1、工程材料学工程材料学第十讲第十讲塑性成形塑性成形2 单晶体试样受拉力时，作用在晶体内一定的晶单晶体试样受拉力时，作用在晶体内一定的晶面上的外力面上的外力F可分解为正应力可分解为正应力 N和和切应力切应力 N。正应力只使晶格产生弹正应力只使晶格产生弹性伸长，并在超过原子间结合力时性伸长，并在超过原子间结合力时将晶体拉断；而切应力则可在晶格将晶体拉断；而切应力则可在晶格产生弹性歪扭之后进一步造成滑移，产生弹性歪扭之后进一步造成滑移，从而引起塑性变形。从而引起塑性变形。单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形3 晶体在正应力作用下，原子间距晶体在正应力作用下，原子间距c增大，原子离开增大，原子离开平衡位置（
2、平衡位置（b），原于间的引力抵抗拉力，试图恢复原），原于间的引力抵抗拉力，试图恢复原状而处于弹性变形状态，状而处于弹性变形状态，所以当外力除去，原子所以当外力除去，原子恢复到原来位置，金属恢复到原来位置，金属的显微组织也无变化。的显微组织也无变化。如果正应力超过原子间如果正应力超过原子间引力，则晶体就被拉引力，则晶体就被拉断断（c）。）。4当切应力小时，晶体发生弹性变形当切应力小时，晶体发生弹性变形(b)，当切应力增大到一定值后，当切应力增大到一定值后，晶体一部分相对另一部分沿着滑移晶体一部分相对另一部分沿着滑移面相对滑移，滑移的距离为原子间面相对滑移，滑移的距离为原子间距离的整倍数距离的整倍
3、数(c)。这时除去外力。这时除去外力后，晶体中的原子不能回复到它原后，晶体中的原子不能回复到它原来位置（来位置（d），这就产生了塑性变），这就产生了塑性变形。形。单晶体的塑性变形的基本方单晶体的塑性变形的基本方式为滑移和孪生，但一般在大多数式为滑移和孪生，但一般在大多数情况下都是以滑移方式进行。情况下都是以滑移方式进行。5滑移滑移 晶体在切应力作用下，其一部分相对于另一部分沿晶体在切应力作用下，其一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对的滑动，即晶体中产生层片之一定晶面和晶向发生相对的滑动，即晶体中产生层片之间的相对位移，这种位移在应力去除后不能恢复。间的相对位移，这种位移在应力去除后不能
4、恢复。大量大量的层片间滑动的积累，就构成金属的宏观塑性变形。的层片间滑动的积累，就构成金属的宏观塑性变形。单晶体滑移示意图及实物图单晶体滑移示意图及实物图6 能够产生滑移的晶面和晶向，相应地称为能够产生滑移的晶面和晶向，相应地称为滑移面和滑移方向，滑移面和滑移方向，滑移通常是沿晶体中原子滑移通常是沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向进行的。密度最大的晶面和晶向进行的。一个滑移面与一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系，其上的一个滑移方向组成一个滑移系，滑移系滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。好。7 若将表面抛光的单晶体金属试样进行适量的
5、拉伸塑若将表面抛光的单晶体金属试样进行适量的拉伸塑性变形后，在光镜下观察，可发现试样表面有许多互相性变形后，在光镜下观察，可发现试样表面有许多互相平行的线条，它们被称为滑移带。若进一步用平行的线条，它们被称为滑移带。若进一步用TEM作高作高倍观察，则发现每条滑移带都是由许多密集的互相平行倍观察，则发现每条滑移带都是由许多密集的互相平行的更细的滑移线和台阶所组成。对滑移线观察表明，的更细的滑移线和台阶所组成。对滑移线观察表明，晶晶体的塑性变形是不均匀的，滑移只是分别地集中发生在体的塑性变形是不均匀的，滑移只是分别地集中发生在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间和晶体层片间则未一些晶面上，而滑移带或滑
