第6章金属的塑性变形分析

6.1金属及合金的冷塑性变形6.2塑性变形对金属组织和性能的影响6.3塑性变形金属在加热时组织和性能的变化6.4金属的热加工第6章

金属及合金的塑性变形和再结晶第6章金属的塑性变形分析6.1金属的塑性变形σe、σs、σb：强度指标。是机械零件强度设计的依据，表征材料对变形的抵抗力。δ、φ：塑性指标，表征材料塑性变形的能力。低碳钢的应力应变曲线应力应变曲线和力学性能指标第6章金属的塑性变形分析6.1.1 单晶体的塑性变形

6.1.1.1滑移（1）现象表面抛光的单晶体，变形后在光学显微镜下观察：抛光表面有许多平行线条——滑移带；在电子显微镜下观察：每条滑移带由更细的滑移线群组成。晶体外表面的滑移痕迹12×示意图滑移带（铜）500×第6章金属的塑性变形分析滑移带和滑移线滑移带和滑移线的结构示意图第6章金属的塑性变形分析滑移线的实质：晶体的一部分相对于另一部分沿着晶面发生平移滑动后，在晶体表面留下的台阶。证据：X射线衍射分析表明，变形后晶体结构类型并未改变，滑移线两侧的晶体取向也未改变。而且，晶体滑移是不均匀的，滑移集中在某些晶面上，而相邻两条滑移线之间的晶体并未滑移。第6章金属的塑性变形分析（2）

滑移系滑移系：一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。滑移面：通常是原子排列最密集的晶面。(∵相邻晶面的面间距最大，结合力弱）滑移方向：也是原子排列最密集的晶向。(∵原子间距最小，滑移距离最短，阻力最小)。在其他条件相同时，滑移系越多，滑移过程可能采取的空间取向越多，塑性越好。第6章金属的塑性变形分析滑移系与金属塑性的关系：滑移系数目越多，金属塑性越好。滑移方向的作用要比滑移面的作用大。∴面心立方金属的塑性最好，密排六方金属的塑性最差。第6章金属的塑性变形分析（3）

滑移在切应力作用下发生第6章金属的塑性变形分析正应力：晶格先产生弹性变形，随后被拉断；切应力：晶格先产生剪切弹性变形，当切应力超过剪切强度时，晶面两侧的晶体发生相对滑移，在新位置上重新处于稳定状态。在正应力作用下的变形在切应力作用下的变形第6章金属的塑性变形分析第6章金属的塑性变形分析（4）

滑移的临界分切应力临界分切应力：滑移开始时，在滑移面上沿滑移方向的分切应力。滑移面上的分切应力：滑移开始时，宏观上金属开始屈服，则：τk=σscosλcosφm=cosλcosφ—取向因子。计算分切应力的分析图PP第6章金属的塑性变形分析临界分切应力的大小，主要取决于金属的本性，与外力无关。条件一定，晶体的临界分切应力有确定值。但它是一个组织敏感参数，金属的纯度、变形速度和温度、金属的加工和热处理状态都对它有很大影响。第6章金属的塑性变形分析取向因子对任何φ角，若滑移方向位于外力P与滑移面法向所组成的平面上，即φ+λ=90°，则沿此方向的τ值较其它λ时大，此时：cosλcosφ=cos(90°-φ)cosφ=1/2sin2φ，故：软取向：当φ=45°时，m=1/2，为最大值，则σs最小，最有利于滑移；硬取向：φ=90°或φ=0°时，σs→∞，即外力与滑移面平行或垂直，晶体无法滑移。镁晶体拉伸的屈服应力与晶体取向的关系第6章金属的塑性变形分析（5）

滑移时晶面的转动晶体在滑移时，除了在滑移面上进行相对位移外，晶体还将发生转动。滑移前：外力作用在o—o轴线上，滑移后：外力分别作用在o’、o’’上，构成一对力偶，使晶体发生转动。晶体转动示意图第6章金属的塑性变形分析结果：拉伸时，使滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴；压缩时，使滑移面逐渐趋于与压力轴线垂直。晶体在压缩时的晶面转动单晶体拉伸时的晶面转动第6章金属的塑性变形分析（6）

