《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能ppt课件.ppt

1,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响,一、了解塑性变形的本质，单晶体金属塑性变形的主要形状；二、了解压力加工对金属组织与性能的影响；三、了解冷加工和热加工的区别；四、了解断裂的方式和原因。,2,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响,塑性变形的定义 金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变形，去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑性变形。,塑性变形对使用性能和加工性能的影响：,抵抗塑性变形是一般工程构件的基本要求，不希望结构件在承载时产生不可恢复的塑性变形； 塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方法，在材料加工过程中，人们希望它易于加工变形。塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能。,3,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,第一节 金属的塑性变形,1、单晶体的塑性变形2、多晶体的塑性变形3、合金的塑性变形,4,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,塑性加工包括锻造、轧制、 挤压、拉拔、冲压等方法。,5,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,滑移,晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动叫滑移。,一、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形基本方式：滑移、孪生 1. 滑移,6,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,滑移特征(1) 滑移是在切应力作用下发生的：当切应力超过弹性极限，晶体上下部分产生相对滑移。当应力足够大，晶体就会发生断裂。,7,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,(2).滑移的结果是使晶体表面形成台阶，产生滑移线和滑移带。,8,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,滑移面、滑移方向：晶体中易发生滑移的晶面和晶向分别称为。,2、滑移面、滑移方向和滑移系,晶体滑移大多优先发生在原子密度最大的晶面上；滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好；滑移方向对滑移所起的作用比滑移面作用大；面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好；,9,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,塑性对比：面心立方体心立方密排六方,10,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,课堂思考题1、滑移是在（ ）的作用下发生的。2、常温下金属塑性变形的主要方式有（）和（）。3、体心立方晶格和面心立方晶格，哪种的塑性好一些？,11,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,3. 孪生变形,在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程,发生切变后位向改变的一部分晶体称为孪晶；孪晶与未变形部分晶体原子分布对称。,12,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,孪生变形过程示意图,13,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,孪生所需的临界切应力比滑移的大得多，孪生只在滑移很难进行的情况下才发生；滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、锌、镉等, 容易发生孪生；体心立方晶格金属（如铁）在低温或受冲击时才发生孪生。,孪生变形的特征：,14,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,晶格取向：滑移前后晶格方向不变，孪生后晶格方向发生变化；发生条件：孪生所需的临界切应力比滑移的大得多，孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。,滑移与孪生的区别：,15,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,二、多晶体的塑性变形工程上使用的金属绝大部分是多晶体；多晶体中每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同；多晶体材料中，各个晶粒位向不同，存在许多晶界，变形要复杂得多。,1. 晶界的影响晶界上原子排列不很规则, 阻碍位错的运动, 使变形抗力增大；金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度和塑性就越大；,提示：细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。,16,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,2. 变形的不均匀性晶粒的位向不同，变形有先后；随着外力的增加，滑移是分批逐次进行的。应力分布有变化，造成不均匀变形。,17,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,三、合金的塑性变形,合金的组成相为固溶体时，溶质原子会造成晶格畸变，增加滑移抗力，产生固溶强化，塑性变形能力降低。,溶质原子常常分布在位错附近，降低了位错附近的晶格畸变，使位错易动性减小，形变抗力增加，强度升高。,18,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,课堂思考题1、孪生是在（ ）的作用下发生的。2、晶体滑移优先发生在原子密度（）的面上。3、孪生变形之后，晶格方向（）变化。4、为什么晶粒越细，材料的塑性、强度越好？,19,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,第二节 压力加工对金属组织与性能的影响,20,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,一、冷塑性变形对金属组织和性能的影响,1.金属组织的变化（1）晶粒发生变形 晶粒沿形变方向被拉长或压扁；变形量很大时, 晶粒变成细条状(拉伸时), 金属中的夹杂物也被拉长, 形成纤维组织。,变形前,变形后,21,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1,塑性变形中的组织变化,22,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,（2）亚结构形成 金属经大的塑性变形时, 位错密度增大, 大量位错堆积在局部地区, 相互缠结, 形成不均匀的分布, 使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块, 产生亚晶粒。,金属经变形后的亚结构,23,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,（3）变形织构 金属原本是伪各向同性，但金属塑性变形到一定程度时, 由于晶粒发生转动, 使各晶粒的位向趋近于一致,导致各向异性的产生，这种有序化的结构叫做变形织构。,按照产品外形，变形织构可分为：丝织构和板织构,24,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,25,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,26,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,2.