1、第一节金属的塑性变形第一节金属的塑性变形1单晶体的塑性变形2 2多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形3 3塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响 第三章第三章 金属的塑性变形和再结晶金属的塑性变形和再结晶 当应力超过弹性极限时，金属将产生塑性变形。为当应力超过弹性极限时，金属将产生塑性变形。为了方便起见，我们首先研究单晶体的塑性变形，而了方便起见，我们首先研究单晶体的塑性变形，而多晶体的塑性变形与各个晶粒的变形行为相关联，多晶体的塑性变形与各个晶粒的变形行为相关联，掌握了单晶体的变形规律，将有助于了解多晶体的掌握了单晶体的变形规律，将有助于了解多晶体的塑性变形本质。塑性变形本
2、质。单晶体的变形有单晶体的变形有“滑移滑移”和和“孪生孪生”两种方式，我两种方式，我们重点研究滑移方式。们重点研究滑移方式。3.1.3.1.1 1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形滑移：滑移：在切在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和一定的方向（滑移方向）发沿着一定的晶面（滑移面）和一定的方向（滑移方向）发生相对滑动的过程。生相对滑动的过程。由图可知：由图可知：外力外力P P在一定的晶面上分解为两种应力：在一定的晶面上分解为两种应力：；（a a）正应力正应力 使晶格发生弹性变形（由使晶格发生弹性变形（由cccc，a aaa）或
3、断裂或断裂 （b b）切应力切应力 使晶格发生弹性歪扭或塑性变形（使晶格发生弹性歪扭或塑性变形（c c）大量晶面的滑移，最终使试样被拉长变细大量晶面的滑移，最终使试样被拉长变细 （d d）塑性变形的实质塑性变形的实质 原子移动到新的稳定位置原子移动到新的稳定位置总总 结结滑移只能在切应力的作用下发生；滑移只能在切应力的作用下发生；一些概念：一些概念：1 1、滑移面：发生滑移的晶面，叫做滑移面；、滑移面：发生滑移的晶面，叫做滑移面；2 2、滑移方向：晶体在滑移面上发生滑移的晶向；、滑移方向：晶体在滑移面上发生滑移的晶向；3 3、滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向、滑移系：一个滑移面和此面上
4、的一个滑移方向结合起来，组成一个滑移系。结合起来，组成一个滑移系。（它表示金属晶体在发生滑移时滑移动作可采取的空间（它表示金属晶体在发生滑移时滑移动作可采取的空间位向，滑移系越多，滑移时可供采用的空间位向也越多，位向，滑移系越多，滑移时可供采用的空间位向也越多，所以该金属的塑性也越好，而且滑移方向的作用大于滑所以该金属的塑性也越好，而且滑移方向的作用大于滑移面的作用。）移面的作用。）一般说来：滑移面总是原子最密排面，滑移方向也一般说来：滑移面总是原子最密排面，滑移方向也总是原子最密排方向。总是原子最密排方向。（因为在最密排面上，原子的结合力最强，而面与（因为在最密排面上，原子的结合力最强，而面
5、与面之间的距离却最大，所以最密排面之间的原子间面之间的距离却最大，所以最密排面之间的原子间的结合力最弱，滑移阻力最小，因而最易滑移；同的结合力最弱，滑移阻力最小，因而最易滑移；同理，滑移方向也总是原子最密排方向。）理，滑移方向也总是原子最密排方向。）几种常见金属的滑移面和滑移方向：几种常见金属的滑移面和滑移方向：晶体在滑移的同时，由于正应力组成的力偶的作用，晶体在滑移的同时，由于正应力组成的力偶的作用，会推动晶体会推动晶体转动转动，力图使滑移面转向与外力方向平行。，力图使滑移面转向与外力方向平行。取金属单晶体试样，表面经磨制抛光，然后进行拉伸，取金属单晶体试样，表面经磨制抛光，然后进行拉伸，当
6、试样经适量塑性变形后，在金相显微镜下观察，则可在当试样经适量塑性变形后，在金相显微镜下观察，则可在表面见到许多相互平行的线条，称之为表面见到许多相互平行的线条，称之为滑移带滑移带；如进一步；如进一步在电子显微镜下观察，便会发现任一条滑移带实际上是由在电子显微镜下观察，便会发现任一条滑移带实际上是由许多密集在一起的相互平行的许多密集在一起的相互平行的滑移线滑移线所组成，这些滑移线所组成，这些滑移线表现为在塑性变形后在晶体表面产生的一个个小台阶。表现为在塑性变形后在晶体表面产生的一个个小台阶。图图3-1 滑移带与滑移线的示意图滑移带与滑移线的示意图滑移的位错机制：滑移的位错机制：若晶体中没有任何缺
