第四章第四章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 fs24 金属与合金的性能主要取决于金属与合金的性能主要取决于显微微组织和晶体构造，和晶体构造，轧制、制、挤压、冷拔、冷拔、锻造等工造等工艺，在塑性在塑性变形形过程中，不程中，不仅金属的外形和尺寸改金属的外形和尺寸改变，而且，而且组织和性能也要改和性能也要改动。塑性。塑性变形是形是强化化金属金属简称形称形变强化的重要手段之一。化的重要手段之一。第一节 金属的塑性变形 从拉伸从拉伸实验中知，当中知，当应力力较小小时，金属只，金属只产生生弹性性变形；形；应力超越屈服点力超越屈服点s以后，在以后，在产生生弹性性变形的同形的同时，金属将金属将产生生较大的塑性大的塑性变形；形；应力到达力到达b后，金属将断后，金属将断裂。裂。一、一、单晶体金属的塑性晶体金属的塑性变形形第一节 金属的塑性变形 从拉伸从拉伸实验中知，当中知，当应力力较小小时，金属只，金属只产生生弹性性变形；形；应力超越屈服点力超越屈服点s以后，在以后，在产生生弹性性变形的同形的同时，金属将金属将产生生较大的塑性大的塑性变形；形；应力到达力到达b后，金属将断后，金属将断裂。裂。一、一、单晶体金属的塑性晶体金属的塑性变形形1、应力和变形、应力和变形正正应应力力只只能能使使单单晶晶体体产产生生弹弹性性变变形形或或脆脆性性断断裂裂；切切应应力力当当很很小小时时，晶晶格格只只产产生生弹弹性性的的剪剪切切变变形形，切切应应力力增增大大到到一一定定值值后后，晶晶体体的的一一部部分分将将会会沿沿着着某某一一晶晶面面，相相对对于于另另一一部部分分位位移移一一个个或或假假设设干干个个原原子子间间距距，在在外外力力去去除除后后，原原子子处处于于新新的的平衡位置，即晶体产生了永久变形。平衡位置，即晶体产生了永久变形。2、晶体的滑移、晶体的滑移滑滑移移：在在切切应应力力作作用用下下，沿沿着着一一定定的的晶晶面面，晶晶体体的一部分的一部分相对于另一部分发生一定间隔位移的塑性变形。相对于另一部分发生一定间隔位移的塑性变形。研研讨讨证证明明，滑滑移移是是金金属属在在常常温温下下塑塑性性变变形形的的主主要要方式。方式。晶晶格格中中发发生生滑滑移移的的晶晶面面，称称为为滑滑移移面面，滑滑移移进进展展的方向，的方向，称称为为滑滑移移方方向向。通通常常滑滑移移面面是是原原子子密密度度最最大大的的晶晶面，渭移面，渭移方向是原子密度最大的晶向。方向是原子密度最大的晶向。二、多晶体金属的塑性变形二、多晶体金属的塑性变形多多晶晶体体金金属属的的塑塑性性变变形形，就就其其每每个个晶晶粒粒来来说说与与单单晶晶体体类类似似，但但因因晶晶界界和和各各晶晶粒粒位位向向不不同同的的影影响响，多多晶晶体体的的塑塑性性变变形形要要比单晶体复杂得多。比单晶体复杂得多。实实验验证证明明，晶晶界界对对常常温温塑塑性性变变形形有有显显著著的的妨妨碍碍作作用用。由由于于晶晶界界是是相相邻邻晶晶粒粒的的过过渡渡层层，原原子子陈陈列列比比较较紊紊乱乱，且且杂杂质质往往往往较较多多，因因此此使使滑滑移移阻阻力力增增大大。金金属属的的晶晶粒粒愈愈细细，那那么么总总的晶界面积愈大，塑性变形的阻力就愈大。的晶界面积愈大，塑性变形的阻力就愈大。在在多多晶晶体体金金属属中中，由由于于各各晶晶粒粒的的晶晶格格位位向向不不同同，在在受受外外力力作作用用时时，各各晶晶粒粒的的滑滑移移面面和和滑滑移移方方向向上上的的切切应应力力大大小小不不同同，因此产生滑移的先后不一致。因此产生滑移的先后不一致。