第1页：第二章 金属的塑性变形
第二章 金属的塑性变形
- 第二章金属的塑性变形
- 塑性变形在改变金属外形的同时，也深刻地影响着金属的组织结构和性能，
- 塑性加工包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。
第2页：金属的塑性成形
金属的塑性成形
- 塑性加工的基本概念
- 1．金属的塑料成形，又称压力加工
- 指金属材料在外力作用下发生塑性变形的过程。
- 在工业生产上，将钢锭锻造、挤压、轧制、拉拔成各种型钢、钢板、钢管或钢丝等规定尺寸和形状的零件和产品的过程都属金属的塑性成形。
第3页：塑性加工的目的与分类
塑性加工的目的与分类
- 塑性加工的基本概念
- 2．目的
- （1）获得规定形状和尺寸的零件和产品；
- （2）改善金属的组织和性能。
- 3．金属塑性变形的分类
- 按加工温度是否高于再结晶温度分为两种：
- 冷塑性变形（冷加工）：指在金属再结晶温度(TR)以下进行的塑性变形加工，T < TR；
- 热塑性变形（热加工）：指在金属再结晶温度以上进行的塑性变形加工，T > TR。
第4页：常见塑性加工方法
常见塑性加工方法：本页为图示内容，并列展示轧制、挤压、拉拔与冲压等成形方式。
第5页：锻造加工
锻造加工：本页为图示内容，展示金属坯料在锻锤与砧座之间被镦粗变形的过程。
第6页：单晶体的塑性变形
单晶体的塑性变形
- 2.1单晶体的塑性变形
- 一、金属材料的塑性变形
- 1、单晶体的塑性变形——滑移和孪生
- （1）滑移：
- 在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动。
第7页：滑移的特点
滑移的特点
- 滑移的特点：
- 滑移是在切应力作用下产生的，不同金属产生滑移的临界切应力不同。
- 变形总量为原子间距的倍数。
- 滑移是晶体内部位错运动的结果。（位错在切应力作用下，逐步移动，仅需很小的切应力。）
第8页：滑移与位错（一）
滑移与位错（一）：本页为图示内容，展示位错在切应力下一步步移动并形成滑移台阶。
第9页：滑移与位错（二）
滑移与位错（二）：本页为图示内容，继续展示位错线前进后晶体上下两部分的相对位移。
第10页：滑移与位错（三）
滑移与位错（三）：本页为图示内容，显示位错移至晶体表面后留下的滑移痕迹。
第11页：滑移与位错（四）
滑移与位错（四）：本页为图示内容，对比完整晶体刚性滑移与位错逐步滑移所需切应力的差别。
第12页：滑移面、滑移方向与滑移系
滑移面、滑移方向与滑移系
- 滑移的特点：
- 滑移总是沿晶体中原子密度最大的晶面和其上的原子密度最大的晶向进行。该晶面称为滑移面；该晶向称为滑移方向。滑移系：一个滑移面与其上的一个滑移方向组成滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大。塑性越好。滑移方向的作用比滑移面大。
第13页：滑移面与滑移方向
滑移面与滑移方向：本页为图示内容，在晶胞中标出滑移面、滑移方向及其组成的滑移系。
第14页：滑移伴随晶体转动
滑移伴随晶体转动
第15页：孪生
孪生
- （2）孪生
- 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（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变。
- 孪生所需切应力比滑移大得多。孪生只在滑移难以进行得情况下才发生。
第16页：孪生变形图
孪生变形图：本页为图示内容，显示晶体一部分相对另一部分形成镜像对称的孪晶区。
第17页：滑移与孪生的比较
滑移与孪生的比较：滑移与孪生1.滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进行，产生塑性变形。2.孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生→ⅰ.FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生。→ⅱ.BCC金属仅在室温或受冲击时发生。→ⅲ.HCP金属较容易发生孪生。
第18页：滑移与孪生的变形量差别
滑移与孪生的变形量差别：滑移与孪生3.滑移→原子移动的相对位移是原子间距的整数值→不引起晶格位向的变化。孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值→孪晶晶格位向改变→促进滑移4.孪生产生的塑性变形量小（≤滑移变形量的10％），但孪生变形引起的晶格畸变大。
第19页：多晶体变形的影响因素
多晶体变形的影响因素
- 2、多晶体的塑性变形
- （1）影响多晶体塑性变形的因素1.晶粒位向：晶粒位向不一致2.晶界：
- ⅰ.滑移的主要障碍：晶界原子排列较不规则→缺陷多→滑移阻力大→变形抗力大。
- ⅱ.协调变形：晶界自身变形→处于不同变形量的相临晶粒保持连续。
第20页：细晶强化
细晶强化
- 2、多晶体的塑性变形
- （2）细晶强化
- Hall-Pitch关系：бs=б0+Kyd-1/2бs为屈服极限；б0、Ky常数;d晶粒直径。
- 晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大
- 晶粒小→晶界附近位错密度小→应力集中小→滑移由这晶粒到另外一个晶粒机会少→变形困难→屈服强度↑
第21页：细晶强化的效果
细晶强化的效果
- 2、多晶体的塑性变形
- 晶粒小→单位体积晶粒多→变形分散→减少应力集中
