第四章金属的塑性变形与再结晶

1、压力加工方法示意图压力加工方法示意图一、一、金属的塑性变形金属的塑性变形二、二、塑性变形后的金属在加热时组织和塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化性能的变化三、三、金属材料的热加工和冷加工金属材料的热加工和冷加工小结小结 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶一、一、金属的塑性变形金属的塑性变形1 1单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形2 2多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形3 3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1 1单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形单晶体变形的基本形式单晶体变形的基本形式 弹性变形、塑性变形（弹性变形、塑性变形（ 方式：滑移方式：滑移 和和 孪

2、生）孪生）正应力使晶格发生弹性变形或断裂正应力使晶格发生弹性变形或断裂切应力使晶格发生弹性歪扭或塑性变形切应力使晶格发生弹性歪扭或塑性变形塑性变形的实质塑性变形的实质 原子移动到新的稳定位置原子移动到新的稳定位置滑滑 移移 在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生滑动。滑动。滑移的实现滑移的实现 借助于借助于位错运动位错运动 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶体两部分沿滑移面作整体的滑动。体

3、两部分沿滑移面作整体的滑动。 滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不同。切应力大小不同。滑移的特点：滑移的特点： 滑移造成的晶体总变形量是滑移造成的晶体总变形量是原子间距的整数值，不引起晶格原子间距的整数值，不引起晶格位向的变化。位向的变化。 滑移总是沿着晶体中原子密滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。（的晶向进行。（滑移系滑移系） 滑移时晶体伴随有转动。滑移时晶体伴随有转动。滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数

4、目，材，材料塑性料塑性；滑移方向；滑移方向，材料塑性，材料塑性。如。如FCCFCC和和BCCBCC的滑移系为的滑移系为1212个，个，HCPHCP为为3 3个，个，FCCFCC的滑移方向多于的滑移方向多于BCCBCC，金属塑性如金属塑性如CuCu（FCCFCC）FeFe（BCCBCC）ZnZn（HCPHCP）。）。孪生孪生 在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。金属晶体中变形部分与金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两未变形

5、部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。侧形成镜面对称关系。发生孪生的部分（切发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或变部分）称为孪生带或孪晶。孪晶。孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生行时发生. . 特点：特点：孪生孪生原子移动的相对位移是原子间距的分数值原子移动的相对位移是原子间距的分数值. . FCCFCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCCBCC金金属仅在室温或受冲击时发生。属仅在室温或受冲击时发生。HCPHCP金属较容易发生孪生。金属较容易发生孪生。 黄铜中的

6、孪晶黄铜中的孪晶锌中的孪晶锌中的孪晶金属材料塑性变形的实质：金属材料塑性变形的实质：金属塑性变形实质上是以金属塑性变形实质上是以滑移滑移和和孪生孪生两种形式通过位错运动来进行的。两种形式通过位错运动来进行的。 2 2、多晶体的塑性变形、多晶体的塑性变形多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。多晶界，变形复杂。2 2、多晶体的塑性变形、多晶体的塑性变形（A A）晶界的影响晶界的影响 晶界起强化作用晶界起强化作用（ B B）晶粒位向的影响晶粒位向的影响 软位向、硬位向。软位向、硬位向。 多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同

7、，多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。且存在许多晶界，变形复杂。细晶强化细晶强化通过晶粒细化使强度、硬度、塑性、通过晶粒细化使强度、硬度、塑性、韧性提高的现象。韧性提高的现象。强化原理强化原理晶界原子排列较不规则晶界原子排列较不规则缺陷多缺陷多滑滑移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多，移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗力越大，则强度越大。变形抗力越大，则强度越大。晶粒越细小，单位体积晶粒多晶粒越细小，单位体积晶粒多变形分散变形分散减少减少应力集中应力集中 晶粒越细小，晶界越多且越曲折晶粒越细小，晶界越多且越曲折不利于裂纹的传不利于裂纹的传播播断裂前承受较大的塑性