6、移线之间和晶体层片间则未产生变形，只是彼此之间相对位移而已。产生变形，只是彼此之间相对位移而已。8铜中的滑移带铜中的滑移带滑移带和滑移线示意图滑移带和滑移线示意图9 晶体借滑移发生塑性变形时，往往伴晶体借滑移发生塑性变形时，往往伴随着取向的改变，即晶面发生转动。随着取向的改变，即晶面发生转动。图中图中给出的是一单晶试样作拉伸试验时的情景，给出的是一单晶试样作拉伸试验时的情景，单晶体受拉伸应力产生滑移时，如不受夹单晶体受拉伸应力产生滑移时，如不受夹头限制，则拉伸轴线将逐渐偏移，使试样头限制，则拉伸轴线将逐渐偏移，使试样两端的拉力不处于同一轴线上。但实际上两端的拉力不处于同一轴线上。但实际上由于夹
7、头的限制，拉伸轴线方向不能改变，由于夹头的限制，拉伸轴线方向不能改变，这样就必须使晶体中的晶面作相应的转动。这样就必须使晶体中的晶面作相应的转动。其结果使滑移面和滑移方向，逐渐趋向与其结果使滑移面和滑移方向，逐渐趋向与拉力轴线平行的方向。拉力轴线平行的方向。10滑移的机理滑移的机理 金属在切应力作用下产生的滑移是通过滑移面上的金属在切应力作用下产生的滑移是通过滑移面上的位错，沿着滑移方向不断发生运动的结果。位错，沿着滑移方向不断发生运动的结果。由于实际晶由于实际晶体中存在有位错，在切应力作用下，位错中心移动一个体中存在有位错，在切应力作用下，位错中心移动一个原子间距。当位借线在切应力作用下移动
8、时，滑移就逐原子间距。当位借线在切应力作用下移动时，滑移就逐渐发展，在位错移动到晶体表面时，晶体就沿其滑移面渐发展，在位错移动到晶体表面时，晶体就沿其滑移面产生了一个原子间距的滑移量。而产生了一个原子间距的滑移量。而大量的大量的(n(n个个)位错沿位错沿着同一滑移面移到晶体表面，就形成了显微镜下所观察着同一滑移面移到晶体表面，就形成了显微镜下所观察到的滑移台阶，结果晶体就产生了塑性变形。到的滑移台阶，结果晶体就产生了塑性变形。11多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 多晶体中各晶粒内部的多晶体中各晶粒内部的基本变形方式基本变形方式与单晶与单晶体相同，即体相同，即仍是以滑移等方式进行仍是以滑移等方式
9、进行的，但由于的，但由于晶粒之间位向不同和晶界的存在，多晶体的塑晶粒之间位向不同和晶界的存在，多晶体的塑性变形要复杂得多。性变形要复杂得多。12 只包含两个晶粒的试样拉伸时在远离晶界处变形很只包含两个晶粒的试样拉伸时在远离晶界处变形很明显，而晶界附近则变形很少，产生了所谓明显，而晶界附近则变形很少，产生了所谓“竹节现竹节现象象”。说明晶界处的塑性变形抗力说明晶界处的塑性变形抗力(强度强度)比晶体高比晶体高。这。这是由于晶界处原于排列混乱，晶格畸变较大，并且常有是由于晶界处原于排列混乱，晶格畸变较大，并且常有杂质存于其间，使滑移过程中的位错移动受到阻碍。杂质存于其间，使滑移过程中的位错移动受到阻
10、碍。晶晶界越多，多晶体塑性交形抗力越高。界越多，多晶体塑性交形抗力越高。同时，由于多晶体中各个晶粒的同时，由于多晶体中各个晶粒的空间位向不同，也会增加变形抗空间位向不同，也会增加变形抗力。相邻晶粒位向差越大，则滑力。相邻晶粒位向差越大，则滑移阻力越大。移阻力越大。13塑性变形对组织和性能的影响塑性变形对组织和性能的影响 （1）晶粒变形）晶粒变形 金属塑性变形时，在外形变化的同时，内部晶粒金属塑性变形时，在外形变化的同时，内部晶粒的形状也发生变化。通常是的形状也发生变化。通常是晶粒沿变形方向被压扁或晶粒沿变形方向被压扁或拉长。拉长。变形度愈大，晶粒形状变化愈大。变形量很大变形度愈大，晶粒形状变化
