第二章金属的晶体结构与结晶

河北机电职业技术学院机械系第二章金属的晶体结构与结晶124335第一节纯金属的晶体结构第二节纯金属的结晶第三节合金的晶体结构第四节二元合金相图第五节金属的塑形变形与再结晶返回本章内容第一节纯金属的晶体结构一、晶体与非晶体物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将固态物质分为晶体和非晶体两大类。1.非晶体固态物质内部原子呈无规则堆积的聚集状态称为非晶体，如松香、玻璃、沥青、石蜡等都属于非晶体。 特点：1、非晶体材料往往没有固定的熔点，随着温度的升高，固态非晶体将逐渐变软，最终成为有流动性的液体，而其液体冷却时逐渐稠化，最终变成固体。

2、非晶体在各个方向的性能是相同的，即所谓各向同性。上一页下一页返回第一节纯金属的晶体结构

2.晶体固态下原子呈规则排列而形成的聚集状态称为晶体，如纯铝、纯铁、纯铜等都属于晶体。

特点：绝大多数金属和合金在固态下都属于晶体，晶体通常具有固定的熔点和各向异性等特性。注意：晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化。二、晶体结构的基本概念1.晶格晶体内部原子是按一定的几何规律排列的，为了便于理解，把金属内部的原子近似地看成是刚性小球，则金属晶体就可看成是由刚性小球按一定几何规则紧密堆积而成的物体，如图2-1(a)所示。上一页下一页返回第一节纯金属的晶体结构为形象地描述晶体内部原子的排列规律，可以将原子抽象为一个个的几何点，用假想的线条将这些点连接起来，构成有明显规律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架称为晶格，如图2-1(b)所示。2.晶胞由图2-1(b)可知，晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞，如图2-1(c)所示。上一页下一页返回图2-1晶体内部原子排列、晶格及晶胞三、金属晶格的类型工业上常用的金属中，除少数具有复杂晶体结构外，室温下有85%~90%金属的晶体结构都属于比较简单的三种类型:第一节纯金属的晶体结构体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。

