第四章第四章 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使其发生塑性变形，以改善材料的组织冷热压力加工使其发生塑性变形，以改善材料的组织和性能，并得到所需尺寸。和性能，并得到所需尺寸。 铸态金属：铸态金属： 组织粗大、不均匀、不致密、偏析组织粗大、不均匀、不致密、偏析4-1 金属的塑性变形金属的塑性变形1 、单晶拉伸试验、单晶拉伸试验一、一、 单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形单单晶晶体体抛抛光光表表面面出出现现相相互互平平行行斜斜线线。说明晶面之间发生了相对运动。说明晶面之间发生了相对运动。PP单晶体表面出现相互平行的斜线且与外力成单晶体表面出现相互平行的斜线且与外力成45。滑移滑移：晶体的一部分对于另一部分沿：晶体的一部分对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对滑动，滑动一定晶面和晶向发生相对滑动，滑动后原子处于新的稳定位置。后原子处于新的稳定位置。2 、滑移过程分析滑移过程分析滑移过程分析滑移过程分析(1) 外力（外力（P）分解为正应力（）分解为正应力（ ）和切应力（）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。超过原子间结合力时晶体发生断裂。PPPPP ： 载荷：正应力：切应力(2) 切应力切应力作用下晶面作用下晶面相对位移，相对位移，外力去除后外力去除后位移不能恢位移不能恢复。复。塑性变塑性变形只能在切形只能在切应力（应力（ ）作作用下才能发用下才能发生生。滑移通常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。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金属晶体中的滑移总是沿着一定的晶面和晶向发生的的滑滑 移移 面：面： 发生滑移的晶面就是发生滑移的晶面就是“滑移面滑移面”；滑移方向：滑移方向： 发生滑移的晶向就是发生滑移的晶向就是“滑移方向滑移方向”。(3 3) 塑性变形后的晶体，塑性变形后的晶体，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，称为线条，称为线条，称为 ，用电子显微镜进一步观，用电子显微镜进一步观，用电子显微镜进一步观，用电子显微镜进一步观察，就会发现这些滑移带察，就会发现这些滑移带察，就会发现这些滑移带察，就会发现这些滑移带都是由许多密集的都是由许多密集的都是由许多密集的都是由许多密集的更细更细更细更细的线条组成，这种线条称的线条组成，这种线条称的线条组成，这种线条称的线条组成，这种线条称为为为为 。 滑移带滑移线200 “滑移线滑移线” “滑移带滑移带”（A）体心立方晶格滑移系：）体心立方晶格滑移系： 6 2 = 12 滑移面：滑移面： 110 6个个 滑移方向：滑移方向： 2个。个。(5) 滑移系：滑移系： 一个滑移面和其面上的一个滑移一个滑移面和其面上的一个滑移方向的组成称为方向的组成称为“滑移系滑移系”（B）面心立方晶格滑移系：）面心立方晶格滑移系： 4 3 = 12滑移面：滑移面： 111 4个个 滑移方向：滑移方向： 3个个1101113、三种典型金属晶格的滑移系、三种典型金属晶格的滑移系（C）密排六方晶格滑移系：）密排六方晶格滑移系： 1 3 = 3滑移面：滑移面： 六方底面六方底面 个个 滑移方向：底面对角线滑移方向：底面对角线 个个二、二、 多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形 多晶体塑性变形的影响因素：多晶体塑性变形的影响因素：1、 晶界对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响 晶界处原子排列不规则，晶格畸变严重晶界处原子排列不规则，晶格畸变严重，位错运，位错运，位错运，位错运动受到阻动受到阻动受到阻动受到阻强度、硬度提高强度、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生和发展生和发展塑性、韧性好塑性、韧性好。 晶粒越细，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。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。强化手段。强化手段。“细晶强化细晶强化细晶强化细晶强化” ”。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 某些取向何时的晶粒，某些取向何时的晶粒，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。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这些晶粒的取向称为这些晶粒的取向称为“ “软位软位软位软位向向向向” ” ，反之谓，反之谓，反之谓，反之谓“ “硬位向硬位向硬位向硬位向” ”。 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。步发展到比较均匀的变形。步发展到比较均匀的变形。 软位向硬位向接接接接近近近近4 45 5度度度度的的的的位位位位向向向向为为为为软软位位向向接接接接近近近近0 0度度度度与与与与9 90 0度度度度的的的的位位位位向向向向为为为为硬硬位位向向（一）机械性能的变化加工硬化（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，的变化， 。加工硬化：加工硬化：经过冷态下塑性变形之后，金属的强度和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，硬度随变形量的增加而增加，同时塑性却随之降低，这种现象叫做这种现象叫做“加工硬化加工硬化”或或“冷作硬化冷作硬化”。 