《金属学与热处理》第三章 金属的塑性变形

第三章金属的塑性变形3.1金属的塑形变形3.2冷塑形变形对金属的影响3.3回复与再结晶3.4金属的热加工3.1金属的塑形变形

金属在外力作用下，首先产生弹性变形;当外力增加到一定值后，除了产生弹性变形外，还产生塑性变形，即弹塑性变形;当外力继续增加，塑性变形也逐渐增加，直至金属发生断裂。金属在外力作用下的变形可分为弹性变形、弹塑性变形和断裂3种情况。弹性变形是由于外力克服原子间的作用力，使原子间距离发生改变，原子偏离原来平衡位置而产生的。当外力消除后，在原子间作用力的作用下，原子又回到原来的平衡位置，使金属恢复原来的形状。金属产生弹性变形后，其组织和性能不发生改变。金属的塑性变形比弹性变形复杂，而且塑性变形后金属的组织和性能也发生了变化。一、单晶体的塑性变形生产中使用的金属材料大多是多晶体，要了解多晶体的塑性变形，必须先了解单晶体的塑性变形。下一页返回3.1金属的塑形变形

实验证明，晶体在正应力作用下，只能产生弹性变形，随后直接过渡到脆性断裂，只有在切应力作用下才会产生塑性变形。单晶体的塑性变形主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动，如图3-2所示。要使晶体产生滑移，作用在晶体上的切应力必须达到一定的数值。当原子移动到新的平衡位置时，晶体就产生了微量的塑性变形，大量晶面上滑移的总和，就形成了宏观上的塑性变形。一般来说，滑移是沿原子排列最密集的晶面及原子排列最密集的方向进行的，分别称为滑移面和滑移方向。金属的晶体结构不同，滑移面和滑移方向的数量不同，所以金属的塑性存在着差异。滑移面和滑移方向的数量越多，金属的塑性越好。

研究表明，晶体滑移时，并不是一部分相对于另一部分沿滑移面作整体移动。如果是整体移动，那么，需要克服的滑移阻力是十分巨大的。实际上滑移是借助于晶体中位错的移动来进行的，如图3-3所示。上一页下一页返回3.1金属的塑形变形在切应力的作用下，通过一条位错线从滑移面的一侧移动到另一侧，便产生了一个原子间距的滑移，这只需要位错线附近少数原子作微量移动，而且移动的距离小于一个原子间距。大量的位错移出晶体表面，就产生了宏观上的塑性变形。因此，通过位错移动来实现滑移容易实现，这与实际测量的结果是一致的。二、多晶体的塑性变形常用金属都是多晶体，多晶体由许许多多的晶粒组成。由于各个晶粒的晶格位向不同，又有晶界存在，各个晶粒的塑性变形互相影响，因此，多晶体塑性变形的过程比单晶体复杂。多晶体塑性变形主要有以下特点。上一页下一页返回3.1金属的塑形变形

1.晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的晶格位向不同，在外力作用下，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，如图3-4所示。当处于有利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，从而提高塑性变形的抗力，同时使多晶体的塑性变形向逐步扩展和不均匀形式发展。

2.晶界的作用在多晶体中，晶界处原子排列紊乱，晶格畸变程度大，位错移动时的阻力增大，宏观上表现为塑性变形抗力增大，强度提高。由于晶界的作用，试样在晶界处不易变形，多晶体往往表现出竹节状变形，如图3-5所示。显然，晶界越多，晶体的塑性变形抗力越大。上一页下一页返回3.1金属的塑形变形

3.晶粒大小的影响

在一定体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶界的数量越多，晶粒越细小，处于不同位向的晶粒也越多，位错移动时的阻力越大，因而金属的塑性变形抗力也越大，金属的强度就越高。细晶粒的多晶体不仅强度高，而且塑性和韧性也较好。一方面，因为晶粒越细小，在相同变形条件下，变形量可分散在更多的晶粒内进行，使各晶粒变形程度均匀，不易产生集中变形;另一方面，晶粒越细小，晶界就越多，路径越曲折，有利于阻止裂纹的传播，裂纹不易扩展，使其在断裂前能承受较大的塑性变形，表现出较好的塑性和韧性。因此，生产中应尽可能细化晶粒。上一页返回3.2冷塑形变形对金属的影响冷塑性变形不但改变了金属的形状和尺寸，而且使其组织与性能发生了重大变化。一、冷塑性变形对金属组织的影响当金属发生塑性变形时，随着外形的改变，其内部晶粒的形状也发生变化。当变形程度很大时，晶粒会沿变形方向伸长，形成细条状，这种呈纤维状的组织称为冷加工纤维组织，如图3-6所示。

