金属及合金的塑性变形与再结晶.ppt
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,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）,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,
