第六章 金属和合金的塑性变形.doc

第六章 金属和合金的塑性变形和再结晶 金属材料（包括纯金属和合金）在外力的作用下引起的形状和尺寸的改变称为变形。去除外力，能够消失的变形，称弹性变形；永远残留的变形，称塑性变形。工业生产上正是利用塑性变形对金属材料进行加工成型的，如锻造、轧制、拉拔、挤压、冲压等。塑性变形不仅能改变工件的形状和尺寸，还会引起材料内部组织和结构的变化，从而使其性能发生变化。以再结晶温度为界，金属材料的塑性变形大致可分为两类：冷塑性变形和热塑性变形，在生产上，通常称为冷加工和热加工。 经冷塑性变形的金属材料有储存能，自由能高，组织不稳定。若升高温度，使原子获得足够的扩散能力，则变形组织会恢复到变形前的状态，这个恢复过程包括：回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。 从金属材料的生产流程来看，一般是先进行热加工，然后才进行冷加工和再结晶退火。但为了学习的方便，本章先讨论冷加工，再讨论再结晶和热加工。 §6.1 金属材料的变形特性 应力—应变曲线 金属在外力作用下，一般可分为弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段。 图6.1是低碳钢拉伸时的应力—应变曲线，这里的应力和应变可表示为： 公式中是拉力，分别是试样的原始横截面积和原始长度。 从图中可以得到三个强度指标：弹性极限，屈服强度，抗拉强度。当拉应力小于弹性极限时，金属只发生弹性变形，当拉应力大于弹性极限，而小于屈服强度时，金属除发生弹性变形外，还发生塑性变形，当拉应力大于抗拉强度时，金属断裂。理论上，弹性变形的终结就是塑性变形的开始，弹性极限 和屈服强度应重合为一点，但由于它们不容易精确测定， 所以在工程上规定：将残余应变量为0.005%时的应力值作 为弹性极限，记为，而将残余应变量为0.2%时的应 力值作为条件屈服极限，记为。和都表示金属 产生明显塑性变形时的应力。 除强度指标外，还能得到两个塑性指标，即延伸率和 断面收缩率，分别定义为： 公式中：是试样断裂后的标距长度，分别是试样原始横截面积和断裂后的横截面积。延伸率和断面收缩率这两个塑性指标表示金属产生塑性变形的能力。 金属的弹性变形 弹性是金属的一个重要性能，弹性变形发生于塑性变形之前，在塑性变形中也会发生一定的弹性变形。 弹性变形的实质 弹性变形的实质就是金属的晶格结构在外力作用下，产生的弹性畸变。根据双原子模型，晶体不受外力时，内部原子基本处于平衡位置，原子之间的结合力为0，结合能最低。当晶体受到外力作用后，内部原子就会发生位移，偏离平衡位置，在宏观上就产生变形。如果外力小于原子间的结合力，去除外力后，原子在结合力的作用下又回到原来的平衡位置，变形便随之消失，这就是弹性变形。 弹性变形的宏观定律——虎克定律 在弹性变形阶段，应力和应变呈直线关系，这一关系称虎克定律，即 在正应力下 在切应力下 公式中：分别称为正应变和切应变，分别称为正变弹性摸量和切变弹性模量。弹性模量在工程上又称为刚度，它反映了金属材料抵抗弹性变形的能力。弹性模量或刚度越大，弹性变形越困难。 决定弹性模量的因素——原子间结合力 金属的弹性模量是一个对组织不敏感的性能，它主要取决于原子间结合力的大小，其它因素对它的影响很小。由于晶体中原子沿不同的方向，结合力不同，因此单晶体的弹性模量也具有方向性，表现出各向异性。而多晶体由于各个晶粒的取向是任意的，晶体的各向异性被相互抵消了，所以多晶体的弹性模量的各向异性表现不出来。 §6.1 单晶体的塑性变形 我们知道：当金属材料受到的外力达到屈服强度时，将发生明显的塑性变形。塑性变形的方式有四种：滑移、孪生、晶界滑动和蠕变。滑移是高、低温塑性变形最重要的方式，孪生只有在低温变形中才会发生，而晶界滑动和蠕变只在高温变形下才起作用。虽然工程上应用的大多数金属材料是多晶体，但多晶体的塑性变形较复杂，为了方便学习，首先介绍单晶体的塑性变形。单晶体冷塑性变形的方式主要是滑移，此外还有孪生。本节主要介绍滑移。 滑移 滑移的表象（表面现象）—滑移带和滑移线 如果将表面抛光后的单晶体金属进行拉伸，产生塑性变形，然后在显微镜下观察，可以看到：金属表面有许多相互平行的黑色线条（如图6.2）。这些黑色的线条称为滑移带。如果在放大倍数更高的电子显微镜下观察（图6.3），可发现：每条滑移带是由一组互相平行滑移线组成，滑移线之间形成小台阶。滑移带和滑移线是在放大倍数不同的显微镜下，对塑性变形的金属观察后得到的结果。 再对拉伸前后的金属进行X-射线结构分析后，表明：金属的晶体结构在拉伸变形前后不发生任何变化，滑移线两侧的晶体位向也没有发生变化。 通过以上实验分析，可以给滑移下一个完整的定义：在切应力的作用下，晶体的一部分相对另一部分沿一定的晶面和该晶面上的一定晶向发生相对滑动，滑动前后晶体结构和位向不发生变化。 滑移系 滑移面、滑移方向、滑移系 既然滑移是晶体的一