滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。,4.1.2 单晶体金属的塑性变形,滑移是由位错运动造成的 (滑移位错机制),4.1.2 单晶体金属的塑性变形,孪晶:切应力作用下,晶体的一部分沿一定晶面(孪晶面)和一定的晶相(孪生方向)相对于另一部分做均匀的切变所产生的变形。,4.1.2 单晶体金属的塑性变形,4.1.2 单晶体金属的塑性变形,1.孪生:均匀切变;滑移:塑性变形是不均勺的。 2.孪生:各晶面移动量与其离孪晶面距离成正比,相邻晶团相对移动距离通常只是原子间距的几分之一;滑移:变形时,滑移距离则是原于间距的整倍数。 3.孪生:晶体变形部分的位向发生变化,并且孪晶面与未变形部分对称;滑移:晶体位向并不发生变化。 4.孪生和滑移一样并不改变晶体的点阵类型。 5.孪生临界分切应力值大,因此,只在很难滑移的条件下,晶体才发生孪生。 滑移系少的密排六方金属,常以孪生方式变形。,孪生与滑移的对比,孪生变形产生的塑性变形量一般不超过10,但是孪生使晶体位向变化,从而引起滑移系取向变化,能促进滑移的发生。往往孪生与滑移交替发生,即可获得较大的塑性变形量。,4.1.2 单晶体金属的塑性变形,1. 与单晶体塑变的异同 同:都主要依靠滑移 异:存在不同时性,需相互协调 2. 塑变过程: 软取向的晶粒先滑移晶界处位错塞积产生应力集中相邻晶粒滑移 滑移系数目多越有利塑变 3. 晶粒细化:强度,且塑韧性,4.1.3 多晶体金属的塑性变形,4.1.3 多晶体金属的塑性变形,晶粒越细,强度越高 晶粒越细,强度越高(细晶强化:由下列霍尔配奇公式可知) s=0+kd-1/2 原因:晶粒越细,晶界越多,位错运动的阻力越大 晶粒越细,塑韧性提高 晶粒越多,变形协调性均匀性提高:高塑性。细晶粒材料中,应力集中小,裂纹不易萌生;晶界多,裂纹不易传播,(不知道往哪里走),表现出高韧性。,4.1.3 多晶体金属的塑性变形,一 、单相固溶体的塑性变形 1 固溶体的结构:? 2 固溶强化 (1)固溶强化:固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。 晶格畸变,阻碍位错运动; (2)强化机制 气团(缺陷之间的反应或缠结)。,4.1.4 合金的塑性变形,4.1.4 合金的塑性变形,二 、两相合金的塑性变形 1 结构:基体第二相。 2 性能: (1)两相性能接近:按强度分数相加计算。 (2)软基体硬第二相 第二相网状分布于晶界(eg:二次渗碳体); 两相呈层片状分布(珠光体); 第二相呈颗粒状分布(三次渗碳体)(弥散强化)。,4.1.4 合金的塑性变形,返回,4.2塑性变形对金属组织和性能的影响,一、塑性变形对金属组织结构的影响 二、塑性变形对金属对性能的影响 三、产生残余应力,一、塑性变形对金属组织结构的影响,1. 纤维组织形成 金属在外力作用下发生塑性变形时,随着变形量的增加晶粒形状发生变化,沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时,晶粒变成细条状,金属中的夹杂物也被拉长,形成所谓纤维组织。,4.2塑性变形对金属组织和性能的影响,2. 晶粒破碎成亚晶粒:金属经大量的塑性变形后,由于位错密度的增大和位错间的交互作用,使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区,并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块,即亚晶粒。,4.2塑性变形对金属组织和性能的影响,3. 形变织构的产生:由于塑性变形过程中晶粒的转动,当变形量达到一定程度(70%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,形成特殊的择优取向。择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织,称为织构。,4.2塑性变形对金属组织和性能的影响,二、对性能的影响 1. 对力学性能的影响(加工硬化) (1)加工硬化(形变强化、冷作强化):随变形量的增加,材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。 强化金属的重要途径; (2)利弊 利:材料加工成型的保证。 弊:变形阻力提高,动力消耗增大; 脆断危险性提高。,4.2塑性变形对金属组织和性能的影响,2. 对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降,比重、热导率下降; 结构缺陷增多,扩散加快; 化学活性提高,腐蚀加快。,4.2塑性变形对金属组织和性能的影响,三 残余应力(约占变形功的10) 1 分类 第一类残余应力():宏观内应力,由整个物 体变形不均匀引起。 