17 金属强韧化与塑性变形

第六章金属的强韧化与塑性变形机械工程材料回复再结晶晶粒长大内应力晶粒大小强度塑性变化过程加热温度700600500400300200温度℃变形度%电解铁（99%）纯铝（99%）预先变形度对金属再结晶温度的关系6.1

金属材料强化和韧化机理及常用途径

6.2

金属塑性变形的实质

6.3

塑性变形对金属组织和性能的影响

6.4

冷变形金属在加热时的变化

6.5

金属的热塑性变形（热变形加工）主要内容机械工程材料1.认识塑性变形的本质。2.掌握塑性变形及随后的加热对金属材料组织和性能的显著影响，能够根据工业生产的具体要求合理选择成形工艺，发挥金属的性能潜力。学习成果达成机械工程材料对象及特征：（1）超声滚挤压强化加工是在可自由滚动的加工工具头上添加一定频率和振幅的高频机械振动，进而改善表层强化特性和表面摩擦状态的脉冲加工方式。分析在轴承套圈加工中提高工件表层机械强度的机理。（2）在日常生活和工业用品中，铅锡合金制品处处皆是。探索锡制酒壶的传统制作工艺，为什么说是“火与锤的艺术”？铅合金铸锭不需加热即可用轧制、挤压等工艺制成板材、带材、管材、棒材和线材，且不需中间退火处理，为什么？项

目

设

计机械工程材料6.1

金属材料强化和韧化机理及常用途径强度是材料在外力作用下抵抗破坏（塑性变形和断裂）)的能力，

是机械零部件首先应满足的使用性能。塑性变形是金属在外力撤销后所发生的不可恢复的永久变形。韧性是指材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。一般情况下，材料的强度与塑性、韧性是一对互为消长的矛盾。随着科技与工业生产的发展，机器装备或其主要零部件对材料综合性能要求越来越高，尤其是对兼有高强度和高塑性、韧性配合的材料需求持续增加。为满足机械零部件综合性能好的要求，需要探索强韧化机理和有效途径。

机械工程材料6.1

金属材料强化和韧化机理及常用途径1金属材料的强化——常用方式机械工程材料1.形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或冷变形强化，又叫加工硬化。2.固溶强化：随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。3.细晶强化（亦称晶界强化）：随晶粒尺寸的减小，材料的强度硬度升高，塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶强化。4.第二相强化：合金中，除基体相以外，往往还存在另外一个或几个其他相的粒子，这些相的粒子阻碍位错运动而引起的强化现象，称为第二相强化。5.相变强化：相变强化主要是指马氏体强化（及上贝氏体强化），它是钢铁材料最经济而又最重要的一种强化途径。相变强化不是一种独立的强化方法，它是固溶强化、沉淀强化、形变强化、细晶强化等多种强化效果的综合强化效果。6.复合强化：复合强化主要是指用高强度的纤维同适当的基体材料相结合来强化基体材料的方法，又称为纤维增强复合强化。纤维强化有明显的方向性，基体与纤维的的结合强度、增强纤维的表面清洁度等对强化效果也有重要影响。6.1

金属材料强化和韧化机理及常用途径2金属材料的强韧化机械工程材料强韧化指使材料具有较高强度的同时具有足够的塑性和韧性，以防止构件脆性断裂。韧性是材料断裂过程的能量参数，是强度和塑性的综合表现。钢材的韧化，意味着减小脆性。钢的强化方式中，除细晶强化外，一般均会导致脆性增大，冲击韧性值和断裂韧性值下降。改善金属材料断裂韧性的基本途径是：①减少诱发微孔的组成相，如减少沉淀相数量；②提高基体塑性，从而可增大在基体上裂纹扩展的能量消耗；③增加组织的塑性变形均匀性，减少应力集中；④避免晶界的弱化，防止裂纹沿晶界形核和扩展。金属材料的强韧化是在提高强度的同时，提高其韧性。通常的实现方式有：1.细化晶粒；2.降低有害元素；3.调整合金元素含量；4.降低钢中的含碳量；5.形变热处理6.2金属塑性变形的实质单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。6.2.1单晶体的塑性变形机械工程材料图6-1单晶体拉伸变形滑移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晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动。（一）滑移机械工程材料6.2.1单晶体的塑性变形塑性变形的形式：滑移和孪生

图6-2单晶体在切应力作用下的变形示意图沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。机械工程材料6.2.1单晶体的塑性变形1.滑移是金属塑性变形的主要方式，其主要特点有：1）滑移只能在切应力作用下发生。2）滑移常沿原子密度最大的晶面和晶向发生。3）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。4）滑移的同时伴随着晶体的转动机械工程材料6.2.1单晶体的塑性变形图6-3滑移面示意图图6-4金属形后的滑移带与滑移线示意图2.滑移机理滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的。机械工程材料6.2.1单晶体的塑性变形图6-5晶体中通过位错运动实现滑移的示意图（a）位错运动时的原子位移（b）位错运动而造成的滑移实质上，滑移是在切应力作用下，位错沿滑移面的运动。孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。（二）孪生机械工程材料6.2.1单晶体的塑性变形图6-6单晶体孪生示意图孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。（1）孪生通过晶格切变使晶格位向改变，使变形部分与未变形部分呈镜面对称；而滑移不引起晶格位向的变化。（2）孪生时，相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距；而滑移时滑移面两侧晶体的相对位移量是原子间距的整数倍。（3）由于孪生变形是在较大的原子范围内进行的，且变形速度极快，故孪生所需的切应力要比滑移大得多。