- 晶粒小→晶界多→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形
- 细晶强化：晶粒细化→强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高。
第22页：多晶体变形的过程
多晶体变形的过程
- 2、多晶体的塑性变形
- （3）多晶体的塑性变形加载时，各晶粒的滑移面和滑移方向相对于受力方向是不相同的，那些受最大或接受最大分切应力位向的晶粒处于软位向。
- 分批，逐步的进行，从软位向到硬位向，从少数晶粒到多数晶粒，从不均匀变形到均匀变
第23页：加工硬化
加工硬化
- 2.2塑变对金属组织及性能的影响
- 1）．加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）
- 金属在冷态下进行塑性变形时，随着变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降——加工硬化
- 塑性变形→位错开动→位错大量增殖→相互作用→运动阻力加大→变形抗力↑→强度↑、硬度↑、塑性、韧性↓
- 位错强化：位错密度↑→强度、硬度↑
第24页：加工硬化的意义
加工硬化的意义
- 2.2塑变对金属组织及性能的影响
- 加工硬化的意义
- 1）一种重要的强化手段；
- 2）有利于零件的均匀塑性变形；
- 3）具有过载能力，使用更安全；
- 4）↓塑性，↑切削性能
- 不利：塑性变形困难→中间退火→消除
第25页：加工硬化曲线
加工硬化曲线：本页为图示内容，显示变形度增加时强度硬度上升而塑性韧性下降的趋势。
第26页：纤维组织与形变织构
纤维组织与形变织构
- 2.2塑变对金属组织及性能的影响
- 2）．出现纤维状组织晶粒被压扁、拉长，纤维组织→各同异性
- 3）．织构——择优取向当变形度大于70%时，由于晶粒转动，使各晶粒位向趋于一致，形成择优取向，这种有序化的结构称为形变织构。织构分为：丝织构、板织构。
第27页：晶粒变形
晶粒变形：本页为图示内容，显示晶粒沿变形方向被压扁拉长的过程。
第28页：纤维状组织
纤维状组织：本页为图示内容，显示晶粒被拉长成纤维条带并带来各向异性。
第29页：曲轴的流线
曲轴的流线：本页为图示内容，展示锻造流线沿零件轮廓连续分布从而提高承载能力。
第30页：织构与织耳
织构与织耳：本页为图示内容，显示深冲件因择优取向在口部形成不均匀的耳状边缘。
第31页：织构与织耳（续）
织构与织耳（续）：本页为图示内容，对比不同取向板材深冲后制耳的数量与高度差异。
第32页：残余内应力
残余内应力
- 2.2塑变对金属组织及性能的影响
- 4）．残余内应力
- 第一类内应力——宏观，表面和心部，塑性变形不均
- 第二类内应力——微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均
- 第三类内应力——超微观，晶粒畸变
第33页：变形金属加热时的变化
变形金属加热时的变化
- 2.3塑性变形金属在加热时组织和性能的变化
- 如果对形变以后的金属进行加热，金属的组织结构会发生变化。
第34页：回复
回复
- 2.3塑性变形金属在加热时组织和性能的变化
- 1．回复
- 变形后的金属在较低温度下进行加热，会发生回复过程。
- 物理化学性能恢复，内应力显著降低，强度和硬度略有降低——去应力退火。
第35页：再结晶
再结晶
- 2．再结晶
- 1）新的形核一长大过程，无新相生成
- 加工硬化消除，力学性能、物理化学性能恢复，显微组织发生显著变化→等轴晶粒，强度大大下降。
- 再结晶退火：消除加工硬化的热处理工艺
- 再结晶温度：纯金属：TR=(0.35~0.4)Tm(K)合金：TR=(0.5~0.7)Tm(K) Tm:晶体熔点最低再结晶温度T：T= TR+150~250(k)
第36页：再结晶温度
再结晶温度：本页为图示内容，标出再结晶温度与熔点的关系及最低再结晶温度区间。
第37页：影响再结晶晶粒度的因素
影响再结晶晶粒度的因素
- 2．再结晶
- 2）影响再结晶晶粒度的因素
- ①温度T↑—再结晶晶粒度↑晶界迁移—长大↑
- ②预变形度
第38页：再结晶晶粒度与变形度关系
再结晶晶粒度与变形度关系：本页为图示内容，显示临界变形度处晶粒异常粗大的规律。
第39页：影响再结晶温度的因素
影响再结晶温度的因素
- 2．再结晶
- 3）影响再结晶温度的因素
- 预变形度
- 金属熔点
- 杂质和合金元素
- 加热速度和保温时间
第40页：晶粒长大
晶粒长大
- 3．晶粒长大
- 再结晶完成后的晶粒是细小的，但如果继续加热，温度过高或保温时间过长，晶粒会明显长大，使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能显著降低。
- 一般情况下，晶粒长大应当避免。
第41页：热加工对组织性能的影响
热加工对组织性能的影响
- 4．热加工对金属组织和性能的影响
- TR以上的加工，为热加工。
- 不引起加工硬化——可提高金属致密度、消除枝晶偏析，打碎柱状晶，树枝晶，流线分布。使金属的组织性能显著改变。
- 受力复杂、载荷较大的重要工件一般都用热加工方法制造。
第42页：第二章小结
第二章小结
- 小结
- 金属塑性变形的实质——位错运动
- 滑移与位错的关系、滑移系的概念
- 塑性变形的主要方式——滑移、孪生
- 金属对金属组织和性能的影响
- 加工硬化、纤维状组织、织构、残余应力
- 加工硬化的概念及其实际应用
- 回复、再结晶、晶粒长大的工程应用