滑移的位错机制实测临界分切应力：Al{111}<110>:0.79MPa,Cu{111}<110>:0.89MPaFe{110}<111>:27.44MPa,Nb{110}<111>:33.8MPa按刚性滑动的理论计算值：Al：3830MPa，Fe：10960Mpa。在切应力作用下原子层刚性滑移示意图第6章金属的塑性变形分析原因：滑移是位错在滑移面上运动的结果。一个位错移出晶体，产生一个柏氏矢量的台阶，大量位错滑过晶体，在表面形成滑移线。通过位错运动造成滑移的示意图原子的移动：在外加切应力作用下，位错中心附近的原子沿切应力方向作少量移动(<1个原子间距)，就可使位错线在滑移面上向右移动1个原子间距。故位错滑移只需很小的切应力。第6章金属的塑性变形分析（7）

位错运动所受的力与屈服强度晶体的滑移必须在一定的外力作用下才能发生，表明位错的运动受到阻力。对纯金属，阻力主要有：点阵阻力，位错与位错交互作用产生的阻力，位错与其他晶体缺陷交互作用产生的阻力等。这些阻力决定金属滑移的临界分切应力,即决定了晶体的屈服强度。凡是增大位错运动阻力的因素，都提高金属滑移的临界分切应力，即提高金属的屈服强度。第6章金属的塑性变形分析6.1.1.2孪生孪生是金属塑性变形另一种常见的方式。在孪生过程中形成变形孪晶(形变孪晶，机械孪晶，在光镜下呈带状或透镜状)。锌中的变形孪晶第6章金属的塑性变形分析孪生时原子的移动每层(111)面相对位移了1/3d112的距离。AB、GH孪晶面。A’与C位移后的点对称；E位移后与A’下方一点对称。

孪生变形：在切应力作用下，晶体内部发生的均匀切变的变形过程。切变结果：使均匀切变区的取向发生改变，与未切变区构成镜面对称，形成孪晶。面心立方晶体的孪生变形过程示意图(a)孪晶面与孪生方向；(b)孪生变形时的晶面移动情况第6章金属的塑性变形分析孪生变形的特点孪生使一部分晶体发生了均匀的切变。孪生变形后，晶体变形部分与未变形部分构成镜面对称的位向关系。孪生变形局部切变可达较大数量，变形试样的抛光表面可看到明显的浮凸，重新抛光，在偏光或浸蚀后仍能看到孪晶。孪生与滑移时晶体取向示意图(a)未变形；(b)滑移；(c)孪生第6章金属的塑性变形分析孪生变形的特点(续)应力-应变曲线上出现锯齿形。孪晶形核虽难，但长大速度极快。孪生变形临界分切应力高，常萌发于滑移受阻引起的局部应力集中区。孪生对塑性变形的贡献比滑移小。约10％。但形成的孪晶改变了晶体的位向，使滑移系处于更有利于滑移的位置，使晶体能进一步借滑移继续变形。如：H.C.P的Mg、Zn常以孪生方式变形；B.C.C的α-Fe在冲击载荷或低温下也借助孪生变形；F.C.C金属一般不发生孪生，但在极低温度或受高速冲击时，也以孪生方式变形。铜单晶在4.2K的拉伸曲线第6章金属的塑性变形分析6.1.2多晶体金属的塑性变形本质上，与单晶体无区别。实际上，存在晶界及晶粒之间的位向差，变形过程复杂，变形抗力高的多。6.1.2.1多晶体金属塑性变形的特点各晶粒变形的不同时性；各晶粒变形的相互协调性。第6章金属的塑性变形分析多晶体相邻晶粒位向不同软位向的晶粒，首先开始滑移；周围晶粒位向不同，滑移系取向不同，运动的位错不能越过晶界，在晶界处产生位错塞积。位错塞积造成很高的应力集中，使相邻晶粒中某些滑移系开动，使应力集中松弛，变形从一个晶粒传向另一个晶粒。随着变形，各晶粒发生转动和旋转，原软取向→硬取向，而停止滑移，同时原硬取向→软取向，而发生滑移。随外力的持续，多晶体金属中的晶粒分批地、逐步地发生塑性变形。第6章金属的塑性变形分析要保持晶粒之间的结合和整个晶体的连续性，其变形必须与周围的晶粒相互协调，每个晶粒必须同时开动多个滑移系，包括较硬的滑移系，就使多晶体的塑性变形较单晶体困难，其屈服应力也高于单晶体。第6章金属的塑性变形分析面心立方和体心立方金属滑移系多，能满足，有较好的塑性。而密排六方金属滑移系少，晶粒间的应变协调性差。密排六方单晶体处于软取向时，应变可达100%~200%，但多晶体塑性都很差，强度则较高。锌单晶体与多晶体的应力－伸长率曲线第6章金属的塑性变形分析6.1.2.2晶粒大小对塑性变形的影响多晶体的强度随晶粒细化而提高。细晶强化：用细化晶粒来提高材料强度的方法。双晶粒试样变形后，晶界处呈竹节状。晶界附近滑移受阻，变形量较小。晶界阻碍位错的通过，即晶界对塑性变形起阻碍作用。细晶强化本质：晶界提高了位错运动的阻力，晶界越多，即晶粒越细，材料的强度越高。第6章金属的塑性变形分析屈服强度与晶粒直径的关系屈服强度与晶粒直径间符合霍尔-配奇(Hall-Petch)公式，即：σs=σi+kyd-1/2σi-常数，大体相当单晶的σs