除了机械性能的变化，金属材料的理化性能也有除了机械性能的变化，金属材料的理化性能也有所变化。所变化。例：冷拉钢丝例：冷拉钢丝强度提高，塑性降低强度提高，塑性降低(二）物理性能变化二）物理性能变化例：金属的电阻有所增大例：金属的电阻有所增大 ，抗蚀性降低，抗蚀性降低 。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 （三）（三） 显微组织的变化显微组织的变化 晶粒沿加工方向拉长。晶粒沿加工方向拉长。1、晶粒形态变化、晶粒形态变化晶粒破碎转变成亚晶粒结构晶粒破碎转变成亚晶粒结构 。2、亚结构形成、亚结构形成 当变形量非常大时，晶粒拉长严重变为纤维状。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，导致这种纤维状组织称为织构。织构产生各向异性，导致“制耳制耳”。3、产生织构、产生织构注意：注意：这种各向异性，是伪各向异性。是多晶粒的位这种各向异性，是伪各向异性。是多晶粒的位向趋同造成的。向趋同造成的。（四）（四） 出现残余内应力出现残余内应力外力的变形功外力的变形功90 热，热，10的功的功内应力，成为残余应力。内应力，成为残余应力。 1、第一种残余内应力、第一种残余内应力宏观内应力宏观内应力 由晶粒之间或晶粒内部不同区域间的变形量不同由晶粒之间或晶粒内部不同区域间的变形量不同而产生。而产生。2、第二种残余内应力、第二种残余内应力显微内应力显微内应力 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（占总内应力的大部引起缺陷附近晶格畸变会而产生（占总内应力的大部分）。分）。3、第三种残余内应力、第三种残余内应力晶格畸变应力晶格畸变应力 由表层与心部的变形量不同而形成由表层与心部的变形量不同而形成 。 残余应力的作用残余应力的作用：第一、第二内应力引起金属宏观变形或开：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。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 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，由于对于冷加工后的金属，由于10%的变形能储存在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，其主要包括化，其主要包括三个阶段：回复、再结晶及晶粒长大三个阶段：回复、再结晶及晶粒长大。塑性变形塑性变形加工硬化加工硬化加加 工工 困困 难难理化性能理化性能残余内应力残余内应力加热退加热退火软化火软化冷变形后的金属在冷变形后的金属在较低温度较低温度加热时，金属中的一些加热时，金属中的一些 而引起某些晶内变化称为回复。而引起某些晶内变化称为回复。（一）回复（一）回复一、回复与再结晶一、回复与再结晶1、回复：、回复：回复后强度和塑性无明显变化，而回复后强度和塑性无明显变化，而内应力消除内应力消除，脆性，脆性降低。理化性能降低。理化性能(耐蚀性、导电性耐蚀性、导电性) ) 2、性能变化：、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部发生回复的温度，这种热处理工艺称为“去应力退火去应力退火”。 3、实际应用：、实际应用：点缺陷和位错的迁移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，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，这种现象叫而晶格类型不变，这种现象叫 。（二）（二） 再结晶再结晶 1、再结晶：、再结晶： 形核形核长大长大等轴晶粒。当加热温度继续升等轴晶粒。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）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。的晶粒变成新的等轴晶粒。 2、再结晶过程：、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。下降，塑性和韧性重新提高。加工硬化得以消除加工硬化得以消除。 3、组织和性能变化：、组织和性能变化：再结晶再结晶注注意意：晶晶粒粒的的晶晶格格类类型型没没变变，再再结结晶晶过过程程没没有有发发生生相相 变；没发生塑性变形的金属不会发生再结晶变；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，晶粒会继续长大粒会继续长大 。（三）再结晶完成后晶粒的长大（三）再结晶完成后晶粒的长大1、晶粒正常长大：、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）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：、晶粒异常长大： 再结晶后的晶粒不均匀，急剧长大的现象。在再结再结晶后的晶粒不均匀，急剧长大的现象。在再结晶晶晶晶粒大小不均时，大晶粒吞并小晶粒，将得到异常粗粒大小不均时，大晶粒吞并小晶粒，将得到异常粗大的晶粒，也称大的晶粒，也称“二次再结晶二次再结晶”。实质实质晶界迁移过程晶界迁移过程二次再结晶对组织性能的影响：二次再结晶对组织性能的影响：织构明显，产生各向异织构明显，产生各向异性；优化磁导率；晶粒大小不均，性能不均匀；强度、性；优化磁导率；晶粒大小不均，性能不均匀；强度、塑性下降；晶粒粗大，表面粗糙。塑性下降；晶粒粗大，表面粗糙。T T再再不是一个恒定的温度，它与许多因素有关。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（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、再再结结晶晶温温度度(T再再)：冷冷变变形形金金属属开开始始进进行行再再结结晶晶的最低温度。