金属材料与热处理 教学课件 作者 李炜新第三章 金属的塑性变形与再结晶.ppt

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1、第三章金属的塑性变形与再结晶在机械制造业中，许多金属制品都是通过对金属铸锭进行压力加工获得的。压力加工就是对金属施加外力，使其产生塑性变形，改变形状和尺寸，用以制造毛坯、工件或机械零件的成形加工方法，在生产中称为锻压，即锻造与冲压的总称。常见的金属压力加工方法有锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔等。锻造冲压拉拔轧制第一节金属的塑性变形金属在外力作用下产生变形，其变形过程包括弹性变形和塑性变形两个阶段。弹性变形在外力去除后能够完全恢复，所以不能用于成形加工。只有塑性变形才是永久变形，才能用于成形加工。金属产生弹性变形后，其

2、组织和性能不发生改变。金属的塑性变形过程比弹性变形复杂，而且塑性变形后金属的组织及性能发生了改变。一、单晶体的塑性变形工业用金属材料大多是由多晶体构成的，要说明多晶体的塑性变形，必须首先了解单晶体的塑性变形。实验证明，晶体在正应力作用下，只能产生弹性变形，并直接过渡到脆性断裂，只有在切应力作用下才会产生塑性变形。单晶体的塑性变形主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动，如图3–2所示。一般来说，滑移是沿原子排列最密集的晶面及原子排列最密集的方向进行的，分别称为滑移面和滑移方向

3、。金属的晶体结构不同，滑移面和滑移方向的数量不同，所以金属的塑性存在着差异。研究表明，晶体滑移时，并不是一部分相对于另一部分沿滑移面作整体移动。实际上滑移是借助于晶体中位错的移动来进行的，如图3–3所示。(单击图片播放)单晶体在滑移变形时还伴随着晶面的转动，如图3–4所示。材料力学证明，与拉力成45°角的截面上分切应力数值最大，有利于滑移的进行。因此，与拉力成45°角的滑移面上最先产生滑移，随着晶面的转动，该滑移面上的滑移逐渐停止，原来处于其它位向的滑移面转到了与拉力成45°角的方向上而参与滑移。这样，晶体中的滑移

4、有可能在更多的滑移面上进行，结果使晶体均匀地变形。单晶体的另一种塑性变形方式是孪生。孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（孪晶面）及晶向（孪生方向）产生剪切变形，如图3–5所示。孪生变形与滑移变形的区别主要有：孪生变形使一部分晶体发生均匀的切应变，滑移变形则集中在一些滑移面上；孪生使晶体变形部分的位向发生了改变，滑移变形后晶体各部分的位向不发生改变；孪生变形时原子沿孪生方向的位移量是原子间距的分数值，滑移变形时原子沿滑移方向的位移量则是原子间距的整数倍；孪生变形所需切应力的数值比滑移变形的

5、大，只有在滑移很难进行的情况下才发生孪生变形。二、多晶体的塑性变形多晶体塑性变形的过程比单晶体复杂，有如下特点：1．晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的晶格位向不同，在外力作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利于滑移的位置，如图3–6所示。当处于有利滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围不同位向晶粒的阻碍，使滑移阻力增加，金属的塑性变形抗力增大。(单击图片播放)2．晶界的作用在多晶体中，晶界处原子排列混乱，晶格畸变程度大，位错移动时的阻力增大，宏观上表现为塑性变形抗力增大，强度提高。由于晶界的作用

6、，多晶体往往表现出竹节状变形，如图3–7所示。(单击图片播放)综上所述，多晶体的塑性变形抗力不仅与金属的晶体结构有关，而且与晶粒大小有关。在一定体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶界的数量也越多，晶粒越细小，位错移动时的阻力越大，金属的塑性变形抗力越大，因此，金属的强度越高。在同样的变形条件下，晶粒越细小，变形可分散到更多的晶粒内进行，不易产生集中变形。另外，晶界多，裂纹不易扩展，从而使金属在断裂前能产生较大的塑性变形，表现出金属具有较高的塑性和韧性。第二节冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形不但改变了金属的形状

7、和尺寸，而且还使其组织与性能发生了重大变化。一、冷塑性变形对金属组织的影响金属发生塑性变形时，随着外形的改变，其内部晶粒的形状也发生了变化。当变形程度很大时，晶粒会沿变形方向伸长，形成细条状，这种呈纤维状的组织称为冷加工纤维组织，如图3–8所示。形成纤维组织后，金属的性能会具有明显的方向性，其纵向（沿纤维方向）的力学性能高于横向（垂直于纤维方向）的性能。同时，由于各个晶粒的变形不均匀，使金属在冷塑性变形后其内部存在着残余应力。冷塑性变形除了使晶粒的形状发生变化外，还会使晶粒内部的亚晶粒细化，亚晶界数量增多，位错密度

8、增加。由于塑性变形时晶格畸变加剧以及位错间的相互干扰，会阻止位错的运动，增加了金属的塑性变形抗力，使金属的力学性能发生了改变。二、冷塑性变形对金属性能的影响冷塑性变形改变了金属内部的组织结构，引起了金属力学性能的变化。随着冷塑性变形程度的增加，金属材料的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为冷变形强化。图3–9所示为低碳钢冷塑性变形时，其力学性能的变