第二章第二章 金属的塑性变形和再结晶金属的塑性变形和再结晶工业上的金属材料大多数要在浇注为铸锭后经过 冷热压力加工而发生塑性变形后再使用。 铸态金属： 铸件 铸锭（组织粗大、不均匀、不致密、偏析） 原因： 改变外形 焊合孔洞 晶粒细化 零件毛坯 型材。 可塑性压力加工（水压 机、锻打、轧制） 加热 再结晶 改善晶粒的大小、 形态、分布 等改善 性能 2-12-1 金属的塑性变形金属的塑性变形1 、单晶拉伸试验一、 单晶体金属的塑性变形单晶体抛光表面出现相互平行斜线。 说明晶面之间相对运动， 塑性变形是 通过“滑移”完成的。PP单晶体表面出现相互平行的斜线且与外力成45。滑移：晶体的一部分对于另一部分沿 一定晶面发生相对滑动，滑移结果晶 体发生塑性变形。2 、滑移过程分析滑移过程分析 (1) 外力（P）分解为正应力（）和切应力（）。 正应力引起弹性变形，而不能造成塑性变形。正应力 超过原子间结合力时晶体发生断裂。P PPPP ： 载荷 ：正应力 ：切应力(2) 切应力作 用下晶面相 对位移，外 力去除后位 移不能恢复 。塑性变形 只能在切应 力（）作用 下才能发生 。滑移通常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。(4) 金属晶体中的滑移总是沿着一定的晶面和晶向发生的滑 移 面： 发生滑移的晶面就是“滑移面”； 滑移方向： 发生滑移的晶向就是“滑移方向”。(3 3) 塑性变形后的晶体，塑性变形后的晶体， 在显微镜下观察时，就能在显微镜下观察时，就能 发现在晶粒内部出现一些发现在晶粒内部出现一些 线条，称为线条，称为 ， 用电子显微镜进一步观察用电子显微镜进一步观察 ，就会发现这些滑移带都，就会发现这些滑移带都 是由许多密集的是由许多密集的 更细更细 的线条组成，这种线条称的线条组成，这种线条称 为为 。 滑移带滑移带滑移线200 “滑移线” “滑移带”（A）体心立方晶格滑移系 ：6 2 = 12滑移面： 110 6个滑移方向： 2个。(5) 滑移系： 一个滑移面和其面上的一个滑移 方向的组成称为“滑移系”（B）面心立方晶格滑移系：4 3 = 12 滑移面： 111 4个 滑移方向： 3个1101113、三种典型金属晶格的滑移系（C）密排六方晶格滑移系：1 3 = 3 滑移面： 六方底面 个 滑移方向：底面对角线 个临界切应力（c）： 能够发生滑移的最小切应 力叫做为)。当切应力（）满足 c时滑移才 能发生。铜的滑移临界切应力：理论计算铜的滑移临界切应力：理论计算 1500 Mpa1500 Mpa实际测试实际测试 1 MPa1 MPa4、滑移机理滑移是由于滑移面上的位错运动造成的。位错运动造成滑移示意图位错运动造成滑移示意图二、二、 多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形1 1、多晶体和单晶体对比试验 2 2、 两个晶粒试样拉伸（一）多晶体拉伸试验（二）塑性变形影响因素 1、 晶界对塑性变形的影响晶界处原子排列不规则晶格畸变严重，位错运动，位错运动 受到阻受到阻强度、硬度提高；晶粒细，变形均匀，减少应力集中，推迟裂纹发晶粒细，变形均匀，减少应力集中，推迟裂纹发 生和发展生和发展塑性、韧性好。 晶粒越细，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。通过压力加工和热处理细化晶粒，是工业上重要金属通过压力加工和热处理细化晶粒，是工业上重要金属 强化手段。强化手段。“细晶强化细晶强化” ”。三、三、 冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形对金属组织和性能的影响2、 晶粒取向对塑性变形的影响 某些取向何时的晶粒，某些取向何时的晶粒， 其分切应力有可能先满足的其分切应力有可能先满足的 临界切应力条件而产生滑移临界切应力条件而产生滑移 。