11、愈大。变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成纤维组织。这将成纤维组织。这将导致金属的性能产生各向异性，例导致金属的性能产生各向异性，例如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的。如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的。14变形前后晶粒形状示意图变形前后晶粒形状示意图15 （2）亚结构细化）亚结构细化 金属晶体的塑性变形是借位错在应力作用下金属晶体的塑性变形是借位错在应力作用下不断地增殖和移动而进行的。不断地增殖和移动而进行的。在金属未变形或少在金属未变形或少量变形时，位错的分布一般是均匀的，随着变形量变形时，位错的分布一般是
12、均匀的，随着变形增大，由于位错运动和交互作用，出现位错不均增大，由于位错运动和交互作用，出现位错不均匀分布并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶匀分布并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒，同时，在亚晶界上聚集大量位错，亚晶界愈粒，同时，在亚晶界上聚集大量位错，亚晶界愈多。位错密度愈大，金属塑性变形抗力愈大。多。位错密度愈大，金属塑性变形抗力愈大。16变形亚结构示意图变形亚结构示意图17 （3）产生形变织构）产生形变织构 在塑性变形过程中，当变形量很大时，由于在塑性变形过程中，当变形量很大时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋近于一致，形晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋近于一致，形成特殊的择优取向
13、，这种结构称为成特殊的择优取向，这种结构称为形变织构形变织构。形变织构一般分两种：一种是各晶粒的一定形变织构一般分两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于变形方向，称为晶向平行于变形方向，称为丝织构丝织构。另一种是各。另一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制平面和轧制方晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制平面和轧制方向，称为向，称为板织构板织构。18a)为低碳钢或纯铁经过高度冷拔后形成的丝织构；为低碳钢或纯铁经过高度冷拔后形成的丝织构；b)为低碳钢高度冷轧后的板织构。为低碳钢高度冷轧后的板织构。19 金属中形变织构的形成会使其性能呈现出明显的各金属中形变织构的形成会使其性能呈现出明显的各向异性，甚至退火也
14、很难消除。向异性，甚至退火也很难消除。它在大多数情况下是不它在大多数情况下是不利的。如冲压薄板零件时，形变织构将带来不均匀的塑利的。如冲压薄板零件时，形变织构将带来不均匀的塑性变形，造成筒形工件四周边缘不整性变形，造成筒形工件四周边缘不整齐的所谓齐的所谓“制耳制耳”现象。但生产上有时现象。但生产上有时也利用织构现象来提高硅钢片的某一也利用织构现象来提高硅钢片的某一方向的磁导率，使铁损大大减小，变方向的磁导率，使铁损大大减小，变压器的效率大大提高。压器的效率大大提高。冷冲压制耳现象冷冲压制耳现象a)无制耳无制耳b)有制耳有制耳20残余应力残余应力 在塑性变形金属中，由于各部分变形的在塑性变形金属