7、陷，原子排列若晶体中没有任何缺陷，原子排列得十分整齐时，经理论计算，在切应力的作用下，晶得十分整齐时，经理论计算，在切应力的作用下，晶体的上下两部分沿滑移面作体的上下两部分沿滑移面作整体刚性的滑移整体刚性的滑移时，此时时，此时所需的临界切应力所需的临界切应力K K（即滑移所需的最小切应力）与即滑移所需的最小切应力）与实测相差十分悬殊。（例如：铜的理论计算值实测相差十分悬殊。（例如：铜的理论计算值K K =6400=6400N/mmN/mm2 2，而实测值而实测值K K=1.0=1.0N/mmN/mm2 2），），为此，导致为此，导致了位错学说的诞生。了位错学说的诞生。理论与实验都已证明，在实际
8、晶体中存在着位错，晶体理论与实验都已证明，在实际晶体中存在着位错，晶体的滑移是通过位错在切应力的作用下沿滑移面逐步移动的的滑移是通过位错在切应力的作用下沿滑移面逐步移动的结果。结果。如书如书P45P45图图3-23-2所示所示，一个刃型位错在切应力的作用，一个刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的运动过程，就象接力赛跑一样，位错中心下在滑移面上的运动过程，就象接力赛跑一样，位错中心的原子逐一递进，由一个平衡位置转移到另一个平衡位置，的原子逐一递进，由一个平衡位置转移到另一个平衡位置，通过一根位错线从滑移面的一侧到另一侧的运动便造成一通过一根位错线从滑移面的一侧到另一侧的运动便造成一个原子间距的滑
9、移。当位错线移到晶体表面时，就会在晶个原子间距的滑移。当位错线移到晶体表面时，就会在晶体表面上留下一个原子间距的滑移台阶，因而造成滑移线体表面上留下一个原子间距的滑移台阶，因而造成滑移线的产生。的产生。滑移的实现滑移的实现 借助于借助于位错运动位错运动图图3-2 晶体中位错运动产生滑移过程示意晶体中位错运动产生滑移过程示意图图实测的实测的K 远小于理论的远小于理论的K 的原因的原因：位错虽然移动了位错虽然移动了一个原子间距，但位错中心附近的少数原子只作远小一个原子间距，但位错中心附近的少数原子只作远小于一个原子间距的弹性偏移，而其他区域的原子仍处于一个原子间距的弹性偏移，而其他区域的原子仍处于
10、正常位置，所以这样的位错运动只需一个很小的切于正常位置，所以这样的位错运动只需一个很小的切应力即可实现，故，实测的应力即可实现，故，实测的K 远小于理论的远小于理论的K。图图3-3 位错运动时的原子移动位错运动时的原子移动n多晶体金属的塑性变形与单晶体的本多晶体金属的塑性变形与单晶体的本质是一致的，即每个晶粒的塑性变形仍质是一致的，即每个晶粒的塑性变形仍以滑移方式进行，但多晶体是由许多形以滑移方式进行，但多晶体是由许多形状、大小、取向各不相同的晶粒组成。状、大小、取向各不相同的晶粒组成。所以，多晶体的塑变过程又比单晶体的所以，多晶体的塑变过程又比单晶体的相对复杂许多。相对复杂许多。3.1.2
11、3.1.2 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形3.1.2.1 3.1.2.1 晶界对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响晶界原子排列较不规则，阻碍位错运动，使变形抗力增大。晶界原子排列较不规则，阻碍位错运动，使变形抗力增大。晶粒小晶粒小 晶界多晶界多 变形抗力大变形抗力大 强度，硬度强度，硬度（细晶强化）（细晶强化）晶粒小晶粒小 变形分散，应力集中小变形分散，应力集中小 塑性塑性，韧性，韧性对于每一个晶粒而言，变形也不均匀，晶粒中心区域对于每一个晶粒而言，变形也不均匀，晶粒中心区域的变形量大，晶界及其附近区域的变形量较小，出现所的变形量大，晶界及其附近区域的变形量较小，出现所谓的谓的“竹节竹节”形
12、变形。形变形。在多晶体金属中，由于各晶粒的位向不同，则各在多晶体金属中，由于各晶粒的位向不同，则各滑移系的取向（滑移面和滑移方向的分布）也不同，滑移系的取向（滑移面和滑移方向的分布）也不同，所以在外力的作用下，每个滑移系上所受的分切应所以在外力的作用下，每个滑移系上所受的分切应力就不同。如果：在受拉伸时，滑移系与外力力就不同。如果：在受拉伸时，滑移系与外力P成成45，则，则为最大；滑移系与外力为最大；滑移系与外力P 平行或垂直，则平行或垂直，则为最小。为最小。3.1.2.2 晶粒取向对塑性变形的影响晶粒取向对塑性变形的影响软位向：软位向：凡滑移面和滑凡滑移面和滑移方向处于或接近与外力移方向处于
