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金属的塑性变形与再结晶

关键词:金属,塑性,变形,再结晶,结晶,加热,固溶,强化,加工,硬化,晶粒,细化,弥散,淬火

金属的塑性变形与再结晶
  金属具有塑性是其重要的一项特性,这个特性对于金属材料的应用有非常重要的意义,举例。
  金属发生塑性变形之后,从宏观上看其形状和尺寸发生了变化,但不是我们研究的内容。我们要研究的是金属变形之后其内部的组织和性能发生了哪些变化,以及在加热时这些组织和性能发生哪些变化,最后落实到如何运用这些知识去改善材料的性能。
第一节 金属的塑性变形
  这一节的主要内容就是从原子的角度看,金属的塑性变形是如何发生的?
  当外力作用在金属上时,如受拉,金属内的原子间距变大,如果这种变化是弹性范围内的,当外力去除后,原子还能恢复到原来的状态;如果外力较大,这种变化就达到了塑性阶段了,当外力去除之后,有一部分变化就不能恢复了,金属就发生了塑性变形。作为一种极限,当外力大到一定程度,原子间的结合力被打破,那么金属就断了。
  金属塑性变形的方式主要是滑移和孪生。
  一、单晶体的塑性变形
  这是为了学习的方便而采取的一种方法,因为实际金属大多是多晶体。
  1、 滑移的定义和现象;(采用挂图和幻灯讲解),这里有五个问题:滑移线、滑移带、滑移距离、滑移面和滑移方向;
  2、 滑移系:一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑移系,滑移系的数目决定了金属的塑性好坏,其数目越多,塑性越好;
  体心立方晶格:6×2=12个滑移系;塑性较低好;如铁、铬等;
  面心立方晶格:4×3=12个滑移系;塑性最好;如金、银、铜、铝等;
  密排六方晶格:1×3=3个滑移系;塑性最差;如锌、镉等;
  3、滑移的机理:非刚性滑动,而是由位错的移动实现的(1934年提出 )。
  1) 只有位错线附近的少数原子移动;
  2) 原子移动的距离小于一个原子间距;
  所以通过位错实现滑移时,需要的力较小;举例。(挂图)
  总结:金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的,而滑移又是通过位错的移动实现的。所以,只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进行,从而提高了塑性变形的抗力,使强度提高。金属材料常用的五种强化手段(固溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化)都是通过这种机理实现的。
  二、多晶体的塑性变形
  其中单个晶体的变形情况和单晶体相同,不同的是多晶体是由多个晶体组成的,各个晶体之间的位向不同,所以多晶体的塑性变形不是同时发生的,而是一步一步地进行的。塑性变形的抗力要比单晶体要高。
  第二个要注意的问题是晶界的影响。晶界是原子排列不规则的地方,它对位错的移动有阻碍作用,要想使位错通过晶界,外界必须对它施加更大的力,所以晶界处的强度比晶内高。
  晶粒越细,单位体积内的晶界面积越多,对位错的阻碍作用越大,金属的强度越高。晶界与强度之间的关系有一个经验公式(Hall—Petch公式):
  σ=σ0+k×d1/2。
  具有细小晶粒的材料不仅强度高,而且塑性、韧性也较高,这是其他强化手段不能达到的。
  我们一般将通过使材料的组织变细来改善其性能的方法称为晶粒细化。
  三、冷变形后金属性能和组织的变化 
  1、 力学性能的变化
  随变形量增加,冷塑性变形之后的金属强度、硬度升高,塑性、韧性下降,这种现象称为加工硬化。
  加工硬化在金属材料的使用中有非常重要的意义,是金属材料一种重要的强化手段,特别是对一些无法进行热处理的材料,如纯金属、高锰钢以及奥氏体不锈钢等。同时加工硬化使从属材料在冷成加工时能均匀变形;另外在材料偶然过载时,加工硬化使材料不致于发生大量塑性变形而断裂,增加了安全性。
  加工硬化在材料的使用中也有不利的一面,例如使塑性下降,在进行大变形量变形时须分几次进行,增加了消耗,降低了劳动生产率。
  2、 组织的变化
  1) 形成冷变形纤维组织;
  2) 亚结构细化,位错密度增加,一般认为这是加工硬化的原因;
  3) 形成变形织构;
  3、 冷变形内应力
  对材料进行塑性变形时所作的功大部分转变成了热量,但有一小部分残留在材料内部,这就是残余内应力。残余内应力可导致材料的变形,如果它和材料的工作应力叠加,将加速材料的失效,所以对其应有一定的重视。
  1) 宏观内应力:由于在宏观范围内变形不均匀引起的。有时可利用这种内应力,使它与工作应力相互抵消,延长零件的寿命,如钢板弹簧的喷丸或辊压,就是在弹簧表面形成残余压应力,与表面的工作应力-------拉应力相互抵消。
  2) 微观内应力:由于晶粒之间变形不均匀引起的;
  3) 晶格畸变内应力:作用范围在一个晶粒内部。
 
