第五章 金属合金的塑性变形 -
第五章 金属的塑性变形
• 第三类内应力是形变金属中的主要内应力,也是金 属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属 强度降低。
内应力的存在,使金
晶界位错塞积所 引起的应力集中
属耐蚀性下降,引起
零件加工、淬火过程
中的变形和开裂。因
此,金属在塑性变形 后,通常要进行退火
处理,以消除或降低内应力。
第三节 回复与再结晶
• 一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化
拉拔
冲压
冷轧与热轧
二、热加工对金属组织和性能的影响
• 热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合,使粗大
的树枝晶或拄状晶破碎,从而使组织致密、成分均
匀、晶粒细化,力学性能提高。
锻 压
• 热加工使铸态金属中的
非金属夹杂沿变形方向 拉长,形成彼此平行的 宏观条纹,称作流线, 由这种流线体现的组织 称纤维组织。它使钢产 生各向异性,在制定加
体金属的塑性变形
抗力提高。
• ㈡ 多晶体金属的塑性变形过程 • 多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于 或接近于45°的晶粒。当塞积位错前端的应力达到 一定程度,加上相邻晶粒的转动,使相邻晶粒中原 来处于不利位向滑移系上的位错开动,从而使滑移
由 一批晶粒传递到
另一批晶粒,当有大
量晶粒发生滑移后, σ
工业纯铁在塑性变形前后的组织变化
(a) 正火态
(b) 变形40%
(c) 变形80%
5%冷变形纯铝中的位错网
• 由于晶粒的转动,当塑性变 形达到一定程度时,会使绝 大部分晶粒的某一位向与变 形方向趋于一致,这种现象 称织构或择优取向。
无 有
各向异性导致的铜板 “制耳”
丝织构 板织构
形变织构使金属呈 现各向异性,在深
第五章 金属的塑性
§5.3.1 影响塑性的内部因素
(2)合金元素 取决于加入元素的特性, 加入数量、元素之间的相互 作用。 当加入的合金元素与基体 作用使在加工温度范围内形 成单相固溶体时,则有较好 塑性;如形成过剩相(尤其是 脆性相),或使在加工温度范 围内两相共存,则塑性降低。
2.组织结构
外加应力低于原子间结合力极限
正应力使晶格沿应力方向伸长,切应力使晶格沿某晶面和晶向相对移动, 外力去除后晶格恢复原状
外加应力大于原子间结合力极限
正应力使晶体发生断裂,切应力使晶体的原子沿某晶面和晶向迁移到新 的平衡位置,外力去除原子停留在新的平衡位置
为什么金属晶体能够产生相对移动而不发生破坏呢?
金属原子之间特殊的结合方式 — 金属键
第三篇 塑性变形材料学基础
第5章 金属的塑性
§5.1 金属的塑性 §5.2 金属多晶体塑性变形的主要机制
§5.3 影响金属塑性的因素
§5.4 金属的超塑性
§5.1 金属的塑性
§5.1.1 塑性的基本概念 §5.1.2 塑性指标及其测量方法
§5.1.3 塑性状态图及其应用
§5.1.1 塑性的基本概念
(4)滑移的临界分切应力
F 横截面积 A
某一滑移系上的分切应力
F cos A / cos
滑 移 方 向
M
滑 移 面 法 向
F cos cos A
cos cos
滑移面
取向因子
F 分切应力计算分析图
cos cos
其中任何一个角度为90°时,分切应力为零,晶体不可能 滑移 当两个角度都为45°时,取向因子最大(为0.5),该滑 移系处于最有利取向 只有当分切应力τ≥临界分切应力τk时,滑移才能开始
第五章 金属的塑性变形及再结晶
四、金属的热加工
1.热变形加工与冷变形加工的区别
从金属学的观点来看,热加工和冷加工的区别是以再结晶温 度为界限。在再结晶温度之下进行的变形加工,在变形的同时没 有发生再结晶,这种变形加工称之为冷变形加工。而金属在再结 晶温度以上进行塑性变形就称为热加工。
2.热变形加工对金属组织与性能的影响
(1)改善铸态组织 热变形加工可以使金属铸锭中的组织缺陷显 著减少,如气孔、显微裂纹等,从而提高材料的致密度,使金属 的力学性能得到提高。
在工业上常利用回复现象将冷变形金属低温加热既消除应为去应力退火力稳定组织同时又保留了加工硬化性能这种热处理方法称1再结晶过程变形后的金属在较高温度加热时原子活动能力较强时会在变形随着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶粒中推进使新晶核不断消耗原晶粒而长大
金属材料及热处理
第五章 金属的塑性变形及再结晶
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