1.体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在立方体中心有一个原子，八个顶角各排列一个原子，因每个顶角上的原子同属于周围八个晶胞所共有，故晶胞中实际原子数为1/8x8+1=2(个)，如图2-2所示。属于这种晶格类型的金属有铬(Cr),钒(V)、钨(W),钼(Mo)及a-铁(a-Fe)等金属。上一页下一页返回图2-2体心立方晶格晶胞示意图特点：晶体结构为体心立方晶格的金属材料，其强度较大而塑性相对较差一些。第一节纯金属的晶体结构2.面心立方晶格晶胞也是一个立方体，在立方体六个面的中心和八个顶角各有一个原子，因每个面中心的原子同属于两个晶胞所共有，故晶胞中实际原子数为1/8x8+1/2x6-4(个)，如图2-3所示。属于这种晶格类型的金属有铝(Al)、铜(Cu)、铅(Pb),镍(Ni)及γ-铁(γ-Fe)等金属。上一页返回特点：晶体结构为面心立方晶格的金属材料，其强度较低而塑性很好。图2-3面心立方晶格晶胞示意图3.密排六方晶格密排六方晶格晶胞如图2-4所示，该晶胞是一个六方柱体，在六方柱体的十二角和上下底面中心各有一个原子，在顶面和底面之间还有3个原子。图2-4密排六方晶格晶胞示意图第二节纯金属的结晶一、纯金属的结晶过程金属材料的成型通常需要经过熔炼和铸造，即经历由液态变成晶体状态的结晶过程。1.金属结晶的条件金属结晶的温度和结晶过程的规律可以通过热分析法进行研究，热分析法装置如图2-5所示。下一页返回图2-5热分析法装置示意图热分析法过程：将熔化为液体的纯金属缓慢冷却下来，在冷却过程中，每隔一定的时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在温度一时间的坐标图中，绘制成表示金属结晶过程的曲线，称为金属的冷却曲线，如图2-6所示。图2-6纯金属冷却曲线由冷却曲线可见，当液体金属缓慢冷却到a点时，液体金属开始结晶，到b点结晶终了，a~b两点之间的水平线即为结晶阶段，它所对应的温度就是纯金属的结晶温度。第二节纯金属的结晶在实际生产中，金属结晶时的冷却速度较快，液态金属总是冷却到理论结晶温度以下的某一温度T1才开始结晶，如图2-7所示。上一页下一页返回图2-7纯金属实际结晶时的冷却曲线第二节纯金属的结晶当液态金属的温度下降到接近T1时，从液体中首先形成一些按一定晶格类型排列的微小晶体，这些小晶体很不稳定，遇到热流和振动就会立即消失。但是，在过冷度存在的条件下，一些稍大一点的细微小晶体的稳定性较好，有可能进一步长大成为结晶的核心，我们称其为晶核。晶核的形成过程称为形核，而这种只依靠液体本身在一定过冷度条件下形成晶核的过程叫做自发形核。(2)长大晶核形成之后，会吸附其周围液态中的原子不断长大，这时，形核与长大两个过程是同时在进行着的。晶核长大会使液态金属的相对量逐渐减少。上一页下一页返回2.纯金属的结晶过程实验证明，纯金属的结晶是晶体在液体中从无到有、由小变大的过程，即晶核的形成与长大的过程。(1)形核第二节纯金属的结晶开始时各个晶核自由生长，并保持着规则的外形，当各个生长着的小晶体彼此接触后，接触处的生长过程自然停止。因此，晶体的规则外形遭到破坏。当每个晶核长大到互相接触、液态金属耗尽时，结晶过程结束。纯金属的结晶过程如图2–8所示。特点：每个长大了的晶核就成为一个晶粒，晶粒与晶粒之间自然形成的界层称为晶界。金属中的夹杂物往往聚集在晶界上，晶界处的金属原子由于受相邻晶粒的影响，原子排列不是很规则。上一页下一页返回图2-8纯金属结晶过程示意图为了观察金属内部晶体或晶粒的大小、方向、形状和排列状况等组成关系，通常需要把金属材料制成试样，经处理后借助于金相显微镜进行观察，即观察金属的显微组织。第二节纯金属的结晶二、纯铁的同素异晶转变大多数金属结晶后，其晶格不再发生变化，但也有少数金属(如铁、铬、锡、钴、钛等)在固态时会发生晶格类型的转变，这种在固态下随温度的变化由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构晶变。

