工程材料学2010-2塑变.ppt

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塑性变形对金属组织和性能的影响,第二章 金属的塑性变形和再结晶,1单晶体的塑性变形,当应力超过弹性极限时，金属将产生塑性变形。为了方便起见，我们首先研究单晶体的塑性变形，而多晶体的塑性变形与各个晶粒的变形行为相关联，掌握了单晶体的变形规律，将有助于了解多晶体的塑性变形本质。 单晶体的变形有“滑移”和“孪生”两种方式，我们重点研究滑移方式。,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）和一定的方向（滑移方向）发生相对滑动的过程。（书P23图2-1） 由图可知： 外力P在一定的晶面上分解为两种应力： ； （a） 正应力 使晶格发生 弹性变形（由cc，aa） 或 断裂 （b） 切应力 使晶格发生 弹性歪扭 或 塑性变形（c） 大量晶面的滑移，最终使试样被拉长变细 （d） 塑性变形的实质 原子移动到新的稳定位置,总 结,滑移只能在切应力的作用下发生； 一些概念： 1、滑移面：发生滑移的晶面，叫做滑移面； 2、滑移方向：晶体在滑移面上发生滑移的晶向； 3、滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向 结合起来，组成一个滑移系。 （它表示金属晶体在发生滑移时滑移动作可采取的空间 位向，滑移系越多，滑移时可供采用的空间位向也越多， 所以该金属的塑性也越好，而且滑移方向的作用大于滑 移面的作用。）,一般说来：滑移面总是原子最密排面，滑移方向也总是原子最密排方向。 （因为在最密排面上，原子的结合力最强，而面与面之间的距离却最大，所以最密排面之间的原子间的结合力最弱，滑移阻力最小，因而最易滑移；同理，滑移方向也总是原子最密排方向。）,几种常见金属的滑移面和滑移方向： 书P24表2-1,晶体在滑移的同时，由于正应力组成的力偶的作用，会推动晶体转动，力图使滑移面转向与外力方向平行。,取金属单晶体试样，表面经磨制抛光，然后进行拉伸，当试样经适量塑性变形后，在金相显微镜下观察，则可在表面见到许多相互平行的线条，称之为滑移带；如进一步在电子显微镜下观察，便会发现任一条滑移带实际上是由许多密集在一起的相互平行的滑移线所组成，这些滑移线表现为在塑性变形后在晶体表面产生的一个个小台阶。书P24图2-2。,滑移的位错机制：若晶体中没有任何缺陷，原子排列得十分整齐时，经理论计算，在切应力的作用下，晶体的上下两部分沿滑移面作整体刚性的滑移时，此时所需的临界切应力K（即滑移所需的最小切应力）与实测相差十分悬殊。（例如：铜的理论计算值K =6400N/mm2，而实测值K =1.0N/mm2），为此，导致了位错学说的诞生。,理论与实验都已证明，在实际晶体中存在着位错，晶体的滑移是通过位错在切应力的作用下沿滑移面逐步移动的结果。如书P24图2-3所示，一个刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的运动过程，就象接力赛跑一样，位错中心的原子逐一递进，由一个平衡位置转移到另一个平衡位置，通过一根位错线从滑移面的一侧到另一侧的运动便造成一个原子间距的滑移。当位错线移到晶体表面时，就会在晶体表面上留下一个原子间距的滑移台阶，因而造成滑移线的产生。,滑移的实现 借助于位错运动,实测的K 远小于理论的K 的原因：所示，位错虽然移动了一个原子间距，但位错中心附近的少数原子只作远小于一个原子间距的弹性偏移，而其他区域的原子仍处于正常位置，所以这样的位错运动只需一个很小的切应力即可实现，故，实测的K 远小于理论的K 。,多晶体金属的塑性变形与单晶体的本质是一致的，即每个晶粒的塑性变形仍以滑移方式进行，但多晶体是由许多形状、大小、取向各不相同的晶粒组成。所以，多晶体的塑变过程又比单晶体的相对复杂许多。,2多晶体的塑性变形,（一）晶界对塑性变形的影响 晶界原子排列较不规则，阻碍位错运动，使变形抗力增大。 晶粒小 晶界多 变形抗力大 强度，硬度（细晶强化） 晶粒小 变形分散，应力集中小 塑性，韧性,在多晶体金属中，由于各晶粒的位向不同，则各滑移系的取向（滑移面和滑移方向的分布）也不同，所以在外力的作用下，每个滑移系上所受的分切应力就不同。如果：在受拉伸时，滑移系与外力P成45，则为最大；滑移系与外力P 平行或垂直，则为最小。,（二） 晶粒取向对塑性变形的影响,软位向：凡滑移面和滑移方向处于或接近与外力成45的夹角的晶粒必先滑移，处于这种位向的晶粒为处于软位向。 硬位向：滑移面或滑移方向处于或接近于与外力平行或垂直的晶粒，处于硬位向，则难以滑移。如图所示，以ABC的顺序分批滑移。,在外力作用下，金属中处于“软位向”的晶粒中的位错首先滑移，产生变形，但是这种变形要受到邻近尚未产生滑移的晶粒的制约。这些晶粒要以弹性变形来协调，所以，多晶体中“软位向”晶粒的位错运动所需的外力较单晶体所需的外力大 另外，分正应力组成一力偶，促使晶粒发生转动，所以随着滑移的发生，软位可转移到硬位向，硬位向可转到软位向。多晶体的塑性变形总是逐批滑移，从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形。