；ky-晶界对强度影响的常数，与晶界结构有关；d-多晶体的平均晶粒直径。低碳钢的屈服强度与晶粒大小的关系第6章金属的塑性变形分析细晶强化也提高塑性和韧性提高塑性的原因：晶粒越细，晶粒数目越多，在同样变形量下，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起开裂的机会少，推迟了裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可得到较大的塑性变形量，提高了金属的塑性。提高韧性的原因：细晶粒金属中，应力集中小，晶界曲折多，裂纹不易萌生，也不易传播，在断裂过程中吸收能量更多，韧性较高。第6章金属的塑性变形分析刃型位错塞积造成的微裂纹微裂纹第6章金属的塑性变形分析细化晶粒是既提高强度，又提高塑、韧性的唯一方法。多晶体的晶粒越细，强度越高，塑性、韧性也越好。细化晶粒是实际生产中获得良好强、韧性配合的重要的强化方法。第6章金属的塑性变形分析6.1.3合金的塑性变形提高材料强度的另一种方法是合金化。合金元素在基体中有两种存在方式：与基体金属形成固溶体；形成第二相。合金塑性变形的基本方式仍然是滑移和孪生，但由于组织、结构的变化，其塑性变形各有特点。第6章金属的塑性变形分析6.1.3.1单相固溶体合金的塑性变形固溶强化：溶质原子溶入基体后，使其强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。溶质原子的加入，提高屈服应力-应变水平，曲线上移。Cu-Ni固溶体的力学性能与成分的关系铝中有镁后的应力－应变曲线第6章金属的塑性变形分析溶质原子在晶体中造成点阵畸变，产生应力场，该应力场与位错的应力场发生弹性交互作用。柯垂尔(Cotrell)气团：溶质原子与位错发生交互作用，集聚在位错线附近，以降低体系的畸变能所形成的溶质原子气团。溶质原子在位错附近的分布(a)溶质原子较大的置换固溶体；(b)溶质原子较小的置换固溶体；(c)间隙固溶体固溶强化的机制第6章金属的塑性变形分析