13、或接近与外力成成45的夹角的晶粒必先滑的夹角的晶粒必先滑移，处于这种位向的晶粒移，处于这种位向的晶粒为处于软位向。为处于软位向。硬位向：硬位向：滑移面或滑移滑移面或滑移方向处于或接近于与外力方向处于或接近于与外力平行或垂直的晶粒，处于平行或垂直的晶粒，处于硬位向，则难以滑移。硬位向，则难以滑移。如如图所示，以图所示，以ABC的顺序分批滑移。的顺序分批滑移。图图3-4 多晶体金属塑性多晶体金属塑性变形不均匀性的示意图变形不均匀性的示意图 在外力作用下，金属中处于在外力作用下，金属中处于“软位向软位向”的晶粒的晶粒中的位错首先滑移，产生变形，但是这种变形要受中的位错首先滑移，产生变形，但是这种变形
14、要受到邻近尚未产生滑移的晶粒的制约。这些晶粒要以到邻近尚未产生滑移的晶粒的制约。这些晶粒要以弹性变形来协调，所以，多晶体中弹性变形来协调，所以，多晶体中“软位向软位向”晶粒晶粒的位错运动所需的外力较单晶体所需的外力大的位错运动所需的外力较单晶体所需的外力大 另外，分正应力组成一力偶，促使晶粒发生转动，另外，分正应力组成一力偶，促使晶粒发生转动，所以随着滑移的发生，软位可转移到硬位向，硬位所以随着滑移的发生，软位可转移到硬位向，硬位向可转到软位向。向可转到软位向。多晶体的塑性变形总是多晶体的塑性变形总是逐批滑移，从不均匀变形逐批滑移，从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形逐步发展到比较均匀的变形。
15、按组成相不同，合金主要可分为单相固溶体合金和按组成相不同，合金主要可分为单相固溶体合金和多相合金，它们的塑性变形又各自具有不同的特点。多相合金，它们的塑性变形又各自具有不同的特点。一一.单相固溶体合金的塑性变形单相固溶体合金的塑性变形 单相固溶体合金和纯金属相比，最大的区别在于单单相固溶体合金和纯金属相比，最大的区别在于单相固溶体合金中存在溶质原子。溶质原子对合金塑性相固溶体合金中存在溶质原子。溶质原子对合金塑性变形的影响主要表现在固溶强化作用，提高了塑性变变形的影响主要表现在固溶强化作用，提高了塑性变形的阻力，此外，有些固溶体会出现明显的屈服点和形的阻力，此外，有些固溶体会出现明显的屈服点和
16、应变时效现象。应变时效现象。3.1.3合金的塑性变形合金的塑性变形 1.固溶强化固溶强化影响固溶强化的因素很多，主要有以下几个方面影响固溶强化的因素很多，主要有以下几个方面：（1）固溶体中溶质原子的含量越高，强化作用越大）固溶体中溶质原子的含量越高，强化作用越大（2）溶质原子与基体金属的原子半径相差越大，强）溶质原子与基体金属的原子半径相差越大，强化作用越大；化作用越大；（3）间隙型溶质原子比置换型溶质原子具有更大的）间隙型溶质原子比置换型溶质原子具有更大的固溶强化效果，但间隙原子的固溶度很有限，故实际固溶强化效果，但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限；强化效果也有限；（4）溶质原子
17、与基体金属的价电子数相差越大，固）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著，即固溶体的屈服强度随合金电子溶强化作用越显著，即固溶体的屈服强度随合金电子浓度的增加而提高。浓度的增加而提高。2.屈服现象与应变时效屈服现象与应变时效 通常认为，溶质原子与位错交互作用形成的溶质原子通常认为，溶质原子与位错交互作用形成的溶质原子气团（气团（Cottrell气团）对位错有气团）对位错有“钉扎作用钉扎作用”。上屈服点：位错要运动，需加大外力才能挣脱柯氏气团上屈服点：位错要运动，需加大外力才能挣脱柯氏气团的钉扎而移动；的钉扎而移动；下屈服点：一旦挣脱柯氏气团的钉扎，位错的运动就比下屈服点：一旦
18、挣脱柯氏气团的钉扎，位错的运动就比较容易，因此应力降低；较容易，因此应力降低；应力平台区：在基本恒定的应力下继续变形。应力平台区：在基本恒定的应力下继续变形。图图3-8 低碳钢拉伸低碳钢拉伸时的应力时的应力-应变曲应变曲线线 应变时效应变时效是与Cottrell气团相关的另一种现象。将退火状态的低碳钢试样拉伸到超过屈服点并发生少量拉伸到超过屈服点并发生少量塑性变形塑性变形后（图3-9中曲线1）卸载，立即重新加载进行拉伸立即重新加载进行拉伸（图3-9中曲线2）:试样不发生屈服现象；将变形后的试样在常温下放置几天（自然时效自然时效）或或经200 左右短时加热（人工时效人工时效）后后再进行拉伸拉伸:
