机械工程材料-第5章

5.1金属的塑性变形金属或合金在外力作用下，都会或多或少地发生变形。金属变形包括弹性变形和塑性变形，外力去除后，可完全恢复的变形称为弹性变形，不可恢复的变形称为塑性变形。生产中，常利用塑性变形对金属材料进行压力加工，如轧制、锻造、挤压、拉拔、冲压等(图5-1)。5.1.1单晶体金属的塑性变形工程上实际使用的金属材料大多数是多晶体，其塑性变形较为复杂。由于多晶体是由许多晶粒和晶界组成的，而晶粒一般可近似于单晶体，为了了解多晶体金属材料的塑性变形过程，不妨先看一下单晶体金属是怎样发生塑性变形的。单晶体金属的塑性变形主要有滑移与孪生两种方式，其中，滑移是最常见也是最主要的变形方式。下一页返回5.1金属的塑性变形

1.滑移

(1)滑移的表象如果将一个单晶体金属试样表面抛光，经过拉伸变形，然后在光学显微镜下观察，可以看到试样表面出现许多条纹(图5-2)。这些条纹就是晶体在切应力的作用下，一部分相对于另一部分沿着一定的晶面(滑移面)和一定的晶向(滑移方向)相对移动即滑移产生的台阶，这些条纹称为滑移带，在更高倍的电子显微镜下观察，一条滑移带实际上是由若干条滑移线构成的(图5-3)。单晶体金属塑性变形时，滑移只在晶体内有限的晶面上进行，是不均匀的。从表面上看，单晶体金属的塑性变形，出现了一系列的滑移带，其塑性变形是众多大小不同的滑移带的综合效果在宏观上的体现。上一页下一页返回5.1金属的塑性变形

