第二章金属的塑性变形与再结晶

1、第第2 2章章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 第第2 2章章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形 第二节第二节 冷塑性变形对金属组织与性能的影响冷塑性变形对金属组织与性能的影响 第三节第三节 冷变形金属在加热时组织与性能的变化冷变形金属在加热时组织与性能的变化 第四节第四节 金属的热塑性变形加工金属的热塑性变形加工 第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形 a）轧制 b）挤压 c）冷拔 d）锻造 e）冷冲压 塑性变形的特点是金属材料在外力的作塑性变形的特点是金属材料在外力的作 用下，按一定设计要求发生永久性变形用下，按一定

2、设计要求发生永久性变形 ，同时在外力的作用下，金属的内部组，同时在外力的作用下，金属的内部组 织和性能也得到一定的改善织和性能也得到一定的改善 。 一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形 作用在晶体内一定的晶面作用在晶体内一定的晶面 上的外力上的外力F F可分解为可分解为正应力正应力 NN和和切应力切应力NN，正应力的，正应力的 作用只能使晶体产生弹性变作用只能使晶体产生弹性变 形，而不能产生塑性变形。形，而不能产生塑性变形。 只有在切应力的作用下金属只有在切应力的作用下金属 晶体才能产生塑性变形。晶体才能产生塑性变形。 正应力作用下晶体变形示意图正应力作用下晶体变形示意图 切应力作用下晶体

3、变形示意图切应力作用下晶体变形示意图 一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形 一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形 金属塑性变形的主要方式是滑移。 单晶体在切应力N的作用下，晶体的一部分沿一 定的晶面上的晶向，相对另一部分发生滑动，产生 滑动的现象称为滑移。 能够产生滑移的晶面称为滑移面。 能够产生滑移的晶向称为滑移方向。 一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形 a）拉伸 b）压缩 锌单晶体滑移变形示意图锌单晶体滑移变形示意图 一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形 二、多晶体的塑性变形二、多晶体的塑性变形 晶粒位向对变形的影响：晶粒位向对变形的影响： 晶界对变形的影响：晶界对变形的

4、影响： 晶粒大小的影响：晶粒大小的影响：晶粒的数目越多，晶粒就越细小。晶粒的数目越多，晶粒就越细小。 第二节第二节 冷塑性变形对金属组织与性能的影响冷塑性变形对金属组织与性能的影响 一、金属组织和结构的变化一、金属组织和结构的变化 晶粒变形：晶粒变形：金属在外力作用下产生塑性变形，同时，内金属在外力作用下产生塑性变形，同时，内 部晶粒的形状也发生变化，通常是晶粒沿变形方向被拉部晶粒的形状也发生变化，通常是晶粒沿变形方向被拉 长或压扁。长或压扁。 a）变形前 b）变形后 亚结构的形成亚结构的形成 ：在金属少量变形时，位错的分布尚均匀，在金属少量变形时，位错的分布尚均匀， 当变形量增大时，由于位错

5、运动和相互牵制作用，有的晶当变形量增大时，由于位错运动和相互牵制作用，有的晶 粒内部破碎成许多位向差小于粒内部破碎成许多位向差小于1 1的小晶块称为亚晶粒，的小晶块称为亚晶粒， 这种结构称为亚结构。这种结构称为亚结构。 一、金属组织和结构的变化一、金属组织和结构的变化 产生形变织构：产生形变织构：在多晶体金属变形量大于在多晶体金属变形量大于70%70%时，原来位时，原来位 向不同的各个晶粒的取向会大致趋于一致，这种现象称为向不同的各个晶粒的取向会大致趋于一致，这种现象称为 择优取向，形成的有序化结构称为形变织构择优取向，形成的有序化结构称为形变织构 。 板织构板织构 丝织构丝织构 形变织构示意

6、图形变织构示意图 各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板 “制耳制耳” 有有无无 一、金属组织和结构的变化一、金属组织和结构的变化 冷塑性变形量 屈服强度，MPa 1040钢(0.4%C) 黄铜 铜 冷塑性变形量 伸长率，% 1040钢 (0.4%C) 黄铜 铜 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性 、韧性下降的现象称、韧性下降的现象称加工硬化。加工硬化。 一、金属组织和结构的变化一、金属组织和结构的变化 二、冷塑性变形引起的残余内应力二、冷塑性变形引起的残余内应力 宏观内应力（第一类内应力）：宏观内应力（第一类内应力）：金属在塑性变形时，

