2017年首钢杯轧钢工培训(金属学)-4塑性变形与再结晶

2017年首钢杯轧钢工培训(金属学)-4塑性变形与再结晶第一页，共40页。第四讲金属的塑性变形与再结晶

§4-1金属的塑性变形

§4-2回复与再结晶

首钢技师学院回主页回目录第二页，共40页。学习指导学习重点：知道单晶体和多晶体的塑性变形概念；知道再结晶的基本概念，再结晶过程和对金属材料性能的影响。知道冷、热变形对金属组织和性能的影响。

学习难点：单晶体和多晶体的塑性变形概念，再结晶的基本概念和再结晶过程对金属材料性能的影响。

首钢技师学院回主页回目录第三页，共40页。§4-1

金属的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形二、金属多晶体的塑性变形

三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化

首钢技师学院回主页回目录第四页，共40页。一、金属单晶体的塑性变形

1、单晶体受力分析

2、金属变形的过程3、单晶体的塑性变形方式4、断裂

首钢技师学院回主页回目录第五页，共40页。1、单晶体受力分析：

单晶体受力F，可分解成垂直于晶面的正应力σN和平行于晶面的切应力τ

；正应力只能导致金属材料断裂；切应力才能使金属材料产生塑性变形。

首钢技师学院回主页回目录ZYXσ1σ2σ3σNτxτz第六页，共40页。2、金属变形的过程

具有一定塑性的金属材料受到外力的作用发生变形直至破坏的过程可以分成三个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂。塑性变形弹性变形

首钢技师学院回主页回目录第七页，共40页。3、单晶体的塑性变形方式一般认为，金属的塑性变形是以滑移和孪生的方式进行。滑移－在切应力的作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分发生位移的现象。

首钢技师学院回主页回目录滑移位错未变形弹性变形弹塑性变形塑性变形第八页，共40页。孪生－在切应力的作用下，晶体的一部分以一定的晶面为对称面与晶体的另一部分发生了均匀的切变。

首钢技师学院回主页回目录第九页，共40页。4、断裂金属的断裂分为脆性断裂和延性断裂两类。断裂方式脆性断裂－当正应力σN大于原子间的平衡力时，晶体断裂，称为脆断。延性断裂－当切应力很大时，晶体在产生一定的塑性变形后，也将被切断破坏，称为延性断裂。

首钢技师学院回主页回目录σσττ第十页，共40页。脆性断裂示意图σσσσσσ

首钢技师学院回主页回目录第十一页，共40页。延性断裂示意图ττττττ

首钢技师学院回主页回目录第十二页，共40页。二、金属多晶体的塑性变形1、晶界及晶粒位向的影响⑴晶界抵抗塑性变形的能力较大。

⑵多晶体中，由于各个晶粒的位向不同，若某一晶粒要发生滑移，必然要克服相邻晶粒的阻力之后才能发生滑移。

晶粒越细，晶界面积及不同位向晶粒越多，金属的塑性变形抗力就大，强度和硬度越高。

晶粒越细可能发生滑移的晶粒越多，变形可以分散在更多的晶粒内进行，故塑性、韧性越大。

首钢技师学院回主页回目录第十三页，共40页。2、多晶体的塑性变形过程

软位向：凡滑移面和滑移方向位于或接近于与外力成45°方位的晶粒将首先发生滑移变形，这些位向称为软位向。

首钢技师学院回主页回目录PP软位向第十四页，共40页。硬位向：凡滑移面和滑移方向位于或接近于与外力平行或成90°方位（垂直）的晶粒将很难发生滑移变形，这些位向称为硬位向。

首钢技师学院回主页回目录PP硬位向第十五页，共40页。三、金属材料的冷塑性变形与加工硬化1、冷塑性变形对金属组织的影响2、冷塑性变形对金属性能的影响

首钢技师学院回主页回目录第十六页，共40页。1、冷塑性变形对金属组织的影响⑴改变金属显微组织金属的晶粒形状由原先的等轴晶粒逐渐改变为沿变形方向伸长的晶粒，强烈变形后的组织称为纤维组织。⑵亚结构细化产生大量的晶内亚结构（亚晶）。

首钢技师学院回主页回目录等轴晶粒伸长的晶粒亚晶第十七页，共40页。⑶产生形变织构金属本身是由许多杂乱分布的晶粒相互不规则地嵌合所组成，变形时各个晶粒通过沿一定晶面和晶向的滑移和转动，晶粒取向就与金属延伸方向呈一定关系，使各晶粒位向（即晶面和晶向）趋于一致，这种组织叫形变织构。

首钢技师学院回主页回目录第十八页，共40页。

①丝织构

在拉拔和挤压条件下形成的织构称为丝织构。各个晶粒有一个共同晶向相互平行，并与拉伸轴线一致，以此晶向来表示丝织构，如：面心立方晶格（金、银、铜等）的丝织构为［111］和［100］；体心立方晶格（α-Fe、钨、钼等）的丝织构为［110］。

首钢技师学院回主页回目录YXZ［110］［111］YXZ［100］第十九页，共40页。②板织构

在轧制条件下形成的织构称为板织构。由于晶面与轧制面平行，晶向与轧制方向一致，因此，板织构用晶面与晶向共同来表示。如：体心立方晶格金属的（100）晶面∥轧制面，［011］晶向∥轧制方向，由此构成的板织构则表示为（100）［011］。