2.冷塑性变形对组织结构的影响 1)产生“纤维组织”
塑性变形使金属的晶粒形状发生了变化,即随着金属外形的 压扁或拉长。当变形量较大时,各晶粒将被拉长成细条状或纤维 状,晶界变得模糊不清,形成所谓的“纤维组织”。
2)产生变形织构
由于在滑移过程中晶体的转动和旋转,当塑性变形量很大时, 各晶粒某一位向,大体上趋于一致了,这种现象称择优取向。 这种由于塑性变形引起的各个晶粒的晶格位向趋于一致的晶粒 结构称为变形织构。
二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
3.产生残余内应力
经过塑性变形,外力对金属所做的功,约90%以上在使金属变 形的过程中变成了热,使金属的温度升高,随后散掉;部分功转 化为内应力残留于金属中,使金属的内能增加。残余的内应力就 是指平衡于金属内部的应力,它主要是金属在外力的作用下所产 生的内部变形不均匀而引起的。 第一类内应力,又称宏观内应力。它是由于金属材料各部分变形 不均匀而造成的宏观范围内的残余应力。 第二类内应力,又称微观残余应力。它是平衡于晶粒之间的内应 力或亚晶粒之间的内应力。 第三类内应力,又称晶格畸变内应力。其作用范围很小,只是在 晶界、滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡。
材料科学基础-第五章_金属及合金的塑性变形
出,则会在金属表面形成一条滑移线。
位错运动时的原子位移
显然,位错越容易滑动,则晶体越容易发生塑性变形。
结论:
位错运动越困难,则金属的强度越高;反之则强度越低,塑性越好。
第五章 金属及合金的塑性变形与断裂-§5.2 单晶体的塑性变形
②位错运动的点阵阻力
当柏氏矢量为b 的位错从一个对称位置移到另一个对称位置时,晶体能量
当螺型位错在某一滑移面上移动受到阻碍时,它可离开原滑移面而沿另一 个与原滑移面有着共同滑移方向的晶面继续移动,这一过程称为交滑移。
单晶体拉伸变形过程
a)原试样;b)自由滑移变形;c)受夹头限制时的变形
滑移时晶体转动 的规律:
试样中部的滑移面 朝着与拉伸轴平行的
方向发生转动,使
增大。
在两端夹头处,滑 移不能进行,晶面必 然发生某种弯曲以适 应中间部分的晶体位 向变化。
第五章 金属及合金的塑性变形与断裂-§5.2 单晶体的塑性变形
称为硬取向。
当取向因子介于0~0.5之间时,s 较大,晶体开始滑移,即产生塑性变
形需要较大的拉应力。
第五章 金属及合金的塑性变形与断裂-§5.2 单晶体的塑性变形
例1 在面心立方晶胞[001]上施加一69MPa的应力,试求滑
移系(111) [101]上的分切应力。
解:首先确定该滑移系对拉力轴的相对取向。
真实应力:
σt
F A
真实应变:
dε dL L
总应变:
ε t
L dL
L
dε
ln ln(1 )
L L0
L0
真应力-应变曲线上不出现
在载荷达到最大值后的下降,
而是随变形的进行,载荷不断
第五章金属及合金的塑性变形
τ
τ
τ
τ
滑移特点之四
⑷ 伴随晶体的转动和旋转,滑移面转向与外力 平行方向,滑移方向旋向最大切应力方向
P
P
滑移面
力偶
滑移前
产生 滑移后 转动
单晶体拉伸变形演示
晶体转动和旋转的意义
实际金属由多晶体构成,通过晶体的转动 和旋转,原来取向有利的晶粒(单晶体)经过 一定量塑性变形后取向不利,停止塑性变 形;原来取向不利的晶粒经过旋转、转动 取向变为有利,开始塑性变形 ——循环往复后可使塑性变形更均匀
(3) 强化效果的定量关系式
细晶强化主要决定于晶粒的大小。晶 粒越细,晶粒平均直径越小,强度越高
细晶强化的定量效果满足霍耳 – 配奇 关系式:
σs = σ0 + k·d-1/2 式中 σ0——常数,大体相当单晶体金 属的屈服强度
作业
什么是固溶强化、位错强化、第二相 强化?写出各强化机制的强化定量关系式
⑴ 第一Байду номын сангаас内应力——宏观内应力 工件不同部位 —1%;造成变形
⑵ 第二类内应力——微观内应力 晶粒之间或内部不同区域 —9-10%;应力集中,造成裂纹
⑶ 第三类内应力—点阵畸变(位错、空位)
└90%;强度↑、塑性↓原因
内应力的消除与应用方法
(1)消除方法:去应力退火 (2)残余应力的应用:
喷丸处理——提高强度
——参考教材以及学校课程网站的辅导与 答疑
第五章 习题与思考题
1 说明下列符号所表示的意义及量纲 σe、σs、σb、σ0.2、δ、ψ、ak
2 面心立方、体心立方、密排六方金属的主 要塑性变形方式是什么?温度、变形速度 对其有何影响?铝、铁、鎂中哪种金属的 塑性最好?哪种最差?
