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1、河北工业大学 材料学院,机械工程材料 金属的塑性变形与回复再结晶,2,21 金属的性能指标 22 单晶体的塑性变形 23 多晶体的塑性变形 24 塑性变形对材料组织和性能的影响 25 冷变形金属在加热时组织和性能的变化 26 金属的热加工与 冷加工,第二章 金属的塑性变形、回复、 再结晶与热加工,21 金属的性能指标,图21 低碳钢的拉伸曲线,一、 金属变形的三个阶段,1.弹性变形阶段(oa段),当应力 e时发生弹性变形。 特点:外力去除后完全恢复原状,应力、应变成正比。 即: =E E-弹性模量 , -应变,3、塑性变形阶段 (cd段),1. 当应力 s b 时发生显著但均匀的塑性变形。 2
2、. 特点:外力去除后部分复原,保留一部分加工硬化。,2、屈服阶段 (abc段),金属开始显著的塑性变形,除去外力,试样不能恢复原尺寸。,材料的力学性能主要包括强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳性和耐磨性等。,当 k 后,试样发生“颈缩”,再一分为二,发生断裂。,4、断裂阶段 (dk段),二、强度指标,1. 应力与应变,应力单位面积所承受的载荷。,应变单位长度的伸长量。,2. 弹性极限材料发生弹性变形的最大应力值。,3. 屈服极限材料发生塑性变形的最小应力值。,4抗拉强度材料抵抗塑性变形的最大应力值,材料抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。通过拉伸试验可以测量以下的强度指标。,条件屈服强度,2. 洛
3、氏硬度用金刚石圆锥或钢球压头。“HR”表示,HRA-588.4N, HRB-980.7N, HRC-1471N。当HB450时用洛氏硬度 HRC数值表示。 如:工具钢的硬度一般为5864HRC。,1. 延伸率:断裂后材料的残余总变形量与原始长度之比。,2. 断面收缩率:断裂后材料的残余面积与原始面积之比,3. 韧性(冲击韧性):表示材料在冲击载荷下抵抗变形和断裂的能力。,四.硬度指标,材料在外力作用下显现出的塑性变形能力称为材料的塑性,Ak=mg(H1-H2),冲击功;S0缺口横截面积,硬度:材料抵抗其他硬物压入其表面的能力。,布氏硬度淬火钢球或硬质合金球压入试样,用“HB”表示,单位是MPa
4、,但习惯不标单位。一般机加工硬度为 220250 HB,3.维氏硬度:“HV”,范围01000HV。,三.塑性指标,强度、塑形,与脆性相对,22 单晶体的塑性变形,单晶体变形有两种方式: 滑移和孪生变形 滑移变形容易,孪生是更困难的一种变形方式。,图2-2 滑移变形示意图,一. 滑移变形 1. 滑移变形在切应力的作用下,晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对另一部分发生滑移。,2. 滑移变形的特点 (1) 晶体滑移只有在切应力的作用下发生。 (2) 晶体滑移常沿原子的密排晶面和密排晶向发 生。 滑移面原子的最密排晶面。 滑移方向原子的最密排方向。 FCC 的滑移面和滑移
5、方向为:111 BCC的滑移面和滑移方向为: 110 (3) 晶体沿滑移方向滑移,原子移动的距离是原 子间距的整数倍。 (4) 滑移的同 时伴有晶体的转动。,3.滑移带和滑移系,(1)滑移带晶体滑移后在磨光表面上出现的滑移痕迹。 (2)滑移系 滑移系滑移面数滑移方向数 FCC结构 滑移系4312如:(111)和 10组成一组滑移系 BCC结构 滑移系6212如:( 10)和111 组成一组滑移系 满足:hu+kv+lw = 0关系,图2-3 钢中的滑移带及滑移线示意图,滑移系越多,发生滑移的可能性越大,塑性越好。,滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大,因此面心立方比体心立方塑性好。,表2-1 纯
6、金属常见三种晶格的滑移系,4.晶体滑移的本质是位错的运动。,孪生变形是更困难的一种变形方式, FCC和BCC的滑移系多,故常以滑移方式变形.只有HCP滑移系少,常以孪生方式变形。,图2-4 孪生变形示意图,二.孪生变形,孪生是晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面(孪生面)产生一定角度的均匀切变(即转动)。通过孪生,孪生面两边的两部分晶体形成镜面对称关系。发生孪生的部分(即切变部分)叫做“孪晶带”,简称“孪晶”。,11,滑称与孪生的区别,4)孪生变形引起很大的晶格畸变,塑性变形量比滑移的小(一般10%),但孪生引起晶体位向改变,因而能促进滑移的发生。 孪生只在滑移很难进行时才发生,面心立方金
7、属一般不发生孪生。,1)滑移变形时,滑移的距离是原子间距的整数倍,晶体的位向不发生变化;孪生变形时,孪晶中相邻原子面的相对位移为原子间距的分数,且孪晶位向发生变化,且与未变形部分形成对称。,2)孪生所需临界的切应力比滑移的大得多;,3)孪生的变形速度极快,接近声速。,23 多晶体的塑性变形,实际金属多为多晶体,多晶体是由许多位向不同的小单晶体组成。,每一个小单晶体称为一个晶粒,晶粒与晶粒间的界限为晶界。,一、多晶体变形有以下特点:,1、相邻晶粒的阻碍: 多晶体中,晶界两侧晶粒的位向不同,晶体的滑移即位错的滑移不能越过晶界。,2、相邻晶粒的协调: 每个晶粒都处于其它晶粒的包围之中,为了保持材料的
8、连续性,一个处于有利位向的易变形晶粒变形时,相邻晶粒必须同时进行相应的协调变形 。 在对多晶体进行拉伸变形时,并不是所有晶粒都处于有利位向,只有大多数晶粒都处于有利位向时才能变形,故需要晶粒间协调变形。,13,二、晶粒大小的影响:,晶粒越细,晶界面积越大,相互协调越困难,阻碍变形抗力越大,材料的强度越高,硬度越大. 结论:晶粒越细,变形抗力越大,强度、硬度越高;且变形不易产生应力集中,使变形均匀。从而使材料的塑性、韧性越好,表现出综合性能好。,14,三、多晶体的塑性变形过程,由于主要存在晶界对滑移的阻碍和晶粒间位向差造成的滑移的转移 因此,随着外力的持续作用,多晶体金属的塑性变形是:晶粒分批地
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