高二 北京理工大学出版社 《金属学与热处理》第三章 金属的塑性变形课件

第三章 金属的塑性变形 3.1 金属的塑形变形 3.2 冷塑形变形对金属的影响 3.3 回复与再结晶 3.4 金属的热加工 3.1 金属的塑形变形 金属在外力作用下，首先产生弹性变形;当外力增加到一定值后，除了产生弹性变形外，还产生塑性变形，即弹塑性变形;当外力继续增加，塑性变形也逐渐增加，直至金属发生断裂。金属在外力作用下的变形可分为弹性变形、弹塑性变形和断裂3种情况。 弹性变形是由于外力克服原子间的作用力，使原子间距离发生改变，原子偏离原来平衡位置而产生的。当外力消除后，在原子间作用力的作用下，原子又回到原来的平衡位置，使金属恢复原来的形状。金属产生弹性变形后，其组织和性能不发生改变。 金属的塑性变形比弹性变形复杂，而且塑性变形后金属的组织和性能也发生了变化。 一、单晶体的塑性变形 生产中使用的金属材料大多是多晶体，要了解多晶体的塑性变形，必须先了解单晶体的塑性变形。 下一页 返回 3.1 金属的塑形变形 实验证明，晶体在正应力作用下，只能产生弹性变形，随后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。要使晶体产生滑移，作用在晶体上的切应力必须达到一定的数值。当原子移动到新的平衡位置时，晶体就产生了微量的塑性变形，大量晶面上滑移的总和，就形成了宏观上的塑性变形。 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。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。滑移面和滑移方向的数量越多，金属的塑性越好。 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。如果是整体移动，那么，需要克服的滑移阻力是十分巨大的。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。 上一页 下一页 返回 3.1 金属的塑形变形 在切应力的作用下，通过一条位错线从滑移面的一侧移动到另一侧，便产生了一个原子间距的滑移，这只需要位错线附近少数原子作微量移动，而且移动的距离小于一个原子间距。大量的位错移出晶体表面，就产生了宏观上的塑性变形。因此，通过位错移动来实现滑移容易实现，这与实际测量的结果是一致的。 二、多晶体的塑性变形 常用金属都是多晶体，多晶体由许许多多的晶粒组成。由于各个晶粒的晶格位向不同，又有晶界存在，各个晶粒的塑性变形互相影响，因此，多晶体塑性变形的过程比单晶体复杂。多晶体塑性变形主要有以下特点。 上一页 下一页 返回 3.1 金属的塑形变形 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3-4所示。当处于有利滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围位向不同的其他晶粒的约束，使滑移的阻力增加，从而提高塑性变形的抗力，同时使多晶体的塑性变形向逐步扩展和不均匀形式发展。 2.晶界的作用 在多晶体中，晶界处原子排列紊乱，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，试样在晶界处不易变形，多晶体往往表现出竹节状变形，如图3-5所示。显然，晶界越多，晶体的塑性变形抗力越大。 上一页 下一页 返回 3.1 金属的塑形变形 3.晶粒大小的影响 在一定体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶界的数量越多，晶粒越细小，处于不同位向的晶粒也越多，位错移动时的阻力越大，因而金属的塑性变形抗力也越大，金属的强度就越高。细晶粒的多晶体不仅强度高，而且塑性和韧性也较好。一方面，因为晶粒越细小，在相同变形条件下，变形量可分散在更多的晶粒内进行，使各晶粒变形程度均匀，不易产生集中变形;另一方面，晶粒越细小，晶界就越多，路径越曲折，有利于阻止裂纹的传播，裂纹不易扩展，使其在断裂前能承受较大的塑性变形，表现出较好的塑性和韧性。因此，生产中应尽可能细化晶粒。 上一页 返回 3.2 冷塑形变形对金属的影响 冷塑性变形不但改变了金属的形状和尺寸，而且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 当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3-6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)的力学性能好于横向(垂直于纤维方向)的性能。同时，由于各个晶粒的变形不均匀，会使金属在冷塑性变形后内部存在残余应力。 冷塑性变形除