第五章-材料的形变和再结晶
— 应变角;
扭转变形情况与剪切相似
静载:转矩T;
应变:转角
精选2021版课件
5
拉伸实验 Tensile Test
测试仪器
标准样品
Tensile Strength
(抗拉强度)
Fracture
(断裂)
Necking
(颈缩)
精选2021版课件
6
拉伸实验 Tensile Test
不同而不同。
滑移带观察:试样预先抛光(不腐蚀),进行塑性变形,表面
上出现一个个台阶,即滑移带。
精选2021版课件
35
单晶体滑移特点
• 滑移变形是不均匀的,常集中在一部分晶面上,而
处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移。
• 滑移带的发展过程,首先是出现细滑移线,后来才
发展成带,而且,滑移线的数目随应变程度的增大
循环韧性
若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限,则可
得到塑性滞后环。
金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力,叫
循环韧性。 循环韧性又称为消振性。
循环韧性不好测量,常用振动振幅衰减的自然对数来
表示循环韧性的大小。
循环韧性的应用
减振材料(机床床身、缸体等);
乐器要求循环韧性小。
四、 黏弹性
弹性变形的特征
(1)可逆性:理想的弹性变形是加载时变形,卸载时变形
消失并恢复原状。
弹性变形量比较小,一般不超过0.5%~1%。
(2)在弹性变形范围内,其应力与应变之间保持线性函数
关系,即服从虎克(Hooke)定律:
式中,、分别为正应力和切应力;
、分别为正应变和切应变;
E,G分别为弹性模量和切变模量
金属塑性变形原理
金属塑性变形原理1、变形和应力1.1塑性变形与弹性变形金属晶格在受力时发生歪扭或拉长,当外力未超过原子之间的结合力时,去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态,也就是说,未超过金属本身弹性极限的变形叫金属的弹性变形。
多晶体发生弹性变形时,各个晶粒的受力状态是不均匀的。
当加在晶体上的外力超过其弹性极限时,去掉外力之后歪扭的晶格和破碎的晶体不能恢复到原始状态,这种永久变形叫金属的塑性变形。
金属发生塑性变形必然引起金属晶体组织结构的破坏,使晶格发生歪扭和紊乱,使晶粒破碎并且使晶粒形状发生变化,一般晶粒沿着受力方向被拉长或压缩。
1.2应力和应力集中塑性变形时,作用于金属上的外力有作用力和反作用力。
由于这两种外力的作用,在金属内部将产生与外力大小相平衡的内力。
单位面积上的这种内力称为应力,以σ表示。
σ=P/S式中σ——物体产生的应力,MPa:P——作用于物体的外力,N;S——承受外力作用的物体面积,mm2。
当金属内部存在应力,其表面又有尖角、尖缺口、结疤、折叠、划伤、裂纹等缺陷存在时,应力将在这些缺陷处集中分布,使这些缺陷部位的实际应力比正常应力高数倍。
这种现象叫做应力集中。
金属内部的气泡、缩孔、裂纹、夹杂物及残余应力等对应力的反应与物体的表面缺陷相同,在应力作用下,也会发生应力集中。
应力集中在很大程度上提高了金属的变形抗力,降低了金属的塑性,金属的破坏往往最先从应力集中的地方开始。
2、塑性变形基本定律2.1体积不变定律钢锭在头几道轧制中因其缩孔、疏松、气泡、裂纹等缺陷受压缩而致密,体积有所减少,此后各轧制道次的金属体积就不再发生变化。
这种轧制前后体积不变的客观事实叫做体积不变定律。
它是计算轧制变形前后的轧件尺寸的基本依据。
H、B、L——轧制前轧件的高、宽、长;h、b、l——轧制后轧件的高、宽、长。
根据体积不变定律,轧件轧制前后体积相等,即HBL=hbl2.2最小阻力定律钢在塑性变形时,金属沿着变形抵抗力最小的方向流动,这就叫做最小阻力定律。
金属及合金的塑性变形
应力-应变曲线分析
弹性阶段
在应力作用下,金属首先发生 弹性变形,应力与应变成正比
关系,遵循胡克定律。
屈服阶段
当应力达到金属的屈服强度时, 金属开始发生塑性变形,应力-应 变曲线出现屈服平台或屈服点。
强化阶段
随着应变的增加,金属的加工 硬化效应逐渐显现,应力随之 上升,呈现强化现象。
断裂阶段
当应力达到金属的抗拉强度时 ,金属发生断裂。
03
形
多晶体结构特点及影响因素
结构特点
多晶体由许多取向不同的小晶体(晶粒)组成,晶粒之间存在晶界。
影响因素
晶粒大小、晶界结构、第二相粒子、温度、应变速率等。
晶界在塑性变形中作用
要点一
阻碍位错运动
晶界是位错运动的障碍,使位错在晶界处塞积,引起应力 集中。
要点二
协调变形
晶界能协调不同晶粒之间的变形,使多晶体能够保持连续 性变形。
新型塑性变形机制的探索
随着新材料和新技术的不断涌现,未来可能会出现新的塑性变形机制。探索这些新型塑性变形机 制将有助于拓展金属及合金的应用领域并提升其性能。
THANKS.