7、金属在塑性变形时， 由于各部分变形不均匀，使整个工件或在较大的宏由于各部分变形不均匀，使整个工件或在较大的宏 观范围内（如表层或心部）产生的应力称宏观内应力。观范围内（如表层或心部）产生的应力称宏观内应力。 引起工件开裂。 微观内应力（第二类内应力）：微观内应力（第二类内应力）：金属在塑性变形后，金属在塑性变形后， 由于晶粒间或晶粒内各亚晶粒之间因变形不均匀而由于晶粒间或晶粒内各亚晶粒之间因变形不均匀而 形成的微观内应力。形成的微观内应力。 使金属产生晶间腐蚀，甚至会使工件在不大的外力使金属产生晶间腐蚀，甚至会使工件在不大的外力 下产生微裂纹或断裂。下产生微裂纹或断裂。 二、冷塑性变形引起的残

8、余内应力二、冷塑性变形引起的残余内应力 晶格畸变应力（第三类内应力）：晶格畸变应力（第三类内应力）：冷塑性变形冷塑性变形 后，晶体内产生大量的位错和空位等晶体缺陷后，晶体内产生大量的位错和空位等晶体缺陷 ，使晶体中一部分原子偏离其平衡位置而产生，使晶体中一部分原子偏离其平衡位置而产生 晶格畸变，由晶格畸变产生的内应力称晶格畸晶格畸变，由晶格畸变产生的内应力称晶格畸 变应力。变应力。 使金属的强度、硬度升高，塑性和抗腐蚀性能下使金属的强度、硬度升高，塑性和抗腐蚀性能下 降降 。 二、冷塑性变形引起的残余内应力二、冷塑性变形引起的残余内应力 第三节第三节 冷变形金属在加热时组织与性能的变化冷变形金

9、属在加热时组织与性能的变化 金属冷塑性变形后，产生了加工硬化现象，为了恢复和改善金属冷塑性变形后，产生了加工硬化现象，为了恢复和改善 金属的物理、化学和力学性能，对金属进行加热，随着加热金属的物理、化学和力学性能，对金属进行加热，随着加热 温度的提高，金属原子活动能力的增强就会发生一系列组织温度的提高，金属原子活动能力的增强就会发生一系列组织 与性能的变化，使金属恢复到变形前的稳定状态，这种变化与性能的变化，使金属恢复到变形前的稳定状态，这种变化 可分为可分为回复、再结晶及晶粒长大回复、再结晶及晶粒长大三个阶段三个阶段 。 一、回复一、回复 在回复阶段，金属组织变化在回复阶段，金属组织变化 不

10、明显，其强度、硬度略有不明显，其强度、硬度略有 下降，塑性略有提高，但内下降，塑性略有提高，但内 应力、电阻率等显著下降。应力、电阻率等显著下降。 工业上，常利用回复现象将工业上，常利用回复现象将 冷变形金属低温加热，既稳冷变形金属低温加热，既稳 定组织又保留加工硬化，这定组织又保留加工硬化，这 种热处理方法称去应力退火。种热处理方法称去应力退火。 一、再结晶一、再结晶 当冷塑性变形后的金属当冷塑性变形后的金属 加热到比回复阶段更高加热到比回复阶段更高 的温度后，由于原子活的温度后，由于原子活 动能力的增强，使被拉动能力的增强，使被拉 长成纤维状或破碎的晶长成纤维状或破碎的晶 粒全部转变成均匀

11、而细粒全部转变成均匀而细 小的等轴晶粒，这个过小的等轴晶粒，这个过 程称为程称为再结晶再结晶。 铁素体变形80% 670加热 650加热 一、再结晶一、再结晶 再结晶温度为冷塑性变形金再结晶温度为冷塑性变形金 属开始产生再结晶现象的最低属开始产生再结晶现象的最低 温度，用温度，用T T再再表示。表示。 变形度愈大，金属畸变能愈 高，再结晶温度就越低。 当变形量达到一定值后，再 结晶温度就趋于某一恒定值， 称为最低再结晶温度。 金属再结晶温度与变形量的关系 三、晶粒长大三、晶粒长大 再结晶过程完成后，得到的是无畸变、细小的等 轴晶粒，如果再继续升高温度或延长保温时间， 晶粒之间就会相互吞并而长大