金属性能的影响（1）力学性能,金属发生塑性变形, 随变形度增大, 金属的强度和硬度显著升高, 塑性和韧性明显下降。这种现象称为形变硬化。,工程应用：在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。,27,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,产生形变硬化的原因: 塑性变形时, 位错密度增加, 位错间的交互作用增强, 相互缠结, 位错运动阻力增大, 塑性变形抗力提高；同时晶粒破碎细化, 强度提高。,形变硬化,28,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,（2）产生各向异性 纤维组织和变形织构的形成, 使金属产生各向异性； 沿纤维方向的强度和塑性高于垂直方向。,各向异性,29,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,（3）物理、化学性能变化塑性变形可影响金属的物理、化学性能：电阻增大, 耐腐性降低。,在某些情况下, 织构的各向异性有用：制造变压器铁芯的硅钢片, 沿100方向最易磁化, 采用这种织构可使铁损减小, 变压器的效率大大提高。,30,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,3、产生残余内应力 定义：外力去除后，金属内部残留下来的应力。,产生原因：金属发生塑性变形时，内部变形不均匀，位错、空位等晶体缺陷增多，会产生残余内应力。,1）宏观内应力2）微观残余应力3）晶格畸变应力,31,课堂思考题1、在冷轧前后，金属由各向同性转变为（）2、形变硬化是如何产生的？,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,32,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,二、冷塑性变形金属在加热时组织和性能的变化,金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大变化；对变形后金属进行加热，其组织结构和性能又会发生变化；随加热温度提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大3个过程。,33,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,冷变形金属加热时组织和性能变化,34,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,1、回复变形后金属在较低温度加热，发生回复过程。,晶粒内部位错等缺陷减少，晶粒仍保持变形后的形态，显微组织不发生明显变化；实际应用：对变形金属进行去应力退火、降低残余内应力，保留加工硬化效果。,35,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,2、再结晶,定义：变形后的金属在较高温度加热时，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶，这个过程称为再结晶。,提示：只有经过塑性变形的金属才会发生再结晶。,36,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,(1）.再结晶对金属组织、性能的影响,提示：再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。,变形金属再结晶后，强度、硬度明显降低，塑性、韧性大大提高，加工硬化现象被消除，内应力全部消失；物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。,37,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,(2）.再结晶温度,再结晶温度是一温度范围，并非一恒定温度；再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再)：用经过严重冷塑性变形的金属,经1小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。 最低再结晶温度：T再=0.4T熔点式中温度单位为绝对温度(K)。,38,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,(3)再结晶温度影响因素：1）变形程度 金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度；预先变形度越大, 金属的晶体缺陷就越多, 组织越不稳定, 最低再结晶温度也就越低；当预先变形度达一定大小后, 最低再结晶温度趋于某一稳定值。,2）金属纯度：纯度越高, 最低再结晶温度也就越低。 杂质和合金元素（高熔点元素）阻碍原子扩散和晶界迁移, 可显著提高最低再结晶温度；高纯度铝(99.999%)最低再结晶温度为80 ；工业纯铝(99.0%)最低再结晶温度提高到290 。,3）加热速度 再结晶是一扩散过程, 需一定时间才能完成；提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生；原始晶粒越粗大, 再结晶温度越高。,39,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,加热温度过高或保温时间过长，晶粒会长大，得到粗大晶粒，使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能显著降低。影响再结晶后晶粒大小的因素：1）加热温度和保温时间2）变形度3）加热速度,3、晶粒长大及影响再结晶后晶粒大小的因素,40,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,三、金属的热加工及其对组织、性能影响,钢材的热锻和热轧，温度处于再结晶温度以上发生塑性变形后，随即发生再结晶；塑性变形引起的加工硬化随即消除，使材料保持良好的塑性状态。,41,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,1、热加工与冷加工的区别,热加工：在再结晶温度以上的塑性变形加工。冷加工：在再结晶温度以下的塑性变形加工。,注意：热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于金属的再结晶温度以上还是以下来划分。,金属塑性变形加工方法：热加工：热锻、热轧、热挤压、热拔冷加工：冷镦、冷轧、冷挤压、冷冲、切削,42,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,2、热加工的特点及其应用,热加工变形的优点：（1）变形抗力低，塑性、韧性提高（2）改善铸锭和坯料的组织性能（3）形成热变形纤维组织（如图）（4）生产周期短,43,（1）.控制较低的加工终了温度 （2）.控制较大的变形程度（3）.控制较快的冷却速度,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,3、热加工晶粒大小控制措施,44,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,四、金属的断裂 1、断裂过程： 低碳钢的拉伸过程，微观上其断裂过程：形成缩颈出现空洞空洞聚集为裂纹裂纹扩展断裂,2、断裂的分类：是否发生塑性变形：a.延性断裂 b.脆性断裂（图）断面与应力的关系：a.正断 b.切断裂纹发展的路径：a.穿晶断裂 b.沿晶断裂,45,脆性断裂与延性断裂,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,46,课堂思考题1、冷塑性变形后的金属随着加热温度的升高，其组织结构会发生（）（）（）。2、没有经过塑性变形的金属加热（）发生再结晶。3、再结晶的过程是由（）和（）组成。,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,47,学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2,