加工硬化现象及机制
加工硬化现象
金属在塑性变形过程中,随着变形量的增加,其强度和硬度逐渐提高,而塑性 和韧性逐渐降低的现象。
机制
加工硬化的机制主要包括位错增殖、晶粒细化和相变等。其中,位错增殖是金 属塑性变形过程中加工硬化的主要原因,位错密度增加导致金属强化。
金属单晶体的塑性变
02
形
单晶体滑移与孪生过程
金属及合金的塑性变形
目录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属单晶体的塑性变形 • 金属多晶体的塑性变形 • 合金的塑性变形行为及特点 • 塑性变形对金属及合金性能影响 • 总结与展望
第五章金属的塑性和变形抗力
第五章 金属的塑性和变形抗力从金属成形工艺的角度出发,我们总希望变形的金属或合金具有高的塑性和低的变形抗力。
随着生产的发展,出现了许多低塑性、高强度的新材料,需要采取相应的新工艺进行加工。
因此研究金属的塑性和变形抗力,是一个十分重要的问题。
本章的目的在于阐明金属塑性和变形抗力的概念,讨论各种因素对它们的影响。
§5.1 塑性、塑性指标、塑性图和变形抗力的概念所谓塑性,是指固体材料在外力作用下发生永久变形而又不破坏其完整性的能力。
人们常常容易把金属的塑性和硬度看作成反比的关系,即认为凡是硬度高的金属其塑性就差。
当然,有些金属是这样的,但并非都是如此,例如下列金属的情况: Fe HB =80 ψ=80%Ni HB =60 ψ=60%Mg HB =8 ψ=3%Sb HB =30 ψ=0%可见Fe 、Ni 不但硬度高,塑性也很好;而Mg 、Sb 虽然硬度低,但塑性也很差。
塑性是和硬度无关的一种性能。
同样,人们也常把塑性和材料的变形抗力对立起来,认为变形抗力高塑性就低,变形抗力低塑性就高,这也是和事实不符合的。
例如奥氏体不锈钢在室温下可以经受很大的变形而不破坏,既这种钢具有很高的塑性,但是使它变形却需要很大的压力,即同时它有很高的变形抗力。
可见,塑性和变形抗力是两个独立的指标。
为了衡量金属塑性的高低,需要一种数量上的指标来表示,称塑性指标。
塑性指标是以金属材料开始破坏时的塑性变形量来表示。
常用的塑性指标是拉伸试验时的延伸率δ和断面缩小率ψ,δ和ψ由下式确定: %100l l l 00k ×−=δ (5.1) %100F F F 0K 0×−=ψ (5.2) 式中l 0、F 0——试样的原始标距长度和原始横截面积;l K 、F K ——试样断裂后标距长度和试样断裂处最小横截面积。
实际上,这两个指标只能表示材料在单向拉伸条件下的塑性变形能力。
金属的塑性指标除了用拉伸试验之外,还可以用镦粗试验、扭转试验等来测定。
材料成形工艺基础最新精品课件第五章金属塑性成形理论基础
2. 多晶体的塑性变形
多晶体的塑性变形是由于晶界的存在和 各晶粒晶格位向的不同,其塑性变形过程比 单晶体的塑性变形复杂得多。在外力作用下, 多晶体的塑性变形首先在晶格方向有利于滑 移的晶粒A内开始,然后,才在晶格方向较 为不利的晶粒B、C内滑移。由于多晶体中 各晶粒的晶格位向不同,滑移方向不一致, 各晶粒间势必相互牵制阻扰。为了协调相邻 晶粒之间的变形,使滑移得以继续进行,便 图5-4 多晶体塑性变形过程示意图 会出现晶粒彼此间相对的移动和转动。因此, 多晶体的塑性变形,除晶粒内部的滑移和转 动外,晶粒与晶粒之间也存在滑移和转动。
图5-6 回复和再结晶示意图
(3)晶粒长大 在结晶退火后的金属组织一般为细小均匀的等 轴晶。如果温度继续升高,或延长保温时间,则在结晶后的晶粒 又会长大而形成粗大晶粒,从而使金属的强度、硬度和塑性降低。 所以要正确选择再结晶温度和加热时间的长短。
5.2.2 冷变形和热变形后金属的组织与性能
金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷变形,在再结晶以 上进行的塑性变形称为热变形。
图5-7 冲压件的制耳
(4)残余内应力 残余内应力是指去除外力后,残留在金属内 部的应力,它主要是由于金属在外力作用下变形不均匀而造成的。 残余内应力的存在,使金属原子处于一种高能状态,具有自发恢 复到平衡状态的倾向。在低温下,原子活动能力较低,这种恢复 现象难以觉察,但是,当温度升高到某一程度后,金属原子获得 热能而加剧运动。金属组织和性能将会发生一系列变化。
1. 锻造比 锻造比是锻造生产中代表金属变形程度大小的一个参数,一 般是用锻造过程中的典型工序的变形程度来表示(Y)。如拔长时, 锻造比Y拔=F0/F;镦粗时,锻造比Y镦=H0/H。(式中,H0、F0分别为坯 料变形前的高度和横截面积,H、F分别为坯料变形后的高度和横截面 积)。
金属及合金的塑性变形与断裂PPT课件
03
02
延性断裂的断口呈纤维状,色泽灰暗,表面 有明显的塑性变形。
04Biblioteka 脆性断裂:材料在断裂前几乎没有塑性变 形,断裂突然发生。
脆性断裂的断口呈结晶状,色泽光亮,没 有明显的塑性变形。
05
06
脆性断裂多发生在脆性材料中,如玻璃、 陶瓷等。
疲劳断裂与环境断裂
疲劳断裂:材料在循环载荷作用下发 生的断裂现象。
THANKS.