第二类残余应力():微观内应力,由晶粒变 形不均匀引起。 第三类残余应力():点阵畸变,由位错、空 位等引起。 2 利弊 利:预应力处理,如提高疲劳极限。 弊:引起变形、开裂,如黄铜弹壳腐蚀开裂。 3 消除 去应力退火。,4.2塑性变形对金属组织和性能的影响,返回,4.3金属与合金的回复与再结晶,对冷变形金属加热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,1 特征:温度低,光学显微组织未变化,亚结构发生 了变化(位错、点缺陷密度降低,甚至出现亚晶界) 2 性能:力性变化不明显(强度、硬度略有下降,塑性略有提高;大部分或全部消除第一类内应力,部分消除第二、三类内应力)、内应力部分消除、导电率升高 3 回复退火的应用降低内应力、稳定尺寸、提高抗蚀性,一、回复:冷变形金属在低温加热时,其显微组织无可见变化,但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程,4.3金属与合金的回复与再结晶,二、再结晶:冷变形金属被加热到适当温度时,在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒,而使形变强化效应完全消除的过程。,变形晶粒通过形核长大,逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒; 强度、硬度明显下降,塑性明显提高; 密度:在回复阶段变化不大,在再结晶阶段急剧升高。,4.3金属与合金的回复与再结晶,再结晶温度:经严重冷变形(变形量70%)的金属或合 金,在1h内能够完成再结晶的(再结晶体积分数95%) 最低温度。 高纯金属:T再(0.250.35)Tm。 经验公式 工业纯金属:T再(0.350.45)Tm。 合金:T再(0.40.9)Tm。 注:再结晶退火温度一般比上述温度高100200。,为什么纯度越低,再结晶温度越高?,答:杂质元素对扩散的阻碍作用,4.3金属与合金的回复与再结晶,影响因素 变形量 变形量越大,储存能越多,再结晶驱动力越大,再结晶温度越低; 纯度 纯度越高,杂质或合金元素对位错和晶界运动阻碍越小,再结晶温度越低; 加热速度和保温时间 提高加热速度会使再结晶温度被推迟到较高温度下发生。而保温时间越长,再结晶温度越低。,4.3金属与合金的回复与再结晶,再结晶退火的应用: 恢复变形能力 改善显微组织 消除各向异性 提高组织稳定性 实际再结晶温度:T再100200。,4.3金属与合金的回复与再结晶,晶粒长大方式: 正常长大; 异常长大(二次再结晶).,三、晶粒长大:冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小均匀的等轴晶粒,如果再结晶后不控制其加热温度或时间,继续升温或保温,晶粒之间便会相互吞并而长大,这一阶段称为晶粒长大。,4.3金属与合金的回复与再结晶,晶粒的异常长大:少数再结晶晶粒的急剧长大现象。(二次再结晶) 基本条件:正常晶粒长大过程被(第二分散相微粒、织构)强烈阻碍。 控制:温度、保温时间,防止过分长大,4.3金属与合金的回复与再结晶,再结晶退火,消除加工硬化,将金属件加热保温缓冷至室温,保温温度高于再结晶温度100-200K; 对于没有同素异构转变的金属(如铜、铝),冷变形+再结晶退火是细化晶粒的重要手段,4.3金属与合金的回复与再结晶,再结晶图,返回,4.3金属与合金的回复与再结晶,4.4 金属热加工,概念:再结晶温度以上的加工过程 现象:同时存在硬化与软化,动态回复与动态再结晶 特点:反复形核,有限长大,晶粒较细。 包含亚晶粒,位错密度较高,强度硬度高。 温度: T再T热加工T固100200。,再结晶温度以下的加工过程称为冷加工,热加工后的组织与性能 (1)改善铸锭组织。气泡焊合、破碎碳化物、细化晶粒、降低偏析。提高强度、塑性、韧性。 (2)形成纤维组织(流线)。 组织:枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分布。 性能:各向异性。沿流线方向塑性和韧性提高明显。 (3)形成带状组织 形成:两相合金变形或带状偏析被拉长。 影响:各向异性。类似于流线组织。 消除:避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高 温扩散退火或正火。,热加工的优点 (1)可持续大变形量加工。 (2)动力消耗小。 (3)提高材料质量和性能,热加工金属晶粒组织控制 温度:T再T热加工T固100200。 变形量:适中 锻后冷却:断后快冷,降低低终锻温度,返回,End,
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