1、工程材料讲稿三 李校夫编 第三章金属塑性变形与再结晶序 实际生产中 铸锭 是不能直接用作零件 或直接作为材料来制作零件的 钢锭只有经压力加工 如锻造 轧制 拉丝 挤压 冲压等 才可成为市场供应态的材料 供我们选用 压力加工的实质 使材料在外力作用下产生塑性变形 压力加工的目的 直接得到零件 材料的外形 尺寸 改善金属材料的组织和性能 改善组织 击碎内部的粗大晶粒 使内部组织均匀化 消除内部裂隙 偏析等缺陷 提高性能 如 拉丝的结果 了解压力加工规律的目的 改进金属加工工艺 进一步发挥材料的潜能 第一节金属的塑性变形规律一 金属变形过程的微观实质由静拉伸试验可知 金属的变形过程为 弹 变 塑 变
2、 断裂 过程的微观实质 弹 变 是外力作用下 材料晶格弹性拉长 歪扭 未超原子间结合力 外力去除后 结合力使晶格的变形完全恢复的变形 见图3 1a b 塑 变 是外力大于后 晶格上的原子发生相对移动 超过原子间距 达到新的稳定 平衡 位置 外力去除后 原子不能完全回到原位置的变形 断裂 是 塑 变引起原子超间距时的变化 二 单晶体塑性变形的基本形式与规律 单晶体塑性变形的基本形式 单晶体塑性变形基本形式为 滑移 孪生 孪晶 滑移 对单晶体施加切应力 当其增大到使晶体的变形超过 弹 变时 晶体的一部分相对于另一部分 沿一定的晶面发生一定距离的移动 外力去除后不可恢复的变形 即滑移 见 图3 1
3、晶体滑移后 滑移面两侧原子排列同前 但晶体表面出现阶梯状滑移带 由滑移线构 滑移线 是滑移面两侧原子新稳定位置的分界线 图3 2 孪晶 在切应力作用下 晶体的一部分相对另一部分 沿一定的晶面 孪晶面 发生一定角度的切变 即 孪晶 发生孪晶的部分叫作 孪晶带 孪晶变形后在孪晶面两侧的晶体形成镜面对称 图 3 3 单晶体滑移变形的规律 切应力是单晶体滑移的外因单晶体 静拉 时 拉伸力P 在晶体内一定的晶面上 分解为两个应力 一个是垂直于该晶面的正应力 一个是平行于该晶面的切应力 正应力 只使晶格弹性拉长 脆性 断裂 不会产生塑性变形 见书图3 5b 切应力 是单晶体塑性变形 滑移 孪晶 的外因 滑
4、移发生在特定的晶面和晶向上滑移发生在原子排列密度最大 间距最小的的晶面和晶向上 见 图3 6 每一种晶格都有特定的滑移面和滑移方向构成滑移系 晶体滑移系数愈多 金属塑性愈好 滑移系数 滑移面数 滑移方向数 晶体晶格缺陷是单晶体滑移的内因单晶体的滑移 不是晶体的一部份相对于另一部份的刚性整体运动 而是由于晶格缺陷 组织 引起 即在外力作用下空位 位错等在晶格之间传递的结果 见图3 7 三 多晶体的塑性变形 多晶体中每一个小晶粒的塑变过程 方式与单晶体相似 多晶体的变形抗力高于单晶体 多晶体的塑变过程复杂多晶体的塑变比单晶体复杂 由于多晶体内各小晶粒位向不同 外力下各晶粒受力方式不同 拉 压 弯
5、扭 变形先后顺序 过程不同 位向转动 弹性 塑性 因此 变形总是一批一批的进行 直至小晶粒全都参与变形 多晶体的塑变才完成 多晶体的晶界 使其变形抗力高于单晶体 原因 晶界上原子排列紊乱 晶格畸变阻止 滑移 多晶体内 各晶粒间彼此制约 因此使其变形抗力高于单晶体 材料的晶粒大小对机械性能的影响 晶粒越细材料强度越高晶粒越细 晶界越多 晶格畸变越严重 缺陷传递受阻 对塑变抗力越大 强度越高 晶粒越细塑性和韧性也越好晶粒越细 越多 变形总量可分散到更多的晶粒中 使变形越均匀 晶粒越细 晶界越多 晶界越曲折 阻碍裂纹扩展 变形大而不破坏 塑韧性好 第二节塑性变形对金属组织和性能的影响 塑变 使金属组