形成纤维组织后，金属的性能会具有明显的方向性，其纵向(沿纤维方向)的力学性能好于横向(垂直于纤维方向)的性能。同时，由于各个晶粒的变形不均匀，会使金属在冷塑性变形后内部存在残余应力。冷塑性变形除了使晶粒的形状发生变化外，还会使晶粒内部的亚晶粒细化，亚晶界数量增多，位错密度增加。由于塑性变形时晶格畸变加剧以及位错间的相互干扰，会阻止位错的运动，增加金属的塑性变形抗力，从而使金属的力学性能发生改变。下一页返回3.2冷塑形变形对金属的影响二、冷塑性变形对金属力学性能的影响冷塑性变形改变了金属内部的组织结构，引起了金属力学性能的变化。随着冷塑性变形程度的增加，金属材料的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为冷变形强化，如图3-7所示。三、冷变形强化在生产中的影响冷变形强化可以提高金属的强度、硬度和耐磨性，是强化金属材料的一种工艺方法，特别地，对那些不能用热处理强化的金属材料更为重要。例如纯金属、多数铜合金、奥氏体不锈钢等，在出厂前，都要经过冷轧或冷拉加工，以冷变形强化的状态供应给用户使用。上一页下一页返回3.2冷塑形变形对金属的影响另外，冷变形强化还可以使金属材料具有瞬时抗超载能力，在构件使用过程中，不可避免地会在某些部位出现应力集中或偶然过载的现象，过载部位出现微量塑性变形，引起冷变形强化，使变形自行终止，从而在一定程度上提高构件的使用安全性。

冷变形强化是工件使用压力加工方法成型的必要条件。如图3-8所示，金属材料在冲压过程中，由于圆角r处变形量最大，当圆角:处的金属变形到一定程度时，产生冷变形强化，强度和硬度提高，而其他部位的金属未产生冷变形强化，强度和硬度较低，所以随后的塑性变形发生转移，这样既避免了已发生塑性变形的部位继续变形导致破裂，又可以得到壁厚均匀的冲压件。上一页返回3.3回复与再结晶

冷塑性变形后的金属，其组织结构发生了变化，而且由于金属各部分变形不均匀，在金属内部形成残余应力，使金属处于不稳定状态，具有自发地恢复到原来稳定状态的趋势。常温下，原子活动能力比较弱，这种不稳定状态要经过很长时间才能逐渐过渡到稳定状态。如果对冷塑性变形后的金属加热，由于原子活动能力增强，就会迅速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，如图3-9所示。冷塑性变形后的金属在加热过程中，随加热温度的升高，要经历回复、再结晶、晶粒长大3个阶段。一、回复当加热温度较低时，金属中的原子有一定的活动能力。通过原子短距离的移动，使变形金属内部晶体缺陷的数量减少，晶格畸变程度减轻，残余应力降低，但造成冷变形强化的主要原因尚未消除，因而，冷加工纤维组织无明显变化，金属的力学性能也无明显变化，这一阶段称为回复。下一页返回3.3回复与再结晶在回复阶段，金属的一些物理、化学性能部分地恢复到了变形前的状态。工业生产中，常常利用回复现象对冷塑性变形金属进行低温退火处理(又称为去应力退火)。目的是在保持冷变形强化的情况下，消除残余应力，提高塑性。例如，用冷拉弹簧钢丝制成的弹簧，在卷制后要进行一次250℃~300℃的低温退火处理，以消除残余应力并使弹簧定形;冷拉黄铜制件，为了消除残余应力，避免应力腐蚀破坏，也需要进行280℃的低温退火处理。二、再结晶随着加热温度的升高，原子的活动能力增强，当加热到一定温度(如纯铁加热到450℃以上)时，变形金属中的纤维状晶粒将重新变为等轴晶粒，这一阶段称为再结晶。再结晶也是通过晶核形成和长大的方式进行的。新晶粒的核心首先在金属中晶粒变形最严重的区域形成，然后晶核吞并旧晶粒，向周围长大形成新的等轴晶粒。上一页下一页返回3.3回复与再结晶当变形晶粒全部转化为新的等轴晶粒时，再结晶过程就完成了。再结晶前后的晶格类型完全相同，因此，再结晶过程不是相变过程，而只是改变了晶粒的形状和消除了因变形产生的某些晶体缺陷的过程，如位错密度下降、晶格畸变消失等。结果使冷塑性变形金属的组织与性能基本恢复到了变形前的状态。金属的强度、硬度下降。塑性升高。冷变形强化现象完全消除。

再结晶不是在恒定温度下发生的，而是在一定的温度范围内进行的过程。能进行再结晶的最低温度称为再结晶温度，用符号T再表示。实验证明，再结晶温度与金属的冷塑性变形程度有关，如图3-10所示。金属的塑性变形程度越大，再结晶温度越低。这主要是因为变形程度越大，晶格畸变程度越大，位错密度越高，金属的组织越不稳定，开始再结晶温度越低。纯金属的再结晶温度可根据其熔点按下式进行计算:T再≈0.4T熔上一页下一页返回3.3回复与再结晶式中T再—金属的再结晶温度，K;