的最低温度。A. 预先变形度的影响：预先变形度的影响：金属的预先变形程度越大，再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于某一个恒定值“最低再结晶温度最低再结晶温度” ” （T再再） 。 2、影响再结晶温度的因素：、影响再结晶温度的因素： T再再 0.4T熔熔 (K)T T退火退火 晶粒尺寸晶粒尺寸,另外另外加热时间长，也会使晶粒长大加热时间长，也会使晶粒长大（二）再结晶退火后的晶粒大小（二）再结晶退火后的晶粒大小1、退火温度的影响：、退火温度的影响：B. 金属的纯度：金属的纯度：微量杂质及少量合金元素会使再结晶微量杂质及少量合金元素会使再结晶温度升高。温度升高。C. 加热速度加热速度快，快，保温时间保温时间短，会提高再结晶温度。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因此，综合结果，在工业中制定再结晶退火温度为：温度为：T T退火退火T T再再+100+100200200 再结晶后的晶粒尺寸对金材的性能影响很大，所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影响因素：以有必要了解影响它的各种影响因素：晶粒大小再结晶退火温度 2、变形变形(程程)度的影响度的影响：临界变形度：临界变形度： 变形越大，变形越均变形越大，变形越均匀，再结晶退火后晶粒越匀，再结晶退火后晶粒越细。一般选用细。一般选用30-60%30-60%的变的变形度。形度。晶粒大小 2%-8%临界变形度临界变形度要加以避免要加以避免预先变形度预先变形度能能发发生生再再结结晶晶的的最最小小变变形形量量。通通常常在在28%，此此时时驱驱动动力小，形核率低，再结晶后的晶粒特别粗大。力小，形核率低，再结晶后的晶粒特别粗大。当当%临临% % 不发生再结晶（动力不足）不发生再结晶（动力不足）当当%临临% % 则发生再结晶，且则发生再结晶，且%，则，则d d晶晶当当%大到一定量后，由于织构形成，则大到一定量后，由于织构形成，则d d晶晶又又制定制定工艺：工艺：选择合适选择合适T加加 避免在临界变形变下变形，避免在临界变形变下变形，避开避开临临%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：从金属学的角度来看：再结晶温度以下的加工称为再结晶温度以下的加工称为 冷加工冷加工；再结晶温度以上的加工称为再结晶温度以上的加工称为 热加工热加工。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 1、热热加加工工引引发发加加工工硬硬化化和和再再结结晶晶。由由于于加加热热温温度度高高于再结晶温度，所以因塑性变形引起的于再结晶温度，所以因塑性变形引起的2 2、再再结结晶晶温温度度以以上上变变形形加加工工，回回复复和和再再结结晶晶是是边边加加工工边边发发生生。因因此此是是属属于于动动态态回回复复和和动动态态再再结结晶晶。实实际际上上是是加加工工硬硬化化与与回回复复、再再结结晶晶相相互互制制约约，相相互互平平衡衡的的过程。过程。 硬硬化化过过程程和和回回复再结晶引起的软化过程几乎同时存在复再结晶引起的软化过程几乎同时存在。3 3、热加工温度低、热加工温度低、( (或或) )变形量小、变形量小、( (或或) )变形速率高时，变形速率高时，加工硬化占主导。温度高、加工硬化占主导。温度高、( (或或) )变形量大、变形量大、( (或或) )变形变形速率低时，回复和再结晶占主导。速率低时，回复和再结晶占主导。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，当温度恒定，改变应变速改变应变速率时，提高率时，提高应变速率所应变速率所起到的作用起到的作用与降低加工与降低加工温度的作用温度的作用相似。相似。 热热加加工工还还可可以以改改变变铸铸态态金金属属中中的的成成分分偏偏析析和和夹夹杂杂物物的的分分布布，使使原原来来沿沿着着树树枝枝晶晶分分布布的的偏偏析析元元素素和和夹夹杂杂物物发发生生改改变变，而而使使它它们们沿沿变变形形方方向向线线形形分分布布，形形成成在在宏宏观观检检测测时时通通常常所所称称的的“流流线线”。流流线线使使金金属属的的机机械械性性能能出出现现明明显显的的各各向向异异性性，与与流流线线平平行行方方向向的的强强度度、塑塑性性和和韧韧性性明明显显地地大大于于垂垂直直方方向向的的相相应应性性能。能。 经经过过热热加加工工后后，可可以以把把铸铸态态金金属属中中粗粗大大的的枝枝晶晶、枝枝状状晶晶以以及及夹夹杂杂物物破破碎碎为为细细小小的的晶晶粒粒，从从而使晶粒细化。提高强度和韧性。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 通通过过热热加加工工，可可使使铸铸态态金金属属中中的的气孔焊合，提高致密度。提高强度和韧性。气孔焊合，提高致密度。提高强度和韧性。 1、细化晶粒：、细化晶粒： 2、提高致密度：、提高致密度：3、形成流线：、形成流线： 四四 、热加工的不足、热加工的不足在实际生产中，热加工与冷加工相比也有不足处在实际生产中，热加工与冷加工相比也有不足处（1 1）热加工需要加热，不如冷加工简单易行。）热加工需要加热，不如冷加工简单易行。（2 2）热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和易）热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和易于控制。于控制。（3 3）热加工制品不如冷加工制品尺寸精确、表面粗）热加工制品不如冷加工制品尺寸精确、表面粗糙度低。糙度低。（4 4） 薄或细的加工制品，由于温降快，尺寸精度差，薄或细的加工制品，由于温降快，尺寸精度差，不宜采用热加工。不宜采用热加工。