15、中，由于各部分变形的不均匀性，将造成变形内应力，又称残余内不均匀性，将造成变形内应力，又称残余内应力。按残余内应力作用范围及特性不同，应力。按残余内应力作用范围及特性不同，可分为以下三大类：可分为以下三大类：宏观残余应力、微观残宏观残余应力、微观残余应力及晶格畸变应力。余应力及晶格畸变应力。21 (1)宏观残余应力宏观残余应力(第一类内应力第一类内应力)由于金属材料各部分变形不均匀而造成的宏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，称为宏观残余应力，如金观范围内的残余应力，称为宏观残余应力，如金属杆弯曲、拉丝所产生的内应力。属杆弯曲、拉丝所产生的内应力。22 (2)微观残余应力
16、微观残余应力(第二类内应力第二类内应力)晶粒与晶粒之间以及同一晶粒的不同区域晶粒与晶粒之间以及同一晶粒的不同区域之间，因变形不均匀而引起的内应力。之间，因变形不均匀而引起的内应力。23 (3)晶格畸变应力晶格畸变应力(第三类内应力第三类内应力)多晶体金属在塑性变形后由于位错、空位等晶体缺多晶体金属在塑性变形后由于位错、空位等晶体缺陷增加，使晶体中一部分原子偏离其平衡位置而造成晶陷增加，使晶体中一部分原子偏离其平衡位置而造成晶格畸变，这种格畸变，这种由于晶格畸变而产生的残余应力，称为由于晶格畸变而产生的残余应力，称为晶晶格畸变应力格畸变应力。它在几百或几千个原子范围内维持相互平它在几百或几千个原
17、子范围内维持相互平衡，是存在于变形金属中最重要的残余应力，衡，是存在于变形金属中最重要的残余应力，约占总残约占总残余应力的余应力的90以上，这是形变强化的主要原因之一。以上，这是形变强化的主要原因之一。24加工硬化（形变强化）加工硬化（形变强化）是指随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高是指随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高而塑性和韧性明显下降的现象而塑性和韧性明显下降的现象。加工硬化也称作形变强。加工硬化也称作形变强化，它是由于金属的塑性变形而引起化，它是由于金属的塑性变形而引起的金属性能方面的变化。的金属性能方面的变化。纯铜（实线）和低碳钢（虚线）纯铜（实线）和低碳钢（虚线）冷塑性
18、变形对力学性能的影响冷塑性变形对力学性能的影响25加工硬化的实际意义加工硬化的实际意义 首先，它是一种非常重要的强化手段首先，它是一种非常重要的强化手段，可用来提，可用来提高金属的强度，这对于那些不能用热处理方法强化的高金属的强度，这对于那些不能用热处理方法强化的合金尤其重要。合金尤其重要。其次，加工硬化有利于金属进行均匀变形其次，加工硬化有利于金属进行均匀变形，因为，因为金属已变形部分得到强化时，继续的变形将主要在未金属已变形部分得到强化时，继续的变形将主要在未变形部分中发展。变形部分中发展。第三，它可保证金属零件和构件的工作安全性第三，它可保证金属零件和构件的工作安全性，因为金属具有较好的
19、形变强化能力，能防止短时超载因为金属具有较好的形变强化能力，能防止短时超载引起的突然断裂。引起的突然断裂。26 但加工硬化也有不利的一面。但加工硬化也有不利的一面。由于材料塑由于材料塑性的降低，结金属材料进一步冷塑性变形带来性的降低，结金属材料进一步冷塑性变形带来困难。为了使金属材料能继续变形加工，必须困难。为了使金属材料能继续变形加工，必须进行中间热处理，以消除形变强化。这就增加进行中间热处理，以消除形变强化。这就增加了成本，降低了生产率。了成本，降低了生产率。27 塑性变形对外力所作功的绝大部分转化成塑性变形对外力所作功的绝大部分转化成热而散耗，只有不到热而散耗，只有不到10%的功转化为内