,3冷态 塑性变形对金属组织和性能的影响,（一）加工硬化现象 在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，这一现象就是加工硬化，或形变强化。,加工硬化（形变强化 强化材料的手段之一）,金属在冷变形时，强度、硬度 ，塑性、韧性。,P21，图1-17,实际意义： 优点： a、广泛用来提高金属材料的强度；（例如：自行车链条的链板的制作） b、有利于金属进行均匀变形；（例如：冷拔钢丝） c、可以提高工件在使用过程中的安全性。 缺点： 会给金属进一步加工造成困难，为此中间需进行再结晶退火处理。,(二)冷加工后的金属组织,1.位错密度增加，晶粒破碎，亚结构增加 塑性变形 位错密度增加，相互缠结(亚晶界)，运动阻力加大 变形抗力 加工硬化,晶粒拉长，纤维组织,变形10% 100,变形40% 100,变形80% 纤维组织 100,工业纯铁 不同变形度 的显微组织,2. 晶粒拉长，纤维组织 织构,织构,绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，性能出现各向异性。 各向异性 (沿纤维方向的强度、塑性最大）,晶粒拉长，但未出现织构。,晶粒拉长，且出现织构。,优点：利用它所形成的各向异性；（例如：制造变压器铁芯的硅钢片） 缺点：也是因为它所形成的各向异性；（例如：制耳现象),3. 残余内应力由金属内部不均匀变形引起,3.1 宏观内应力（第一类内应力）：由于表层与心部的变形量不同所引起的，它是在整个物体范围内处于平衡的力。（例如：冷拉圆钢） 3.2 微观内应力（第二类内应力）：由于晶粒之间或晶内不同区域变形量不同引起的，它是在晶粒或晶内不同区域内处于平衡的力。,3.3晶格畸变力（第三类内应力） 位错等晶格缺陷的大量增加引起缺陷附近晶格畸变产生的内应力。它是在晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡的。它是金属强化的主要原因，也是变形金属中的主要内应力。 残余内应力的危害 引起零件加工过程变形、开裂。 耐蚀性,在变形金属中，由于晶粒破碎拉长及位错等晶格缺陷大量增加，使其内能增加，在热力学上处于不稳定的亚稳状态。所以，一旦对其进行加热使原子有了足够高的活动能力，那么，形变金属就能从亚稳状态向稳定状态转变，从而引起一系列组织和性能的变化。,第二节 冷加工金属在加热时的变化,一、回复、再结晶与晶粒长大,1回复 2再结晶 3晶粒长大,1、回复 T回复=（0.25.3）T熔点,显微组织无明显变化，位错和点缺陷大大.回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降，塑性增高，但残余应力大大降低。,变化,应用,工业上利用回复过程对变形金属进行去应力 退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。,塑性变形后的金属在低温加热时，变形金属中的一些点缺陷和位错的迁移而引起某些晶内变化称为回复,2、再结晶 T再=（0.35.4）T熔点,变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，该过程称为再结晶 。,变化,再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低， 塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加 工硬化现象被消除。，,应用,工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再结晶退火来消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性。以利于后面的变形加工。,再结晶退火：对发生了加工硬化（冷变形）的金属，在再结晶温度以上一定温度加热，适当保温的热处理工艺，称为再结晶退火。再结晶退火的温度经常定为最低再结晶温度以上100200。书P29表2-2，几种常见金属及合金的最低再结晶温度和再结晶退火温度。,3. 晶粒长大,变形80%,工业纯铁 再结晶退火 显微照片 100,变形80% 600退火8小时,变形80% 400退火8小时,加热温度 T 和 保温时间 t 晶界迁移、晶粒合并长大。,类型： 正常长大：随着温度的升高或保温时间的延长，晶粒均匀连续的长大。（因为晶粒长大是一个表面能降低的过程，所以晶粒长大是一个自发过程，但长大速度不大。） 异常长大：经严重冷变形的金属，在较高温度退火时，少数晶粒优先长大，逐渐吞食周围大量小晶粒而形成粗大晶粒的过程，叫二次再结晶。 特点： 不是重新生核与长大，而是在一次再结晶完成之后，某些特殊晶粒长大形成的； 是不连续、不均匀的长大，故叫反常长大如图形成机理：第二相或夹杂物质点的影响,（一）金属的再结晶温度 再结晶温度（T再）： 通常再结晶温度是指再结晶开始的温度，它与金属的变形程度和纯度等因素有关；但需注意的是再结晶过程不是一个恒温过程，而是在一定温度范围内进行的过程。,二、影响再结晶温度和晶粒大小的因素,影响再结晶温度的因素： 金属的预变形度：金属的预变形度越大，晶体缺陷就越多，则组织就越不稳定，再结晶温度 就越低。