金属的塑性变形与再结晶

1、第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶金属经熔炼浇注成铸锭以后，通常要进行各种塑性加工，如轧制、挤压、冷拔、锻压、冲压等，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。金属材料在外力作用下，发生塑性变形塑性变形。塑性变形及其随后的加热对金属材料的组织和性能有着显著的影响，了解塑性变形的本质，塑性变形及加热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺。塑在多数情况下，金属的塑性变形是以滑移方式进行的。 第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形 一、金属单晶体的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形 1、滑移与滑移带、滑移与滑移带滑移是

2、指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动，这种现象称为滑移滑移。发生滑移的晶面和晶向分别称为滑移面滑移面和滑移方向滑移方向。滑移面和滑移方向通常是晶体中的密排面密排面和密排方向密排方向。 滑移线和滑移带滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带滑移带。 单晶体的拉伸变形(a) 外应力在晶面上的分解； (b) 在切应力作用下的变形； (c) 铝单晶的拉伸变形照片 单晶体受力后，外力P在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。滑移系：滑

3、移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系。滑移系越多，晶体塑性越好。滑移系越多，晶体塑性越好。3.1.1 金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形 （2 2）滑移总是沿晶体中原子密度最大的晶面（滑移面）和晶）滑移总是沿晶体中原子密度最大的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）发生。向（滑移方向）发生。（3 3）滑移时晶体的转动和旋转）滑移时晶体的转动和旋转 拉伸拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向 压缩压缩时，滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。3.1.1 金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形 切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动3.3.

4、滑移的机理滑移的机理 滑移是由位错运动造成的滑移是由位错运动造成的 （滑移位错机制）（滑移位错机制） 滑移前后，滑移前后，晶体的结构和晶格的取向都未改变晶体的结构和晶格的取向都未改变，仅仅是，仅仅是在切应力作用下，位错连续运动，使晶体的一部分沿着滑移在切应力作用下，位错连续运动，使晶体的一部分沿着滑移面的某一个滑移方向相对于另一部分发生了滑动而已。面的某一个滑移方向相对于另一部分发生了滑动而已。 晶体通过位错运动产生滑移时，晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力原子

5、间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作小，这种现象称作位错的易动性位错的易动性。1. 1. 晶粒位向对变形的影响晶粒位向对变形的影响二二、 实际金属的塑性变形实际金属的塑性变形 由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。 2. 2. 晶界对变形的影响晶界对变形的影响当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行, 则必须增加外力, 从而使金属的变形抗力提高。3. 3. 多晶体

6、的变形过程多晶体的变形过程多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。4. 4. 晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响 金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。晶粒大小与金属强度关晶粒大小与金属强度关系系 1. 1. 晶粒变形晶粒变形 金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂

7、物也被拉长，形成所谓纤维组织。 一、塑性变形对金属组织结构的影响一、塑性变形对金属组织结构的影响 (a)正火态 (b)变形40% (c)变形80%工业纯铁在塑性变形前后的组织变化第二节第二节 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2. 2. 亚结构的形成亚结构的形成金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。 亚结构的形成3. 3. 形变织构形变织构由于塑性变形过程中晶粒的转动，当变形量达到一定程度（70%以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向

8、趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构织构。二、冷塑性变形对金属性能的影响二、冷塑性变形对金属性能的影响 1. 1. 对力学性能的影响（加工硬化）对力学性能的影响（加工硬化） （1）加工硬化（形变强化、冷作强化）： 随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。强化金属的重要途径。 （2）利弊 利：材料加工成型的保证。 弊：变形阻力提高，动力消耗增大； 脆断危险性提高。2. 2. 对物理、化学性能的影响对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。 三三、 残余应力残余应力

9、1 分类分类 第一类残余应力（）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起。 第二类残余应力（）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。 第三类残余应力（）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。 2 利弊利弊 利：预应力处理，如提高疲劳极限。 弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳腐蚀开裂。 3 消除消除 去应力退火。 返回返回3.2 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第三节第三节 回复与再结晶回复与再结晶一、一、 冷变形金属在加热时的组织和性能变化冷变形金属在加热时的组织和性能变化金属经冷塑性变形后，组织处于不稳定状态，加热则使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒

10、长大。冷塑性变形金属的组织性能随温度变化示意图一、回复一、回复 冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程特征：温度低，光学显微组织未变化，亚结构发生 了变化（位错、点缺陷密度降低，甚至出现亚晶界）性能：力性变化不明显（强度、硬度略有下降，塑性略有提高；大部分或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力）、内应力部分消除、导电率升高回复退火的应用降低内应力、稳定尺寸、提高抗蚀性二、再结晶二、再结晶冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完完全全消除的过程。 变形晶粒通过形核长大，逐渐