柯氏气团对位错有“钉扎”作用，为使位错挣脱气团的“钉扎”而运动必须施加更大的外力——提高了屈服强度。拖着气团运动，增加了位错运动的摩擦阻力——提高了整个应力-应变水平。第6章金属的塑性变形分析6.1.3.2两相合金的塑性变形单相合金借固溶强化提高强度的作用有限，两相或多相合金的强化作用更显著。聚合型多相合金：第二相的尺寸与基体晶粒尺寸属同一数量级。弥散型多相合金：第二相粒子很细小，且弥散分布于基体晶粒内。第6章金属的塑性变形分析合金的性能主要取决于脆性相的形状和分布。硬脆相呈连续网状分布在塑性相的晶界上，降低合金塑性，强度也降低。如Fe3CⅡ呈网状分布时。硬脆相呈片状分布在基体相中，提高合金强度，片层越细，强化效果越好，塑性也较好（类似于细晶强化）。如P，变形集中在基体相中，位错的移动被限制在Fe3C片层之间很短的距离内，增加了继续变形的阻力，使钢强度提高。厚Fe3C片易断裂，薄片反而能承受一些变形。硬脆相呈较粗颗粒分布在基体相中，强度降低，塑性、韧性提高。如过共析钢经球化退火后的球状Fe3C，因基体连续，Fe3C对基体变形的阻碍作用大大减弱。(一)聚合型两相合金的变形第6章金属的塑性变形分析

冷加工后珠光体中渗碳体片的断裂和变形15000×a)断裂；b)变形第6章金属的塑性变形分析(二)弥散型合金的塑性变形第二相以细小弥散的微粒均匀分布在基体中，将产生显著的弥散强化作用。弥散强化：弥散分布的细小第二相质点阻碍位错的运动，引起合金显著强化的现象。第二相可从过饱和固溶体中析出，也可由粉末冶金方法加入。第二相分类：不可变形微粒，可变形微粒。第6章金属的塑性变形分析1、不可变形微粒的强化作用移动位错与不可变形微粒相遇：位错线将饶过粒子，留下包围着微粒的位错环，位错线其余部分则越过粒子继续移动。有实验观察证实。位错按此方式移动时受到的阻力很大，强度显著提高。α黄铜中围绕着Al2O3粒子的位错环（透射电镜像）第6章金属的塑性变形分析2、可变形微粒的强化作用第二相为可变形微粒时，位错将切过粒子，使其与基体一起变形，增加了位错运动的阻力，使材料的强度提高。此现象也有电镜观察证实。0.1μm在Ni-Cr-Al合金中位错切过Ni3Al粒子（透射电镜像）位错切过粒子示意图第6章金属的塑性变形分析6.2塑性变形对金属组织和性能的影响金属经冷塑性变形后，除了外形和尺寸发生改变外，其显微组织与各种性能也发生了变化。6.2.1组织结构的变化塑性变形后，每个晶粒内部出现大量滑移带、孪生带；6.2.1.1晶粒外形改变随变形量的增加，原来的等轴晶粒逐渐沿变形方向伸长为扁平晶粒。当变形量很大时，成为纤维组织(晶粒变得模糊不清，晶粒已难以分辨，而成为的一片纤维状条纹)。第6章金属的塑性变形分析6.2.1.2形成胞状(亚)组织(透射电镜下观察)晶体的塑性变形时，是位错在应力作用下运动和不断增殖。随变形量的增加，晶体中的位错密度迅速增加，经严重冷变形后，位错密度可从原先退火态的106~107cm-2增至1011~1012cm-2。经一定量的塑性变形后，晶体中的位错通过运动和交互作用，开始呈现纷乱的不均匀分布，并形成位错缠结。进一步增加变形度，大量位错聚集，并由缠结的位错组成胞状亚组织（位错胞，胞壁上有大量位错，胞内位错密度较低）。第6章金属的塑性变形分析

QTi3.5棒材拉伸后的滑移带锌中的变形孪晶第6章金属的塑性变形分析变形10%100×变形40%100×变形80%纤维组织100×工业纯铁不同变形度的显微组织第6章金属的塑性变形分析

