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塑性变形与再结晶,在工业生产中，经熔炼而得到的金属锭，如钢锭、铝合金锭或铜合金铸锭等，大多要经过轧制、冷拔、锻造、冲压等压力加工(图31)，使金属产生塑性变形而制成型材或工件。,1,2,金属材料经压力加工后，不仅改变了外形尺寸，而且改变了内部组织和性能。因此，研究金属的塑性变形，对于选择金属材料的加工工艺、提高生产率、改善产品质量、合理使用材料等均有重要的意义。金属材料经压力加工后会，在塑性变形的同时，也会给给组织和性能带来某些不利影响，如塑性下降，因此在压力加工后或者在加工过程中，还经常对金属进行加工，使其发生回复与再结晶，恢复以前的的性能。,3,塑性变形的概念：金属材料在外力作用下产生了变形，当外力去除后不能恢复的变形一、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动。由图32可见，要使某一晶面滑动，作用在该晶面上的力必须是相互平行、方向相反的切应力(垂直该晶面的正应力只能引起伸长或收缩)，而且切应力必须达到一定值，滑移才能进行。当原子滑移到新的平衡位置时，晶体就产生了微量的塑性变形(图32d)。许多晶面滑移的总和，就产生了宏观的塑性变形，。,4,图晶体在切应力作用力的变形a)未变形b）弹性变形c）弹、塑性变形d）塑性变形,5,图为锌单晶体滑移变形时的情况a)拉伸b)压缩,6,滑移优先沿晶体中一定的晶面和晶向发生，晶体中能够发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。不同晶格类型的金属，其滑移面和滑移方向的数目是不同的，一般来说，滑移面和滑移方向越多，金属的塑性越好。理论及实践证明，晶体滑移时，并不是整个滑移面上的全部原子一起移动，因为那么多原子同时移动，需要克服的滑移阻力十分巨大(据计算比实际大得多)。实际上滑移是借助位错的移动来实现的，如图34所示。,7,通过位错运动产生滑移的示意图,8,二、多晶体的塑性变形常用金属材料都是多晶体。多晶体中各相邻晶粒的位向不同，并且各晶粒之间由晶界相连接，因此，多晶体的塑性变形主要具有下列一些特点：1晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力的作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利于滑移的位置。当处于有利于滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围位向不同的其他晶粒的约束，使滑移的阻力增加，从而提高了塑性变形的抗力。同时，多晶体各晶粒在塑性变形时，受到周围位向不同的晶粒与晶界的影响，使多晶体的塑性变形呈逐步扩展和不均匀形式，其结果之一就是产生内应力。,9,2晶界的作用晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。图36所示是一个只包含两个晶粒的试样经受拉伸时的变形情况。由图可见，试样在晶界附近不易发生变形，出现了所谓的“竹节”现象。这是因为晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移。很显然，晶界越多，晶体的塑性变形抗力越大。,10,3晶粒大小的影响在一定体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶界就越多，晶粒就越细，并且不同位向的晶粒也越多，因而塑性变形抗力也越大。细晶粒的多晶体不仅强度较高，而且塑性和韧性也较好。因为晶粒越细，在同样变形条件下，变形量可分散在更多的晶粒内进行，使各晶粒的变形比较均匀，而不致过分集中在少数晶粒上，使其变形严重。另一方面，晶粒越细，晶界就越多，越曲折，有利于阻止裂纹的传播，从而在其断裂前能承受较大的塑性变形，吸收较多的功，表现出较好的塑性和韧性。由于细晶粒金属具有较好的强度、塑性和韧性，故生产中总是尽可能地细化晶粒。,11,三.塑性变形对金属组织的影响,1.塑性变形对金属组织结构的影响金属发生塑性变形后,晶粒发生变形,沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时,晶粒变成细条状(拉伸时),金属中的夹杂物也被拉长,形成纤维组织。沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向。,12,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。如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的。用有织构的板材冲制筒形零件时,即由于在不同方向上塑性差别很大,零件的边缘出现“制耳”。在某些情况下,织构的各向异性也有好处。制造变压器铁芯的硅钢片,因沿100方向最易磁化,采用这种织构可使铁损大大减小,因而变压器的效率大大提高。,13,亚结构形成金属经大的塑性变形时,由于位错的密度增大和发生交互作用,大量位错堆积在局部地区,并相互缠结,形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,而在晶粒内产生亚晶粒。,14,形变织构产生金属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。形变织构一般分两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向,称为丝织构,例如低碳钢经高度冷拔后,其平行于拔丝方向;另一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向,称为板织构,低碳钢的板织构。