1、第三章金属的塑性变形与再结晶 主编第三章金属的塑性变形与再结晶*在机械制造业中,许多金属制品都是通过对金属铸锭进行压力加工获得的。压力加工就是对金属施加外力,使其产生塑性变形,改变形状和尺寸,用以制造毛坯、工件或机械零件的成形加工方法。常见的金属压力加工方法有锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔等,如图3-1所示。图3-1压力加工方法示意图a)锻造b)轧制c)挤压d)冷拔e)冷冲压属塑性变形的过程,了解金属变形时组织与性能的变化规律,以及加热对变形金属的影响,对金属的加工工艺、加工质量和使用有很重要的意义。压力加工不仅改变了金属的外形和尺寸,而且其内部的组织和性能也发生了变化。因此,研究金金属在外力作
2、用下产生变形,其变形过程包括弹性变形和塑性变形两个阶段。弹性变形在外力去除后能够完全恢复,所以不能用于成形加工。只有塑性变形才是永久变形,才能用于成形加工。弹性变形是由于外力克服原子间的作用力,使原子之间的距离发生改变,原子偏离原来平衡位置而产生的。第一节金属的塑性变形 当外力去除后,在原子间作用力的作用下,原子返回原来的平衡位置,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。金属的塑性变形过程比弹性变形复杂,而且塑性变形后金属的组织及性能发生了改变。一、单晶体的塑性变形工业用金属材料大多是由多晶体构成的,要说明多晶体的塑性变形,必须首先了解单晶体的塑性变形。图3-2晶体在切
3、应力作用下的变形a)未变形b)弹性变形c)弹、塑性变形d)塑性变形图3-3通过位错运动产生滑移的示意图二、多晶体的塑性变形常用金属都是多晶体,多晶体是由许许多多的晶粒组成的。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。图3-4多晶体塑性变形示意图2.晶界的作用在多晶体中,晶界处原子排列混乱,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,图3-5两个晶粒试样在拉伸时的变形a)变形前b)变形后第二节冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形不但改变了金属的形状和尺寸,而且还使其
4、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了变化。图3-6冷塑性变形时晶粒形状变化示意图a)未变形b)变形程度小c)变形程度大冷塑性变形改变了金属内部的组织结构,引起了金属力学性能的变化。二、冷塑性变形对金属性能的影响 三、冷变形强化在生产中的影响冷变形强化可以提高金属的强度、硬度和耐磨性,是强化金属材料的一种工艺方法,特别是对那些不能用热处理强化的金属材料更为重要。第三节回复与再结晶冷塑性变形后的金属,其组织结构发生了改变,而且由于金属各部分变形不均匀,在金属内部形成残余应,使金属处于不稳定状态,具有自发地恢复到原来稳定
5、状态的趋势。图3-9加热温度对冷塑性变形金属组织和性能的影响常温下,原子活动能力比较弱,这种不稳定状态要经过很长时间才能逐渐过渡到稳定状态。如果对冷塑性变形后的金属加热,由于原子活动能力增强,就会迅速发生一系列组织与性能的变化,使金属恢复到变形前的稳定状态,如图3-9所示。冷塑性变形后的金属在加热过程中,随加热温度的升高,要经历回复、再结晶、晶粒长大三个阶段的变化。一、回复当加热温度较低时,金属中的原子有一定的活动能力。二、再结晶随着加热温度的升高,原子的活动能力增强,当加热到一定温度(如纯铁加热到450以上)时,变形金属中的纤维状晶粒将重新变为等轴晶粒,这一阶段称为再结晶。图3-10金属再结
6、晶温度与冷塑性变形程度的关系表3-1常见金属的去应力退火与再结晶退火温度三、晶粒长大冷塑性变形金属经再结晶后,一般都得到细小均匀的等轴晶粒。图3-11晶粒长大示意图第四节金属的热塑性变形一、热加工与冷加工的区别金属的热塑性变形加工与冷塑性变形加工是以金属的再结晶温度来划分的。二、热加工对金属组织和性能的影响1.消除铸态金属的某些缺陷通过热加工,可使铸态金属毛坯中的气孔和疏松焊合,消除部分偏析,细化晶粒,改善夹杂物和碳化物的形态、大小与分布,结果使金属的致密度和力学性能提高。表3-2碳钢(wC=0.3%)铸态和锻态时的力学性能比较2.形成热加工纤维组织热加工时,铸态金属毛坯中的粗大枝晶偏析和各种
7、夹杂物,都要沿变形方向伸长,逐渐形成纤维状。表3-3碳钢(wC=0.45%)力学性能与流线方向的关系图3-12曲轴流线分布示意图a)切削加工曲轴b)锻造曲轴3.形成带状组织如果钢的铸态组织中存在着比较严重的偏析,或热加工时温度过低,则钢中常出现沿变形方向呈带状或层状分布的显微组织,称为带状组织。1.什么是塑性变形?2.单晶体塑性变形的基本方式是什么?塑性变形是如何实现的?3.多晶体塑性变形比单晶体复杂,主要表现在哪些方面?4.什么冷变形强化?举例说明冷变形强化现象的利弊。5.什么是冷加工纤维组织?如何产生的?6.什么是回复、再结晶?7.热加工与冷加工有何区别?8.什么是流线?如何产生的?练习题1.试述细晶粒金属具有较高力学性能的原因。2.加热时冷塑性变形金属的组织和性能会发生哪些变化?3.铜的熔点是1083,如何确定其再结晶温度?4.钛的熔点是1667,铅的熔点是327,在200时对它们进行塑性变形加工,试问它们各属于冷加工还是热加工?5.金属的再结晶过程与同素异构转变过程有何异同之处?6.再结晶能否作为细化晶粒的一种方法?7.热加工对金属组织和性能有那些影响?8.试比较冷加工纤维组织、流线与带状组织的区别,并分析它们产生的原因及对金属性能的影响。