第二节 冷变形金属在加热时的转变
  先复习冷变形后金属组织和性能的变化(提问),三点:
  1、 加工硬化;
  2、 冷变形纤维组织;
  3、 变形残余内应力;
  导出冷变形金属处于不稳定的状态,在被加热时将发生明显的变化,这个过程分为三个阶段。即回复、再结晶和晶粒长大。
  一、 回复
  在加热温度较低时发生,在这个阶段由于温度不高,原子活动能力较小,不能作大范围的扩散,只有点缺陷如空位、间隙原子的数量减少了,同时位错重新排列,所以金属的组织和性能变化不大。主要是内应力大幅度减小,电阻下降,耐腐蚀能力提高。
  回复主要用于消除冷变形金属中的残余内应力,以隐定尺寸, 降低电阻,提高耐腐蚀能力。如冷卷弹簧的定型、黄铜弹壳的去应力等。
  二、 再结晶
  发生在较高温度下,对钢来说大约在450℃以上。这时原子的活动能力大大增强,晶体缺陷消除,发生再结晶,加工硬化消除,冷变形纤维组织重新变成多边形等到轴晶粒,也就是说,材料的组织和性能又恢复到冷变形前的状态。
  再结晶过程也是一个形核和长大的过程,但是材料的晶体结构并没有发生变化,所以也就不是一个相变过程。
  1、 再结晶温度
  金属发生再结晶的最低温度称为再结晶温度,它与金属的变形度、成分有关,变形度越大,再结晶温度越低,W、V、Ti、Cr等元素能够提高再结晶温度。一般根据一个经验公式来确定材料的再结晶温度:
  T再=0.4×T0(金属的熔点)
  根据这个公式,可以计算出铁的再结晶温度大约为450℃.其它金属的再结晶温度可以查阅有关的手册。
  2、 再结晶的应用
  再结晶一般用于消除加工硬化,恢复塑性。在生产中这种处理方法称为再结晶退火。
  三、 晶粒长大
 
第三节 热变形加工
  冷变形加工:冷拉、冷拔、冷轧、冷冲压等;
  热变形加工:热轧、锻造等;
  一、 冷、热变形加工的区别
  从金属学的角度出发,冷、热变形加工是以再结晶温度为界限的,低于再结晶温度的变形称为冷变形加工;高于再结晶温度的变形就称为热变形加工。如锡、铅等金属的再结晶温度较低,在室温下对它们的变形就属于热变形加工了;而钨的再结晶温度高达1200℃以上,那么在1000℃对它进行的变形仍属于冷变形加工。
  另外一个要注意的问题是,在热变形加工时,材料性能的变化是双向的,因为在发生加工硬化的同时,还发生着再结晶,也就是因为变形发生的硬化和因为再结晶发生的软化在同时进行着。那一个
 
方面占优势要看是变形度和加热温度的具体情况。
  二、 热变形加工时金属组织和性能的变化
  1、 能消除一些组织缺陷,使组织更加致密;
  2、 流线:金属中的一些杂质、夹杂沿变形方向伸长而形成的,如果使流线沿零件的轮廓走向分布,则能提高材料的性能,所以一些重要的零件都采用锻造成形。
  3、 带状组织:钢中的铁素体或渗碳体以伸长的杂质为核心形核,形成带状组织。带状组织能造成材料的各向异性,应加以注意。
 
金属的塑性变形与再结晶

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