1、第二章第二章金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶金属与合金的性能主要取决于显微组织和晶体结构。为了使金属材料形成所需要的形状和尺寸，工业生产中广泛采用冶炼、铸造，获得铸锭后，通过压力加工时的塑性变形方法,使金属材料的组织和性能得到一定的改善。塑性变形包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。压力加工压力加工：是利用金属的塑性，使其改变形状改变形状、尺寸和改善改善性能性能，获得型材、棒材、线材或锻压件的加工方法。压力加工方法示意图压力加工方法示意图轧制挤压拉拔 锻压冲压从拉伸试验中已知，当应力较小时，金属只产生弹性变形；应力超过屈服点s以后，在产生弹性变形的同时，金属将产生较大的塑性变形；
2、应力达到b后，金属将断裂。第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形拉伸试验时的应力拉伸试验时的应力-应变曲线应变曲线第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形一一.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形的基本方式有两种：滑移和孪生。1.滑移(1)滑移是晶体在切应力的作用下,晶体的一部分沿一定的晶面上的一定方向相对于另一部分发生滑动。单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形滑移1 1、滑移系、滑移系1）滑移面滑移面：发生滑移的面。2）滑移方向滑移方向：发生滑移的方向。3）滑移系滑移系：晶体中每个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。滑移系越多，塑性越好。滑移系越多，塑性越好。应力和变
3、形n正应力只能使单晶体产生弹性变形或脆性断裂；而切应力则可使晶格在发生弹性歪扭之后进一步造成滑移。切应力当很小时，晶格只产生弹性的剪切变形，切应力增大到一定值后，晶体的一部分将会沿着某一晶面，相对于另一部分位移一个或若干个原子间距，在外力去除后，原子处于新的平衡位置，即晶体产生了永久变形。单晶体试样拉伸变形示意图单晶体试样拉伸变形示意图第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形滑移特点：滑移特点：滑移只能在切应力作用下才会发生,不同金属产生滑移的最小切应力(称滑移临界切应力)大小不同。滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。位错运动实现滑移示意图位错运动实现滑移示意图第一节第一节 金属的塑
4、性变形金属的塑性变形由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量,因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距的整数倍。滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)进行,滑移面为该晶体的密排面，滑移方向为该面上的密排方向。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。金属三种常见晶格的滑移系一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。如体心立方晶格中，(110)面和111 晶向即组成一个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。滑移的同时必然伴随着晶体的转动。位错 滑移机制n滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两
5、部分沿滑移面作整体的相对滑动,而是通过位错的运动来实现的。在切应力作用下,一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动,即位错自左向右移动时,晶体产生滑移。n通过位错的移动实现滑移时：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；n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。第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形2.孪生孪生在
6、切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程称孪生。发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶。孪晶与未变形部分晶体原子分布形成对称。孪生所需的临界切应力比滑移的大得多。孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。体心立方晶格金属（如铁）在室温或受冲击时才发生孪生。而滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、锌、镉等,则比较容易发生孪生。孪生过程示意图孪生过程示意图孪生与滑移的主要区别孪生与滑移的主要区别孪生与滑移的主要区别是：发生滑移后，晶体已变形区和未变形区位位向向没有发生变化，而孪生就使晶体两部分位向发生了变化。第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形二