19、屈服现象又复出现，且屈服应力进一步提高（图3-9中曲线3），这一现象通常称为应变时效。图图3-9 低碳钢的拉伸试验低碳钢的拉伸试验1预塑性变形；2去载后立即再行加载；3去载后放置一段时期或在200 加热后在加载 1.聚合型合金的塑性变形聚合型合金的塑性变形 均为塑性相均为塑性相：合金的变形能力取决于两相的体积合金的变形能力取决于两相的体积分数分数,滑移往往首先发生在较软的相中；较强相的体滑移往往首先发生在较软的相中；较强相的体积分数较少，则强化效果甚微；大于积分数较少，则强化效果甚微；大于30时，明显时，明显的强化作用。的强化作用。塑性相塑性相+脆性相脆性相：性能取决于两相的相对数量性能取决于
20、两相的相对数量；脆脆性相的形状、大小和分布密切相关。性相的形状、大小和分布密切相关。二二.多相合金的多相合金的塑性变形塑性变形根据第二相粒子的尺寸大小可将多相合金分为两大类：聚合型合金、弥散分布型合金聚合型合金、弥散分布型合金 2.弥散分布型弥散分布型合金的塑性变形合金的塑性变形（1）不可变形粒子的强化作用）不可变形粒子的强化作用围绕着粒子的位错线在左右两边相遇，于是正负位错彼此托消，形成包围着粒子的位错环而被留下，而位错线的其余部分则越过粒子继续移动。（2）可变形微粒的强化作用）可变形微粒的强化作用 当第二相粒子为可变形微粒时，位错将切过粒子使之随同基体一起变形，如图3-11所示。图3-11
21、 位错切过第二相粒子示意图图3-10位错绕过第二相粒子示意图变形变形10%100变形变形40%100 变形变形80%纤维组织纤维组织100 工业纯铁工业纯铁不同变形度不同变形度的显微组织的显微组织1.1.塑性变形对金属组织的影响塑性变形对金属组织的影响（1 1）晶粒变形，形成晶粒变形，形成纤维组织纤维组织 3.1.4冷态冷态 塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响（2 2）位错密度增加，晶粒破碎，位错密度增加，晶粒破碎，亚结构亚结构增加增加 塑性变形塑性变形 位错密度增加，相互缠结位错密度增加，相互缠结(亚晶界亚晶界)，运动，运动阻力加大阻力加大 变形抗力变形抗力 加工硬
22、化加工硬化（3）形成形成形变织构形变织构绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，性能出现各向异性。绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，性能出现各向异性。晶粒拉长，但未出现织构。晶粒拉长，但未出现织构。晶粒拉长，且出现晶粒拉长，且出现织构织构。（1 1）加工硬化现象）加工硬化现象（强化材料的手段之一）（强化材料的手段之一）在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，这一现象就的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，这一现象就是加工硬化，或形变强化。是加工硬化，或形变强化。2.塑性变形对金属材料性能的影响塑性变形对金属
23、材料性能的影响金属在冷变形时，强度、硬度金属在冷变形时，强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性。P21，图图1-17实际意义：实际意义：优点：优点：a、广泛用来提高金属材料的强度；（例如：自行车链广泛用来提高金属材料的强度；（例如：自行车链条的链板的制作）条的链板的制作）b、有利于金属进行均匀变形；（例如：冷拔钢丝）有利于金属进行均匀变形；（例如：冷拔钢丝）c、可以提高工件在使用过程中的安全性。可以提高工件在使用过程中的安全性。缺点：缺点：会给金属进一步加工造成困难，为此中间需进行再结会给金属进一步加工造成困难，为此中间需进行再结晶退火处理。晶退火处理。（2 2）产生各向异性）产生各向异性 (沿纤
24、维方向的强度、塑性最大）沿纤维方向的强度、塑性最大）优点：利用它所形成的各向异性；（例如：制造变压器铁芯的硅钢片）优点：利用它所形成的各向异性；（例如：制造变压器铁芯的硅钢片）缺点：也是因为它所形成的各向异性；（例如：制耳现象缺点：也是因为它所形成的各向异性；（例如：制耳现象)（3 3）物理、化学性能的变化）物理、化学性能的变化 电阻增大，耐腐蚀性降低电阻增大，耐腐蚀性降低（4）残余内应力残余内应力由金属内部不均匀变形引起由金属内部不均匀变形引起 宏观内应力宏观内应力（第一类内应力）：由于表层与心（第一类内应力）：由于表层与心部的变形量不同所引起的，它是在部的变形量不同所引起的，它是在整个物体