20、应力而的功转化为内应力而残留在金属中，使内能增加。残留在金属中，使内能增加。为了消除残余应为了消除残余应力所引起的变形、开裂等有害作用，生产中必力所引起的变形、开裂等有害作用，生产中必须增加消除残余应力的专门的工序须增加消除残余应力的专门的工序(主要通过热主要通过热处理处理)。28 但是，在某些情况下，残余应力的存在也但是，在某些情况下，残余应力的存在也会产生有利作用。例如借适当的工艺方法会产生有利作用。例如借适当的工艺方法(如如喷丸处理、渗碳、渗氮等喷丸处理、渗碳、渗氮等)在零件表面造成残在零件表面造成残余压应力，则将提高疲劳强度余压应力，则将提高疲劳强度。塑性变形除了影响力学性能以外，也会
21、使塑性变形除了影响力学性能以外，也会使金属某些物理、化学性能发生变化，如电阻增金属某些物理、化学性能发生变化，如电阻增加、化学活性增大、而耐蚀性则降低等。加、化学活性增大、而耐蚀性则降低等。29回复与再结晶回复与再结晶 经过冷塑性变形的金属，不仅其组织结构与性能经过冷塑性变形的金属，不仅其组织结构与性能发生了变化，而且还存在残余内应力，使金属处于不发生了变化，而且还存在残余内应力，使金属处于不稳定状态。稳定状态。为了使其组织结构趋于稳定状态，恢复或为了使其组织结构趋于稳定状态，恢复或改善其物理、化学、力学性能，可以对金属进行加热。改善其物理、化学、力学性能，可以对金属进行加热。随加热温度的提高
22、，变形金属将相继发生回复、再结随加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。晶和晶粒长大过程。30回复回复 回复阶段是指加热温度不高时，由于原子扩散能力回复阶段是指加热温度不高时，由于原子扩散能力不很大，变形金属的显微组织不发生明显变化，仅强度不很大，变形金属的显微组织不发生明显变化，仅强度和硬度略有降低，而塑性略有增大，但残余应力显著下和硬度略有降低，而塑性略有增大，但残余应力显著下降，其物理和化学性能也部分地恢复到变形前的这一阶降，其物理和化学性能也部分地恢复到变形前的这一阶段。段。在工业上，为保持金属经冷塑性变形后的高强度，在工业上，为保持金属经冷塑性变形后的高强度，往
23、往采用回复处理，以降低内应力，适当提高塑性。往往采用回复处理，以降低内应力，适当提高塑性。31再结晶再结晶 温度进一步增加时，由于原子扩散能力增大，使温度进一步增加时，由于原子扩散能力增大，使被拉长而呈纤维状的晶粒又变为等轴晶粒，同时使加被拉长而呈纤维状的晶粒又变为等轴晶粒，同时使加工硬化现象消除，这一过程称为工硬化现象消除，这一过程称为再结晶再结晶。再结晶后的晶粒内部晶格畸变消失，位错密度下再结晶后的晶粒内部晶格畸变消失，位错密度下降，残余应力与加工硬化现象也完全消失，因而金属降，残余应力与加工硬化现象也完全消失，因而金属的强度、硬度显著下降，而塑性则显著上升，结果使的强度、硬度显著下降，而
24、塑性则显著上升，结果使变形金属的组织和性能基本上恢复到冷塑性变形前的变形金属的组织和性能基本上恢复到冷塑性变形前的状态。状态。32再结晶温度再结晶温度 再结晶再结晶不是在恒温下不是在恒温下而是在一个温度范而是在一个温度范围内发生的围内发生的，一般所说的再结晶温度是指开，一般所说的再结晶温度是指开始再结晶的温度。始再结晶的温度。生产上常规定在生产上常规定在1h内能完内能完成再结晶的最低温度为再结晶温度。成再结晶的最低温度为再结晶温度。它与金它与金属的熔点、纯度、冷塑性变形程度筹因素有属的熔点、纯度、冷塑性变形程度筹因素有关。关。33 金属的冷塑性变形程度愈大，再结晶的倾金属的冷塑性变形程度愈大，