塑性变形机制
滑移
金属晶体在切应力作用下,晶体的一 部分相对于另一部分沿一定的晶面和 一定的晶向相对移动的现象。
孪生
金属晶体在切应力作用下,沿一定的 晶面和一定的晶向发生切变的现象。
晶界滑移
在多晶体金属中,晶界在切应力作用 下发生相对移动的现象。
晶界滑移与位错交互作用
晶界滑移与位错运动之间的相互作用, 影响金属的塑性变形行为。
金属及合金的塑性变形与断裂 涉及到材料科学、物理学、力 学等多个学科领域,开展跨学 科研究有助于深入理解其内在 机制,推动相关领域的发展。
通过实验与计算模拟相结合的 方法,可以更全面地揭示金属 及合金的塑性变形与断裂行为 ,为实际应用提供更准确的指 导。
将智能化与自动化技术应用于 金属及合金的塑性变形与断裂 研究中,可以提高研究效率, 降低实验成本,为实际生产提 供有力支持。
屈服准则
描述材料开始进入塑性变形的应力条件 。例如,Tresca和Von Mises屈服准则。
VS
应力-应变关系
描述金属或合金在塑性变形过程中应力与 应变之间的关系,通常呈现非线性特征。
加工硬化与软化现象
加工硬化
随着塑性变形的增加,金属或合金的强度和 硬度提高,但延展性和韧性下降的现象。
《材料工程基础》课件——第五章 金属的塑性加工(第5、6、7节)
3.5.4 拉拔工具
拉拔工具主要包括拉拔模和芯头。此二者的结构、 形状尺寸、表面质量与材质对制品的质量、产量、 成本等具有重要影响。
拉拔模
拉拔模
旋转模
辊式模 普通模(应用最多 )
弧线模:只用于细线的拉拔
锥形模:管、棒、型材和较粗的 线材拉拔
图 普通拉拔模的基本结构 (a)锥形模 (b)弧线模
空拉时壁厚增加或减少,主要取决于两个因素:
①圆周方向压应力:促使金属沿径向流动,导致管材壁厚增 加
②轴向拉应力:促使金属产生轴向延伸,并导致壁厚减薄。
这两个因素作用的强弱取决于各种变形条件。
③固定短芯头拉拔变形
变形分三部分:
AB C D
AB段:空拉区,主要是减径 变形,壁厚一般有所增加, 又称减径区。应力应变特点 与空拉时一样。 BC段:减壁区,此阶段外径 减小,内径不变,壁厚减薄。 应力应变特点与棒材拉拔时 一样。 CD段:定径区,为弹性变形 区。
②空拉时的应力与变形
应力状态:与圆棒拉拔时类似,即:周向、径向为
压,轴向为拉,但 ,且有
。
径向压应力的数值由管材外表面至内表面逐渐减小, 在内表面上为零。
周向应力由外表面向内逐渐增大。
轴向应力由变形区入口为零逐渐增加,在变形区出
口(模孔出口)处达到最大。
变形
按目的不同有: 减径空拉:目的是减径,主要用于中间道次,一般 认为拉拔后壁厚不变; 整径空拉:目的是精确控制制品的尺寸,减径量不 大(0.5~1),一般在最后道次进行; 定型空拉:目的是控制形状,主要用于异型管材拉 拔,即用于圆截面向异型截面过渡拉拔。
拉拔加工的特点
①拉拔制品的尺寸精度高,表面粗糙度低 ②工具与设备简单,维护方便,一机多用 ③适用于连续高速生产断面尺寸小的长尺产品(Al、
《金属的塑性变形》课件
疲劳性能:塑性变 形可以提高金属的 疲劳性能,使其更 加耐久使用
金属的硬化现象
硬化现象:金属在塑性变形过程中,其硬度和强度增加的现象
原因:金属在塑性变形过程中,晶粒被拉长、压扁,晶粒内部的位错密度增加,导致硬度和 强度增加
影响:硬化现象对金属的塑性变形和性能产生影响,如提高金属的耐磨性、耐腐蚀性等
轧制:通过轧辊将金属材料轧制成所需 的形状和尺寸
拉伸:通过拉伸设备将金属材料拉伸成 所需的形状和尺寸
弯曲:通过弯曲设备将金属材料弯曲成 所需的形状和尺寸
焊接:通过焊接设备将金属材料焊接成 所需的形状和尺寸
切割:通过切割设备将金属材料切割成 所需的形状和尺寸
金属的成形工艺
锻造:通过锤击、压力机等工具将金属材料塑性变形,形 成所需的形状和尺寸
塑性变形的影响因素
应力:应力是引起塑性变形的主要因素, 应力越大,塑性变形越大
温度:温度对塑性变形有重要影响,温 度越高,塑性变形越大
材料性质:材料的塑性、韧性、硬度等 性质对塑性变形有重要影响
变形速度:变形速度越快,塑性变形越 大
变形方式:拉伸、压缩、弯曲、扭转等 不同变形方式对塑性变形的影响不同
金属的强化机制
冷加工强化: 通过塑性变形 提高金属的强
度和硬度
热处理强化: 通过加热和冷 却过程改变金 属的微观结构, 提高强度和硬
度
合金强化:通 过添加其他元 素形成合金, 提高金属的强
度和硬度
复合强化:通 过将两种或多 种材料复合, 提高金属的强
度和硬度
06
金属塑性变形的未来发 展
新材料的开发与应用
塑性变形的定义
塑性变形是指金 属在外力作用下 产生的永久变形
塑性变形可以分 为弹性变形和塑 性变形两种类型
第五章 金属材料的塑性变形(共26张PPT)
1。回复阶段:在再结晶温度〔T再一般大于0.4Tm 〕以下的温度。 只发生晶格内部的变化,变形晶粒外形不变,加工硬化保存,但内应
力下降。 应用:去应力退火,用于去除冷塑性变形后的残留应力。
2。再结晶阶段:在再结晶温度〔T再〕以上的温度。 逐渐形成与原始变形晶粒晶格相同的等轴晶粒,加工硬化、内应力完
多晶体的塑性变按形过加程热温度的不同,可分为三个阶段:回复、再结晶、晶粒长大
冷加工(35%变形)后晶粒 再结晶过程中显微组织的变化 580C加热8秒后,再结晶晶粒全部取代了变形晶粒 只发生晶格内部的变化,变形晶粒外形不变,加工硬化保存,但内应力下降。 塑性变形对性能的影响: 按加热温度的不同,可分为三个阶段:回复、再结晶、晶粒长大 滑移与孪生后外表形貌的差异 580C加热3秒钟后出现非常细小的晶粒 应用:去应力退火,用于去除冷塑性变形后的残留应力。 第二节 多晶体金属的塑性变形
第五章 金属材料的塑性变形
第一节 单晶体的塑性变形 一、滑移
• 其特征是: • 滑移量是滑移方向上原子间距的整数倍, • 滑移后滑移面两侧的晶体位向保持不变,