7、二.多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 工程上使用的金属绝大部分是多晶体。多晶体金属的塑性变形，就其每个晶粒来说与单晶体相似，但因晶界和各晶粒位向不同的影响，多晶体的塑性变形要比单晶体复杂得多。实验证明，晶界对常温塑性变形有显著的阻碍作用。因为晶界是相邻晶粒的过渡层，原子排列比较紊乱，且杂质往往较多，因而使滑移阻力增大。金属的晶粒愈细，则总的晶界面积愈大，塑性变形的阻力就愈大。第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形n晶界和晶粒的影响n1.多晶体中,由于晶界上原子排列不很规则,阻碍位错的运动,使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。n2.多晶体中每个晶粒位向不一
8、致.一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向),另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其它晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形n优点n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。n晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，因此使金属的塑性提高。由于细晶粒金属的强度较高，塑
9、性较好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。n 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细晶强化或晶粒细化，细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。一、产生纤维组织(1)n 纤维组织的出现是金属材料由原来的各向同性变形成各向异性。使沿着纤维方向的强度大于垂直纤维方向的。二、产生加工硬化现象(2)n随着金属材料变形量的增加，材料的强度和硬度增加，塑性下降的现象称为加工硬化。也叫形变强化。n加工硬化还可以使零件增加安全性。n加工硬化现象的存在有利于金属塑性变形加工的变形均匀性。加工硬化在工业生产中不利的方面主要是：降低塑性第二节第二节 塑性变形对金属组织和性能塑性变形对金属组织
10、和性能的影响的影响产生加工硬化的原因产生加工硬化的原因产生加工硬化的原因产生加工硬化的原因：金属发生塑性变形时,位错密度增加,位错间的交互作用增强,相互缠结,造成位错运动阻力的增大,引起塑性变形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎细化,使强度得以提高。在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。三、产生变形织构 当塑性变形到很大程度(70%以上)时,由于晶粒发生转动,使各晶粒的位向趋近于一致,形成特殊的择优取向,这种有序化的结构叫做形变织构。第二节第二节 塑性变形对金属组织和性能塑性变形对金属组织和性能的影响的影响n织构的存在会使材料产生严重的各向异性。由于各方向上的塑性、强度不同会导致非均匀变形
11、。使筒形零件的边缘出现严重不齐的现象，称为“制耳”。有制耳的零件质量是不合格的。n织构也有可利用的一面。变压器所用的硅钢片就是利用织构带来的各向异性，使变压器铁心增加磁导率、降低磁滞损耗，从而提高变压器的效率。四、产生残余的内应力 残余的内应力就是指平衡于金属内部的应力，当外力去除后而仍然留下来的内应力。根据残余的内应力的作用范围分为三类。(2)n宏观内应力（第一类内应力）0.1%n晶间内应力（第二类内应力）1%2%n晶格畸变内应力（第三类内应力）90%n以上第一类内应力是指由于金属表面与心部变形量不同而平衡于表面与心部之间的宏观内应力。（通常为0.1%）.n第二类内应力是指平衡于晶粒之间的内
12、应力或亚晶粒之间的内应力。是由于晶粒之间的内应力或亚晶粒之间变形不均匀引起的。（通常为1%2%）。n第三类内应力是指存在于晶格畸变中的内应力。它平衡于晶格畸变处的多个原子之间。（通常为90%以上）。这类内应力维持着晶格畸变，使变形金属材料的强度得到提高。n第一、二类内应力虽然占的比例不大，但是在一般情况下都会降低材料的性能，而且还会因应力松弛或重新分布而引起材料的变形。是有害的内应力。n另外，内应力的存在还会降低材料的抗腐蚀。即所谓的应力腐蚀。主要表现在处于应力状态的金属腐蚀速度快。变形的钢丝易生锈就是此理。2.塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属性能的影响金属发生塑性变形,随变形度的增大,
13、金属的强度和硬度显著提高,塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化,也叫形变强化。由于纤维组织和形变织构的形成,使金属的性能产生各向异性。塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大,耐腐蚀性降低。由于金属在发生塑性变形时,金属内部变形不均匀,位错、空位等晶体缺陷增多，金属内部会产生残余内应力。第二节第二节 塑性变形对金属组织和性能塑性变形对金属组织和性能的影响的影响第三节第三节 回复与再结晶回复与再结晶一、变形金属在加热时组织和性能的变化一、变形金属在加热时组织和性能的变化 冷变形金属材料随着宏观的变形增加其内能也增加，使组织处于不稳定状态，存在着趋于稳定的倾向。但是由于室温下原子活动能