因此，只有当滑移很难进行时，晶体才发生孪生变形，如密排六方晶格金属的滑移系少，故常以孪生方式变形；体心立方晶格金属的滑移系较多，只有在低温或受到冲击时才发生孪生变形；面心立方晶格金属一般不发生孪生变形。（三）孪生与滑移变形的主要区别机械工程材料6.2.1单晶体的塑性变形但面心立方晶格金属的组织中常发现有孪晶存在，如图6-7，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称为退火孪晶。图6-7

纯钛变形中的孪生6.2.2多晶体金属的塑性变形1、晶界的影响当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行,则必须增加外力,从而使金属的变形抗力提高。单个晶粒变形与单晶体相似,多晶体变形比单晶体复杂。（一）晶界及晶粒位向差的影响机械工程材料6.2金属塑性变形的实质图6-8位错在晶界处的塞积示意图2、晶粒位向的影响由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。机械工程材料6.2.2多晶体金属的塑性变形由许多晶粒组成的晶体称为多晶体6.2.2多晶体金属的塑性变形金属的晶粒越细，其强度和硬度越高,塑性和韧性越好。因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。（二）晶粒大小对金属力学性能的影响机械工程材料6.2.2多晶体金属的塑性变形多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45°的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。（三）多晶体金属的塑性变形过程机械工程材料

6.3塑性变形对金属组织和性能的影响

一、塑性变形对金属组织的影响

金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长，形成纤维组织，晶界变得模糊不清。

亚组织的细化。塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。

产生形变织构。晶体的滑移按一定方向转动，形成择优取向的结构称为形变织构。机械工程材料图6-11制耳现象二、塑性变形对金属力学性能的影响1.随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。机械工程材料

6.3塑性变形对金属组织和性能的影响

产生加工硬化的原因是:（1）

随变形量增加,位错密度增加，由于位错之间的交互作用，使变形抗力增加。（2）

随变形量增加，亚结构细化，亚晶界对位错运动有阻碍作用。（3）随变形量增加,空位密度增加。（4）晶粒发生几何硬化使变形抗力增加。图6-12

工业纯铁冷变形度对力学性能的影响二、塑性变形对金属力学性能的影响加工硬化在工艺生产中的不利和有利影响机械工程材料

6.3塑性变形对金属组织和性能的影响

图6-13拉延时金属的变形2.残余内应力

内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时,外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中.内应力分为宏观内应力、微观内应力和畸变应力三类。畸变应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。机械工程材料二、塑性变形对金属力学性能的影响