8、变形，则塑性越好。断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。 由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要消耗较大的功。因而韧性也较好。时需要消耗较大的功。因而韧性也较好。3 3、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（1 1）塑性变形对金属组织的影响）塑性变形对金属组织的影响 形成形成纤维组织纤维组织 形成形成亚结构亚结构 产生产生形变织构形变织构（2 2）塑性变形对金属性能的影响）塑性变形对金属性能的影响 产生产生加工硬化加工硬化金属发生塑性变形金属发生塑性变形, ,随冷变形程度随冷变形程度的增大，其强度和硬度显著提高，

9、的增大，其强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降的现象。塑性和韧性明显下降的现象。如：冷轧薄钢板如：冷轧薄钢板 冷拔钢丝等。冷拔钢丝等。 由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。 使金属晶体缺陷增多，并产生使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力残余应力。变形、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度变形、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度变形变形10% 10010% 100变形变形40% 10040% 100 变形变形80%80%纤维组织纤维组织100100 工业纯铁不同变形度的显微组织工业纯铁不同变形度的显微组织亚结构

10、形成亚结构形成l位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位向略有差异的亚晶粒。向略有差异的亚晶粒。（2 2）织构）织构绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，性能出现各向异性。性能出现各向异性。晶粒拉长，但未出现织构。晶粒拉长，但未出现织构。晶粒拉长，且出现晶粒拉长，且出现织构织构。n（1 1）丝织构）丝织构 （2 2）板织构）板织构制耳现象制耳现象（3）加工硬化）加工硬化（形变强化（形变强化强化材料的手段之一）强化材料的手段之一）加工硬化的原因加工硬化的原因塑性变形塑性变形 位错密度增加，相互缠结位错密度增加，相互缠结

11、( (亚晶界亚晶界) )，运动阻，运动阻力加大力加大 变形抗力变形抗力 加工硬化的意义：加工硬化的意义：（1 1）具有一定抗偶然过载的能力，保证安全）具有一定抗偶然过载的能力，保证安全; ;（2 2）是冷变形工件成型的重要因素）是冷变形工件成型的重要因素; ;（3 3）强化金属的重要工艺手段）强化金属的重要工艺手段. .残余内应力残余内应力（1 1）宏观内应力）宏观内应力引起新的变形，降低精度。引起新的变形，降低精度。（2 2）微观内应力）微观内应力引起开裂，产生微裂纹。引起开裂，产生微裂纹。（3 3）晶格畸变内应力）晶格畸变内应力强化金属；耐蚀性降低。强化金属；耐蚀性降低。二、塑性变形后的金

12、属在加热时二、塑性变形后的金属在加热时 组织和性能的变化组织和性能的变化1 1回复回复2 2再结晶再结晶3 3晶粒长大晶粒长大 T T回复回复=（0.250.25.3.3）T T熔点熔点（单位：（单位：K）回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降，塑性略有增高，但残余应力大大降低。变化应用工业上利用回复过程对变形金属进行去应力退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。1) 1) 回复回复 塑性变形后的金属在低温加热时，发生塑性变形后的金属在低温加热时，发生回复过程回复过程 点缺陷大大点缺陷大大，内应力显著，内应力显著 ，强度、硬度略，强度、硬度略有有 。 2) 2) 再结晶再结晶 变形后金属在较高温度

13、加热时，由于原子扩散能变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，晶格类型不变，该过程新的均匀、细小的等轴晶粒，晶格类型不变，该过程称为再结晶称为再结晶 。变化变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加工硬化现象被消除。工硬化现象被消除。应用应用工业上利用再结晶过程对变形后金属进行工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再再结晶退火结晶退火来消除加工硬化现象，恢复

14、金属的来消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性，以利于后面的变形加工。塑性和韧性，以利于后面的变形加工。a.黄铜变形量达黄铜变形量达38后的组织后的组织b.580保温保温3sc. .580保温保温4sd.580保温保温8se.580保温保温15minf.700保温保温10min最低再结晶温度最低再结晶温度 T T再再纯金属纯金属T T再再 =0.4 T=0.4 T熔熔合金合金T T再再 = =（0.5 0.70.5 0.7）T T熔熔温度单位：绝对温度温度单位：绝对温度( K )( K )预变形度对预变形度对T T再再的影响的影响再结晶后的晶粒度再结晶后的晶粒度加热温度加热温度 T T 晶粒直