这些晶粒的取向称为。这些晶粒的取向称为“ “软软 位向位向” ” 反之谓反之谓“ “硬位向硬位向” ”。多晶体的塑性变形总是多晶体的塑性变形总是 逐批滑移，从不均匀变形逐逐批滑移，从不均匀变形逐 步发展到比较均匀的变形。步发展到比较均匀的变形。 软位向硬位向接近接近4545度的位向为度的位向为软位向 接近接近0 0度与度与9090度的位向为度的位向为硬位向（一）机械性能的变化加工硬化 经过冷态下塑性变形之后的金属的机械性能发生很大 的变化， 。加工硬化：经过冷态下塑性变形之后，金属的强度和 硬度随变形量的增加而增加，同时塑性却随之降低， 这种现象叫做“加工硬化”或“冷作硬化”。除了机械性能的变化，金属材料的理化性能也有 所变化。例：冷拉钢丝及弹簧。强度提高，塑性降低(二）物理性能变化例：金属的电阻有所增大 ，抗蚀性降低 。（三） 显微组织的变化 晶粒沿加工方向拉长。金属性能 强度和塑性纵向远大于横向。1、晶粒形态变化位错在晶界附近堆积并相互缠结 ，使晶粒破碎转变成亚晶粒结构 。2、亚结构形成当变形量非常大时，晶粒拉长严重变为纤维状。 这种纤维状组织称为织构。织构产生各向异性，导致 “制耳”。 （但有时也可利用：如变压器芯）3、产生织构注意：这种各向异性，是伪各向异性。是多晶粒的位 向趋同造成的。（四） 出现残余内应力 塑性变形不均匀导致产生平衡于金属内部的应力。外力的变形 功90 热，10的功内应力。 有三种内应力。 1、第一种残余内应力宏观内应力由而晶粒之间或晶粒内部不同区域间的变形量不 同而产生。2、第二种残余内应力显微内应力由位错等晶格缺陷在塑性变形过程中的大量增加 引起缺陷附近晶格畸变会而产生（占总内应力的大部 分）。3、第三种残余内应力晶格畸变应力由表层与心部的变形量不同会而形成 。残余应力的作用：第一、第二内应力引起金属宏观变形或开 裂；第三内应力使强度增加。都使脆性上升，理化性能下降。2-2 2-2 冷加工金属在加热时的变化冷加工金属在加热时的变化对于冷加工后的金属，由于10%的变形能储存在 金属中，在加热时，随着温度的升高，原子活动能力 提高，在变形能的作用下，就要发生组织和性能的变 化，其主要包括三个阶段：回复、再结晶及晶粒长大 。塑性变形加工硬化加工困难 理化性能 残余内应力加热退 火软化目的：1. 消除加工硬化 使、HB %、 %、ak2. 消除内应力，但保留加工硬化，使理化性能冷变形后的金属在较低温度加热时，金属中的一些而引起某些晶内变化称为回复。（一）回复一、回复与再结晶一、回复与再结晶1、回复：回复后强度和塑性无明显变化，而内应力消除，脆性 降低。理化性能(耐蚀性、导电性)2、性能变化：对那些需要保留产品的加工硬化性能，同时需要消除残 余内应力的工件，可以把热处理加热温度选择在使其内 部发生回复的温度，这种热处理工艺称为“去应力退火” 。 3、实际应用：点缺陷和位错的迁移冷变形金属加热到某一更高的温度时，生成新晶粒， 而晶格类型不变，这种现象叫 。（二） 再结晶 1、再结晶：形核长大等轴晶粒。当加热温度继续升 高时，金属内晶格畸变严重部位（有大量的位错塞积 ）形核并长大，晶粒的外形开始发生变化，从破碎拉 长的晶粒变成新的等轴晶粒。2、再结晶过程：从拉长和纤维状变为均匀的等轴晶粒。强度和硬度重新 下降，塑性和韧性重新提高。加工硬化得以消除。3、组织和性能变化：再结晶注意：晶粒的晶格类型没变，再结晶过程没有发生相变；没发生塑性变形的金属不会发生再结晶。再结晶完成后继续升高温度或延长保温时间，晶 粒会继续长大 。（三）再结晶完成后晶粒的长大1、晶粒正常长大：再结晶后的晶粒均匀、稳速地长大的现象。