25、范围内整个物体范围内处于平衡的力。（例如：冷拉圆钢）处于平衡的力。（例如：冷拉圆钢）微观内应力（第二类内应力）：由于微观内应力（第二类内应力）：由于晶粒之间晶粒之间或晶内不同区域或晶内不同区域变形量不同引起的，它是在晶粒或变形量不同引起的，它是在晶粒或晶内不同区域内处于平衡的力。晶内不同区域内处于平衡的力。晶格畸变力（第三类内应力）晶格畸变力（第三类内应力）位错等晶格缺陷的大量增加引起缺陷附近晶格畸变产生位错等晶格缺陷的大量增加引起缺陷附近晶格畸变产生的内应力。的内应力。它是在晶界、滑移面等附近不多的它是在晶界、滑移面等附近不多的原子群范原子群范围内围内维持平衡的。维持平衡的。它是金属强化的主
26、要原因，也是变形它是金属强化的主要原因，也是变形金属中的主要内应力。金属中的主要内应力。残余内应力的危害残余内应力的危害引起零件加工过程变形、开裂。引起零件加工过程变形、开裂。耐蚀性耐蚀性 在变形金属中，由于晶粒破碎拉长及位错等晶格缺在变形金属中，由于晶粒破碎拉长及位错等晶格缺陷大量增加，使其内能增加，在热力学上处于不稳定的陷大量增加，使其内能增加，在热力学上处于不稳定的亚稳状态。所以，一旦对其进行加热使原子有了足够高亚稳状态。所以，一旦对其进行加热使原子有了足够高的活动能力，那么，形变金属就能从亚稳状态向稳定状的活动能力，那么，形变金属就能从亚稳状态向稳定状态转变，从而引起一系列组织和性能的
27、变化。由回复、态转变，从而引起一系列组织和性能的变化。由回复、再结晶以及晶粒长大三个阶段综合组成的。再结晶以及晶粒长大三个阶段综合组成的。第二节第二节 冷加工金属在加热时的变化冷加工金属在加热时的变化一、回复、再结晶与晶粒长大一、回复、再结晶与晶粒长大1 1回复回复2 2再结晶再结晶3 3晶粒长大晶粒长大1、回复、回复 T T回复回复=（0.250.25.3.3）T T熔点熔点显微组织无明显变化，位错和点缺陷大大显微组织无明显变化，位错和点缺陷大大.回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降，回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降，塑性增高，但残余应力大大降低一些物理塑性增高，但残余应力大大降低一些物
28、理性能得到改善。性能得到改善。变化变化应用应用工业上利用回复过程对变形金属进行工业上利用回复过程对变形金属进行去应去应力力退火退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。来降低残余应力，保留加工硬化效果。（例如：经深冲工艺制成的黄铜弹壳）（例如：经深冲工艺制成的黄铜弹壳）塑性变形后的金属在低温加热时，原子的活动能力较差，从塑性变形后的金属在低温加热时，原子的活动能力较差，从显微组织几乎看不出任何变化，仅因变形金属中的一些点缺显微组织几乎看不出任何变化，仅因变形金属中的一些点缺陷和位错的迁移而引起某些晶内变化称为回复陷和位错的迁移而引起某些晶内变化称为回复2、再结晶、再结晶 T T再再=（0.350.
29、35.4.4）T T熔点熔点 变形后金属被加热到较高温度时，由于原子扩散能变形后金属被加热到较高温度时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，该过程称为再结晶成新的均匀、细小的等轴晶粒，该过程称为再结晶。变化变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加工硬化现象被消除。，工硬化现象被消除。，应用应用工业上利用再结晶过程对变形后金属进行工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再再结晶退火结晶
30、退火来消除加工硬化现象，恢复金属的来消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性。以利于后面的变形加工。塑性和韧性。以利于后面的变形加工。再结晶退火再结晶退火：对发生了加工硬化（冷变形）的金属，在对发生了加工硬化（冷变形）的金属，在再结晶温度以上一定温度加热，适当保温的热处理工艺，再结晶温度以上一定温度加热，适当保温的热处理工艺，称为再结晶退火。再结晶退火的温度经常定为最低再结称为再结晶退火。再结晶退火的温度经常定为最低再结晶温度以上晶温度以上100200。书书P29表表2-2，几种常见金属及合，几种常见金属及合金的最低再结晶温度和再结晶退火温度。金的最低再结晶温度和再结晶退火温度。3.3.晶粒长大