11、转变为新的无畸变的等轴晶粒； 强度、硬度明显下降，塑性明显提高； 密度:在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高。再结晶温度：再结晶温度：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。 高纯金属：高纯金属：T再(0.250.35)T熔。经验公式经验公式 工业纯金属：工业纯金属：T再(0.350.45)T熔。 合金：合金：T再(0.40.9)T熔。 注：注：再结晶退火温度一般比上述温度高100200。为什么纯度越低，再结晶温度越高？为什么纯度越低，再结晶温度越高？答：杂质元素对扩散的阻碍作用答：杂质元素对扩散的阻碍作用影响因素影响因素:

12、变形量变形量 变形量越大，储存能越多，再结晶驱动力越大，变形量越大，储存能越多，再结晶驱动力越大，再结晶温度越低；再结晶温度越低； 纯度纯度 纯度越高，杂质或合金元素对位错和晶界运动阻碍纯度越高，杂质或合金元素对位错和晶界运动阻碍越小，再结晶温度越低；越小，再结晶温度越低； 加热速度和保温时间加热速度和保温时间 提高加热速度会使再结晶温度被推迟提高加热速度会使再结晶温度被推迟到较高温度下发生。而保温时间越长，再结晶温度越低。到较高温度下发生。而保温时间越长，再结晶温度越低。再结晶退火的应用再结晶退火的应用： 恢复变形能力恢复变形能力 改善显微组织改善显微组织 消除各向异性消除各向异性 提高组织

13、稳定性提高组织稳定性实际再结晶温度：实际再结晶温度：T再100200。 再结晶退火 消除加工硬化，将金属件加热保温缓冷至室温，保温温度高消除加工硬化，将金属件加热保温缓冷至室温，保温温度高于再结晶温度于再结晶温度100-200；对于没有同素异构转变的金属（如铜、铝），对于没有同素异构转变的金属（如铜、铝），冷变形冷变形+再结晶再结晶退火退火是细化晶粒的重要手段是细化晶粒的重要手段 晶粒长大方式晶粒长大方式： 正常长大； 异常长大（二次再结晶）.三、晶粒长大：三、晶粒长大：冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小均匀的冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小均匀的等轴晶粒，如果再结晶后不控制

14、其加热温度或时间，继等轴晶粒，如果再结晶后不控制其加热温度或时间，继续升温或保温，晶粒之间便会相互吞并而长大，这一阶续升温或保温，晶粒之间便会相互吞并而长大，这一阶段称为晶粒长大。段称为晶粒长大。 晶粒的异常长大：晶粒的异常长大：少数再结晶晶粒的急剧长大现象。(二次再结晶）基本条件基本条件: :正常晶粒长大过程被(第二分散相微粒、织构）强烈阻碍。控制：控制：温度、保温时间，防止过分长大热加工：热加工：金属在再结晶温度以上的塑性变形为热加工。冷加工：冷加工：低于再结晶温度的塑性变形为冷加工。热加工现象：热加工现象：同时存在硬化与软化，动态回复与动态再结晶热加工特点：热加工特点：反复形核，有限长大

15、，晶粒较细。 包含亚晶粒，位错密度较高,强度硬度高。第四节第四节 金属的热塑性加工金属的热塑性加工一、一、 热加工和冷加工的区别热加工和冷加工的区别二、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 （1 1）改善铸锭组织。）改善铸锭组织。气泡焊合、破碎碳化物、细化晶粒气泡焊合、破碎碳化物、细化晶粒、降低偏析。提高强度、塑性、韧性。、降低偏析。提高强度、塑性、韧性。铸件的宏观组织形成过程示意图铸锭三晶区：表面细晶粒区，柱状晶粒区，中心等轴区 柱状晶粒区：分枝少，晶质细密晶粒粗大，各向异性，横向性能差；柱状晶交界处有夹杂和气体，热加工时易开裂；获得：大的温度梯度单向散热，定向凝固等

16、轴晶粒区：晶界面积大，杂质分布分散各晶粒位向不同，性能均匀，没有方向性；枝晶彼此嵌入，没有脆弱面。缺点是枝晶发达，树枝晶间液相凝固收缩留下很多分散孔洞(显微缩松)，因此凝固后金属组织不够致密。 获得：较低的浇注温度；孕育处理；机械振动、电磁搅拌 （2）形成纤维组织（流线）形成纤维组织（流线） 组织：枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分组织：枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分布。布。 性能：各向异性。沿流线方向塑性和韧性提高明显。性能：各向异性。沿流线方向塑性和韧性提高明显。(a) 锻造曲轴 (b) 切削加工曲轴曲轴中的流线分布（3）形成带状组织）形成带状组织 形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。 影响