• 滑移的结果使晶体产生台阶。
1、单晶体的滑移
铜单晶塑性变形后外表的滑 移带
单晶体塑性变形时滑移带的形成过程
2、晶体中的孪生:
2、பைடு நூலகம்生
晶体孪生示意图
一、多晶体塑性变形的特点
多晶体受外力作用时,各晶粒的滑移系上均受到分切应力的作用,但 1。
再结晶过程中显微组织的变化
塑性变1形、对性再能的结影晶响:温度: T = 0.4Tm
晶体的取向不同,虽然试样开始屈服时〔即开始滑移时〕的屈服强度变化很大,但是计算出的分切应力总是一个定值,这个值称为临界分 切应力,这个规律叫临界分切应力定律。 (c)316℃加热1小时的组织,可见再结晶的晶粒及未发生再结晶的晶粒。 ⑵ 因变形不均匀,残留内应力,易变形开裂,且耐蚀性下降。 故当φ=45°时m有最大值1/2。 4 滑移的临界分切应力 加热促使原子运动,使以下转变得以进行。 首先“开动〞的是“软取向〞,同时这些晶粒发生转动,而变成“硬取向〞。 塑性变形对性能的影响: 在这张照片中,“菱型〞为位错在样品中的位置. 2、晶粒间位向差阻碍滑移进行 塑性变形对性能的影响: 应用:去应力退火,用于去除冷塑性变形后的残留应力。 三、塑性变形对金属组织性能的影响
金属的塑性变形和加工硬化课件
金属的屈服准则和流动法则
屈服准则
描述金属开始屈服的条件,常用的有Von Mises屈服准则和 Tresca屈服准则。
流动法则
描述金属在塑性变形过程中应力的变化与变形的关系,常用 的有Prandtl-Reuss流动法则和Coulomb-Mohr流动法则。
02 金属塑性变形的过程
弹性变形和塑性变形的比较
高性能金属材料的开发提供理论支持。
金属构件的疲劳寿命
02
研究金属其疲劳寿命,为金属构件的优化设计提供依据。
金属材料的可回收性和可持续性
03
研究金属塑性变形和加工硬化对材料可回收性和可持续性的影
响,为绿色制造和可持续发展提供支持。
加工硬化在金属材料的改性效果中起着重要作用,如通过 加工硬化可以改善金属材料的抗腐蚀性能、磁性能和热性 能等。
加工硬化在金属材料连接技术中的应用
金属材料连接技术
加工硬化可以用于金属材料的连接技术中,如通过焊接、铆接和粘 接等工艺,将两个或多个金属材料连接在一起。
金属材料连接工艺
加工硬化在金属材料的连接工艺中有着重要的应用,如通过控制焊 接温度、焊接速度和焊接压力等,可以获得高质量的焊接接头。
弹性变形
金属在受到外力作用时发生形变,当外力去除后,金属能够恢复原状。
塑性变形
金属在受到外力作用时发生形变,当外力去除后,金属不能恢复原状。
金属的塑性变形机制
滑移
金属晶体中的原子在切向应力作用下沿着一定的晶面和晶向相对滑移。
孪生
金属晶体中的一部分原子或分子的位置发生改变,以适应外力作用下的形变。
金属塑性变形的影响因素
纳米尺度实验技术
利用纳米压痕、原子力显微镜等纳米尺度实验技 术,研究金属在纳米尺度下的塑性变形和加工硬 化特性。
第5章_金属及合金的形变(5-6-7)
第五章金属及合金的形变(第五、六、七节)第五章金属及合金的形变U第一节应力与应变U第二节弹性形变U第三节范性形变的表象U第四节单晶体的滑移ª第五节孪生及扭折ª第六节多晶体的范性形变ª第七节范性形变后金属的结构、组织和性能第五节孪生及扭折滑移是形变的主要形式,孪生及扭折也是形变的不同形式。
一、孪生孪生━晶体受力后,以产生孪晶的方式而进行的切变过程,称为孪生。
孪晶━以共格界面相联结,晶体学取向成镜面对称关系的这样一对晶体(或晶粒)的合称。
孪生前后晶体的形变晶体受到切应力后,沿着一定的晶面(孪生面) 和一定的晶向(孪生方向) 在一个区域内发生连续的顺序的切变。
滑移≠孪生滑移时晶体两部分相对滑移面的(整体) 切变量是原子间距的整数倍。
孪生时各晶面相对于孪生面的切变量与该晶面和孪生面的距离成正比,是原子间距的分数值。
第五节孪生及扭折孪生也是通过位错运动来实现的。
产生孪生的位错的柏氏矢量必须小于一个原子间距━部分位错。
每层原子都有一个不相等的部分位错。
逐层横扫、形成孪晶。
孪生比滑移困难:n晶体学条件必须满足孪生后取向关系,只能沿确定的晶面和晶向进行切变;o孪生所需切应力往往比滑移大许多倍。
孪生核心大多产生于晶体内的局部高应力、高应变区,即在滑移已进行到相当程度、并受到严重阻碍的区域。
对于一些滑移系较多,而孪生与滑移的临界分切应力又相差很大的晶体来说,要使晶体不发生滑移而进行孪生,是相当困难的。
Z HCP金属(Mg、Zn) 是最常见出现孪晶的。
六方晶系的滑移系很少,滑移困难,容易出现孪晶。
FCC 金属很少进行孪生,只有很少金属(Cu、Ag)在极低温度下滑移很困难时才发生孪生。
BCC 金属(αFe)在室温时,只有在冲击载荷下,才进行孪生。
第五节孪生及扭折二、扭折扭折是在滑移受阻、孪生也不利的条件下,晶体所作的不均匀局部塑性变形来适应外力的作用,是位错汇集引起协调性的形变。
和孪生不同,扭折区晶体的取向发生了不对称的变化,扭折带大多是由折曲(ABCD)和弯曲(左右两侧)两部分组成。
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第五章金属及合金的塑性变形与断裂一名词解释固溶强化,应变时效,孪生,临界分切应力,变形织构固溶强化:固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高,应力-应变曲线升高,塑性下降的现象;应变时效:具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后,在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况;孪生:金属塑性变形的重要方式。
晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面(孪晶面)和一定的晶向(孪生方向)相对于另外一部分晶体作均匀的切变,使相邻两部分的晶体取向不同,以孪晶面为对称面形成镜像对称,孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。
形成孪晶的过程称为孪生;临界分切应力:金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最小分切应力;变形织构:多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致,形成晶粒的择优取向,择优取向后的晶体结构称为变形织构,织构在变形中产生,称为变形织构。
二填空题1.从刃型位错的结构模型分析,滑移的移面为{111},滑移系方向为<110>,构成12 个滑移系。
P166.3. 加工硬化现象是指随变形度的增大,金属强度和硬度显著提高而塑性和韧性显著下降的现象,加工硬化的结果,使金属对塑性变形的抗力增大,造成加工硬化的根本原因是位错密度提高,变形抗力增大。
4.影响多晶体塑性变形的两个主要因素是晶界、晶格位向差。
5.金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生,冷变形后金属的强度增大,塑性降低。
6.常温下使用的金属材料以细小晶粒为好,而高温下使用的金属材料以粗一些晶粒为好。
对于在高温下工作的金属材料,晶粒应粗一些。
因为在高温下原子沿晶界的扩散比晶内快,晶界对变形的阻力大为减弱而致7.内应力可分为宏观内应力、微观内应力、点阵畸变三种。
三判断题1.晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。
(√)2 在体心立方晶格中,滑移面为{111}×6,滑移方向为〈110〉×2,所以其滑移系有12个(×)应为:{110}×6 〈111〉×2 P1663.滑移变形不会引起晶体结构的变化。
4.喷丸处理及表面辊压能显著提高材料的疲劳强度。
(√)5.在晶体中,原子排列最密集的晶面间的距离最小,所以滑移最困难。
(×)6.反复弯折铁丝,铁丝会越来越硬,最后会断裂。
(√)7.金属的加工硬化是指金属冷塑性变形后强度和塑性提高的现象。
(×)8 单晶体主要变形的方式是滑移,其次是孪生。
(√)9.细晶粒金属的强度高,塑性也好。
(×)10.晶界处滑移的阻力最大。
( √)首先明确,滑移变形的微观机制是位错的运动,晶界处产生强烈的晶格畸变,阻碍位错运动;而晶界附近造成严重的位错塞集,产生的应力场强烈阻止滑移的进行,因此晶界处滑移的阻力最大。
四选择题1.能使单晶体产生塑性变形的应力为( B )A.正应力B.切应力2.面心立方晶体受力时的滑移方向为(B )A <111>B <110>C <100>D <112>3.体心立方与面心立方晶格具有相同的滑移系,但其塑性变形能力是不同的,其原因是面心立方晶格的滑移方向较体心立方晶格的滑移方向( B )A.少B.多 C 相等D.有时多有时少4.冷变形时,随着变形量的增加,金属中的位错密度( A)。
A.增加 B 降低C无变化D.先增加后降低5.钢的晶粒细化以后可以( D )。
A.提高强度 B 提高硬度 C 提高韧性D.既提高强度硬度,又提高韧性6.加工硬化现象的最主要原因是( B)。
A.晶粒破碎细化 B 位错密度增加 C 晶粒择优取向D.形成纤维组织7.面心立方晶格金属的滑移系为( A )。
A.{111}<110> B.<110>{111} C.<100>{110} D.<100>{111}8 用铝制造的一种轻型梯子,使用时挠度过大但未塑性变形。
若要改进,应采取下列( A)措施A 采用高强度铝合金B 用钢代替铝C 用高强度镁合金D.改进梯子的结构设计五改错题1.塑性变形就是提高材料塑性的变形。
提高材料的强度,硬度及塑性。
2.滑移面是原子密度最大的晶面,滑移方向则是原子密度最小的方向滑移方向也是原子排列最密的方向,这是因为在晶体的原子密度最大的晶面上,原子间的结合力最强,而面与面之间的距离却最大,即密排晶面之间的原子间结合力最弱,滑移的阻力最小。
六简答1 单相合金的冷塑性变形与纯金属的室温塑性变形相比,有何特点。
1 简答:纯金属变形主要借助位错运动,通过滑移和孪生完成塑性变形,开动滑移系需要临界切应力,晶体中还会发生扭转;单相合金的基本变形过程与纯金属的基本过程是一样的,但会出现固溶强化,开动滑移系需要临界切应力较大,还有屈服和应变时效现象。
2 金属晶体塑性变形时,滑移和孪生有何主要区别?2 简答:滑移时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍,孪生时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍;滑移时滑移面两边晶体的位向不变,而孪生时孪生面两边的晶体位向不同,以孪晶面形成镜像对称;滑移时需要的临界分切应力小,孪生开始需要的临界分切应力很大,孪生开始后继续切变时需要的切应力小,故孪生一般在滑移难于进行时发生。
3 简述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构的成因及对金属材料性能的影响。
3 简答:冷加工纤维组织是纯金属和单相合金在冷塑性变形时和变形度很大的条件下,各晶粒伸长成纤维状;带状组织是复相合金在冷塑性变形和变形度大的条件下第二相被破碎或伸长,沿变形方向成带状分布而形成的;变形织构是金属和合金在在冷塑性变形时晶粒发生择优取向而形成的。
上述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构都使材料的性能具有方向性,即在各个方向上的性能不均,对使用性能有不良影响,但少数金属材料,如用作变压器的硅钢片,各向异性能更好满足使用要求。
