3 塑性变形与再结晶

1、3 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶n许多零件（结构）在制造、装配或使用许多零件（结构）在制造、装配或使用过程当中都要受力，将发生变形。过程当中都要受力，将发生变形。n铸态组织中存在晶粒粗大、气孔、疏松铸态组织中存在晶粒粗大、气孔、疏松及枝晶偏析等缺陷，浇注后往往要经过及枝晶偏析等缺陷，浇注后往往要经过压力加工。压力加工。n通过压力加工，金属的内部组织、性能通过压力加工，金属的内部组织、性能将明显改变，如强化将明显改变，如强化n回复与再结晶恢复塑性变形以前的性能回复与再结晶恢复塑性变形以前的性能3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形n在外力作用下，材料将发生弹性变形、塑性变在外力作用

2、下，材料将发生弹性变形、塑性变形直至断裂。形直至断裂。n一、弹性变形与塑性变形一、弹性变形与塑性变形n弹性变形的实质是在应力的作用下，金属内部弹性变形的实质是在应力的作用下，金属内部的晶格发生了弹性的伸长或歪扭，原子离开其的晶格发生了弹性的伸长或歪扭，原子离开其平衡位置但是位移远小于该方向上原子的间距，平衡位置但是位移远小于该方向上原子的间距，所以在外力去除后，其变形便可完全恢复。所以在外力去除后，其变形便可完全恢复。n塑性变形时，原子从一个平衡位置移动到相邻塑性变形时，原子从一个平衡位置移动到相邻的另一个平衡位置，因此在外力去除后，其变的另一个平衡位置，因此在外力去除后，其变形不能得到完全的

3、恢复，形成永久变形。形不能得到完全的恢复，形成永久变形。塑性变形是切应力作用的结果n在一定的晶面上外力在一定的晶面上外力可以分解为平行于该可以分解为平行于该晶面的切应力和垂直晶面的切应力和垂直于该晶面的正应力于该晶面的正应力n正应力：晶格的弹性正应力：晶格的弹性变形和断裂变形和断裂n切应力：弹性畸变，切应力：弹性畸变，塑性变形和断裂。塑性变形和断裂。 二、单晶体的塑性变形n塑性变形的实验现象塑性变形的实验现象n单晶体的变形单晶体的变形主要有两种方式:滑移和孪生滑移变形容易，孪生阻力较大(1) 滑移变形概念 在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向

4、）发生相对滑动。(2) 滑移的特点n在在切应力的作用下发生n晶体常有固定的滑移面和滑移方向（滑移系）n滑移面滑移面原子的最密排晶面n滑移方向滑移方向原子的最密排方向nFCC 的滑移面和滑移方向为：的滑移面和滑移方向为：111 nBCC的滑移面和滑移方向为：的滑移面和滑移方向为： 110 n晶体沿滑移方向滑移，原子移动的距离是原子间距的整数倍n滑移的同时伴有晶体的转动 表表3-1 三种常见晶格的滑移系三种常见晶格的滑移系滑移系较多的材料塑性变形能力强 (3) 晶体滑移是位错运动的结果晶体滑移是位错运动的结果(4) 孪生变形 孪生变形阻力较大， 只有滑移系少的六方结构金属或在低温、快速变形时才能以

5、孪生方式变形。图图3-4 孪生变形示意图孪生变形示意图三、多晶体的塑性变形三、多晶体的塑性变形一般金属材料是由许多位向不同的小单晶体组成的多晶体。(1) 多晶体变形的特点相邻晶粒的阻碍 晶界两侧晶粒的位向不同，晶体的滑移即位错的滑移不能越过晶界。晶界处不易变形，晶粒间不均匀相邻晶粒的协调 为了保持材料的连续性，一个晶粒变形时，相邻晶粒必须同时进行相应的协调变形。由于以上原因，多晶体材料的强度一般高于单晶体材料 锌单晶体与多晶体应力锌单晶体与多晶体应力-应变曲线应变曲线(2) 晶粒尺寸对力学性能的影响四、合金的塑性变形四、合金的塑性变形n(1) 单相固溶体的变形n与多晶体变形相似，但是溶质原子引

6、起晶格变形，产生固溶强化n固溶体类型、溶质原子种类和浓度影响强化效果n溶质原子溶入量越大,材料的强度越大，硬度越高，塑性、韧性越低。(2) 第二相的作用n如果各相性能接近如果各相性能接近,多相合金的性能近似多相合金的性能近似符合平均律；符合平均律；n硬脆第二相的数量、大小与分布形态对硬脆第二相的数量、大小与分布形态对材料性能影响极大；材料性能影响极大； 材料及组织工业纯铁0.8%C，片状珠光体0.8%C，球状组织1.2%C，网状Fe3CII组织参数-630nm250nm100nmD=3000nmD=50nm-bMPa275780106013105801760700,%47151614293.8