α铁于冷变形过程中位错缠结和胞状组织的发展过程(a)应变1%；(b)应变3.5%；(c)应变9%；(d)应变20%黑线表示位错第6章金属的塑性变形分析6.2.1.3产生变形织构（择优取向）多晶体变形时，各晶粒的滑移同样伴随有晶面的转动，随变形量的增加，各晶粒的滑移面和滑移方向都要向主变形方向转动。结果：产生变形织构，变形量越大，织构越强。变形织构(形变织构)：多晶体中原来任意取向的晶粒，在空间位向上呈现一定程度规律性的组织状态。择优取向：形成形变织构的现象。变形织构第6章金属的塑性变形分析织构类型与金属的晶体结构和变形方式有关。主要有两种：丝织构：拉拔时形成。特征：各晶粒的某一晶向大致与拉拔方向平行。板织构：轧制时形成。特征：各晶粒的某一晶面和晶向分别趋于与轧制平面和轧制方向相平行。变形织构形变织构示意图拉丝方向(b)板织构(a)丝织构轧制方向第6章金属的塑性变形分析织构对材料性能和加工工艺的影响：对性能的影响：形成了织构，使材料呈现出晶体的各向异性。对深冲板：织构使板材各方向变形能力不同，工件产生“制耳”(边缘不齐，壁厚不均)，不希望出现织构。对变压器硅钢片：沿<100>方向最易磁化，采用具有(110)[001]织构(GOSS织构)或(100)[001]织构(立方织构)的硅钢片制作电机时，可以减小铁损，提高效率。变形织构第6章金属的塑性变形分析

变形织构因变形织构所造成的“制耳”(a)无织构；(b)有织构第6章金属的塑性变形分析6.2.2塑性变形对性能的影响（1）力学性能的变化组织的变化，必然导致性能的变化。加工硬化（应变硬化、应变强化）：金属冷变形时，随变形量增加，其强度、硬度上升，而塑性、韧性下降的现象。原因：塑性变形引起位错密度增大，导致位错之间交互作用增强，大量形成缠结、不动位错等障碍，使其余位错运动阻力增大，塑性变形抗力提高。性能变化第6章金属的塑性变形分析加工硬化两种常见金属材料的力学性能—变形度曲线(a)工业纯铜；(b)45钢第6章金属的塑性变形分析加工硬化的意义：有利处：可用作强化金属的一种方法；如：奥氏体不锈钢等。使变形均匀；保证工件在使用中的安全性。如：局部过载因变形而自行停止。不利处：使金属变形抗力增加，增加动力和设备消耗；限制了塑性变形加工量，增加了工序(需中间退火后再加工)；经深度冷加工的零件，需经退火后使用(塑、韧性降低，不可直接使用)。加工硬化第6章金属的塑性变形分析（2）其他物理和化学性能的变化物理性能：塑性变形使金属导磁率、导电率和电阻温度系数下降，而矫顽力及电阻率提高，比热、导热性也有所降低。化学性能：塑性变形使金属化学活性增大，电位势提高，腐蚀速度加快，抗蚀性降低。性能变化第6章金属的塑性变形分析6.2.3产生（残余）内应力金属塑性变形时，外力所作的功，约有10%被保留于金属内部，称为储存能，表现为残余应力和点阵畸变。内应力：平衡于金属内部的应力。产生原因：由不均匀的内部变形引起。残余内应力：经过塑性变形后，外力对金属所作功的一部分残留于金属内部，转化为的内应力。残余应力第6章金属的塑性变形分析残余内应力表现为两类：宏观内应力(第一类内应力)：工件各部分之间的变形量不同而产生的内应力。作用范围：工件的整体范围，在工件的整个体积上保持平衡。（mm级）如弯曲金属棒：上部，受拉伸长，塑性变形的外力去除后，伸长一边存在压应力；下部，残留拉应力。金属拉丝后，外缘变形较心部少，残留拉应力，心部残留压应力。残余应力金属棒弯曲变形后的残余应力金属拉丝后的残余应力第6章金属的塑性变形分析宏观内应力的影响残留拉应力，降低材料强度；若表层残留压应力，对提高疲劳寿命有利，用喷丸或滚压实现。残余应力第6章金属的塑性变形分析微观内应力(第二类内应力)：晶粒之间或晶内不同区域之间不均匀变形而形成的内应力。作用范围：作用尺寸与晶粒尺寸为同一数量级，在晶粒内或晶粒间保持平衡。（μm级）结果：微观内应力可达很大数值，甚至造成显微裂纹并导致工件的破坏。残余应力第6章金属的塑性变形分析点阵畸变(第三类内应力)：由于塑性变形时产生的大量晶格缺陷（位错、空位等）引起。作用范围：几十至几百nm。占总储存能的80%~90%。（nm级）结果：点阵畸变提高了变形晶体的能量，使之处于热力学不稳定状态，有着向稳定状态转变的趋向，成为“回复与再结晶”的驱动力。残余应力第6章金属的塑性变形分析6.3塑性变形金属在加热时组织和性能的变化金属经过冷变形后，其组织和性能都发生了一系列变化。光学显微组织变化、亚结构变化、力学性能变化、产生残余应力、点阵畸变。结果：经深度冷加工的零件不能直接使用；限制了塑性变形的加工量；自由能升高，处于热力学亚稳定状态。存在的倾向：恢复到稳定状态。实现途径：加热。第6章金属的塑性变形分析冷变形金属在加热时的变化（一）显微组织的变化