同素异晶转变也是成核长大过程。上一页下一页返回图2-9所示为纯铁的冷却曲线，其表示了纯铁的结晶和同素异晶转变过程。图2-9纯铁的冷却曲线意义：纯铁的同素异晶转变是钢铁材料通过热处理改变其组织并获得所需性能的理论依据。特点：纯铁发生同素异晶转变时会产生较大的内应力，金属的体积也发生变化。第二节纯金属的结晶三、实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.实际金属的晶体结构单晶体：金属内部的晶格位向完全一致的晶体。如图2-10(a)所示。特点：1、单晶体在自然界几乎不存在，但可用人工方法制成某些单晶体(如单晶硅、冰糖)。2、晶体具有各向异性的特点，但工业上实际使用的金属材料，一般不具有各向异性，这是因为实际应用的金属材料通常是多晶体材料。上一页下一页返回图2-10金属的晶体结构示意图多晶体材料：是指一块金属材料中包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格位向是一致的，而各小晶体之间彼此方位不同。这种由许多小晶体组成的晶体结构称为多晶体结构，如图2-10(b)所示。特点：1、在多晶体中，由于每个晶粒的晶格位向不同，所以晶界上原子的排列总是不规则的。图2-10金属的晶体结构示意图2、多晶体金属之所以测不出各向异性，就是因为其每个晶粒虽然具有各向异性的特点，但由于多晶体内各晶粒的晶格位向互不一致，他们自身的各向异性相互抵消，故表现出各向同性，称为“伪各向同性”。第二节纯金属的结晶2.晶体缺陷定义：晶体中原子排列不规则的区域。分类：按缺陷的几何形态，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。特点：三种晶体缺陷都会造成晶格畸变，使变形抗力增大，从而提高材料的强度和硬度。上一页下一页返回第二节纯金属的结晶晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位;某个晶格间隙挤进了原子，则此原子称为间隙原子;当异类原子占据晶格的位置时，则此异类原子称为置换原子。上一页下一页返回(1)点缺陷(空位、间隙原子置换原子)如图2-11所示。图2-11点缺陷特点：1、空位、间隙原子和置换原子使周围的晶格偏离了理想晶格，即发生了“晶格畸变”；2、点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，点缺陷是动态变化着的，它是造成金属中物质扩散的原因。第二节纯金属的结晶如图2-12所示为刃型位错的几何模型，在这个晶体的某一水平面(ABCD)的上方多出一个原子面(EFGH)，中断于ABCD面上的EF处，这个原子面如同刀刃一样插入晶体，使晶体中以EF为中心线的附近一定范围的区域内原子位置都发生错动。位错线中心的原子错动最大，晶核畸变严重，离位错线越远，晶格畸变越小，直至恢复正常。上一页下一页返回(2)线缺陷(位错)线缺陷是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体中最普通的线缺陷就是位错，位错的主要类型有螺型位错和刃型位错。图2-12刃型位错的几何模型特点：位错很容易在晶体中移动，对金属的塑性变形、强度、扩散和相变等力学性能和物理化学性能都起着重要的作用。位错的产生会使金属的强度提高，但塑性和韧性下降。第二节纯金属的结晶(3)面缺陷(晶界、亚晶界)晶界定义：实际上金属多是由大量外形不规则的晶粒组成的多晶体。晶界可以被看成是两个邻近晶粒间具有一定宽度的过渡地带，晶界处的原子排列是不规则的，处于不稳定的状态，如图2-13(a)所示。亚晶界定义：在电子显微镜下观察晶粒可以看出，每个晶粒都是由一些小晶块组成，这些小晶块称为亚晶粒。两个亚晶粒的边界是由一系列刃形位错构成的角度特别小的晶界，称为亚晶界，如图2-13(b)所示。上一页下一页返回特点：面缺陷主要是指晶界与亚晶界。面缺陷同样使晶格产生畸变，能提高金属材料的强度。图2-13面缺陷示意图综述：纯金属的晶体结构不仅是多晶体的，而且还存在许多晶体缺陷，尽管从晶体的整体性来看，这些缺陷是局部的、少量的，但对金属的性能却有重大的影响。第二节纯金属的结晶第二节纯金属的结晶四、晶粒大小与细化晶粒的方法细化晶粒的原因：晶粒大小对力学性能的影响很大，在室温下，一般情况是金属的晶粒越细，其强度、硬度越高，塑性、韧性越好，这种现象称为细晶强化。因此，细化晶粒是改善材料力学性能的重要措施。细化晶粒的根本途径：是提高形核率和降低晶核长大速度。常用细化晶粒的方法： 1.增加过冷度 2.变质处理 3.振动处理上一页下一页返回第二节纯金属的结晶

2.变质处理在浇注前向液态金属中加入一些细小的变质剂(又称孕育剂)，以增加形核率或降低晶核长大速度，获得细小的晶粒，这种方法称为变质处理(或孕育处理)。3.振动处理金属在结晶时，对液态金属加以机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎，破碎的枝晶又可作为结晶核心，增加形核率，达到细化晶粒的目的。上一页返回1.增加过冷度金属的形核率和长大速度均随过冷度而发生变化，如图2-14所示，但两者变化速度并不相同，在很大范围内形核率比晶核长大速度增长更快，因此，增加过冷度能使晶粒细化。图2-14形核率和长大速度与过冷度的关系第三节合金的晶体结构一、概念1.合金定义：是由一种金属元素为主导，加入其他金属或非金属元素，经过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的材料。合金特点：同纯金属相比，合金材料具有优良的综合性能，应用比纯金属要广泛得多。