如书P29图2-7，从图中可以看出，当变形程度达到一定程度后，再结晶温度趋于某一最低值，这一温度称为最低再结晶温度。大量实验证明：,最低再结晶温度 TR 纯金属 TR =（0.4 0.35）T0 合金 TR =（0.5 0.7）T0 温度单位：绝对温度( K ) 预变形度对TR的影响, 金属的纯度：金属的纯度越低，金属中的微量元素或合金元素，尤其是高熔点元素，常常趋向于位错、晶界处偏聚，因此会阻碍原子扩散和晶界的迁移，从而再结晶温度显著提高。 加热速度和保温时间：因为再结晶的形核和长大都需要时间，所以加热速度越大，在不同的温度下停留的时间短，使之来不及形核和长大，而推迟到更高的温度下才会发生再结晶； 保温时间越长，原子的扩散能力越大，再结晶温度就越低。,变形金属经再结晶退火后，晶粒的大小对其力学性能有着非常重要的影响，只有获得细晶粒金属，才能获得较高的强度、硬度和良好的塑性、韧性。了解决定再结晶退火后晶粒度的因素就可以控制变形金属的再结晶退火后的质量。,(二）再结晶退火后的晶粒度,1.加热温度 T 晶粒直径 D 再结晶时，加热温度越高，原子的活动能力越强，越有利于晶界的迁移，所以，退火后晶粒越粗大；同时，在加热温度一定时，保温时间越长，晶粒越粗大。,当变形度很小时，晶粒度仍保持原样；（因为变形度小，畸变能小，不足以引起再结晶） 当变形度在2%10%时，再结晶后的晶粒特别粗大。（金属中仅有部分晶粒发生变形，变形极不均匀，再结晶时的生核数目少，所以再结晶后的晶粒度极不均匀，晶粒极易相互吞并长大）我们将此范围的变形度称为“临界变形度”，生产上应尽量避免在此范围内变形。,2.预变形度的影响 它的影响实际上是变形均匀程度的问题。,当变形大于临界变形度后，随着变形的增加，变形便越趋于均匀，再结晶时的形核数目越多，故晶粒就越细小均匀。 当变形度大于90%以上时，某些金属还会出现晶粒的异常长大。,临界变形度的危害：,1热加工对组织和性能的影响,热加工 在 TR 以上温度进行的变形加工. 如钢材的热锻和热轧,但热加工后不产生加工硬化。 热加工时，塑性变形引起的加工硬化效应随即被再 结晶过程的软化作用所消除.热加工过程实际上是 加工硬化与回复、再结晶相互制约，相互平衡的过 程。,第三节 金属的热加工（自学）,热加工的应用及组织和性能特点,1）打碎柱状晶、树枝晶，形成等轴晶，机械性能改善。 2）压合铸件中的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和机械性能。 3）产生 流线 分布 非金属夹杂物沿变形方向分布，引起各向异性。,锻造曲轴,切削加工曲轴,冷加工对组织和性能的影响,冷加工 在 TR 以下温度进行的变形加工，如低碳钢的冷拔、冷冲。 冷加工后产生加工硬化。,思考题：其原因是什么？,冷加工对金属组织和性能的影响：, 能产生加工硬化，提高强度和硬度，塑性和韧性下降。 是重要的 强化手段，对不能热处理强化的合金尤其重 要。但增加继续塑性变形的抗力。,热加工与冷加工的比较,热加工时，由于再结晶可以及时与加工硬化动态平衡，使金属具有很高的塑性而容易加工。 热加工变形量大，不需要穿插中间退火，因而流程短，效率高。 节省金属。 缺点： 需要加热，不如冷加工简单易行。 制品的组织性能不如冷加工均匀和易于控制。制品不如冷加工尺寸精确，表面粗糙度值大。 对于薄或细的加工制品，由于降温快，尺寸精度差，不宜采用热加工。,第四节,基本内容和要求,常见的几种力学性能 指标,1. 了解力学性能的种类、概念及指标。,2. 了解拉伸实验过程及相关指标概念和意义。,3. 了解各种硬度实验测试方法和应用范围。,4. 了解冲击实验方法和所测指标的意义。,一、金属材料的机械性能,是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。,机械性能,外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。,载荷形式：静载荷、冲击载荷、交变载荷等。,指标：强度、刚度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。,强度,金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。,单位: MPa(MN/mm2),分：抗拉强度b、抗压bc、抗弯bb、抗剪b、抗扭t。,静载单向静拉伸应力应变曲线,介绍拉伸实验： 弹性变形阶段 屈服阶段 强化阶段 缩颈阶段 试样断裂,5,静载单向静拉伸应力应变曲线,介绍拉伸实验： ob弹性变形阶段 bcd屈服阶段 db强化阶段 Bk缩颈阶段 k试样断裂,1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能,单元3,6,根据拉伸实验确定一些强度指标, 弹性极限e（elastic limit）,材料拉伸时保持弹性变形，不发生永久变形的最大应力。,弹性极限：e=Fe/Ao =E,刚度,表示材料弹性变形抗力的大小。,弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。,E愈大，使其产生一定量弹性变形的应力也应愈大。