12、。 晶粒长大是一个自发进行的过程。 晶粒长大示意图晶粒长大示意图 四、影响再结晶退火后晶粒大小的因素四、影响再结晶退火后晶粒大小的因素 晶粒大小直接影响金属的力学性能，晶粒越小，晶粒大小直接影响金属的力学性能，晶粒越小， 金属材料的强度、塑性和韧性越好。因此生产金属材料的强度、塑性和韧性越好。因此生产 上要严格控制再结晶后的晶粒度。上要严格控制再结晶后的晶粒度。 加热温度的影响：加热温度的影响：加热温度越高，保温时间越长，加热温度越高，保温时间越长， 原子扩散能力愈强，则晶界愈易迁移，晶粒长大原子扩散能力愈强，则晶界愈易迁移，晶粒长大 也愈快，尤其是加热温度的影响更为明显。也愈快，尤其是加热温

13、度的影响更为明显。 再结晶退火温度对晶粒度的影响再结晶退火温度对晶粒度的影响 四、影响再结晶退火后晶粒大小的因素四、影响再结晶退火后晶粒大小的因素 四、影响再结晶退火后晶粒大小的因素四、影响再结晶退火后晶粒大小的因素 变形程度的影响变形程度的影响：当变形度很小时，晶格畸变很少，不当变形度很小时，晶格畸变很少，不 足以引发再结晶，所以晶粒形状数量不变。足以引发再结晶，所以晶粒形状数量不变。 当变形度超过临界变形度后，当变形度超过临界变形度后， 随着变形度的增加，晶格畸随着变形度的增加，晶格畸 变愈加严重，再结晶晶核数变愈加严重，再结晶晶核数 量逐渐增多，因此再结晶后量逐渐增多，因此再结晶后 的晶

14、粒细而均匀。的晶粒细而均匀。 第四节第四节 金属的热塑性变形加工金属的热塑性变形加工 一、热加工的概念一、热加工的概念 金属在再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工。 金属在再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工。 模锻模锻自由锻自由锻轧制轧制 正挤压正挤压反挤压反挤压拉拔拉拔冲压冲压 钨的最低再结晶温度为钨的最低再结晶温度为12001200，所以钨在，所以钨在11001100的的 塑性变形加工为塑性变形加工为冷加工冷加工。 铁的最低再结晶温度为铁的最低再结晶温度为450450，所以铁在，所以铁在400400以下的以下的 加工变形属于加工变形属于冷加工冷加工。 锡的最低再结晶温度为锡的最低再结

15、晶温度为-7-7，因此锡在室温进行的加，因此锡在室温进行的加 工属于工属于热加工热加工。 冷、热加工是依据金属冷、热加工是依据金属再结晶温度再结晶温度来区分的。来区分的。 一、热加工的概念一、热加工的概念 二、热加工对金属组织与性能的影响二、热加工对金属组织与性能的影响 消除铸态金属的组织缺陷：消除铸态金属的组织缺陷： 可使金属毛坯中的大部分气孔、缩松和微裂纹焊合， 提高了金属的致密度；将粗大的柱状晶粒与枝晶变成 细小均匀的等轴晶粒；消除成分偏析及粗大碳化物； 使金属的力学性能得到提高。 细化晶粒：细化晶粒：热加工的金属经过塑性变形和再结晶的热加工的金属经过塑性变形和再结晶的 反复交替作用，使

16、晶核数量不断增加，导致晶粒细化。反复交替作用，使晶核数量不断增加，导致晶粒细化。 二、热加工对金属组织与性能的影响二、热加工对金属组织与性能的影响 形成纤维组织：金属内部的粗大枝晶和铸态组织中的各形成纤维组织：金属内部的粗大枝晶和铸态组织中的各 种夹杂物，在高温下具有一定的塑性，在热变形过程中种夹杂物，在高温下具有一定的塑性，在热变形过程中 ，粗大枝晶和各种夹杂物均沿变形方向伸长，使之变成，粗大枝晶和各种夹杂物均沿变形方向伸长，使之变成 条带状、线状或片层状，形成纤维组织。条带状、线状或片层状，形成纤维组织。 曲轴的流线分布曲轴的流线分布 二、热加工对金属组织与性能的影响二、热加工对金属组织与性能的影响 形成带状组织：形成带状组织：当低碳钢在铸态下存在严重的夹杂物偏当低碳钢在铸态下存在严重的夹杂物偏 析或热变形加工的温度过低，钢内则出现与热变形加工析或热变形加工的温度过低，钢内则出现与热变形加工 方向大致平行的条带所组成的偏析组织，这种组织称为方向大致平行的条带所组成的偏析组织，这种组织称为 带状组织。带状组织。 钢中的带状组织钢中的带状