冷作后经时间t1

经时间t2经时间t3

经时间t4

经时间t5|←---------------------加热至大约Tm/2------------------→|晶粒长大|纯铁冷拔90%后在550℃加热不同时间后的显微组织回复-------→|←-----------再结晶-------------→|回复：冷变形金属加热时，在光学显微组织发生变化之前，所产生的某些亚结构及性能的变化过程再结晶：冷变形金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。晶粒长大：再结晶后形成的晶粒，继续加热时发生的长大过程.第6章金属的塑性变形分析问题：在回复、再结晶与晶粒长大过程中有无晶体结构的变化？第6章金属的塑性变形分析（二）性能的变化伴随着组织的变化，必然发生性能上的变化。1、力学性能的变化：回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有上升；再结晶阶段：强度、硬度显著下降，塑性急剧上升；晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性在晶粒粗化不严重时，仍继续升高，晶粒粗化严重时，塑性也下降。2、物理性能的变化：密度：回复阶段略有增大，再结晶阶段急剧升高，在晶粒长大阶段继续上升。电阻：回复阶段已明显下降，再结晶阶段仍有显著下降，晶粒长大阶段变化不大。3、内应力的变化：在回复阶段明显下降，在再结晶阶段完全消除。回复、再结晶及晶粒长大阶段中性能的变化示意图电阻变化率密度变化率第6章金属的塑性变形分析6.3.1回复6.3.1.1回复阶段的组织和性能变化（一）组织变化1、低温回复：过饱和空位消失，点缺陷密度明显下降。2、中温回复：异号位错互相抵消，位错密度明显下降。3、高温回复(0.3Tm)：同号刃位错沿垂直于滑移面的方向排成小角度晶界→多边化。多边化形成亚晶界，对再结晶形核很重要。第6章金属的塑性变形分析多边化的观察

示意图刃型位错的攀移和滑移滑移攀移同号位错排列的稳定位置多边化前、后刃型位错的排列情况(a)多边化前；(b)多边化后第6章金属的塑性变形分析(二）性能变化电阻率的显著下降：空位减少、位错应变能的降低；（宏观）内应力基本消除：屈服强度下降，在内应力作用下，发生局部塑性变形，晶体弹性应变能基本消除；硬度和强度下降不多：位错密度下降不大。第6章金属的塑性变形分析过饱和空位消失的方式：①迁移到界面；②与间隙原子复合；③与刃位错结合④积聚成片崩塌成位错环。空位聚合形成的位错第6章金属的塑性变形分析回复中异号位错相消a)两平行滑移面上异号位错通过攀移相消b)同一滑移面上异号位错攀移过夹杂物后相消a)b)第6章金属的塑性变形分析6.3.1.2回复的应用—去应力退火例：深冲黄铜弹壳，放置一段时间后自动开裂。原因：应力腐蚀开裂。解决措施：250～300℃去应力退火。实际生产中，冷冲件、冷拉件、冷成型弹簧等都需要经过去应力退火后，才能使用。目的：避免工件的变形或开裂，并提高其耐蚀性。第6章金属的塑性变形分析6.3.

