|
第4章 金屬材料的變形與再結(jié)晶
金屬材料在承受外力時(shí)，會產(chǎn)生一定的變形，隨著外力的增加，其變形將由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危敝翑嗔选＝饘俨牧系淖冃翁匦栽诠こ碳夹g(shù)上十分重要，
（1）由于鑄態(tài)金屬中往往具有晶粒粗大不均勻、組織不致密及雜質(zhì)偏析等缺陷，故工業(yè)上的金屬材料大多要在澆注后經(jīng)過壓力加工再予使用。
（2）把材料制作成所要求的形狀。
因?yàn)橥ㄟ^壓力加工時(shí)的塑性變形，金屬的組織也會發(fā)生很大的變化，可使某些性能如強(qiáng)度等得到顯著的提高。但在塑性變形的同時(shí)，也會給金屬的組織和性能帶來某些不利的影響，因此在壓力加工之后或在其加工的過程中，還應(yīng)經(jīng)常對金屬進(jìn)行加熱，使其發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，以消除不利的影響。
工程上實(shí)際材料均為多晶體組織，為了更好地了解多晶體材料的變形，首先了解單晶體的變形特性。
4.1.
單晶體金屬變
4.1.1.
單晶體金屬彈性變形
單晶體金屬材料在正應(yīng)力作用下變形過程，圖（2-1）
切應(yīng)力變形圖圖（2-2）
特點(diǎn)：
（1）
可逆性，去除外力后，變形消失。
（2）
變形量小，<1%。
（3）
應(yīng)變與應(yīng)力成正比。
4.1.2.
單晶體金屬塑性變形
單晶體塑性變形有“滑移”和“孿生”等不同方式，大多數(shù)情況以滑移方式發(fā)生。
正應(yīng)力只能引起晶格的彈性伸長，或進(jìn)一步把晶體拉斷
切應(yīng)力可使晶格在發(fā)生彈性歪扭之后，進(jìn)一步造成滑移。通過大量的晶面滑移，最終使試樣拉長變細(xì)。
滑移：晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面發(fā)生相對的滑動。
滑移變形要點(diǎn)：
（1）
滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生
（2）
滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。
這是因?yàn)橹挥性谧蠲芫妫ɑ泼妫┲g的面間距及最密晶向（滑移方向）之間的原子間距才最大，因而原子結(jié)合力最弱，所以在最小的切應(yīng)力下使能引起它們之間的相對滑動。
滑移系：滑移面數(shù)與滑移方向數(shù)的乘積。滑移系越大，金屬滑移的可能性越大，即金屬塑性越好。
|
晶格
|
體心立方晶格
|
面心立方晶格
|
密排六方晶格
|
|
滑移面
|
{110}*6
|
{111}*4
|
六方底面*1
|
|
滑移方向
|
{111}*2
|
{110}*3
|
底面對角線*3
|
|
滑移系
|
6*2=12
|
4*3=12
|
1*3=3
|
|
|
Fe
|
Cu,
Al
|
Mg,
Zn
|
（3）
滑移時(shí)晶體的一部分相對于另一部分沿滑移方向位移的距離為原子間距的整數(shù)倍，滑移的結(jié)果會在晶體的表面上造成臺階。
（4）
滑移的同時(shí)必然伴有晶體的轉(zhuǎn)動，沿外力方向。滑移過程,
4.2.
多晶體金屬的變形
4.2.1.
晶界作用
以兩個(gè)晶粒的試樣在拉伸時(shí)的變形為例
在遠(yuǎn)離晶界處，變形明顯，在靠近晶界處變形出現(xiàn)“竹節(jié)”現(xiàn)象。表明晶界對變形有較大的阻礙作用。
原因：晶界附近晶格排列紊亂，雜質(zhì)原子往往較多，增大晶格畸變，因而使該處在滑移時(shí)位錯運(yùn)動的阻力較大，難以發(fā)生變形。
4.2.2.
各晶粒位向差別的影響
位向不同當(dāng)受外力作用時(shí)，有些晶粒的滑移面適合于外力作用方向，有些晶粒的滑移面與外力方向相抵觸，其中任一晶粒的滑移都必然會受到它周圍不同晶格位向晶粒的約束和障礙。所以多晶體金屬的塑性變形抗力總是高于單晶體。
4.2.3.
多晶體金屬變形過程
滑移面和滑移方向處于或接近于與外力成45度夾角的晶粒必將首先發(fā)生滑移變形，不同位向的晶粒分批滑移。
塑性變形特點(diǎn)：
（1）
起始塑性變形的非同時(shí)性。
位向不同，所以在工程上無法測得真正的最大彈性變形抗力和真正的起始塑性變形的抗力指標(biāo)，要采用條件規(guī)定的方法
（2）
塑性變形的時(shí)間性。
彈性變形以聲速進(jìn)行，變形速度對金屬彈性性能無影響，但塑性變形需要時(shí)間。緩慢拉伸和快速拉伸。要控制冷變形加工速度。
（3）
塑性變形量的不均一性。
殘余應(yīng)力
（4）
變形過程中伴隨著發(fā)生金屬機(jī)械性能及其他物理、化學(xué)性能的改變。
形變強(qiáng)化，密度降低，電阻增加，化學(xué)活性增大。
4.3.