6、织细化 性能变化压力加工中在外力作用下 随金属晶粒变形增加 内部先后出现滑移线 带 位错增加 晶粒破碎成亚晶粒 组织细化 晶格产生严重畸变 使进一步滑移 塑变 阻力增大 因此 出现金属强度 硬度显著上升 塑 韧性明显下降的加工硬化现象 变形强化 加工硬化现象 压力加工后金属强度 硬度显著上升 塑 韧性明显下降的现象 是材料强化的重要手段之一 这对纯金属及不能热处理强化的金属材料具有重要意义 塑变 使金属组织变化 对后续加工带来困难多次反复的 塑变 使晶粒沿受力方向产生变形与位向变化 形成织构 出现 各向异性 织构与非人为的冷作硬化 使后续加工困难 必须消除 第三节变形金属在加热时的组织和性能变
7、化金属经 塑变 后 组织和性能变化很大 不仅使金属进一步加工困难 而且由于内能升高使组织处于不稳定状态 变形金属有自发的恢复原有组织的倾向 将影响零件的尺寸 形状的精度 必须消除 方法 对变形金属以一定形式加热 变形金属在加热时的组织变化形式为 回复 再结晶 晶粒长大 一 回复定义 把变形金属在较低温度加热 引起其内部显微组织发生不明显的变化 使位错减少 晶格畸变程度降低 残余应力部分消失的方法 回复 回复的特点 由于加热温度低 晶粒大小 形态变化不明显 强度 硬度 塑 韧性变化不明显 内应力 电阻明显降低 工业上应用回复来 稳定零件尺寸 的方法称消除内应力退火 二 再结晶 再结晶 变形金属被
8、加热至较高温度 在变形激烈的区域自发形成新的等轴细晶粒 但晶格类型不变 只改变晶粒的外形 实质是一个固态下新晶粒生核长大的过程 再结晶 再结晶后变形组织 性能完全消失 强 硬度 塑 韧性 内应力基本消除 恢复到变形前的性能 再结晶温度 指金属经大变形度变形后 在规定时间内能完成再结晶的温度 纯金属的最低再结晶温度与熔点的关系为 再结晶温度的影响因素 金属含微量杂质或合金元素将使 加热速度低或原始晶粒细小使 4 再结晶后晶粒度的影响因素 再结晶时加热温度愈高 保温时间愈长 晶粒愈大 予变形度合适时 30 60 再结晶后晶粒细小 三 晶粒长大再结晶后继续升温 保温 会使晶粒长大 但 再 后如晶粒细
9、小 均匀 则晶粒长大慢 如 再 前变形不均 且 再 后晶粒细大小不均匀 则易形成粗大晶粒 使机械性能显著降低 第三节金属的热加工概念 热加工 高于再结晶温度的加工变形 冷加工 低于再结晶温度的加工变形 采用热加工 在高于再结晶温度的加热温度下 金属硬度降低 塑性提高 金属的变形抗力小不会产生加工硬化现象 因此能够顺利的进行大变形量的塑性加工 但 热加工时易产生表面氧化现象 常对截面尺寸 变形量较大的金属毛坯及半成品使用 热加工 锻 热轧 对金属组织性能的影响 细化晶粒 改善力学性能性能 消除铸态金属缺陷 疏松 气孔 裂纹等 使组织致密 性能 见表3 3 经热加工后 使金属组织形成流线 流向 材料出现各向异性 见表3 4热加工时 合理控制流线的分布将有利于零件工作 见图3 18 但 自由锻 无流向 完