2再结晶再结晶是一个显微组织彻底改组、变形储存能充分释放、性能显著变化的过程。6.3.2.1再结晶现象再结晶过程示意图第6章金属的塑性变形分析6.3.2.2再结晶温度理论定义：冷变形金属开始再结晶的最低温度。测定：①金相法(出现第一个新晶粒的退火温度)②硬度法(软化50%的温度)∵无晶体结构类型和成分的变化，再结晶不是相变，无固定结晶温度，而是随条件在一定范围内变化。工业定义：经过较大冷变形（变形量>70%）的金属，经1小时退火能完全再结晶(或再结晶体积分数>95%)的最低温度。纯金属：T再≈0.35～0.45T熔 （单位：K）第6章金属的塑性变形分析某些工业纯金属的再结晶温度00第6章金属的塑性变形分析

铁和铝的开始再结晶温度与预先冷变形程度的关系a—电解铁；b—Al（99%）第6章金属的塑性变形分析6.3.3再结晶后的晶粒长大晶粒长大过程是金属加热时出现的普遍现象。∵晶粒长大在热力学上是自发过程，只要动力学条件允许，都会发生晶粒长大。再结晶完成后，继续升温或延长保温时间，都会使晶粒继续长大。根据再结晶后晶粒长大的特性，可分为两类：正常长大：大多数晶粒长大速率相差不多，几乎是均匀长大。异常长大(二次再结晶)：少数晶粒突发性的不均匀的长大。第6章金属的塑性变形分析晶粒的异常长大二次再结晶现象：已再结晶的少数晶粒突然异常长大。好象在再结晶后均匀、细小的等轴晶粒中又重新发生了再结晶。其实，二次再结晶无形核过程，只是一次再结晶形成的某些少数晶粒，其长大速率比绝大多数晶粒的长大速率快得多，吞并了其它晶粒而迅速长大，且越长越快。发生二次再结晶的原因：正常晶粒长大过程被分散相粒子、织构等强烈阻碍，使能够长大的晶粒尺寸比无阻碍时大，而能够长大的晶粒数目少，一旦阻碍消失，少数晶粒迅速长大。第6章金属的塑性变形分析晶粒异常长大过程

时间t1<t2<t3Fe-3%Si合金在1100℃退火组织（a）异常长大前（5min）；（b）异常长大后（20min）第6章金属的塑性变形分析二次再结晶的影响：二次再结晶会形成非常粗大的晶粒及很不均匀的组织，从而降低材料的强度和塑、韧性，还会降低再次冷加工工件的表面粗糙度。因此，在制定冷变形金属材料的再结晶退火工艺时，应注意避免发生二次再结晶。但对于某些磁性材料如硅钢片，可利用二次再结晶获得粗大晶粒，以改善其磁性能。第6章金属的塑性变形分析6.3.4再结晶的应用及其组织控制3.3.4.1再结晶退火：

金属再结晶→新的无应变的细小等轴晶粒→塑性变形所导致的各种性能改变消失→材料的性能恢复到冷变形前的水平。再结晶退火：将冷变形金属加热并保温一定时间使之完成再结晶后缓慢冷却到室温的热处理工艺。其应用有：中间退火：目的是消除冷变形金属的加工硬化效果及内应力，恢复塑性，便于继续冷加工。最终退火：细化晶粒，改善显微组织。再结晶退火工艺：加热温度高于再结晶温度，保温1~2小时，缓冷至室温。第6章金属的塑性变形分析6.3.4.2再结晶图再结晶图：再结晶退火后的晶粒大小与冷变形度及退火温度间关系的三维图形。可用作制定生产工艺规范的参考依据。图中有两个粗晶区：临界变形区；二次再结晶区。对于一般结构材料，制定变形及退火工艺时，应避开这两个区域。第6章金属的塑性变形分析6.4金属的热加工6.4.1