4 为什么金属材料经热加工后机械性能较铸造态好。
4 简答:金属材料经热加工后机械性能较铸造态好的主要原因是热加工时的高温、大变形量使气泡、疏松和微裂纹得到机械焊合,提高了材料的致密性,消除了铸造缺陷,同时改善夹杂物和脆性相的形态、大小和分布,使枝晶偏析程度减弱,合金成分均匀性提高,热加工中形成合理的加工流线,热加工还可使金属显微组织细化,这些都可以提高金属材料的性能。
5 何为加工硬化?列出产生加工硬化的各种可能机制。
(不必说明),加工硬化现象在工业上有哪些作用?5 简答:金属材料经冷加工后,强度增加,硬度增加,塑性降低的现象称为加工硬化。
产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论,以及滑移面上位错与别的滑移面上位错林切割产生割阶的林位错强化理论。
加工硬化在实际生产中用来控制和改变金属材料的性能,特别是对不能热处理强化的合金和纯金属尤为重要,可以进行热处理强化的合金,加工硬化可以进一步提高材料的强度;加工硬化是实现某些工件和半成品加工成型的主要因素;加工硬化也会带来塑性降低,使变形困难的影响,还会使材料在使用过程中尺寸不稳定,易变形,降低材料耐蚀性。
6 简要说明第二相在冷塑性变形过程中的作用。
6 简答:第二相在冷塑性变形过程中的作用一般是提高合金强度,但还取决于第二相的种类数量颗粒大小形状分布特点及与基体结合界面结构等,对塑性变形影响复杂。
第二相强度高于基体但有一定塑性,其尺寸、含量与基体基本接近,则合金塑性是两相的变形能力平均值。
第二相硬、脆,合金变形只在基体中进行,第二相基本不变形;第二相均匀、弥散分布在固溶体基体上,可以对合金产生显著强化作用。
7 讨论织构的利弊及控制方法。
7 简答:织构由晶粒择优取向形成,变形织构对再结晶织构形成有主要影响,织构造成材料性能各向异性。
各向异性在不同情况需要避免或利用。
织构控制可以通过控制合金元素的种类和含量、杂质含量、变形工艺(如变向轧制)和退火工艺等多种因素的配合。
8叙述金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化。
8 简答:金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化主要有晶粒被拉长,形成纤维组织,冷变形程度很高时,位错密度增高,形成位错缠结和胞状组织,发生加工硬化,,变形金属中出现残余应力,金属在单向塑性变形时出现变形织构。
9.产生加工硬化的原因是什么?加工硬化在金属加工中有什么利弊?答:①随着变形的增加,晶粒逐渐被拉长,直至破碎,这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒,变形愈大,晶粒破碎的程度愈大,这样使位错密度显著增加;同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。
因此,随着变形量的增加,由于晶粒破碎和位错密度的增加,金属的塑性变形抗力将迅速增大,即强度和硬度显著提高,而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。
②金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难,如钢板在冷轧过程中会越轧越硬,以致最后轧不动。
另一方面人们可以利用加工硬化现象,来提高金属强度和硬度,如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。
加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。
如冷拉钢丝拉过模孔的部分,由于发生了加工硬化,不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分,这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。
10.为什么细晶粒钢强度高,塑性,韧性也好?答:晶界是阻碍位错运动的,而各晶粒位向不同,互相约束,也阻碍晶粒的变形。
因此,金属的晶粒愈细,其晶界总面积愈大,每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多,对塑性变形的抗力也愈大。
因此,金属的晶粒愈细强度愈高。
同时晶粒愈细,金属单位体积中的晶粒数便越多,变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生,产生较均匀的变形,而不致造成局部的应力集中,引起裂纹的过早产生和发展。
因此,塑性,韧性也越好。
11.金属经冷塑性变形后,组织和性能发生什么变化?答:①晶粒沿变形方向拉长,性能趋于各向异性,如纵向的强度和塑性远大于横向等;②晶粒破碎,位错密度增加,产生加工硬化,即随着变形量的增加,强度和硬度显著提高,而塑性和韧性下降;③织构现象的产生,即随着变形的发生,不仅金属中的晶粒会被破碎拉长,而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动,转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致,产生织构现象;④冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀,金属内部会形成残余的内应力,这在一般情况下都是不利的,会引起零件尺寸不稳定。
12.分析加工硬化对金属材料的强化作用?答:随着塑性变形的进行,位错密度不断增加,因此位错在运动时的相互交割、位错缠结加剧,使位错运动的阻力增大,引起变形抗力的增加。
这样,金属的塑性变形就变得困难,要继续变形就必须增大外力,因此提高了金属的强度。