2.组元定义：是组成合金的最基本的独立物质，简称元。特点：组元可以是金属或非金属元素，如铁、碳、铜和锌等元素。有时较稳定的化合物也可以构成组元。普通黄铜是由铜和锌两种金属元素组成的二元合金。下一页返回第三节合金的晶体结构

3.相定义：合金中具有同一种化学成分且其晶体结构及性能相同的均匀组成部分称为相，相与相之间有明显的界面。特点：1、液态物质称液相，固态物质称固相；2、若合金是由成分、结构都相同的同一种晶粒构成的，各晶粒之间虽有界面分开，但它们仍属于同一种相;3、若合金是由成分、结构都不相同的几种晶粒构成的，则它们属于不同的几种相；4、金属与合金的一种相在一定条件下可以变为另一种相，叫做相变。

4.合金组织定义：数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金组织，组织可由单相组成，也可由多相组成。上一页下一页返回第三节合金的晶体结构特点：合金的性能一般由组成合金各相的成分、结构、形态、性能及各相的组合形式共同决定，组织是决定材料性能的最终关键因素。二、合金的相结构分类：根据合金中晶体结构特征，合金的基本相结构分为固溶体、金属化合物和机械混合物。1.固溶体定义：合金由液态结晶为固态时，一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相称为固溶体，其中，溶入的元素称为溶质，而基体元素(占主要地位)称为溶剂。固溶体的晶格类型仍然保持溶剂的晶格类型。上一页下一页返回分类：根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。第三节合金的晶体结构(1)间隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格原子间隙之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体，如图2-15(a)所示。间隙固溶体的溶质都是些原子半径很小的非金属元素。(2)置换固溶体上一页下一页返回图2-15固溶体类型及晶格畸变溶质原子置换溶剂晶格结点上的部分原子而形成的固溶体，称为置换固溶体，如图2-15(b)所示。置换固溶体中溶质与溶剂元素的原子半径相差越小，则溶解度越大。特点：1、无论是间隙固溶体还是置换固溶体，由于溶质原子的融入，都使晶体的晶格发生了畸变。 2、晶格畸变使位错运动阻力增大，从而提高了合金的强度和硬度，但塑性下降，此现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。第三节合金的晶体结构2.金属化合物定义：是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新相，其晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。3.机械混合物定义：当组成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在，形成各组元晶体的机械混合物。上一页下一页返回特点：1、组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。2、混合物中的各组成相既不溶解，也不化合，它们仍然保持各自的晶格结构，其力学性能取决于各组成相的性能，并由其各自形状、大小、数量及分布而定。它比单一的固溶体或金属化合物具有更高的综合性能。通过调整混合物中各组成相的数量、大小、形态和分布状况，可以使合金的力学性能在较大范围内变化，以满足工程上对材料的多种需要。第四节二元合金相图一、二元合金相图的建立在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分，因此二元合金相图可用温度一成分坐标系的平面图来表示。合金发生相变时，必然伴随有物理、化学性能的变化，因此测定合金系中各种成分合金的相变的温度，可以确定不同相存在的温度和成分界限，从而建立相图。建立相图最常用的实验方法是热分析法、膨胀法和射线分析法等。二、匀晶相图两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应的合金系，称为匀晶系并构成匀晶相图。下一页返回第四节二元合金相图