15、径晶粒直径 dd预变形度的影响预变形度的影响3 3）晶粒长大）晶粒长大变形变形80%工业纯铁再结晶退火工业纯铁再结晶退火 显微照片显微照片 100100 变形变形80% 400退火退火8小时小时加热温度加热温度 T T 和和 加热时间加热时间 t t 晶界迁移、晶粒合并长大。晶界迁移、晶粒合并长大。变形变形80% 600退火退火8小时小时三、金属材料的热加工和冷加工三、金属材料的热加工和冷加工1 1热加工对组织和性能的影响热加工对组织和性能的影响 2 2冷加工对组织和性能的影响冷加工对组织和性能的影响1 1热加工对组织和性能的影响热加工对组织和性能的影响热加工热加工 在在 T T再再 以上温度

16、进行的变形加工，以上温度进行的变形加工， 如钢如钢材的热锻和热轧，但热加工后不产生加工硬化。材的热锻和热轧，但热加工后不产生加工硬化。热加工时，塑性变形引起的加工硬化效应随即被再热加工时，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。结晶过程的软化作用所消除。思考题：其原因是什么？思考题：其原因是什么？热加工对组织和性能的影响热加工对组织和性能的影响1 1）打碎柱状晶、树枝晶，形成等轴晶，机械性能改善。）打碎柱状晶、树枝晶，形成等轴晶，机械性能改善。2 2）压合铸件中的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和）压合铸件中的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和 机械性能机械性能. .3 3

17、）产生）产生 流线流线 分布分布 非金属夹杂物沿变形方向分布，非金属夹杂物沿变形方向分布，引起各向异性。引起各向异性。锻造曲轴锻造曲轴切削加工曲轴切削加工曲轴冷加工冷加工 在在 T T再再 以下温度进行的变形加工，以下温度进行的变形加工，如低碳钢的冷拔、冷冲。如低碳钢的冷拔、冷冲。 冷加工时，无再结晶过程冷加工时，无再结晶过程 思考题：其原因是什么？思考题：其原因是什么？ 能产生加工硬化，提高强度和硬度，塑性和韧性下降。能产生加工硬化，提高强度和硬度，塑性和韧性下降。 是重要的是重要的 强化手段，对不能热处理强化的合金尤其重强化手段，对不能热处理强化的合金尤其重 要。但增加继续塑性变形的抗力。

18、要。但增加继续塑性变形的抗力。冷加工对金属组织和性能的影响：冷加工对金属组织和性能的影响：小结小结重点要求重点要求 一般要求一般要求 1. 1. 单晶体塑性变形的两种方式单晶体塑性变形的两种方式2. 2.金属在冷加工时组织和性能的变化。金属在冷加工时组织和性能的变化。 3. 3.金属再结晶时组织和性能的变化。金属再结晶时组织和性能的变化。4. 4.加工硬化、细晶强化的概念。加工硬化、细晶强化的概念。 1. 1. 塑性变形的本质和滑移机理。塑性变形的本质和滑移机理。2. 2. 热加工对金属组织和性能的影响。热加工对金属组织和性能的影响。、名词解释、名词解释二二、简答题、简答题1 1、金属塑性变形

19、的主要方式和实质、金属塑性变形的主要方式和实质? ?回复回复 再结晶再结晶加工硬化加工硬化热加工热加工 冷加工冷加工滑移滑移2 2、什么是细晶强化？其强化原理？、什么是细晶强化？其强化原理？3 3、回复和再结晶对塑性变形后金属性能带来什么影响、回复和再结晶对塑性变形后金属性能带来什么影响? ?在工业上如何应用？在工业上如何应用？4 4、钢热锻和热轧后是否产生加工硬化？为什么？、钢热锻和热轧后是否产生加工硬化？为什么？5 5、钢经冷轧等冷加工后是否产生加工硬化？加工硬化产生、钢经冷轧等冷加工后是否产生加工硬化？加工硬化产生 的原因？的原因？6 6、为何面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性好？、为何面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性好？7 7、热加工对金属组织和性能有何影响？、热加工对金属组织和性能有何影响？思思 考考 题题1. 1. 用下述三种方法制成齿轮，那一种方法较为理想？为用下述三种方法制成齿轮，那一种方法