发生 在再结晶晶粒细小且均匀时。（希望的长大方式）2、晶粒异常长大：再结晶后的晶粒不均匀，急剧长大的现象。在再结 晶粒大小不均时，大晶粒吞并小晶粒，将得到异常粗大 的晶粒，也称“二次再结晶”。实质晶界迁移过程晶d晶 晶界面积 能量晶粒长大是 自发的过程。因为粗晶是弱化，所以要避免晶粒长大， 特别要避免晶粒的异常。T再不是一个恒定的温度，它与许多因素有关。（一）金属的再结晶温度二、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1、再结晶温度(T再)：冷变形金属开始进行再结晶 的最低温度。A. 预先变形度的影响：金属的预先变形程度越大，再 结晶开始温度越低。变形度很大时，起始再结晶温度趋 于某一个恒定值“最低再结晶温度” （T再） 。 2、影响再结晶温度的因素：T再 0.4T熔 (K)T加 晶粒尺寸,另外加 热时间长，也会使晶粒长大（二）再结晶退火后的晶粒大小1、加热温度的影响：B. 金属的纯度：微量杂质及少量合金元素会使再结晶 温度升高。 C. 加热速度快，保温时间短，会提高再结晶温度。 因此，综合结果，在工业中制定再结晶退火 温度为：T退火T再min+100200再结晶后的晶粒尺寸对金材的性能影响很大，所 以有必要了解影响它的各 种因素影响因素：晶粒大小再结晶退火加热温度2、变形(程)度的影响：临界变形度：变形越大，变形越均 匀，再结晶退火后晶粒越 细。一般选用30-60%的变 形度。晶粒大小2%-10% 临界变形度 要加以避免预先变形度能发生再结晶的最小变形量。通常在2%，与材 料的退火温度有关)。此时再结晶后的晶粒特别粗大。当%临% 不发生再结晶（动力不足） 当%临% 则发生再结晶，且%，则d晶 当%大到一定量后，由于织构形成，则d晶又制定工艺：选择合适T加避免在临界变形变下变形 避开临%2-3 2-3 金属的热加工金属的热加工一、热加工与冷加工的区别一、热加工与冷加工的区别从金属学的角度来看： 再结晶温度以下的加工称为 冷加工； 再结晶温度以上的加工称为 热加工。 二、热加工过程中的加工硬化与再结晶二、热加工过程中的加工硬化与再结晶 1、热加工引发加工硬化和再结晶。由于加热温度高 于再结晶温度，所以因塑性变形引起的2、再结晶温度以上变形加工，回复和再结晶是边加 工边发生。因此是属于动态回复和动态再结晶。实际 上是加工硬化与回复、再结晶相互制约，相互平衡的 过程。硬化过程和回 复再结晶引起的软化过程几乎同时存在。3、热加工温度低、(或)变形量小、(或)变形速率高时 ，加工硬化占主导。温度高、(或)变形量大、(或)变 形速率低时，回复和在结晶占主导。纯铁高温变形的应力与应变关系示意图纯铁高温变形的应力与应变关系示意图650700750800850900真应力真应变当温度恒定 ，改变应变 速率时，提 高应变速率 所起到的作 用与降低加 工温度的作 用相似。 热加工还可以改变铸态金属中的成分 偏析和夹杂物的分布，使原来沿着树枝晶分布的偏析 元素和夹杂物发生改变，而使它们沿变形方向线形分 布，形成在宏观检测时通常所称的“流线”。流线使金 属的机械性能出现明显的各向异性，与流线平行方向 的强度、塑性和韧性明显地大于垂直方向的相应性能 。经过热加工后，可以把铸态金属中粗 大的枝晶、枝状晶以及夹杂物破碎为细小的晶粒，从 而使晶粒细化。提高强度和韧性。三、热加工后的组织和性能三、热加工后的组织和性能通过热加工，可使铸态金属中的 气孔焊合，提高致密度。提高强度和韧性。 1、细化晶粒：2、提高致密度：3、形成流线：表23 0.45%C钢热轧后机械性能与流线方向的关系60860829429462628 831310 017175 510100 0460460431431701701659659平行平行垂直垂直 k