14、力极弱，这种不稳定状态能得以长期保存。可是若对变形金属加热、提高原子活动能力则变形材料就会以多种方式释放多余的内能，恢复到变形前的低内能的稳定状态。然而，随着加热温度的不同，恢复的程度也不同。n金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化。如果对变形后的金属进行加热，金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程.变形金属加热时组织和性能变化示意图变形金属加热时组织和性能变化示意图(一一).回复（回复（Recovery）(2)变形后的金属在较低温度进行加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。T回复=(0
15、.250.3)T熔点 工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火、以降低残余内应力，保留加工硬化效果。第三节第三节 回复与再结晶回复与再结晶1、显微组织变化n回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；2、性能变化n（1）力学性能n回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。n（2）物理性能n电阻：电阻在回复阶段可明显下降。n耐蚀性：由于内应力降低，耐应力腐蚀性提高。3、内应力变化n回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力；n再结晶阶段：内应力可完全消除。4、回复机理 n（1）低温回复（0.10.3Tm）Tm:溶解温度n 移至晶界、位错处n点缺陷运动 空位间隙原子 消失
16、 缺陷密度降低n 空位聚集（空位群、对）n2）中温回复 （0.30.5Tm）n 异号位错相遇而抵销n位错滑移 位错缠结重新排列 位错密度降低n 亚晶粒长n（3）高温回复（0.5Tm）n位错攀移（滑移）位错垂直排列（亚晶界）多边化（亚晶粒）弹性畸变能降低。(二二).再结晶（再结晶（Recrystallization）1.再结晶过程及其对金属组织、性能的影响 变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、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。这个过程称为再结晶。变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除。内应力
17、全部消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。第三节第三节 回复与再结晶回复与再结晶(三三).晶粒长大晶粒长大 再结晶完成后的晶粒是细小的,但如果继续加热,加热温度过高或保温时间过长时,晶粒会明显长大,最后得到粗大晶粒的组织,使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。影响再结晶退火后晶粒度的主要因素是加热温度和预先变形度。加热温度加热温度越高,原子扩散能力越强,则晶界越易迁移,晶粒长大也越快预先变形度 第三节第三节 回复与再结晶回复与再结晶第三节第三节 回复与再结晶回复与再结晶二、再结晶温度二、再结晶温度n变形后的
18、金属发生再结晶的温度是一个温度范围，并非某一恒定温度。一般所说的再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再),通常用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属,经一小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度与该金属的熔点有如下关系：nT再=(0.350.4)T熔点 式中的温度单位为绝对温度(K)n最低再结晶温度与下列因素有关：n预先变形度 金属的熔点杂质和合金元素加热速度和保温时间n 预先变形度：金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度。预先变形度越大,金属的晶体缺陷就越多,组织越不稳定,最低再结晶温度也就越低。当预先变形度达到一定大小后,金属的最低再结晶温度趋于某一稳定值。n金属
19、的熔点：熔点越高,最低再结晶温度也就越高。n杂质和合金元素：由于杂质和合金元素特别是高熔点元素,阻碍原子扩散和晶界迁移,可显著提高最低再结晶温度。如高纯度铝(99.999%)的最低再结晶温度为80,而工业纯铝(99.0%)的最低再结晶温度提高到了290。n 加热速度和保温时间：再结晶是一个扩散过程,需要一定时间才能完成。提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生,而保温时间越长,再结晶温度越低。第三节第三节 回复与再结晶回复与再结晶再结晶的应用n由于塑性变形后的金属加热发生再结晶后，可消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性，因此生产中常用再结晶退火工艺来恢复金属塑性变形的能力，以便继续进行形变加工