塑性變形對金屬組織和性能的影響
變形后性能的變化是由塑性變形時(shí)金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化決定的。
4.3.1.
晶粒沿變形方向拉長，性能趨于各向異性
內(nèi)部晶粒形狀與金屬外形成比例，變形量大時(shí)，產(chǎn)生纖維關(guān)“纖維組織”
4.3.2.
晶粒破碎，位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化.
形變量不大時(shí)，在變形晶粒中的晶界附近出現(xiàn)位錯的堆積。隨著變形量增大，晶粒破碎為亞晶粒，亞晶界量越多。滑移變形是通過位錯在滑移面上移動實(shí)現(xiàn)，晶體內(nèi)部的晶界、亞晶界以及其他缺陷都成為各種阻礙位錯移動的障礙物。位錯在亞晶界堆積，使滑移變形不易繼續(xù)進(jìn)行下去。“晶格畸變”
隨著形變量增大，由于晶粒破碎和位錯密度的嗇，金屬的塑性變形抗力將迅速增大，即硬度和強(qiáng)度顯著升高，塑性和韌性下降，產(chǎn)生“加工硬化”。
4.3.3.
織構(gòu)現(xiàn)象產(chǎn)生
隨著變形發(fā)生，各晶粒晶格位向也會沿著變形的方向同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動，故在變形量達(dá)到一定的程度（70-90%）時(shí)，金屬組織將會出現(xiàn)一種織構(gòu)現(xiàn)象。
織構(gòu)現(xiàn)象有兩種
（1）
各晶粒的某一晶向平行于拉拔方向，絲織構(gòu)
（2）
各晶粒某一晶面平行于軋制方向，板織構(gòu)
出現(xiàn)各向異性，不利。
4.3.4.
殘余內(nèi)應(yīng)力
經(jīng)過塑性變形，外力對金屬所作的功，約90%轉(zhuǎn)化成熱，10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中。
塑性變形后，退火。
4.4.
塑性變形后的金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化
加工硬化會造成進(jìn)一步加工的困難，退火，一是為了消除加工硬化（再結(jié)晶退火），另一是保留加工硬化，減小內(nèi)應(yīng)力。
4.4.1.
回復(fù)與再結(jié)晶
4.4.1.1.
回復(fù)
即在加熱溫度較低時(shí)，僅因金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯遷移而所引起的某些晶內(nèi)的變化。
晶粒大小和形狀無明顯變化。
冷卷彈簧卷制后低溫退火，去應(yīng)力250～300℃。
4.4.1.2.
金屬的再結(jié)晶
破碎晶粒未改變，組織仍不穩(wěn)定，加熱到較高溫度，晶粒外形開始變化，生成新的等軸顆粒。“再結(jié)晶”。強(qiáng)度和硬度顯著降低，塑性和韌性提高，消除加工硬化。
例：黃銅33%冷軋變形后，在580℃再結(jié)晶。
4.4.1.3.
晶粒長大
再結(jié)晶完成后，再繼續(xù)提高加熱溫度或延長加熱時(shí)間，晶粒便會繼續(xù)長大。
因?yàn)榫ЯｉL大可降低表面能，熱力學(xué)第二定律。
4.4.2.
再結(jié)晶后的晶粒度
再結(jié)晶退火時(shí)，要確定加熱溫度
4.4.2.1.
變形度影響
變形度越大，再結(jié)晶溫度越低。
因?yàn)樽冃味仍酱螅饘倬w缺陷越多，組織破碎越嚴(yán)重，越不穩(wěn)定。
變形度增大，再結(jié)晶溫度降低，并逐漸趨近于一個(gè)極限溫度，金屬的最低再結(jié)晶溫度。
4.4.2.2.
金屬熔化溫度的影響
工業(yè)純金屬
TR=(0.40~0.50)Tf
TR是金屬最低再結(jié)晶溫度，Tf是金屬熔化溫度
4.4.2.3.
金屬純度的影響
有雜質(zhì)或合金元素時(shí)，再結(jié)晶溫度明顯提高。
4.4.2.4.
金屬原始組織影響
原始組織的晶粒越粗大，變形阻力越小，晶界少，不容易再結(jié)晶，再結(jié)晶溫度越高。
4.4.3.
再結(jié)晶后的晶粒度
影響再結(jié)晶后晶粒度的因素
（1）
加熱溫度和加熱時(shí)間
再結(jié)晶退火時(shí)的加熱溫度越高，晶粒越大。
一定溫度，時(shí)間越長，晶粒越大
（2）
預(yù)先冷變形度
變形均勻度
變形越大，變形越均勻，再結(jié)晶后晶粒度越小。
|