由由以以上上分分析析可可知知，金金属属的的晶晶粒粒愈愈细细小小，那那么么单单位位体体积积中中的的晶晶粒粒数数量量愈愈多多，其其晶晶界界和和各各晶晶粒粒位位向向不不同同对对塑塑性性变变形形的的影影响响愈愈大大，从从而而金金属属的的强强度度和和硬硬度度便便愈愈高高。同同时时，晶晶粒粒愈愈细细，处处于于有有利利位位向向的的晶晶粒粒愈愈多多，滑滑移移在在更更多多的的晶晶粒粒内内开开场场，各各晶晶粒粒的的变变形形比比较较协协调调，内内应应力力较较小小，金金属属在在破破裂裂前前能能产产生生较较大大的的塑塑性性变变形形，即即塑塑性性较较好好。因因强强度度和和塑塑性性都都提提高高，故故细细晶晶粒粒金金属属的的韧韧性性也也较较好好。因因此此，在在消消费费中中，细细化化晶晶粒粒是是提高金属强韧性的重要手段。提高金属强韧性的重要手段。第二节第二节 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一、金属的加工硬化一、金属的加工硬化加加工工硬硬化化冷冷作作硬硬化化：金金属属冷冷加加工工塑塑性性变变形形时时，随随着着塑塑性性变变形形程程度度的的添添加加，金金属属的的强强度度、硬硬度度提提高高，而而塑塑性性、韧性下降的景象。韧性下降的景象。除除力力学学性性能能外外，金金属属的的某某些些物物理理、化化学学性性能能在在冷冷加加工工塑塑性性变变形形以以后后也也会会发发生生变变化化。例例如如，金金属属的的电电阻阻添添加加，导导磁性和耐蚀性降低等。磁性和耐蚀性降低等。金金属属的的加加工工硬硬化化在在消消费费中中是是强强化化金金属属的的重重要要手手段段。特特别别是是热热处处置置无无法法强强化化的的金金属属资资料料，如如纯纯金金属属、多多数数钢钢合合金金和镍铬不锈钢等。和镍铬不锈钢等。加加工工硬硬化化由由于于塑塑性性的的降降低低，能能够够给给金金属属资资料料进进一一步步变变形形加加工工带带来来困困难难；某某些些物物理理、化化学学性性能能的的变变坏坏，也也会会影影响响一些零件的运用。一些零件的运用。二、塑性变形对金属组织构造的影响二、塑性变形对金属组织构造的影响冷冷加加工工塑塑性性变变形形使使金金属属性性能能发发生生变变化化，是是由由于于塑塑性性变变形形使使金金属属的的晶晶粒粒沿沿着着变变形形方方向向伸伸长长，晶晶粒粒伸伸长长成成纤纤维维状状的的缘由缘由纤纤维维组组织织能能使使金金属属的的力力学学性性能能具具有有明明显显的的方方向向性性，即即呵呵斥各向异性。斥各向异性。冷冷加加工工塑塑性性变变形形除除使使金金属属晶晶粒粒外外形形发发生生变变化化外外，还还会会使使晶晶粒粒内内部部的的亚亚晶晶粒粒细细化化，位位错错、空空位位等等缺缺陷陷添添加加，晶晶格格略变严重，从而使滑移的阻力增大，呵斥加工硬化。略变严重，从而使滑移的阻力增大，呵斥加工硬化。三、冷变形剩余应力三、冷变形剩余应力剩余应力或内应力：残存在金属内部的内应力剩余应力或内应力：残存在金属内部的内应力由于金属各部分变形不均匀呵斥的由于金属各部分变形不均匀呵斥的冷冷变变形形剩剩余余应应力力在在多多数数情情况况下下是是有有害害的的。当当金金属属表表层层剩剩余余应应力力为为拉拉应应力力时时将将使使金金属属的的力力学学性性能能下下降降；剩剩余余应应力力还还使使金金属属易易产产生生腐腐蚀蚀甚甚至至开开裂裂；还还能能够够使使金金属属零零件件的的外外形形、尺尺寸寸逐逐渐渐发发生生变变化化等等。所所以以，在在消消费费中中对对冷冷加加工工后后的的零零件件常常需采取措施如进展去应力退火消除剩余应力。需采取措施如进展去应力退火消除剩余应力。但但是是，在在某某些些特特定定条条件件下下，剩剩余余应应力力的的存存在在也也是是有有利利的的。