20、。n去应力退火：将冷变形金属加热到再结晶温度以下的回复阶段，基本上消除内应力而保留加工硬化的热处理方法。n再结晶退火：将冷变形金属加热到再结晶温度以上，完成再结晶的过程，完全消除加工硬化的热处理方法。n例如生产铁铬铝电阻丝时，在冷拔到一定的变形度后，要进行氢气保护再结晶退火，以继续冷拔获得更细的丝材。n 为了缩短处理时间，实际采用的再结晶退火温度比该金属的最低再结晶温度要高100200。第三节第三节 回复与再结晶回复与再结晶三、影响再结晶后晶粒度的因素三、影响再结晶后晶粒度的因素加热温度的影响n对变形金属加热的温度愈高，再结晶晶粒也愈大，见图4-16。变形度的影响n金属材料变形的程度对再结晶后
21、的晶粒大小的影响较复杂，见图4-17。n当变形度很小（=90%）时，某些金属再结晶后又会出现晶粒异常长大现象。一般认为是与织构的产生有关。n将变形度和加热温度与再结晶晶粒度的关系绘制成一张三维立体图，可以更直观的了解再结晶晶粒度的问题。此图称为再结晶全图，见图4-18。n除了加热温度和变形度对.再结晶晶粒度有影响外，金属中的杂质、合金元素、变形前的原始晶粒度、再结晶加热保温的时间等也都对再结晶晶粒度有一定影响。第三节第三节 回复与再结晶回复与再结晶第四节第四节 金属的热加工金属的热加工金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。热加工和冷加工不是根金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。热
22、加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于再结晶温度以上还是据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于再结晶温度以上还是以下来划分的。以下来划分的。一、一、热变形加工与冷变形加工的区别热变形加工与冷变形加工的区别 这两种变形加工的分界线是再结晶温度。在再结晶温度之下进行的变形加工，变形的同时没有再结晶发生，这种变形加工称为冷变形加工。在变形的同时也进行着动态的再结晶，在变形后的冷却过程中，也继续发生再结晶，这种变形加工称为热变形加工。n 这两种变形加工各有所长。冷变形加工可以达到较高精度和较低的表面粗糙度。并有加工硬化的效果。但是，变形抗力大，一次变形量有限。而热
23、变形加工与此相反。热变形加工多用于形状较复杂的零件毛坯及大件毛坯的锻造和热轧钢锭成钢材等。而冷变形加工多用于截面尺寸较小，要求表面粗糙度值低的零件和坯料。n如钨的再结晶温度为1200 ，其在1000 的变形加工仍是冷加工；n又如铅、锡等金属，在室温下的变形就是热变形加工；第四节第四节 金属的热加工金属的热加工1.金属的冷加工n由于加工温度处于再结晶温度以下，金属材料发生塑性变形时不会伴随再结晶过程。因此冷加工对金属组织和性能的影响即是前面的所述塑性变形的影响规律。n与冷加工前相比，金属材料的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化的现象。n性能变化是单向的：变形前变形后软硬加工硬化n2.
24、金属的热加工n热加工温度：T再T热加工T熔100200n在热变形加工时，由于温度处于再结晶温度以上，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。n性能变化是双向的：变形前 变形后软软加工硬化再结晶第四节第四节 金属的热加工金属的热加工二二.金属的热加工及其对组织、性能的影响金属的热加工及其对组织、性能的影响 n热加工在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工n热加工对金属的组织和性能的影响:n热加工能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹焊合，提高金属的致密度；减轻甚至消除树
25、枝晶偏析和改善夹杂物、第二相的分布等；明显提高金属的机械性能，特别是韧性和塑性。第四节第四节 金属的热加工金属的热加工第四节第四节 金属的热加工金属的热加工二二.金属的热加工及其对组织、性能的影响金属的热加工及其对组织、性能的影响 热加工对金属的组织和性能的影响:热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒，而使金属的机械性能全面提高。热加工能使金属中残存的枝晶偏析、可变形夹杂物和第二相沿金属流动方向被拉长，形成纤维组织(或称“流线”)，使金属的机械性能特别是塑性和韧性具有显的方向性，纵向上的性能显著大于横向上的。因此热加工时应力求工件流线分布合理。第四节第四节 金属的热加工金属的热加工三三.金属的冷加工及其对组织、性能的影响金属的冷加工及其对组织、性能的影响 冷加工在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工。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习题n1.解释下列名词n滑移，滑移系，孪生；n加工硬化，回复，再结晶；n2.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？说明滑移的机理，它与孪生有何区别？n3.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何变化？n4.热加工与冷加工有何区别？热加工对金属组织和性能有何影响？