31、晶粒长大变形变形80%工业纯铁再结晶退火工业纯铁再结晶退火 显微照片显微照片 100变形变形80%600退火退火8小时小时 变形变形80%400退火退火8小时小时加热温度加热温度 T 和和 保温时间保温时间 t 晶界迁移、晶粒合并长大。晶界迁移、晶粒合并长大。n类型类型：正常长大正常长大：随着温度的升高或保温时间的延长，晶粒均匀连续的随着温度的升高或保温时间的延长，晶粒均匀连续的长大。（因为晶粒长大是一个表面能降低的过程，所以晶粒长大是一个自长大。（因为晶粒长大是一个表面能降低的过程，所以晶粒长大是一个自发过程，但长大速度不大。）发过程，但长大速度不大。）异常长大异常长大：经严重冷变形的金属，
32、在较高温度退火时，少数晶：经严重冷变形的金属，在较高温度退火时，少数晶粒优先长大，逐渐吞食周围大量小晶粒而形成粗大晶粒的过程，叫二次再粒优先长大，逐渐吞食周围大量小晶粒而形成粗大晶粒的过程，叫二次再结晶。结晶。特点：特点：不是重新生核与长大，而是在一次再结晶完成之后，某些特殊晶粒长大形不是重新生核与长大，而是在一次再结晶完成之后，某些特殊晶粒长大形成的；成的；是不连续、不均匀的长大，故叫反常长大是不连续、不均匀的长大，故叫反常长大如图如图形成机理：第二相或夹杂物形成机理：第二相或夹杂物质点的影响质点的影响（一）金属的再结晶温度（一）金属的再结晶温度再结晶温度（再结晶温度（T再再）：）：通常再结
33、晶温度是指再结晶开始的温度，它与金通常再结晶温度是指再结晶开始的温度，它与金属的变形程度和纯度等因素有关；但需注意的是再结属的变形程度和纯度等因素有关；但需注意的是再结晶过程不是一个恒温过程，而是在一定温度范围内进晶过程不是一个恒温过程，而是在一定温度范围内进行的过程。行的过程。二、影响再结晶温度和晶粒大小的因素二、影响再结晶温度和晶粒大小的因素n影响再结晶温度的因素：影响再结晶温度的因素：金属的预变形度金属的预变形度：金属的预变形度越大金属的预变形度越大，晶体缺陷，晶体缺陷就越多，则组织就越不稳定，就越多，则组织就越不稳定，再结晶温度再结晶温度 就越低。就越低。从图从图中可以看出，当变形程度
34、达到一定程度后，再结晶温度中可以看出，当变形程度达到一定程度后，再结晶温度趋于某一最低值，这一温度称为最低再结晶温度。大量趋于某一最低值，这一温度称为最低再结晶温度。大量实验证明：实验证明：最低再结晶温度最低再结晶温度 TR纯金属纯金属TR=（0.4 0.35）T0合金合金TR=（0.5 0.7）T0温度单位：绝对温度温度单位：绝对温度(K)预变形度对预变形度对TR的影响的影响（2）金属的纯度）金属的纯度：金属的纯度越低金属的纯度越低，金属中的微量元素或合金元素，尤其，金属中的微量元素或合金元素，尤其是高熔点元素，常常趋向于位错、晶界处偏聚，因此会是高熔点元素，常常趋向于位错、晶界处偏聚，因此
35、会阻碍原子扩散和晶界的迁移，阻碍原子扩散和晶界的迁移，从而再结晶温度显著提高从而再结晶温度显著提高。（3）加热速度和保温时间）加热速度和保温时间：因为再结晶的形核和长大都需要时间，因为再结晶的形核和长大都需要时间，所以加热速度越所以加热速度越大大，在不同的温度下停留的时间短，使之来不及形核和，在不同的温度下停留的时间短，使之来不及形核和长大长大，而推迟到更高的温度下才会发生再结晶；，而推迟到更高的温度下才会发生再结晶；保温时间越长，保温时间越长，原子的扩散能力越大，原子的扩散能力越大，再结晶温度就越再结晶温度就越低。低。（4）原始晶粒越小，再结晶温度越低）原始晶粒越小，再结晶温度越低 因为原始
36、晶粒越小，则变形抗力越大，冷变形后储存的因为原始晶粒越小，则变形抗力越大，冷变形后储存的能量较高，再结晶温度越低。此外，晶粒越细小，晶界能量较高，再结晶温度越低。此外，晶粒越细小，晶界越多，形核位置越多，越有利于再结晶。越多，形核位置越多，越有利于再结晶。变形金属经再结晶退火后，强度、硬度下降，塑性、变形金属经再结晶退火后，强度、硬度下降，塑性、韧性上升。但这并不意味着与变形前完全一样，中心韧性上升。但这并不意味着与变形前完全一样，中心问题是再结晶后的晶粒大小。问题是再结晶后的晶粒大小。变形金属经再结晶退火后，晶粒的大小对其力学性变形金属经再结晶退火后，晶粒的大小对其力学性能有着非常重要的影响
37、，只有获得细晶粒金属，才能能有着非常重要的影响，只有获得细晶粒金属，才能获得较高的强度、硬度和良好的塑性、韧性。所以，获得较高的强度、硬度和良好的塑性、韧性。所以，就必须了解决定再结晶退火后晶粒度的因素有哪些？就必须了解决定再结晶退火后晶粒度的因素有哪些？了解决定再结晶退火后晶粒度的因素就可以控制变形了解决定再结晶退火后晶粒度的因素就可以控制变形金属的再结晶退火后的质量。金属的再结晶退火后的质量。(二）再结晶退火后的晶粒度二）再结晶退火后的晶粒度1.1.退火温度和时间退火温度和时间 T T 晶粒直径晶粒直径 DD再结晶时，再结晶时，加热温度越高加热温度越高，原子的活动能力越强，越，原子的活动能