例例如如，对对在在交交变变应应力力条条件件下下任任务务的的零零件件，当当外外表表预预先先存存在在剩剩余余压压应应力力时时，能能使使其其疲疲劳劳寿寿命命成成倍倍提提高高。因因此此，消消费费中中常常采采用用外外表表滚滚压压或或喷喷丸丸处处置置使使零零件件表表层层强强化化并并产产生生剩剩余余压压应力，以提高零件的运用寿命。应力，以提高零件的运用寿命。第三节第三节 冷变形金属在加热时组织和性能冷变形金属在加热时组织和性能的变化的变化一、回复和再结晶一、回复和再结晶1、回复、回复当当加加热热温温度度不不高高时时，冷冷变变形形金金属属的的显显微微组组织织无无变变化化，加加工工硬硬化化仍仍根根本本保保管管，但但内内应应力力大大为为减减小小，导电性和耐蚀性显著提高。导电性和耐蚀性显著提高。 2、再结晶、再结晶将将冷冷变变形形金金属属继继续续加加热热至至较较高高温温度度时时，在在变变形形的的组组织织内内，逐逐渐渐构构成成一一些些内内部部缺缺陷陷较较少少、晶晶格格比比较较规规那那么么的的等等轴轴小小晶晶粒粒，它它们们不不断断向向周周围围的的变变形形晶晶粒粒中中长长大大，直直到到冷冷变变形形组组织织完完全全消消逝逝为为止止，这这种种经经过过成成核核和和长长大大使使变变形形晶晶粒粒完完全全转转变变为等轴晶粒的过程称为再结晶。为等轴晶粒的过程称为再结晶。再再结结晶晶后后内内应应力力完完全全消消除除，强强度度、硬硬度度显显著著下下降降，塑塑性性和和韧性大为提高，即加工硬化景象消除韧性大为提高，即加工硬化景象消除3、晶粒长大、晶粒长大随着加热温度的升高，金属的晶粒会长大。假随着加热温度的升高，金属的晶粒会长大。假设加热温度过高或保温时间过长，晶粒将显著设加热温度过高或保温时间过长，晶粒将显著粗化。粗化。二、冷变形金属的退火二、冷变形金属的退火1、再、再结晶温度晶温度 再再结晶晶没没有有一一个个随随成成分分而而固固定定的的临界界点点，而而是是在在加加热过程程中中，从从某某一一温温度度开开场，随随着着温温度度的的升升高高或或时间的的延伸，延伸，进展生核及展生核及长大的大的过程。程。经过大量的大量的实验，发现工工业纯金属的最低再金属的最低再结晶温度：晶温度： T再再0.350.4T熔熔 T熔：工熔：工业纯金属熔点金属熔点2、去应力退火和再结晶退、去应力退火和再结晶退去去应应力力退退火火：将将冷冷变变形形金金属属加加热热到到再再结结晶晶温温度度以以下下的的回回复复阶阶段段，根根本本上上消消除除内内应应力力而而保保管管加加工工硬硬化的热处置方法。化的热处置方法。再再结结晶晶退退火火：将将冷冷变变形形金金属属加加热热到到再再结结晶晶温温度度以以上上，完完成成再再结结晶晶的的过过程程，完完全全消消除除加加工工硬硬化化的的热热处置方法。处置方法。三、金属热加工与冷加工的区别三、金属热加工与冷加工的区别把把金金属属加加热热到到再再结结晶晶温温度度以以上上，进进展展塑塑性性变变形形加加工工时时，发发生生两两个个过过程程。由由于于塑塑性性变变形形，使使金金属属产产生生加加工工硬硬化化；另一方面进展再结晶，而消除加工硬化。另一方面进展再结晶，而消除加工硬化。热热加加工工热热塑塑性性变变形形：假假设设后后一一过过程程有有条条件件充充分分进进展展，加工后便没有加工硬化景象的加工。加工后便没有加工硬化景象的加工。冷冷加加工工冷冷塑塑性性变变形形：而而在在再再结结晶晶温温度度以以下下加加工工，只只需需加加工工硬硬化化而而无无再再结结晶晶过过程程，加加工工后后必必然然留留下下加加工工硬硬化化景象的加工。景象的加工。从从金金属属学学观观念念来来讲讲，冷冷、热热加加工工是是以以再再结结晶晶温温度度来来划划分分的。的。