25、再结晶的倾向愈大，再结晶开始温度愈低。向愈大，再结晶开始温度愈低。当冷塑性变形当冷塑性变形程度达到一定量后，再结晶温度将趋于某一个程度达到一定量后，再结晶温度将趋于某一个稳定值此温度就是通常指的再结晶温度。大量稳定值此温度就是通常指的再结晶温度。大量实验证明，实验证明，各种纯金属再结晶温度等于其熔点各种纯金属再结晶温度等于其熔点的的40%。因此，熔点越高的材料其再结晶温度。因此，熔点越高的材料其再结晶温度越高。越高。34 金属中的微量杂质和合金元素特别是高熔点金属中的微量杂质和合金元素特别是高熔点元素元素，因阻碍原子扩散和晶界迁移，因阻碍原子扩散和晶界迁移，可显著提可显著提高再结晶温度。高再结
26、晶温度。例如高纯度铝例如高纯度铝(99.999%)的再结的再结晶温度为晶温度为80 C，而工业纯铝，而工业纯铝(99.0%)的再结晶温的再结晶温度提高到度提高到290 C。每种金属都有对提高其再结晶温度最有效每种金属都有对提高其再结晶温度最有效的元素，例如对钢有的元素，例如对钢有Mo和和W，对铝有，对铝有Be和和Zr。35 加热速度和保温时间也影响再结晶温度。加热速度和保温时间也影响再结晶温度。再再结晶是一个扩散过程，需要一定的时间才能完成。结晶是一个扩散过程，需要一定的时间才能完成。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，再结晶温度愈
27、低。保温时间越长，再结晶温度愈低。考虑到再结晶温度受许多因素的影响，同时考虑到再结晶温度受许多因素的影响，同时为了缩短退火周期，为了缩短退火周期，生产上采用的再结晶退火温生产上采用的再结晶退火温度，通常比最低再结晶温度高度，通常比最低再结晶温度高100200 C。36冷变形金属加热时组织和性能的变化冷变形金属加热时组织和性能的变化37金属的再结晶温度与变形量之间的关系金属的再结晶温度与变形量之间的关系38晶粒长大晶粒长大 再结晶过程完成之后，如果再再结晶过程完成之后，如果再继续升高温度继续升高温度或延长保温时间，金属的晶粒将会以互相吞并的或延长保温时间，金属的晶粒将会以互相吞并的方式继续长大。
28、方式继续长大。这种不均匀的长大过程类似于再这种不均匀的长大过程类似于再结晶的形核结晶的形核(较大稳定亚晶粒生成较大稳定亚晶粒生成)和长大和长大(吞食周吞食周围的小亚晶粒围的小亚晶粒)的过程，所以称为第二次再结晶。的过程，所以称为第二次再结晶。晶粒长大对力学性能的影响是很不利的，应当尽晶粒长大对力学性能的影响是很不利的，应当尽量避免。量避免。39晶粒长大示意图晶粒长大示意图a)和和b)晶界移动以减小晶界面积；晶界移动以减小晶界面积；c)小晶粒被吞并小晶粒被吞并40影响再结晶退火后晶粒大小的因素影响再结晶退火后晶粒大小的因素 晶粒大小影响金属的强度、塑性和韧性，晶粒大小影响金属的强度、塑性和韧性，
29、因此生产上非常重视控制再结晶后的晶粒度。因此生产上非常重视控制再结晶后的晶粒度。影响再结晶退火后晶粒度的主要因素，是加热影响再结晶退火后晶粒度的主要因素，是加热温度和冷变形量。温度和冷变形量。（1）加热温度的影响）加热温度的影响 加热温度愈高，原子扩散能力愈强，则晶加热温度愈高，原子扩散能力愈强，则晶界愈易迁移，晶粒长大也愈快。界愈易迁移，晶粒长大也愈快。41 （2）冷变形量的影响）冷变形量的影响 金属冷变形量的影响主要与金属变形的均匀度有关。金属冷变形量的影响主要与金属变形的均匀度有关。变形愈不均匀，再结晶退火后的晶粒愈大。变形度很小变形愈不均匀，再结晶退火后的晶粒愈大。变形度很小时，因不足