Cu-Ni相图(图2-17)为典型的匀晶相图。图2-17中acb线为液相线，该线以上合金处于液相;adb线为固相线，该线以下合金处于固相。液相线和固相线表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终点以及加热时熔化的终点和始点。三、共晶相图两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生共晶反应的合金系，称为共晶系并构成共晶相图。四、包晶相图两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生包晶反应的合金系，称为包晶系并构成包晶相图。上一页下一页返回第四节二元合金相图五、共析相图除了上述三个基本相图以外，还经常用到一些特殊相图，如共析相图。如图2-20所示，其下半部分为共析相图，形状与共晶相图相似。d点成分(共析成分)的合金(共析合金)从液相经匀晶反应生成Y相后，继续冷却到d点温度(共析温度)时，发生共析反应，共析反应的形式类似于共晶反应，其区别在于它是由一个固相在恒温下同时析出两个固相，反应式为,此两相的混合物称为共析体(层片相间)。各种成分的合金的结晶过程的分析同于共晶相图。但因共析反应是在固态下进行的，所以共析产物比共晶产物要细密得多。上一页下一页返回第四节二元合金相图六、合金的性能与相图的关系1.合金的力学性能和物理性能相图能够反映出不同成分合金室温时的组成相和平衡组织，而组成相的本质及其相对含量、分布状况又将影响合金的性能。如图2-21所示表明了相图与合金力学性能及物理性能的关系。图2-21所示表明，合金组织为两相混合物时，若两相的大小与分布都比较均匀，合金的性能大致是两相性能的算术平均值，即合金的性能与成分呈直线关系。此外，当共晶组织十分细密时，其强度、硬度会偏离直线关系而出现峰值。单相固溶体的性能与合金成分呈曲线关系，能够反映出固溶强化的规律，而在对应化合物的曲线上则出现奇异点。上一页下一页返回第四节二元合金相图

2.合金的铸造性能图2-22所示为合金铸造性能与相图的关系。其中，液相线与固相线间隔越大，其流动性越差，越易形成分散的孔洞(称分散缩孔，也称缩松)。共晶合金熔点低，流动性最好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔。因此，铸造合金宜选择共晶或近共晶成分，有利于获得优质铸件。

