金属材料的基础知识-金属的冷、热加工及再结晶（航空材料）

变形金属的组织与性能趋于稳定变形金属发生：回复→再结晶→晶粒长大冷变形内能升高（处于不稳定状态）常温时转变不易实现（原子扩散能力小）加热（原子扩散能力增加）加热温度升高向低能状态转变（1）定义是指加热温度较低，由于金属中的点缺陷及位错的近距离迁移而引起的某些晶内的变化。（2）特点原子活动能力不大；变形金属的显微组织不发生显著变化；强度和硬度略有降低，塑性略有回升；残余内应力基本消除1.回复：T回=（0.25-0.3)T熔2.再结晶：T再=0.4T熔

（1）定义

当变形金属加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程。（2）特点

再结晶也是晶核形成和长大的过程；再结晶前后晶粒晶格类型不变、化学成分不变，只改变晶粒形状，因此再结晶不发生相变；再结晶不是在恒温下进行的，而是在一定的温度范围进行；

经过再结晶的金属强度、硬度下降，塑性、韧性上升，所有性能回复到变形前的水平。

（3）影响再结晶温度的因素变形程度（主要因素）

变形程度越大，晶体中缺陷就越多，组织就越不稳定，再结晶驱动力就大，再结晶温度就越低。金属的纯度溶质或杂质原子与位错、晶界存在交互作用，对位错的运动和晶界的迁移起到阻碍作用，再结晶的温度就要升高原始晶粒尺寸原始晶粒越细，变形抗力越大，冷变形后储存能就越多，再结晶温度越低。3.晶粒长大随温度升高或保温时间延长，晶粒会继续长大，金属晶界的总面积减少，金属能量降低。（大晶粒吞并小晶粒、晶界迁移来实现的）晶粒长大对金属的力学性能是不利的，它会使金属的塑性、韧性明显下降，所以要避免晶粒长大。4.影响再结晶后晶粒尺寸的主要因素（1）加热温度和保温时间

加热温度越高，晶粒长大越快，保温时间越长，晶粒越粗大。（2）变形程度对晶粒尺寸的影响

变形程度很小时不会发生再结晶；当达到2%-10%时，再结晶后的晶粒特别粗大，这个变形程度称为临界变形程度；超过临界变形程度后，随着变形量增大，再结晶后的晶粒越来越细；当变形程度大于95%后，又会出现再结晶后晶粒粗大。回复阶段：显微组织仍为纤维状、晶粒外形无变化；再结晶阶段：变形晶粒通过形核与长大，拉长的晶粒逐渐变为新的无畸变的等轴晶粒；晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定形状和尺寸。5.小结（1）显微组织的变化回复阶段：强度硬度略有下降，塑性略有提高，内应力大幅降低。再结晶阶段：强度硬度明显下降，塑性明显提高，内应力全部消除，基本恢复到变形前的水平。晶粒长大阶段：强度硬度继续下降，塑性、韧性降低。（2）性能的变化金属冷热加工的目的：获得需要的形状和尺寸金属冷热加工的方法：轧制、锻造、挤压、冲压、拉拔压力加工塑性变形组织和性能改变加热、回复、再结晶模锻自由锻轧制正挤压反挤压拉拔冲压1.单晶体的塑性变形方式单晶体的塑性变形方式：滑移和孪生。外力单晶体正应力：晶格距离加大，弹性变形、断裂切应力：塑性变形最基本、最重要的变形方式滑移（1）滑移：