30、以引起再结晶，晶粒不变。当变形度达到时，因不足以引起再结晶，晶粒不变。当变形度达到210%时，金属中少数晶粒变形，变形分布很不均匀，时，金属中少数晶粒变形，变形分布很不均匀，所以再结晶时生成的晶核少，晶粒大小相差极大，非常所以再结晶时生成的晶核少，晶粒大小相差极大，非常有利于晶粒发生吞并过程而很快长大，结果得到极粗大有利于晶粒发生吞并过程而很快长大，结果得到极粗大的晶粒。的晶粒。42 再结晶时，使金属获得异常粗大晶粒的冷变形量再结晶时，使金属获得异常粗大晶粒的冷变形量称为称为临界变形度临界变形度。生产上应尽量避免临界变形度的加生产上应尽量避免临界变形度的加工。超过临界变形之后，随变形度的增大，
31、晶粒的变工。超过临界变形之后，随变形度的增大，晶粒的变形愈强烈和均匀，再结晶核心愈来愈多，再结晶后的形愈强烈和均匀，再结晶核心愈来愈多，再结晶后的晶粒愈细小。如工业上冷金属，一般都采用晶粒愈细小。如工业上冷金属，一般都采用3060%的变形量，但当变形度过大的变形量，但当变形度过大(约约 90)时，在某些金属时，在某些金属(如铁如铁)中，又会出现再结晶后晶粒再次粗化的现象。中，又会出现再结晶后晶粒再次粗化的现象。一般认为，这与金属中的织构形成有关。一般认为，这与金属中的织构形成有关。43再结晶退火加热温度对晶粒度的影响（左图）和金属再结晶退火加热温度对晶粒度的影响（左图）和金属冷变形度对再结晶后
32、晶粒大小的影响（右图）冷变形度对再结晶后晶粒大小的影响（右图）44金属的热加工金属的热加工 塑性变形在生产上主要作为一种重要的加工工艺塑性变形在生产上主要作为一种重要的加工工艺应用于金属的成形加工。由于冷塑性变形加工抗力大，应用于金属的成形加工。由于冷塑性变形加工抗力大，所以对尺寸大或难以进行冷塑性变形加工的金属，生所以对尺寸大或难以进行冷塑性变形加工的金属，生产上往往来用热塑性变形加工产上往往来用热塑性变形加工(即热加工即热加工)。45金属的热加工与冷加工金属的热加工与冷加工 在金属学上，在金属学上，冷加工和热加工冷加工和热加工不是根据变形时金属不是根据变形时金属是否加热，是否加热，而是根据
33、金属的再结晶温度来区分的。在再而是根据金属的再结晶温度来区分的。在再结晶温度以下的塑性变形为冷加工；在再结晶温度以上结晶温度以下的塑性变形为冷加工；在再结晶温度以上的塑性加工为热加工。的塑性加工为热加工。冷加工时塑性变形引起加工硬化；冷加工时塑性变形引起加工硬化；热加工时塑性变形引起的加工硬化，被随即发生的回复、热加工时塑性变形引起的加工硬化，被随即发生的回复、再结晶的软化作用所消除，使金属始终保持稳定的塑性再结晶的软化作用所消除，使金属始终保持稳定的塑性状态。所以状态。所以熔点高的金属再结晶温度高，热加工温度也熔点高的金属再结晶温度高，热加工温度也应高。应高。46 钨的最低再结晶温度约为钨的
34、最低再结晶温度约为1200 C，它的热，它的热加工湿度至少要比这个温度高，低于这个温度加工湿度至少要比这个温度高，低于这个温度就属于冷加工。而铅、锡等低熔点金属再结晶就属于冷加工。而铅、锡等低熔点金属再结晶温度低于室温，它们在室温下的变形已属于热温度低于室温，它们在室温下的变形已属于热加工，是所谓的不硬化金属。加工，是所谓的不硬化金属。47 在一般情况下，在一般情况下，热加工可应用于截面尺寸热加工可应用于截面尺寸较大、变形量较大、材料在室温下硬脆性较高较大、变形量较大、材料在室温下硬脆性较高的金属制品；冷加工则一般适于制造截面尺寸的金属制品；冷加工则一般适于制造截面尺寸较小、材料塑性较好、加工
35、精度较高与表面粗较小、材料塑性较好、加工精度较高与表面粗糙度要求较小的金属制品糙度要求较小的金属制品。48金属热加工对组织和性能的影响金属热加工对组织和性能的影响 热加工不引起金属的加工硬化，但因有回复和再热加工不引起金属的加工硬化，但因有回复和再结晶过程产生，金属的组织和性能也发生显著变化。结晶过程产生，金属的组织和性能也发生显著变化。（1）消除铸态金属的组织缺陷）消除铸态金属的组织缺陷 通过热加工通过热加工(热轧、锻造等热轧、锻造等)可使金属毛坯中的气可使金属毛坯中的气孔和疏松焊合，部分消除某些偏析，将粗大的柱状晶孔和疏松焊合，部分消除某些偏析，将粗大的柱状晶粒与枝晶变为细小均匀的等轴晶粒