首钢技师学院回主页回目录YXZ［011］（100）第二十页，共40页。2、冷塑性变形对金属性能的影响⑴产生加工硬化

加工硬化是指金属随着冷塑性变形程度的增加，强度和硬度逐渐升高，塑性和韧性逐渐降低的现象。⑵产生各向异性

产生纤维组织后，顺其变形方向的强度和塑性远高于垂直于变形方向。⑶对物理化学性能的影响降低金属的导电性和导热性；降低磁性材料的导磁性能；降低抗腐蚀性能。

首钢技师学院回主页回目录第二十一页，共40页。

§4-2回复与再结晶一、回复与再结晶二、热加工变形对组织与性能的影响

首钢技师学院回主页回目录第二十二页，共40页。一、回复与再结晶1、回复2、再结晶3、晶粒的长大4、影响再结晶温度的因素

首钢技师学院回主页回目录第二十三页，共40页。冷塑性变形的金属材料其组织处于不稳定阶段，有自发恢复到稳定状态的趋势。但在室温下，由于金属原子活动能力与范围太小，导致冷加工后的不稳定状态将得以维持而不发生变化。如果将金属加热，增加原子的活动能力，就会加速这种不稳定状态的转化，发生一系列组织结构和性能的变化，这种变化分为三个阶段：第一阶段显微组织无变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状，称为回复阶段；第二阶段完全变成新的等轴晶粒，称为再结晶阶段；第三阶段称为晶粒长大阶段。

首钢技师学院回主页回目录第二十四页，共40页。1、回复⑴回复的定义回复就是冷变形金属在加热温度较低时，通过金属中的一些点缺陷和位错的迁移，使晶格畸变逐渐降低，残余应力逐渐减小的过程。⑵组织与性能的变化由于金属晶粒的大小和形状基本保持不变，所以，其强度、硬度、塑性和韧性基本不变，只是内应力减小，电阻率降低。

首钢技师学院回主页回目录第二十五页，共40页。2、再结晶

冷变形金属加热到较高温度时，将形成一些位向与变形晶粒不同的和内部缺陷较少的等轴晶粒，这些小晶粒不断向周围的变形金属扩展长大，直到金属的冷变形组织完全消失为止，这一过程称为金属的再结晶。

首钢技师学院回主页回目录变形晶粒等轴晶粒形核新晶粒长大第二十六页，共40页。3、晶粒的长大晶粒的长大是一个自发的过程。因为晶粒长大可以减小晶界的面积，降低表面能。

晶粒长大的过程实际上是一个晶界迁移的过程，是通过大晶粒吞并小晶粒来实现的。

首钢技师学院回主页回目录第二十七页，共40页。随着温度的升高，晶粒长大，单位面积内的晶界数量减少，强度、硬度下降，塑性和韧性先升高后下降，原因是温度刚升高时，金属组织均匀化，促使塑性和韧性升高，但继续升温，则晶粒粗化，导致塑性和韧性下降。

首钢技师学院回主页回目录第二十八页，共40页。回复与再结晶对性能的影响示意图

首钢技师学院回主页回目录回复再结晶晶粒长大温度晶粒尺寸塑性强度内应力第二十九页，共40页。再结晶温度－金属能够进行再结晶过程的最低温度。

再结晶时新旧晶粒的晶格结构和成分完全相同，所以再结晶不是相变过程，没有恒定的转变温度。

再结晶过程的原动力主要是变形晶粒的畸变能。

再结晶过程能否进行主要取决于金属中畸变能的高低和金属原子扩散过程能否充分进行。

首钢技师学院回主页回目录第三十页，共40页。4、影响再结晶温度的因素

⑴预先的变形程度

变形程度越大，金属畸变能越高，向低能量状态变化的倾向也就越大，因此再结晶温度较低。

例1：冷轧薄板时，当成品厚度较小时，压下率大，再结晶温度就低，因而在退火时温度也较低；

当厚度较大时，钢板压下率较小，再结晶温度相对地就要提高，退火温度相应的也有所提高。

首钢技师学院回主页回目录第三十一页，共40页。⑵原始晶粒度

原始晶粒粗大，变形阻力小，变形后内能集聚较少，所以要求再结晶温度较高，相对应的退火温度就高一些。

⑶金属纯度和成分

当金属中含有少量合金元素和夹杂时，在多数情况下需要提高再结晶温度。

当合金元素含量较高时，要视合金元素对基体原子扩散速度的影响，以及合金元素对再结晶形核时表面能的影响而定。

首钢技师学院回主页回目录第三十二页，共40页。二、热加工变形对组织与性能的影响1、热加工与冷加工的区别2、热加工对金属组织和性能的影响

首钢技师学院回主页回目录第三十三页，共40页。1、热加工与冷加工的区别

由于冷加工变形会引起金属的加工硬化，变形抗力大，故对于那些变形量较大、特别是截面尺寸较大的工件，冷加工变形便十分困难；

另外，对于某些较硬（W、Mo）或塑性极低（Zn等）的金属，甚至不可能对其进行冷加工，而必须进行热加工。

首钢技师学院回主页回目录第三十四页，共40页。从金属学的观点来看，金属在其再结晶温度以上进行的加工变形称为热加工；在其再温度以下进行的加工变形称为冷加工。（注意：不是以具体的加工温度高低来划分冷、热加工的）。

如：铁的最低再结晶温度为450℃，故即使它在400℃加工变形仍属于冷加工；

铝的再结晶温度在0℃以下，故它在室温度的加工变形就属热加工。

首钢技师学院回主页回目录第三十五页，共40页。2、热加工对金属组织和性能的影响⑴改善钢锭和钢坯的组织和性能⑵产生热加工纤维组织⑶可能产生带状组织