7、4图图3-10 T8钢完全退火组织钢完全退火组织图图311 过共析钢的结晶后的室温组织过共析钢的结晶后的室温组织(苦味酸腐蚀液苦味酸腐蚀液)3.2 塑性变形对材料组织和性能的影响塑性变形对材料组织和性能的影响n一.塑性变形对材料组织的影响n(1)晶粒沿轧制方向被拉长图图3-14 低碳钢低碳钢50%变形后的纤维组织变形后的纤维组织图图3-13 变形前后晶粒形状示意图变形前后晶粒形状示意图(2) 形变亚结构形变亚结构当变形量较大时，晶粒分化成许多位相差很小的小晶块即亚晶粒n当变形量很大时（70以上），由于晶粒发生转动，大多数晶粒沿轧制方向排列，形成形变织构（择尤取向）二、塑性变形对性能的影响二、塑

8、性变形对性能的影响n加工硬化：加工硬化：随着对材料变形量的增加，导致材料的强度和硬度塑性和韧性n各向异性：较大变形量后，由于晶粒拉各向异性：较大变形量后，由于晶粒拉长、织构，性能出现各向异性；长、织构，性能出现各向异性；n残余应力：变形不均导致残余应力，影残余应力：变形不均导致残余应力，影响尺寸形状稳定性及性能响尺寸形状稳定性及性能3.3 回复与再结晶n金属在塑性变形之后或在其加工变形的金属在塑性变形之后或在其加工变形的过程中，经常要把金属进行加热（退过程中，经常要把金属进行加热（退火），以改变其组织或性能火），以改变其组织或性能 n为了正确地掌握这些不同目的的退火工为了正确地掌握这些不同目的

9、的退火工艺，就有必要了解变形金属在加热时的艺，就有必要了解变形金属在加热时的组织和性能的变化。组织和性能的变化。 n随着加热温度提高或保温时间延长，冷变形金属将发生回复、再结晶和晶粒长大三种转变。一、回复n实质是晶体中点缺陷和位错移动，主要是实质是晶体中点缺陷和位错移动，主要是空位空位的扩散的扩散，改变缺陷分布和缺陷数量的过程。，改变缺陷分布和缺陷数量的过程。n回复的驱动力：形变储存能回复的驱动力：形变储存能n回复过程中，宏观内应力消除，电导率上升；回复过程中，宏观内应力消除，电导率上升；强度、硬度基本不变；强度、硬度基本不变；n显微组织不变显微组织不变大角度晶界没有移动大角度晶界没有移动n回

10、复退火的应用-去应力退火n降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开裂，提高耐蚀性二、再结晶n再结晶是低位错密度、等轴晶粒取代高缺陷密度、拉长晶粒的过程。n再结晶是形核长大过程,但不是相变n再结晶的驱动力也是形变储存能n再结晶彻底改变变形组织，消除加工硬化等冷变形影响。(1)再结晶温度再结晶温度n再结晶温度并非定值，与成分、原始组织、变形量、加热条件等有关。n规定：经严重冷变形（变形量70%）的金属或合金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数95%）最低温度为材料的再结晶温度。n 高纯金属：T再(0.250.35)Tm。n 经验公式 工业纯金属：T再(0.350.45)Tm。n 合金：

11、T再(0.40.9)Tm。n 注：再结晶退火温度一般比上述温度高100200。 (2)影响再结晶的因素影响再结晶的因素n退火温度。温度越高，再结晶速度越大。n变形量。变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行。n原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。n微量溶质元素。阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。n第二分散相。间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶。再结晶退火加热温度再结晶退火加热温度 对晶粒度的影响对晶粒度的影响变形度对再结变形度对再结晶

12、晶粒度的关系晶晶粒度的关系 图图318 变形度与再结晶晶粒度的关系变形度与再结晶晶粒度的关系 三、晶粒长大n再结晶完成后，若再再结晶完成后，若再继续升高温度或延长继续升高温度或延长保温时间，金属的晶保温时间，金属的晶粒便会继续长大。粒便会继续长大。n晶粒长大时，晶界的晶粒长大时，晶界的面积减小，使界面能面积减小，使界面能降低，故晶粒长大是降低，故晶粒长大是一个降低能量的自发一个降低能量的自发过程。过程。3.4 金属的热加工金属的热加工n一、塑性加工的分类n冷加工：在再结晶温度以下的加工过程。发生加工硬化。n热加工：在再结晶温度以上的加工过程。（硬化、回复、再 结晶。）n热加工温度：T再T热加工T固100200。二、热加工后的组织与性能热加工后的组织与性能n改善铸锭组织与性能。n由于阻力小，可以进行大量变形，由于阻力小，可以进行大量变形，n使气泡焊合、破碎大块化合物、细化晶粒、使气泡焊合、破碎大块化合物、细化晶