,E=/ 杨氏弹性模量 ,应力应变的比值。单位 MPa, 屈服极限s（屈服强度或屈服点）,金属材料开始发生微量塑性变形的抗力。,s=Fs/Ao,条件屈服强度0.2 ,产生0. 2%残余塑性变形的抗力的极限应力值。,用于无屈服点的中高碳钢。,脆性材料：b=s 灰口铸铁, 抗拉强度b （强度极限）,是试样被拉断前的最大承载能力，,b=Fb/Ao,（MPa）,（MPa）,材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值,屈强比,s与b的比值。,屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，,屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低。,延伸率,拉伸试样断裂后，标距长度的伸长量占原来标距长度的百分数，成为材料在拉伸时的断后伸长率，用 表示。,3. 硬度, 布氏硬度,材料抵抗另一更硬物体压入其内的能力。,硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念，,硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出 材料的其它机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。 硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度， 压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。,布氏硬度值HB是以试样单位压痕球形面积上所承担的载荷数表示。即单位面积所承受的压力 。,布氏硬度测定的原理是把一定直径的淬火钢球，以规定的载荷P压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，测出压痕直径d，求出压痕面积F计算出平均应力值，以此为布氏硬度值的计量指标，并用符号HB表。,布氏硬度测定主要适用于各种未经淬火的钢、退火、 正火状态的钢；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地 轻软的轴承合金等原材料。,标注：D/P/T如120HB/10/3000/10，即表示此硬度值120,在D=10mm，P=3000kgf，T=10秒的条件下得到的。,简单标注：200230HB或300330HBS,布氏硬度试验只可用来测定小于HB450的金属材料，,洛氏硬度（HR）,基本原理洛氏硬度属压入法,用一个顶角为120的金钢石圆锥为压印头，先将98N初载使压印头与试样的表面接触良好，此时将硬度仪刻度盘上的指针对准零点，然后加上1373N主载荷，金刚石圆锥压入试样表面一定时间后，卸去主载，材料回弹少许，此时压痕的深度作为测量硬度的依据，通过换算，此时的硬度可由刻度盘上直接读出。,布氏硬度实验,洛氏硬度测定仅产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验,设备简单，操作迅速方便。但测一点无代表性，不准确，需多点测量， 然后取平均值。洛氏硬度虽可用来测定各种金属材料的硬度 。,维氏硬度（HV）,为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度， 因而制定了维氏硬度试验法。,维氏硬度试验法是压入试验法中较精确的一种，它与布氏硬度试验法相同， 是用一种顶角为136的金钢石角锥压头，在载荷F（kgf）作用下，试样 表面压出一个四方锥形压痕，测量压痕对角线长度D（mm）。HV为压痕单位面积上所受的压力，可根据测得的D平均值，从手册中的有关表格上查出维氏硬度值。,维氏硬度值表示方法为HV硬度数值，有时为反映试验条件，在硬度数值 前用下标加上负荷，例如HV20232，20为加载负荷。,维氏硬度试验主要用来测定金属镀层、薄片金属以及 化学热处理（如氮化、渗碳等）后的表面硬度。,维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等， 小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。,单元3,4. 冲击韧性（Ak或ak ）,韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力-韧度,冲击韧性（Ak） ：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。,单位为焦耳/厘米（J/cm）,ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积F,ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。,ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。,Ak=mg(h1-h2),冲击韧性实验,Ak=h1-h2,5. 疲劳