38、力越强，越有利于晶界的迁移，所以，有利于晶界的迁移，所以，退火后晶粒越粗大退火后晶粒越粗大；同时，；同时，在加在加热温度一定时，保温时间越长，晶粒越粗大热温度一定时，保温时间越长，晶粒越粗大。当变形度很小时，晶粒度仍保持原样；（因为变当变形度很小时，晶粒度仍保持原样；（因为变形度小，畸变能小，不足以引起再结晶）形度小，畸变能小，不足以引起再结晶）当变形度在当变形度在2%10%时，再结晶后的晶粒特别粗时，再结晶后的晶粒特别粗大。（金属中仅有部分晶粒发生变形，变形极不均匀，大。（金属中仅有部分晶粒发生变形，变形极不均匀，再结晶时的生核数目少，所以再结晶后的晶粒度极不再结晶时的生核数目少，所以再结晶
39、后的晶粒度极不均匀，晶粒极易相互吞并长大）我们将此范围的变形均匀，晶粒极易相互吞并长大）我们将此范围的变形度称为度称为“临界变形度临界变形度”，生产上应尽量避免在此范围，生产上应尽量避免在此范围内变形。内变形。2.2.预变形度的影响预变形度的影响它的影响实际上是变形均匀程度的问题它的影响实际上是变形均匀程度的问题。当变形大于临界变形度后，随着变形的增加，当变形大于临界变形度后，随着变形的增加，变形便越趋于均匀，再结晶时的形核数目越多，故晶变形便越趋于均匀，再结晶时的形核数目越多，故晶粒就越细小均匀。粒就越细小均匀。当变形度大于当变形度大于90%以上时，某些金属还会出现晶以上时，某些金属还会出现
40、晶粒的异常长大。粒的异常长大。临界变形度的危害：临界变形度的危害：（3 3）原始晶粒尺寸）原始晶粒尺寸 原始晶粒度越小，再结晶晶粒越细小。因为晶粒越细小，原始晶粒度越小，再结晶晶粒越细小。因为晶粒越细小，晶界越多，大量晶界为再结晶形核提供了有利的场所，晶界越多，大量晶界为再结晶形核提供了有利的场所，故可得到细小晶粒组织。故可得到细小晶粒组织。（4 4）微量溶质原子）微量溶质原子 合金元素及杂质可细化晶粒，这是由于基体中的合金元合金元素及杂质可细化晶粒，这是由于基体中的合金元素及杂质可增加变形金属的储存能，并阻碍晶界运动。素及杂质可增加变形金属的储存能，并阻碍晶界运动。（5 5）第二相粒子第二相
41、粒子 由于晶粒大小对材料性能将产生重要影响，因此，调节由于晶粒大小对材料性能将产生重要影响，因此，调节再结晶退火参数、控制再结晶的晶粒尺寸，在生产中具再结晶退火参数、控制再结晶的晶粒尺寸，在生产中具有一定实际意义。有一定实际意义。1 1热加工对组织和性能的影响热加工对组织和性能的影响热加工热加工 在在 TR 以上温度进行的变形加工以上温度进行的变形加工.如钢材的热锻和热轧如钢材的热锻和热轧,但热加工后不产生加工硬化。但热加工后不产生加工硬化。热加工时，塑性变形引起的加工硬化效应随即被再热加工时，塑性变形引起的加工硬化效应随即被再结晶过程的软化作用所消除结晶过程的软化作用所消除.热加工过程实际上
42、是热加工过程实际上是加工硬化与回复、再结晶相互制约，相互平衡的过加工硬化与回复、再结晶相互制约，相互平衡的过程。程。第三节第三节 金属的热加工（自学）金属的热加工（自学）热加工的应用及组织和性能特点热加工的应用及组织和性能特点1）打碎柱状晶、树枝晶，形成等轴晶，机械性能改善。）打碎柱状晶、树枝晶，形成等轴晶，机械性能改善。2）压合铸件中的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和机械性能。）压合铸件中的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和机械性能。3）产生）产生 流线流线 分布分布 非金属夹杂物沿变形方向分布，引起各向异性。非金属夹杂物沿变形方向分布，引起各向异性。锻造曲轴锻造曲轴切削加工曲轴切削加工曲
43、轴冷加工对组织和性能的影响冷加工对组织和性能的影响冷加工冷加工 在在 TR 以下温度进行的变形加工，以下温度进行的变形加工，如低碳钢的冷拔、冷冲如低碳钢的冷拔、冷冲。冷加工后产生加工硬化。冷加工后产生加工硬化。思考题：其原因是什么？思考题：其原因是什么？冷加工对金属组织和性能的影响：冷加工对金属组织和性能的影响：能产生加工硬化，提高强度和硬度，塑性和韧性下降。能产生加工硬化，提高强度和硬度，塑性和韧性下降。是重要的是重要的 强化手段，对不能热处理强化的合金尤其重强化手段，对不能热处理强化的合金尤其重 要。但增加继续塑性变形的抗力。要。但增加继续塑性变形的抗力。热加工时，由于再结晶可以及时与加工