36、，改善夹杂物、碳粒与枝晶变为细小均匀的等轴晶粒，改善夹杂物、碳化物的形态、大小与分布，其结果可使金属材料致密化物的形态、大小与分布，其结果可使金属材料致密程度与力学性能提高。程度与力学性能提高。49 （2）细化晶粒）细化晶粒 热加工的金属经过塑性变形和再结晶作用，一般可热加工的金属经过塑性变形和再结晶作用，一般可使晶粒细化，因而可以提高金属的力学性能。但使晶粒细化，因而可以提高金属的力学性能。但热加工热加工金属的晶粒大小与变形程度和终止加工的温度有关。金属的晶粒大小与变形程度和终止加工的温度有关。变变形程度小，终止加工的温度过高，再结晶晶核长大又快，形程度小，终止加工的温度过高，再结晶晶核长大
37、又快，加工后得到粗大晶粒；相反则得到细小晶粒。但终止加加工后得到粗大晶粒；相反则得到细小晶粒。但终止加工温度不能过低，否则造成形变强化及残余应力。因此，工温度不能过低，否则造成形变强化及残余应力。因此，制定正确的热加工工艺规范，对改善金属的性能有重要制定正确的热加工工艺规范，对改善金属的性能有重要的意义。的意义。50 （3）形成锻造流线）形成锻造流线 金属内部的夹杂物金属内部的夹杂物(如如MnS等等)在高温下具有一定的塑在高温下具有一定的塑性，在热变形过程中，金属锭中的粗大枝晶和各种夹杂性，在热变形过程中，金属锭中的粗大枝晶和各种夹杂物都要沿变形方向伸长，这样就使金属锭中枝晶间富集物都要沿变形
38、方向伸长，这样就使金属锭中枝晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向逐渐与变形方向一致，使的杂质和非金属夹杂物的走向逐渐与变形方向一致，使之变成条带状、线状或片层状，在宏观试样上沿着变形之变成条带状、线状或片层状，在宏观试样上沿着变形方向呈现为一条条的细线，这就是热变形金属中的方向呈现为一条条的细线，这就是热变形金属中的流线流线。由一条条流线勾划出来的这种组织称为热变形纤维组织。由一条条流线勾划出来的这种组织称为热变形纤维组织。51 由于锻造流线的出现，使金属材料的性能，由于锻造流线的出现，使金属材料的性能，在不同的方向上有明显的差异。通常沿流线的方在不同的方向上有明显的差异。通常沿流线的方向，其抗
39、拉强度及韧性高，而抗剪强度低。在垂向，其抗拉强度及韧性高，而抗剪强度低。在垂直于流线方向上，抗剪强度较高，而抗拉强度较直于流线方向上，抗剪强度较高，而抗拉强度较低。低。52 热处理方法是不能消除或改变工件中的流热处理方法是不能消除或改变工件中的流线分布的，而只能依靠适当的塑性变形来改善线分布的，而只能依靠适当的塑性变形来改善流线的分布。流线的分布。在某些场合下，不希望金属材料在某些场合下，不希望金属材料中出现各向异性，此时须采用不同方向的变形中出现各向异性，此时须采用不同方向的变形(如锻造时采用镦粗与拔长交替进行如锻造时采用镦粗与拔长交替进行)以打乱流以打乱流线的方向性。线的方向性。53 （4）形成带状组织）形成带状组织 若钢在铸态下存在严重的夹杂物偏析，或热变形加若钢在铸态下存在严重的夹杂物偏析，或热变形加工时的温度过低，则在钢中常工时的温度过低，则在钢中常出现沿变形方向呈带状或层状出现沿变形方向呈带状或层状分布的显微组织，称为分布的显微组织，称为带状组带状组织织。带状组织使钢的性能变坏，。带状组织使钢的性能变坏，特别是横向的塑性、韧性降低。特别是横向的塑性、韧性降低。钢中的带状组织钢中的带状组织54