T熔—金属的熔点，K。例如，工业纯铁的珠约为723K，即450℃。在生产中，为了消除冷变形强化，恢复塑性以便继续进行压力加工，必须对冷塑性变形金属进行中间退火处理。将冷塑性变形金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使变形晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除冷变形强化和残余应力，这种热处理方法称为再结晶退火。实际生产中的再结晶退火温度，通常为金属再结晶温度以100℃~200℃。表3-1为常见金属的去应力退火与再结晶退火的温度。上一页下一页返回3.3回复与再结晶三、晶粒长大冷塑性变形金属经再结晶后，一般都得到细小均匀的等轴晶粒。如果继续升高温度或延长保温时间，则再结晶后形成的新晶粒会逐渐长大，导致晶粒变粗，金属的力学性能下降，这一阶段称为晶粒长大。晶粒长大可以使金属内部的晶界数量减少，组织处于更稳定的状态，因此，晶粒长大是一个自发的过程。晶粒长大的实质是一个晶粒的边界向另一个晶粒迁移，把另一个晶粒的晶格位向逐步改变成与这个晶粒相同的位向，在此过程中小晶粒变小直至消失(“吞并”)，大晶粒长大，如图3-11所示。再结晶后的金属一般得到细小而均匀的等轴晶粒。继续升高温度或延长保温时间，再结晶后晶粒又以相互吞并的方式长大。上一页返回3.4金属的热加工一、热加工与冷加工的区别

金属的热塑性变形加工与冷塑性变形加工是根据金属的再结晶温度来划分的。凡是在金属的再结晶温度以上进行的塑性变形加工，称为热加工，而在再结晶温度以下进行的塑性变形加工则称为冷加工。冷加工时，不能发生再结晶过程，必然产生冷变形强化现象。热加工时，金属的塑性变形与再结晶过程同时发生，所产生的变形强化被随时产生的再结晶消除，因此，热加工后并不保留塑性变形带来的强化效果。例如，钨的再结晶温度为1200℃，故钨在1000℃时进行塑性变形加工，仍属于冷加工;锡再结晶温度为-7℃，在室温下对锡进行的塑性变形加工就已经属于热加工了。金属在冷加工时，由于产生冷变形强化，使变形抗力增大，因此，对于那些要求变形量较大和截面尺寸较大的工件，冷加工将是十分困难的。热加工时，随金属温度的升高，原子间结合力减小，冷变形强化随时被消除，金属的强度、硬度降低，塑性、韧性增加，所以，热加工可用较小的能量消耗，来获得较大的变形量。下一页返回3.4金属的热加工一般情况下，截面尺寸较小、材料塑性较好、加工精度和表面质量要求较高的金属制品用冷加工的方法来获得;而截面尺寸较大、变形量较大、材料在室温下硬脆性较高的金属制品用热加工的方法来获得。二、热加工对金属组织和性能的影响

1.消除铸态金属的某些缺陷通过热加工，可使铸态金属毛坯中的气孔和疏松焊合，消除部分偏析，细化晶粒，改善夹杂物和碳化物的形态、大小与分布，结果使金属的致密度和力学性能提高。表3-2为w(C)0.3%的碳钢在铸态和锻态时的力学性能比较。可见，经热加工后，钢的强度、塑性、冲击韧性均比铸态高，所以工程上受力较大的工件(如齿轮、轴、刃具、模具等)大多数要通过热加工来制造。上一页下一页返回3.4金属的热加工

2.形成热加工纤维组织热加工时，铸态金属毛坯中的粗大枝晶偏析和各种夹杂物在高温下具有一定的塑性，它们会沿变形方向伸长，逐渐形成纤维状。这些夹杂物在再结晶时不会改变其纤维形状。这样，在材料或工件的纵向宏观试样上，可看到沿变形方向的一条条细线，这就是热加工纤维组织，通常称为“锻造流线”。热加工纤维组织的存在，会使金属材料的力学性能呈现方向性，沿纤维方向(纵向)具有较高的强度、塑性和韧性，垂直于纤维方向(横向)则具有较高的抗剪强度。表3-3为w(C)=0.45%的碳钢力学性能与纤维方向之间的关系。

因此，用热加工方法制造工件时，应保证流线具有正确的分布，即流线与工件工作时所受到的最大拉应力方向一致，与切应力或冲击力方向垂直。一般来说，流线如能沿工件的外形轮廓连续分布，则较为理想。生产中广泛采用模型锻造法制造齿轮及中、小型曲轴，用局部镦粗法制造螺栓，其优点之一，上一页下一页返回3.4金属的热加工就是流线沿工件外形轮廓连续分布，并适应工作时的受力情况。图3-12为切削加工曲轴和锻造曲轴的流线分布示意图，两者流线分布比较，显然锻造曲轴的流线分布更为合理。

注意:热处理方法不能消除或改变工件中流线分布，只能通过适当的塑性变形来改善流线的分布。

3.形成带状组