44、硬化动态平衡，使金属具有很高的塑性而容易加工。热加工变形量大，不需要穿插中间退火，因而流程短，效率高。节省金属。缺点：需要加热，不如冷加工简单易行。制品的组织性能不如冷加工均匀和易于控制。制品不如冷加工尺寸精确，表面粗糙度值大。对于薄或细的加工制品，由于降温快，尺寸精度差，不宜采用热加工。热加工与冷加工的比较作业：作业：1、解释下列名词：滑移、滑移系、加工硬、解释下列名词：滑移、滑移系、加工硬化、回复、再结晶；化、回复、再结晶；2、指出下列名词的主要区别：、指出下列名词的主要区别：弹性变形与塑性变形弹性变形与塑性变形 再结晶与二次再结晶再结晶与二次再结晶 热加工与冷加工热加工与冷加工 3、金属
45、的塑性变形有哪几种方式？在什么、金属的塑性变形有哪几种方式？在什么条件下会发生滑移变形？说明滑移机理？条件下会发生滑移变形？说明滑移机理？4、说明下列现象产生的原因？、说明下列现象产生的原因？滑移面是原子密度最大的晶滑移面是原子密度最大的晶面，滑移方向是原子密度最大的方向；面，滑移方向是原子密度最大的方向；晶界处滑移阻力最大；晶界处滑移阻力最大；实际测得的晶体滑移所需的实际测得的晶体滑移所需的临界切应力比理论计算的数值小；临界切应力比理论计算的数值小；Zn、-Fe、Cu的塑性不同；的塑性不同；5、为什么细晶粒强度高，塑性、韧为什么细晶粒强度高，塑性、韧性也好？性也好？什么是细晶强化？其强化原理
46、？什么是细晶强化？其强化原理？6、多晶体塑性变形的特点？在多晶、多晶体塑性变形的特点？在多晶体中，哪些晶粒最先滑移？体中，哪些晶粒最先滑移？7、金属经冷塑性变形后，组织和性、金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？能发生什么变化？8、金属的再结晶温度受到哪些因素、金属的再结晶温度受到哪些因素的影响？再结晶退火前后组织和性能有的影响？再结晶退火前后组织和性能有何变化？何变化？9、金属铸件能否通过再结晶退火来、金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒，为什么？细化晶粒，为什么？10、用冷拔紫铜管通过冷弯的方法制造机器上、用冷拔紫铜管通过冷弯的方法制造机器上的输油管，为了避免开裂，弯前应进行什么热的
47、输油管，为了避免开裂，弯前应进行什么热处理？处理？11、在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，、在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一端时间再进行弯折，铅板又象最初一而稍隔一端时间再进行弯折，铅板又象最初一样柔软，这是什么原因？样柔软，这是什么原因？12、用冷拔钢丝缠绕的螺旋弹簧，经低温、用冷拔钢丝缠绕的螺旋弹簧，经低温回火后，其弹力要比未经回火的好，这是为什回火后，其弹力要比未经回火的好，这是为什么？么？13、在冷拔钢丝时，如果总的变形量很大，、在冷拔钢丝时，如果总的变形量很大，则中间需穿插几次退火工序，这是为什么？中则中间需穿插几次退火工序，这是为什么？中间退火温度应选多高？间退火温度应选
48、多高？4.5金属的同素异构转变（金属的多晶型性）：金属的同素异构转变（金属的多晶型性）：定义：定义：某些金属（某些金属（Fe、Mn、Ti、Co等）当外部等）当外部的条件（温度、压强）改变时，由一种晶体结构的条件（温度、压强）改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象；转变为另一种晶体结构的现象；例如：例如：Fe的同素异构转变：有三种同素异构晶型，的同素异构转变：有三种同素异构晶型，-Fe、-Fe、-Fe：912：-Fe（bcc）-Fe（fcc）；）；1394：-Fe（fcc）-Fe（bcc）；）；如图如图212所示所示，不同的晶体结构，致密度不同，不同的晶体结构，致密度不同，因而发生多晶型转变时，将伴随有比容或体积的因而发生多晶型转变时，将伴随有比容或体积的突变；突变；纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C912 C-Fe，fcc-Fe，bcc912 C纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线Tt15381394912-Fe，bcc-Fe，bcc-Fe，fccCooling curve770铁磁性