在切应力的作用下，晶体的两个部分之间沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）发生的相对移动。滑移原理图1晶体在切应力作用下的变形a.未变形b.弹性变形c.弹塑性变形d.塑性变形单晶体未受到外力时，原子处于平衡位置（图a）；切应力τ较小时，晶格发生弹性歪扭（图b），此时去除外力，切应力消失，晶格弹性歪扭也随之消失，晶体恢复到原始状态；当τ增大到超过原子间结合力时，则某个晶面两侧的原子将发生相对滑移，滑移距离为原子间距的整数倍（图c)此时如除去外力，晶格弹性歪扭随之消失，而滑移到新位置的原子已不能回到原来位置，在新的位置上处于平衡状态（图d），即塑性变形。以上原因使得晶体产生微量的塑性变形，许多晶面滑移的总和，就产生了宏观的塑性变形。图2通过位错运动实现滑移的示意图滑移由滑移面上的位错运动实现刃型位错在切应力的作用下由滑移面的一端运动到另一端，从而造成的一个原子间距的滑移过程。晶体在外力作用下不断增殖新的位错，大量的位错移出晶体表面就产生了宏观的塑性变形。图3通过位错运动实现滑移的动画演示图图4单晶体的滑移动画示意图滑移特点滑移只能在切应力下产生。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的晶向进行。滑移是通过滑移面上的位错运动来实现的。滑移时，两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍。滑移时不引起晶格类型的变化。（2）孪生：

切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）进行剪切变形的现象。

孪生带：剪切变形的部分图5孪生过程示意图孪生特点：孪生带的晶体位向与原来不一致孪生所需的剪切应力要比滑移大得多，一般只有在滑移很难进行的场合才发生孪生变形。孪生带中相邻原子面的相对位移量小于一个原子。hcp：常以孪生方式变形；（对称性低，滑移系少）bcc：只有在低温拉伸或受到冲击载荷时才发生孪生变形；fcc：容易滑移变形，一般不发生孪生变形。hcp：常以孪生方式变形；（对称性低，滑移系少）bcc：只有在低温拉伸或受到冲击载荷时才发生孪生变形；fcc：容易滑移变形，一般不发生孪生变形。金属冷热加工的目的：获得需要的形状和尺寸金属冷热加工的方法：轧制、锻造、挤压、冲压、拉拔压力加工塑性变形组织和性能改变加热、回复、再结晶模锻自由锻轧制正挤压反挤压拉拔冲压多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形晶内变形：许多个单晶塑性变形的总和晶间变形：晶粒间的滑移和转动晶粒越细

变形分散在更多的晶粒内

不产生过分的应力集中现象变形更均匀晶界越多越曲折

断裂前发生较大的塑性变形不利于裂纹传播晶粒越细，强度越高、塑性韧性越好加工硬化（冷作硬化）：金属在变形后强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。产生加工硬化原因：随变形量增加，位错密度增加，由于位错之间的交互作用，变形抗力增加。加工硬化的意义：重要的强化手段，特别是不能用热处理来强化的金属。有利于金属进行均匀变形。3.塑性变形后金属的组织与性能（1）位错密度增加，产生加工硬化纤维组织：金属发生塑性变形时，金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质沿着变形方向被拉长呈纤维形状，这种结构称纤维组织。（2）冷塑性变形引起的各向异性平行于纤维方向：塑性、韧性提高，抗拉强度增加；垂直于纤维方向：塑性、韧性下降，抗剪能力提高。变形织构：晶粒位向有序化结构。在塑性变形过程中，由于晶粒转动，当变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致。变形织构的出现会导致材料呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象。各向异性导致的铜板“制耳”有无残余内应力：平衡于金属内部的应力，由金属内部不均匀变形引起。分类宏观内应力－金属表层和心部变形不均匀；微观内应力－相邻晶粒变形不均匀；晶格畸变应力－位错等缺陷的增加造成，变形强化原因。残余内应力的危害

引起零件加工过程变形、开裂。

降低耐蚀性残余内应力的消除或降低

——去应力退火（3）产生残余内应力1.冷、热加工的概念及特征热加工冷加工概念在再结晶温度以上的塑性变形（热变形）在再结晶温度以下的塑性变形（冷变形）特征金属材料产生的加工硬化现象被消除，且变形抗力小，加热可提高材料塑性材料有加工硬化现象、变形抗力大、低塑性材料变形困难一、金属的冷、热变形加工2.金属热加工时组织和性能的变化（1）可改变金属材料内部夹杂物的形状及分布情况，形成“流线”（2）细化晶粒（3）焊合气孔、疏松，消除成分不均匀（4）热加工时金属塑性好（5）热加工时金属表面有氧化塑性变形后金属的组织与性能（一）位错密度增加，产生加工硬化加工硬化（冷作硬化）：金属在变形后强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现