机械工程材料 教学课件 作者 倪兆荣 张海筹 主编第5章 铁碳合金相图和碳钢.ppt

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1、机械工程材料倪兆荣张海筹/主编张帆朱成华/副主编王宏启/主审第5章金属的塑性变形与结晶各种金属的压力加工方法都是通过金属的塑性变形实现的。金属材料在外力作用下产生了变形，当外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。本节首先讨论单晶体的塑性变形，然后再讨论较复杂的多晶体（实际金属）的塑性变形。单晶体的弹性变形以单向拉伸为例，当金属受到的拉力小于弹性极限时，金属会发生弹性变形；应力去除后弹性变形消失。如图5.1所示，金属的弹性变形是因其原子受力而发生位移，偏离了平衡位置所致。此时，原子所受外力与原子间引力

2、相平衡。如去除外力，则平衡被破坏，在原子间引力作用力下，原子将回到原平衡位置，则弹性变形自然消失了。弹性变形的变形量很小，只有千分之几。单晶体的弹性变形以单向拉伸为例，当金属受到的拉力小于弹性极限时，金属会发生弹性变形；应力去除后弹性变形消失。如图5.1所示，金属的弹性变形是因其原子受力而发生位移，偏离了平衡位置所致。此时，原子所受外力与原子间引力相平衡。如去除外力，则平衡被破坏，在原子间引力作用力下，原子将回到原平衡位置，则弹性变形自然消失了。弹性变形的变形量很小，只有千分之几。单晶体的弹性变形

3、若将表面经过抛光的光滑单晶体金属试样进行拉伸试验，使其产生一定的塑性变形后，在光学显微镜下观察，可发现试样表面有许多互相平行的线条，它们被称为滑移带，如图5.3所示。再将其放到电子显微镜下作高倍观察，则发现每条滑移带都是由许多集密的互相平行的更细的滑线和台阶组成，如图5.4所示。多晶体的塑性变形实际中使用的金属材料绝大多数都是多晶体，多晶体管的每一个晶粒（相当于单晶体）的塑性变形基本与单晶体类似，但由于晶界的存在及晶界的取向不同，使得多晶体的塑性变形更为复杂。多晶体中各晶粒内部的基本形式与单晶体相

4、同，即仍以滑移等方式进行的，但由于晶粒之间位向不同和晶界的存在，多晶体的塑性变形要复杂得多。如图5.5是含有两个晶粒的试样在拉伸后变形情况示意图。金属的塑性变形金属塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形后金属组织和结构的变化1.晶粒变形金属在冷塑性变形时，在外形变化的同时，其内部晶粒的形状也会发生变化。通常是晶粒沿变形方向拉长（如钢丝的拉拔）或压扁（如板材的轧制），变形度愈大，晶粒形状变化愈大，如图5.6所示。同时晶粒内部也出现了滑移带，如图5.7所示，并随着变形量的增加，滑移带增多。形成纤维状组

5、织后，沿纤维方向的强度要明显高于垂直纤维方向，造成多晶体的各向异性。第5章金属的塑性变形与结晶2.亚结构细化在晶粒被拉长、压扁的同时，晶粒内部的位错密度也急剧增加，并在许多金属中，位错还会相互缠绕在一起形成亚晶界，如图5.8所示，晶粒分割成更多、更细小的亚晶粒（比变形前的亚晶粒尺寸减小600～1000倍），变形亚晶界大大限制了晶体中位错移动，在亚晶界上聚集大量位错，亚晶界面愈多，位错密度愈大，使滑移变形很难进行。这是造成形变强化的主要原因。塑性变形后金属性能的改变1.力学性能的变化塑性变形后，金属

6、的强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象称为变形硬化或加工强化。它是由于金属塑性变形而引起的金属性能方面的变化。如图5.9表示低碳钢（用实线表示）和纯铜（用虚线表示，）的强度和塑性随变形程度增加而变化的情况。2.内应力的变化残留于金属中的内应力可在结晶、固态相变、塑性变形、冷却或加热中形成，由塑性变形造成的内应力可分为以下三类。塑性变形后，晶格发生了畸变，使金属处于高能量不稳定状态。金属有自发地恢复到变形前低能量状态的趋势，但要通过原子移动才能实现。低温下由于原子活动能力很弱，这个转化不能或很难发生

7、。如将变形金属加热，则原子活动能力增强，变形金属从高能状态向低能状态的转化能够容易地进行。在加热过程中，变形金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大三个过程，如图5.11所示。回复与再结晶第5章金属的塑性变形与结晶回复当加热温度较低时，原子仅能作短距离迁移，金属的晶粒外形发生变化不明显纤维组织。该阶段发生的主要变化是空位基本消失，宏观内力基本消失，微观内力部分消除；物理化学性能基本恢复至变形前。工业上的回复处理多用来消除或减轻工件内部的内应力。如用冷拔钢丝卷制的弹簧，在成型后要在进行低温退火，以消除宏

8、观内应力、降低微观内应力，使其定型。低温退火后，金属材料的强度、硬度基本不变。回复与再结晶第5章金属的塑性变形与结晶再结晶1.再结晶的概念当冷塑性变形后的金属加热到比回复温度阶段更高的温度时，由于原子扩散能力增大，使被拉长而呈纤维状的晶粒又变为等轴晶粒，同时，使加工硬化现象消除，这一过程称为再结晶。2.再结晶温度由于再结晶不是相变，其开始和完成的温度都不是确定的。再结晶开始与终了的温度主要决定于变形量，变形量愈大，金属中的缺陷数量就愈多，其组织也就愈不稳定，从而愈容易发生再结晶，再