6.3塑性变形对金属组织和性能的影响

6.4冷变形金属在加热时的变化金属经冷变形后,组织处于不稳定状态,有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化回复再结晶晶粒长大内应力晶粒大小强度塑性变化过程加热温度机械工程材料6.4冷变形金属在加热时的变化1.回复当加热温度较低[为(0.25~0.3)T熔点，K]时，原子活动能力较弱，冷变形金属的显微组织无明显变化，力学性能的变化也不大，但残余应力显著降低，物理和化学性能部分地恢复到变形前的情况，这一阶段称为回复。由于回复加热温度不高，晶格中的原子仅能作短距离扩散，偏离晶格结点的原子回复到结点位置，空位与位错发生交互作用而消失。总之，点缺陷明显减少，晶格畸变减轻，故残余应力显著下降。但因亚组织的尺寸未明显改变，位错密度未显著减少，即造成加工硬化的主要原因尚未消除，因而力学性能在回复阶段变化不大。生产中，利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留了加工硬化，这种方法称为去应力退火。如用冷拉钢丝卷制弹簧，在成形后进行250~300℃的低温处理，以消除内应力使其定型。又如，黄铜弹壳经拉延后进行280℃左右的去应力退火，以消除残余应力，避免变形和应力腐蚀开裂。机械工程材料6.4冷变形金属在加热时的变化1.回复当加热温度较低[为(0.25~0.3)T熔点，K]时，原子活动能力较弱，冷变形金属的显微组织无明显变化，力学性能的变化也不大，但残余应力显著降低，物理和化学性能部分地恢复到变形前的情况，这一阶段称为回复。由于回复加热温度不高，晶格中的原子仅能作短距离扩散，偏离晶格结点的原子回复到结点位置，空位与位错发生交互作用而消失。总之，点缺陷明显减少，晶格畸变减轻，故残余应力显著下降。但因亚组织的尺寸未明显改变，位错密度未显著减少，即造成加工硬化的主要原因尚未消除，因而力学性能在回复阶段变化不大。生产中，利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留了加工硬化，这种方法称为去应力退火。如用冷拉钢丝卷制弹簧，在成形后进行250~300℃的低温处理，以消除内应力使其定型。又如，黄铜弹壳经拉延后进行280℃左右的去应力退火，以消除残余应力，避免变形和应力腐蚀开裂。机械工程材料6.4冷变形金属在加热时的变化1.回复当加热温度较低[为(0.25~0.3)T熔点，K]时，原子活动能力较弱，冷变形金属的显微组织无明显变化，力学性能的变化也不大，但残余应力显著降低，物理和化学性能部分地恢复到变形前的情况，这一阶段称为回复。由于回复加热温度不高，晶格中的原子仅能作短距离扩散，偏离晶格结点的原子回复到结点位置，空位与位错发生交互作用而消失。总之，点缺陷明显减少，晶格畸变减轻，故残余应力显著下降。但因亚组织的尺寸未明显改变，位错密度未显著减少，即造成加工硬化的主要原因尚未消除，因而力学性能在回复阶段变化不大。生产中，利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留了加工硬化，这种方法称为去应力退火。如用冷拉钢丝卷制弹簧，在成形后进行250~300℃的低温处理，以消除内应力使其定型。又如，黄铜弹壳经拉延后进行280℃左右的去应力退火，以消除残余应力，避免变形和应力腐蚀开裂。机械工程材料6.4冷变形金属在加热时的变化1.回复当加热温度较低[为(0.25~0.3)T熔点，K]时，原子活动能力较弱，冷变形金属的显微组织无明显变化，力学性能的变化也不大，但残余应力显著降低，物理和化学性能部分地恢复到变形前的情况，这一阶段称为回复。由于回复加热温度不高，晶格中的原子仅能作短距离扩散，偏离晶格结点的原子回复到结点位置，空位与位错发生交互作用而消失。总之，点缺陷明显减少，晶格畸变减轻，故残余应力显著下降。但因亚组织的尺寸未明显改变，位错密度未显著减少，即造成加工硬化的主要原因尚未消除，因而力学性能在回复阶段变化不大。生产中，利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留了加工硬化，这种方法称为去应力退火。如用冷拉钢丝卷制弹簧，在成形后进行250~300℃的低温处理，以消除内应力使其定型。又如，黄铜弹壳经拉延后进行280℃左右的去应力退火，以消除残余应力，避免变形和应力腐蚀开裂。机械工程材料6.4冷变形金属在加热时的变化2.再结晶（1）再结晶过程及对金属组织、性能的影响当继续升温时，由于原子扩散能力增大，其显微组织便发生明显的变化，使破碎的、被拉长或压扁而呈纤维状的晶粒又变为等轴晶粒；同时也使加工硬化与残余应力完全消除，这一过程称为再结晶。再结晶也是通过形核与长大的方式进行的。常在变形金属中晶格畸变严重、能量较高的区域优先形核，然后通过原子扩散和晶界迁移，逐渐向周围长大而形成新的等轴晶粒，直到金属内部全部由新的等轴晶粒取代变形晶粒，完成再结晶过程。机械工程材料（2）

再结晶温度再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。一般所说的再结晶温度是指再结晶开始的温度（发生再结晶所需的最低温度T再）。

机械工程材料6.4冷变形金属在加热时的变化在生产中，把冷变形金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶，以消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。考虑到影响再结晶温度的因素较多并希望缩短退火周期，一般将再结晶退火温度定在比最低再结晶温度高100~200℃的温度。1、金属的预先变形程度：金属预先变形程度越大,再结晶温度越低。2）金属的纯度。金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高.3）再结晶加热的速度和加热时间。提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生,延长加热时间,使原子扩散充分,再结晶温度降低。影响再结晶温度的因素为：700600500400300200温度℃变形度%电解铁（99%）纯铝（99%）预先变形度对金属再结晶温度的关系机械工程材料6.4冷变形金属在加热时的变化二、再结晶退火后的晶粒大小再结晶退火后的晶粒大小主要与加热温度、保温时间和退火前的变形度有关。机械工程材料6.4冷变形金属在加热时的变化1、加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。2、预先变形度当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶.当变形达到2-10%时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度称临界变形度。图6-17再结晶退火温度对晶粒大小的影响图6-18再结晶退火后的晶粒度与预先变形程度的关系一、冷加工与热加工的区别

在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。如Fe的再结晶温度为451℃，其在400℃以下的加工仍为冷加工。而Sn的再结晶温度为-71℃，则其在室温下的加工为热加工。机械工程材料6.5金属的热塑性变形（热变形加工）热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。图6-19热变形加工成形示意图二、热加工对金属组织和性能的影响

热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或拄状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作流线，由这种流线体现的组织称纤维组织。它使钢产生各向异性，在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。出现带状组织，降低钢的强度、塑性、冲击韧性，需用多次正火、退火消除。机械工程材料