3.相图的局限性1)相图只给出了平衡状态的情况，而平衡状态只有在很缓慢冷却和加热或者在给定温度长时间保温的条件下才能满足，而实际生产条件下合金很少能达到平衡状态。上一页下一页返回第四节二元合金相图因此，用相图分析合金的相和组织时，必须注意该合金非平衡结晶条件下可能出现的相和组织以及与相图反映的相和组织状况的差异。2)相图只能给出合金在平衡条件下存在的相、相的成分和其相对量，并不能反映相的形状、大小和分布，即不能给出合金组织的形貌状态。此外要说明的是，二元相图只反映二元系合金的相平衡关系，实际使用的金属材料往往不只限于两个组元，必须注意其他元素加入对相图的影响，尤其是其他元素含量较高时，二元相图中的相平衡关系可能完全不同。上一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶一、金属的塑性变形金属在外力作用下产生变形，其变形过程包括弹性变形和塑性变形两个阶段。弹性变形在外力去除后能够完全恢复，其组织和性能不发生改变，所以不能用于成型加工。只有塑性变形才是永久变形，才能用于成型加工。金属的塑性变形过程比弹性变形复杂，而且塑性变形后金属的组织及性能发生了改变。1.单晶体的塑性变形工业用金属材料大多是由多晶体构成的，要说明多晶体的塑性变形，必须首先了解单晶体的塑性变形。下一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶实验证明，晶体在正应力作用下只能产生弹性变形，并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。单晶体金属塑性变形的基本方式有两种，即滑移和孪生。1)滑移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2-23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。上一页下一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶一般来说，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。金属因晶体结构不同，其滑移面和滑移方向的数量是不同的，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，金属的塑性就越好。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做整体移动。实际上滑移是借助于晶体中位错的移动来进行的，如图2-24所示。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做微量移动，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。上一页下一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶因此，通过位错移动来实现滑移，所需克服的滑移阻力很小，滑移容易进行，这与实际测量的结果是一致的。(2)孪生单晶体的另一种塑性变形方式是孪生。孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面(孪晶面)及晶向(孪生方向)产生剪切变形，如图2-25所示。孪生与滑移的区别主要有:孪生变形使一部分晶体发生均匀的切应变，滑移变形则集中在一些滑移面上;孪生使晶体变形部分的位向发生了改变，滑移变形后晶体各部分的位向不发生改变;上一页下一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶孪生变形时原子沿孪生方向的位移量是原子间距的分数值，滑移变形时原子沿滑移方向的位移量则是原子间距的整数倍;孪生变形所需切应力的数值比滑移变形的大，只有在滑移很难进行的情况下才发生孪生变形。2.多晶体的塑性变形常用金属都是多晶体，多晶体是由许许多多的晶粒组成的。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，并有如下特点。(1)晶格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2-26所示。上一页下一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶当处于有利于滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围不同位向晶粒的阻碍，使滑移阻力增加，金属的塑性变形抗力增大。(2)晶界的作用在多晶体中，晶界处原子排列混乱，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，多晶体往往表现出竹节状变形，如图2-27所示。综上所述，多晶体的塑性变形抗力不仅与金属的晶体结构有关，而且与晶粒大小有关。在一定体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶界的数量也越多，晶粒越细小，位错移动时的阻力越大，金属的塑性变形抗力越大，因此，金属的强度越高。上一页下一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶在同样的变形条件下，晶粒越细小，变形可分散到更多的晶粒内进行，不易产生集中变形。另外，晶界多，裂纹不易扩展，从而使金属在断裂前能产生较大的塑性变形，可表现出金属具有较高的塑性和韧性。二、冷塑性变形对金属组织和性能的影响1.冷塑性变形对金属组织的影响冷塑性变形不但改变了金属的形状和尺寸，而且还使其组织与性能发生了重大变化。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了变化。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2-28所示。上一页下一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶形成纤维组织后，金属的性能会具有明显的方向性，其纵向(沿纤维方向)的力学性能高于横向(垂直于纤维方向)的性能。同时，由于各个晶粒的变形不均匀，使金属在冷塑性变形后其内部存在着残留应力。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，增加了金属的塑性变形抗力，使金属的力学性能发生了改变。2.冷塑性变形对金属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。上一页下一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶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。3.冷塑性变形使金属产生残余应力残余应力是指作用于金属上的外力除去后，仍存在于金属内部的应力。残余应力是由于金属塑性变形不均匀造成的。根据残留应力的作用范围，残余应力可分为宏观残余应力、微观残余应力和晶格畸变应力三类。宏观残余应力是指金属各部分塑性变形不均匀所造成的残余应力;微观残余应力是指晶体中各晶粒或亚晶粒塑性变形不均匀所造成的残余应力;晶格畸变应力是指金属塑性变形时，晶体中一部分原子偏离其平衡位置造成晶格畸变而产生的残余应力。上一页下一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶一般地，残余应力的存在对金属将产生一些影响，例如降低工件的承载能力、使工件的形状和尺寸发生改变、降低工件的耐蚀性等，但残余应力可使金属的疲劳强度提高。热处理可以消除冷塑性变形后金属内部的残余应力。

4.冷变形强化在生产中的影响冷变形强化(又称冷作硬化)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，特别是对那些不能用热处理强化的金属材料更为重要。冷变形强化虽然使金属材料的强度、硬度提高，但会使金属材料的塑性降低，继续变形困难，甚至出现破裂。上一页下一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶为了使金属材料能继续进行压力加工，必须施行中间热处理，以消除冷变形强化，这就增加了生产成本，降低了生产率。冷塑性变形除了影响金属的力学性能外，还会使金属的某些物理、化学性能发生改变，如电阻增加、化学活性增大、耐蚀性下降等。三、变形金属在加热时组织和性能的变化冷塑性变形后的金属，其组织结构发生了改变，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。上一页下一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶对冷塑性变形后的金属加热(如进行退火处理)，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2-29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、晶粒长大三个阶段的变化。

1.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，可以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。上一页下一页返回第五节金属的塑形变形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。

2.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。上一页下一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶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。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，只是改变了晶粒的形状和消除了因变形而产生的某些晶体缺陷，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上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失。再结晶不是在恒定温度下发生的，而是在一个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2-30所示。上一页下一页返回第五节金属的塑形变形与再结晶3.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中迁移，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，小