第三章金属材料的塑性变形(热)

第三章金属的塑性变形

金属经熔炼浇注成铸锭以后，通常要进行各种塑性加工，如轧制、挤压、冷拔、锻压、冲压等，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。

（各种加工方法）

3.1单晶体和多晶体的塑性变形

3.1.1塑性变形的基本形式

单晶体的塑性变形有两种,即滑移和孪生。

1.滑移

滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部分发生的滑动。拉伸时，外力（F）在某晶面上产生的应力可分解为正应力（σ）及切应力（τ）。正应力只能引起晶格的弹性伸长，而切应力则可使使晶体发生滑移。滑移的结果会在晶体的表面留下滑移痕迹，称为滑移带。

2.孪生

在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶向（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变称为孪生。

孪生与滑移的区别是：

1）孪生所需要的临界切应力比滑移大得多，变形速度极快。

2）孪生通过晶格切变使晶格位向改变，发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶带或孪晶。3.1.2单晶体的塑性变形滑移变形具有以下特点：（1）滑移只能在切应力的作用下发生。

（2）滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）进行。

⑶滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍。滑移是通过位错的运动来实现的。⑷滑移的同时必然伴随有晶体的转动，转动的结果，使滑移面趋向与拉伸轴平行。2.塑性变形的实质

位错的运动和增殖

3.1.3多晶体的塑性变形

1.不均匀的塑性变形过程

在多晶体中，各个晶粒内原子排列的位向不一致，这样不同晶粒的滑移系的取向就会不同。当对多晶体施以拉伸时，作用在不同晶粒滑移系上的分切应力会有差别，分切应力最大的那些晶粒最先开始滑移，有些晶粒所受到的分切应力最小，最难发生滑移，由此可见，多晶体金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过程。

2.晶粒取向对塑性变形的影响

在多晶体中晶粒间有位向差，使变形不能同时进行。当一个晶粒发生塑性变形时，周围的晶粒如不发生塑性变形，则必须要产生弹性变形来与之协调配合，就意味着增大了晶粒变形的抗力，阻碍滑移的进行。

3.晶界对塑性变形的影响

在多晶体中存在晶界，其原子排列不规则，当位错运动到这一区域附近时将会受到晶界的阻碍而堆积起来，形成位错塞积。欲使变形继续进行，就必须要增加外力，即变形抗力增大。金属晶粒越细，同体积的晶界越多，因而变形抗力越大，金属的强度越大。

另外，金属晶粒越细，在外力作用下有利于滑移和能够参与滑移的晶粒数目也越多，使一定的变形量分散在更多的晶粒之中，表现出塑性的提高。因此，细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。

3.2.1形变强化现象⑴产生加工硬化现象随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化，也称形变强化。

⑵使金属的性能产生各向异性。⑶影响金属的物理、化学性能，金属经塑性变形

后，使电阻增大，耐蚀性降低。

3.2塑性变形对金属组织与性能的影响3.2.2塑性变形后金属的组织结构的变化

⑴纤维组织形成金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成所谓纤维组织。

⑵亚结构形成金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。

⑶形变织构的产生由于塑性变形过程中晶粒的转动，当变形量达到一定程度（70%以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。

残余应力:

金属表层与心部的变形量不同会形成表层与心部之间的宏观内应力；晶粒彼此之间或晶内不同区域之间的变形不均匀会形成微观内应力；因位错等晶格缺陷增多而引起的内应力称为晶格畸变内应力。（4）塑性变形产生的残余应力

残余应力的危害:(1)降低工件的承载能力

(2)使工件的形状和尺寸发生变化

(3)降低工件的耐蚀性

3.3塑性变形金属在加热时组织和性能变化

3.3.1回复

对变形后的金属在较低温度下进行加热，会发生回复。回复不能使金属的晶粒大小和形态发生明显的变化，故金属的强度和硬度只略有降低，塑性略有升高。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火，以降低残余应力，保留加工硬化效果

3.3.2再结晶

1.再结晶

当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，被拉长及破碎的晶粒通过重新生核、长大，变成新的均匀、细小的等轴晶粒。这个过程称为再结晶。变形金属发生再结晶后，其强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除。

2.再结晶温度及其影响因素

再结晶不是一个恒温过程，而是发生在一个温度范围之内。能够进行再结晶的最低温度称为再结晶温度。纯金属的再结晶温度与该金属的熔点有如下关系：式中的温度单位为绝对温度（K）。金属的熔点越高，其再结晶温度也越高。

影响再结晶温度的主要因素有以下几点：⑴金属的预先变形程度，金属的预先变形程度越大，其晶体缺陷就越多，组织越不稳定，因而再结晶温度便越低。当预先变形程度达到一定数值之后，再结晶温度趋于定值。

⑵金属的纯度金属中存在的微量杂质和合金元素，特别是那些高熔点元素，常常会阻碍原子的扩散和迁移，可显著提高金属的再结晶温度。⑶加热速度和保温时间提高加热速度会使再结晶温度被推迟到较高温度下发生。而保温时间越长，再结晶温度越低。3.晶粒长大

再结晶后晶粒的长大受以下几个因素的影响：

（1）加热温度和时间的影响

加热温度越高，时间越长，晶粒便越大。

（2）预先变形程度的影响

当变形度达到2%～10%时，金属中变形极不均匀，只有部分晶粒发生变形，形成的再结晶晶核少，可以充分长大，从而造成再结晶后的晶粒特别粗大。使金属获得粗大的再结晶晶粒的变形度称为临界变形度。

3.4金属的热加工凡在金属的再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷加工；而在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热加工。

热加工对金属组织和性能的影响：1）热加工提高了金属的致密度，明显改善材料的塑性和韧性。

2）热加工可获得细小均匀、等轴的再结晶晶粒，从而使金属的力学性能全面提高。

3）热加工可使各种可变形的夹杂物会沿变形方向拉长呈流线分布，也称纤维组织。热加工时应力求使流线合理分布。纤维组织不能用热处理方法消除.

3.5超塑性

某些合金在特定条件下拉伸时，其伸长率可达100～1000%，而所需的变形