金属的塑性变形与再结晶返回.ppt

第四章 金属的塑性变形与再结晶 在工业生产中经常遇到对金属材料进行塑性变形加工问题。例如：将铸锭轧制成各种规格品种的成材；将钢料锻造成零件的毛坯；通过冲压制造某些器具和零件等。这些都属于对金属材料的压力加工。所谓压力加工是指利用金属的塑性，使其改变形状，尺寸和改善性能，获得型材、棒材、线材或锻压件的加工方法。它包括锻压、冲压、挤压、拉拔等。 金属材料的塑性变形，不仅改变了材料的外形和尺寸，也会使金属的显微组织和性能产生变化。因此，很有必要对金属材料塑性变形的一些规律进行了解，以便更好的制定和实施压力加工的工艺并充分发挥材料的性能潜力。 第一节 金属塑性变形的微观机制 在第一章介绍拉伸试验时，已经提到过拉伸试样再外力作用下，随着拉力的不断增加，试样先产生弹性变形，然后过渡到塑性变形直至最后拉伸。这些直接可见的宏观变化是靠怎样的微观机制来实现的呢？弹性变形的微观机制是通过外力作用使金属的晶格发生有限的拉长和扭曲。但外加应力较小不超过原子间的结合力，不 破坏原子的平衡位置，仅是在有限距离内偏离平衡位置。当外力一旦撤除，原子间的结合力使原子都回到原来的平衡位置。于是，宏观上的弹性变形也随之消除了，不留下剩余变形。塑性变形的微观机制要比弹性变形复杂多了。 一、塑性变形的基本形式 塑性变形的主要形式有两种：滑移和孪生。 （一）滑移 在切应力作用下，单晶体（或晶粒）内晶体的一部分相对另一部分沿着一定的晶面和晶向产生原子间距整数倍距离的移动，当应力除去后也不能恢复原位的这种相对移动称滑移。在显微镜下可观察到滑移后的晶体表面出现一些与外力方向成一定角度的细线。实际上这些细线是一条条的小台阶，成为滑移带。每个滑移带又是由一些更小的台阶组成。这些更小的小台阶称为滑移线，见图4-1。对于多晶体，在晶粒中也能看到滑移线。每条线所对应的台阶高度称为该滑移面的滑移量（一般约为103原子间距）。 两条滑移线之间部分称为滑移层，其厚度约为102原子间距。各滑移带之间距离约为104原子间距。可见晶体的滑移不是均匀分布的。即使发生均匀的宏观塑性变形，晶体内也不仅是有限部分发生滑移。对于一个滑移系来说，也仅是部分晶面上的滑移。 1. 滑移系:晶体中不是任何晶面都可以成为滑移面和滑移方向。只要那些原子排列最密的晶面和晶向才可能成为滑移系。随晶格类型不同晶体中滑移的数量也不同，见图4-2。体心立方体晶格原子排列最密的晶面族和晶向族是{ 110 }和111 。它们可以成为滑移面和滑移方向。因为每个滑移面上有两个滑移方向，而{110}有六个面，所以，体心立方体晶格有6×2=12滑移系。 对于面心立方晶格，晶面族{111}原子排列最密，共有四个晶面，每个晶面上有三个原子排列最密方向（如110），所以，也有4×3=12个滑移系。 密排六方晶格情况较为复杂,其具体的滑移面和三个滑移方向常因具体金属的晶格常数和所在温度不同而发生变化。但总的来说只有一个滑移面和三个滑移方向。如图4-2。密排六晶格有1×3=3个滑移系。 当单晶体受到外力作用时，滑移系多的晶体比滑移系少的易产生滑移，对于滑移系的数目相同的晶体其滑移方向较多者更易产生滑移。这就是不同类型晶格的金属屈服点不同原因之一 2. 引起滑移的临界应力 外加应力在滑移系中可分解为切应力和正应力。而分切应力是产生滑移的动力，正应力不能引起晶体滑移，但它能使滑移面发生转动。拉伸时使滑移面朝与外力平行方向转动；压缩时使滑移面朝与外力垂直转动，见图4-3。 下面以拉伸为例讨论一下外力F在滑移系中的分应力的情况，见图4-4。图中 N：滑移面的法线 φ:法线N与外力方向夹角 M:滑移面内的一个滑移方向 λ: M与外力的夹角；M、N、F不一定共面 根据图4-4中的几何关系当F、M、N 共面时，可推导出 σＮ=σcos2φ；τ＝σcosφcosλ 能使滑移系开始产生滑移的最小分切应力值称为临界切应力，用τc表示。τc的大小主要是由晶体本身的性质所决定，通常与外力的大小方向无关。但是受晶体内的杂质含量、变形速度、晶体所处的温度环境影响。通常是随杂质质量分数增加、变形速度的增加，τc也增加。随温度升高τc值下降，并逐渐趋与一个稳定值。当晶体中一个滑移系的分切应力τ大于τc时，晶体就在这个滑移系上开始滑移。这时所对应的外加应力就是屈服点σs 。所以，τc在数值上应等于σs cosφcosλ。 3．滑移是怎样进行的 滑移是通过晶体中位错运动来实现的。如图4-5从图中可见，在切应力作用下，一个刃型位错一步一个原子间距的运动，最终造成一个原子间距的滑移量。多个位错运动的结果就会产生宏观的塑性变形。位错运动虽然是一步一个原子间距，但其运动中