,15,16,17,塑性变形对金属性能的影响,2.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,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。产生加工硬化的原因是：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。,18,冷塑性变形（冷变形强化）对金属性能的影响：冷塑性变形有利影响：1.它是强化金属的一种重要加工方法，可以提高金属的强度，硬度，和耐磨性2.使工件能够均匀成行的重要因素，如下图,19,金属材料在冷冲压过程中，由于圆角r变形大当金属在圆角变形到一定程度以后，首先产生冷变形强化，随后的变形转移到其他部分，这样避免已发生塑性变形的部位继续变形以至破裂，又可以得到碧厚均匀的冲压件。,20,3.可以提高构件在使用过程的安全性。4.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。,21,回复与再结晶金属经塑性变形后，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。如下图：,22,23,一.回复变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程。产生回复的温度T回复为：T回复=(0.250.3)T熔点式中T熔点表示该金属的熔点,单位为绝对温度(K)。由于加热温度不高,原子扩散能力不很大,只是晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态，变形金属的显微组织不发生明显的变化。此时材料的强度和硬度只略有降低，塑性有增高，但残余应力则大大降低。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，稳定尺寸，并减小应力腐蚀倾向。,24,二.再结晶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，此时内应力全部消失，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。,25,2.再结晶温度变形后的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：T再=(0.350.4)T熔点式中的温度单位为绝对温度(K)。最低再结晶温度与下列因素有关：,26,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,金属的晶体积缺陷就越多,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。金属的熔点：熔点越高,最低再结晶温度也就越高。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。金属纯度越高，再结晶温度也就越低。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P20,27,3.再结晶后晶粒的晶粒度：晶粒大小影响金属的强度、塑性和韧性,因此生产上非常重视控制再结晶后的晶粒度,特别是对那些无相变的钢和合金。影响再结晶退火后晶粒度的主要因素是退火温度和预先变形程度。退火温度温度越高,原子扩散能力越强,则晶界越易迁移,晶粒长大也越快。,28,29,变形度的影响主要与金属变形的均匀度有关。变形越不均匀,再结晶退火后的晶粒越大。变形度很小时，因不足以引起再结晶，晶粒不变。当变形度达到2-10%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。使晶粒发生异常长大的变形度称作临界变形度。生产上应尽量避免临界变形度的加工。超过临界变形度之后，随变形度的增大，晶粒的变形更加强烈和均匀，再结晶核心越来越多再结晶粒越来越多细。P20图1.32,30,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。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。,31,三.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。一般情况下晶粒长大是应当避免发生的现象。当金属变形较大,产生织构,含有较多的杂质时,晶界的迁移将受到阻碍,因而只会有少数处于优越条件的晶粒优先长大,迅速吞食周围的大量小晶粒,最后获得晶粒异常粗大的组织。这种不均匀的长大过程类似于再结晶的生核和长大的过程,所以称为二次再结晶,它大大降低金属的机械性能。,32,金属材料的热加工与冷加工,金属材料的热加工与冷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。在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工,33,一.金属的热加工及其对组织、性能的影响在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工，例如钢材的热锻和热轧。由于温度处于再结晶温度以上，金属材料发生塑性变形后，随即发生再结晶过程。因此塑性变形引起的加工硬化效应随即被再结晶过程的软化作用所消除，使材料保持良好的塑性状态。,34,热加工对金属的组织和性能的影响: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。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。但这与热加工的变形量和加工终了温度关