热加工与冷加工热加工：金属在再结晶温度以上的加工变形。实质：变形中加工硬化与动态软化同时进行的过程。动态软化包括：动态回复和动态再结晶。动态回复：材料在变形过程中发生的回复。动态再结晶：材料在变形过程中发生的再结晶。冷加工：形变时只发生加工硬化的加工变形。冷、热加工不能以加工温度的高低来区分，而应根据其再结晶温度来判定。第6章金属的塑性变形分析例：钨，T再=1200℃，1000℃的加工仍属冷加工；而铅，T再<15℃，20℃时的加工变形应属热加工。热加工时，有动态软化可以消除加工硬化(至少部分消除)，因此热加工中金属一直保持较高的塑性，可连续地进行大变形量加工。主要用于截面尺寸较大、变形量较大的产品，以及脆性较大的金属材料。温度高，流变强度下降，形变阻力小，动力消耗减少。第6章金属的塑性变形分析6.4.2热加工对金属组织和性能的影响6.4.2.1改善铸锭组织热加工可消除铸造材料中的某些缺陷，如焊合气孔、疏松；部分消除偏析；打碎粗大的柱状晶和树枝晶；改善夹杂物或脆性相的形态与分布。提高材料的致密性，细化晶粒，提高材料的力学性能，特别是塑、韧性比铸态有显著提高。受力复杂，负荷较大的重要工件，都要经过热加工。状态σb(Mpa)σ0.2(Mpa)δ(%)φ(%)ak(J/cm2)锻态

530310204556铸态500280152728WC=0.3%的碳钢铸态和锻态力学性能比较第6章金属的塑性变形分析6.4.2.2形成流线，使材料出现各向异性流线：夹杂物、第二相、偏析等沿变形方向分布，在经浸蚀的宏观磨面上出现的纤维组织。顺流线方向性能高(特别是塑、韧性)，垂直于流线方向性能较差。钢坯测定方向σb(Mpa)σ0.2(Mpa)δ(%)φ(%)ak(J/cm2)纵向

71547017.562.862横向67544010.031.030流线方向对45钢力学性能的影响第6章金属的塑性变形分析低碳钢热加工后的流线第6章金属的塑性变形分析受力简单的零件，热加工时应使流线与零件工作时受到的最大拉应力方向一致，而与外加的切应力和冲击方向相垂直。

(a)流线分布正确，(b)

不正确。易受疲劳剥蚀的零件，应尽量使流线与工作表面平行，不在工作表面露头。(轴承套圈)受力复杂零件，不要有明显的流线分布，则镦粗和拔长结合。曲轴流线分布第6章金属的塑性变形分析6.4.2.3形成带状组织带状组织：在经过压延的金属材料中常常出现的组织。加工时存在两相，两个相都沿变形方向伸长，在纵切面上形成两相相间的条带状组织。1Cr13：白色相，铁素体；黑色相，由奥氏体转变成的珠光体。Cr12：白色碳化物颗粒成带状分布，黑色基体为珠光体。由偏析造成的，压延时偏析区沿变形方向伸长成条带状，冷却时偏析区成分不同，转变成的组织不同。亚共析钢中，枝晶间富P、Si等，提高GS温度，先共析F在此形核长大(白色区)，F析出后，使C向两侧扩散，富C区随后转变为P。非金属夹杂物也会在加工中被拉长(或碎成小粒成串链状)，先共析F通常会依附于它们而析出，形成带状组织。第6章金属的塑性变形分析热轧低碳钢板的带状组织