(2)滑移的机理通过前面分析可知，晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。但晶体内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两侧晶体间的整体的刚性滑动，而是由于晶体内存在位错，位错线两侧的原子偏离了平衡位置，这些原子有力求达到平衡的趋势。当晶体受外力作用时，位错(刃型位错)将垂直于受力方向，沿着一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐步移动到晶体的表面，形成一个原子间距的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错移动到晶体表面而形成的台阶，如图5-4所示。(3)晶体的滑移面、滑移方向及滑移系上一页下一页返回5.1金属的塑性变形通过前面的分析可知，晶体上的滑移带分布是不均匀的，即塑性变形时，位错只沿一定的晶面和一定的晶向移动，这些晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向，且都是晶体中的密排面和密排方向，因为密排面之间和密排方向之间的原子间距最大，其原子之间的结合力最弱，所以，在外力作用下最容易引起相对滑动。不同金属的晶体结构不同，其滑移面和滑移方向的数目和位向也不同，一个滑移面和在这个滑移面上的一个滑移方向组成一个滑移系，滑移系的数目可用滑移面数和滑移方向数的乘积来表示。不同晶体结构的金属，其滑移系的数日不同，如，体心立方晶体为12个(6个滑移面x2个滑移方向)，面心立方晶体为12个(4个滑移面x3个滑移方向)，密排六方晶体为3个(1个滑移面x3个滑移方向)。上一页下一页返回5.1金属的塑性变形当其他条件相同时，滑移系的数目越多，则金属的塑性越好，反之，滑移系数目越少，则塑性越差。此外，滑移系数目相同时，滑移方向数越多，越易滑移，塑性越好。每种晶体都有不止一个滑移系，受力以后哪个滑移系先滑动呢?研究表明，与外力接近45°取向的滑移系具有较大的切应力，这样的滑移系在外力作用下易于优先产生滑移，通常把这种处于有利取向的滑移系称为软取向滑移系;反之，远离45°的滑移系称为硬取向滑移系。(4)晶体在滑移过程中的转动单晶体试样在进行拉伸实验时，除了沿滑移面产生滑移外，还会产生转动。上一页下一页返回5.1金属的塑性变形因为晶体在拉伸过程中，当滑移面上、下两部分发生微小滑移时，试样两端的拉力不再处于同一直线上，于是在滑移面上形成一个力偶，使滑移面产生以外力方向为转向，趋向于与外力平行的转动，如图5-5所示。在滑移过程中，由于晶体转动，晶体的位向会发生变化，原来为软取向的滑移系，逐渐变为硬取向，使滑移困难，这种现象称为取向硬化;相反，原来为硬取向的滑移系，将逐步趋于软取向，易于滑移，称为取向软化。可见，在滑移过程中，取向软化和取向硬化是同时进行的。2.孪生上一页下一页返回5.1金属的塑性变形在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分以一定的晶面(孪生晶面)及晶向(孪生方向)产生剪切变形，这种变形方式称为孪生，如图5-6所示。发生剪切变形的晶面称为孪晶面，发生孪生的晶体称为孪晶或双晶。孪生使孪晶面两侧的晶体为镜面对称(图5-6)。滑移和孪生虽然都是在切应力作用下产生的，但孪生所需的切应力比滑移所需的切应力要大得多。密排六方晶体和体心立方晶体在低温或受到冲击时容易产生孪生。孪生对塑性变形的直接贡献不大，但能引起晶体位向的改变，有利于滑移发生。孪生和滑移的主要区别如下:①孪生通过晶格切变使晶格位向发生改变，使变形部分与未变形部分呈镜面对称;而滑移不引起晶体位向的改变。上一页下一页返回5.1金属的塑性变形②孪生时，相邻原子面原子的相对位移量小于一个原子间距，并与到孪晶面的距离成正比;而滑移时，原子在滑移方向上的相对位移是原子间距的整数倍。③孪生所需的切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近于声速。一般在不易滑移的条件下产生孪生变形。由于密排六方结构的金属滑移系少，故常以孪生方式变形。体心立方结构的金属滑移系较多，只有在低温或受到冲击时才发生孪生变形。面心立方结构的金属一般不发生孪生变形。但在面心立方结构金属的组织中常发现有孪晶存在，这是因为，相变过程中，原子重新排列时发生错排，称为退火孪晶。上一页下一页返回5.1金属的塑性变形5.1.2多晶体金属的塑性变形工程上使用的金属材料大多数是由位向、形状、大小不同的晶粒组成的多晶体，多晶体的变形是许多单晶体变形的综合作用的结果。多晶体内单晶体的变形仍以滑移和孪生两种方式进行，但由于位向不同的晶粒是通过晶界结合在一起的，晶粒的位向和晶界对变形有很大的影响，所以，多晶体的塑性变形较单晶体的复杂。1.晶界和晶粒位向的影响利用仅由两个晶粒构成的试样来进行拉伸试验，变形后会出现明显的所谓“竹节”现象(图5-7),即试样在远离夹头和晶界的晶粒中部会出现明显的颈缩，而在晶界附近难以变形，说明晶界附近变形抗力大。上一页下一页返回5.1金属的塑性变形出现这种现象的原因在于，晶界附近是两晶粒晶格位向的过渡处，晶格排列紊乱，且该处的杂质原子往往较多，增大了其晶格畸变，因而该处在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形。此外，不仅晶界的存在会增大滑移抗力，多晶体中各晶粒晶格位向的不同，也会增大其滑移抗力，因为其中任意一个晶粒的滑移都必然会受到周围不同晶格位向的晶粒的约束和阻碍，各晶粒必须相互协调，相互适应，才能发生变形。因此，多晶体金属的变形抗力总是大于单晶体。可见，金属的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力有关，还与金属的晶粒度有关，即金属的晶粒越细，金属的强度就越高。上一页下一页返回5.1金属的塑性变形金属的晶粒越细，其晶界总面积就越大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数就越多，对塑性变形的抗力也就越大。此外，金属的晶粒越细，强度越高，塑性与韧性也越好，因为晶粒越细，金属单位体积中的晶粒数就越多，变形时，同样的变形量便可分散在更多的晶粒中，产生较均匀的变形，而不至于造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。因此，在工业上，通过压力加工和热处理获得细小而均匀的晶粒，是目前提高金属材料常温性能的有效途径之一。2.多晶体金属的变形过程在外力的作用下，多晶体金属中软取向的晶粒优先产生滑移变形，硬取向的相邻晶粒尚不能滑移变形，只能以弹性变形相平衡。上一页下一页返回5.1金属的塑性变形由于晶界附近点阵畸变和相邻晶粒位向的差异，变形晶粒中位错移动难以穿过晶界传到相邻晶粒，致使位错在晶界处塞积，只有进一步增大外力变形才能继续进行。随着变形加大，晶界处塞积的位错数目不断增多，应力集中也逐渐提高。当应力集中达到一定程度后，相邻晶粒中的位错便开始滑移，变形就从一批晶粒扩展到另一批晶粒。同时，一批晶粒在变形过程中逐步由软取向转变为硬取向，变形越来越困难，另一批晶粒又从硬取向转变为软取向，参加滑移变形。所以，多晶体的塑性变形，是在各晶粒互相影响、互相制约的条件下，从少数晶粒开始，分批进行，逐步扩大到其他晶粒，从不均匀的变形逐步发展到均匀的变形。上一页下一页返回5.1金属的塑性变形5.1.3塑性变形对金属组织和性能的影响经过塑性变形，金属的组织和性能发生一系列重大的变化，大致可以分为如下四个方面。1.晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性经过塑性变形，在力的作用下，随着金属外形的变化，其内部的晶粒的形状也会发生相应的变化，即随着金属外形的压扁或拉长，其内部晶粒的形状也会被压扁或拉长，一般大致与金属外形的改变成比例。当变形量很大时，各晶粒将会被拉长成为细条状或纤维状，晶界变得模糊不清，如图5-8所示。此时，金属的性能将会具有明显的方向性，如纵向的强度和塑性远大于横向的等，这种组织通常叫作纤维组织。2.晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化上一页下一页返回5.1金属的塑性变形随着变形量的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒，变形越大，晶粒破碎的程度越大，亚晶界的量便越多，而亚晶界又是由刃型位错组成的位错墙，从而使位错密度显著增加;同时，细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。因此，随着变形量的增加，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降，这一现象即为加工硬化或形变强化，如图5-9所示。利用加工硬化现象可以提高金属的强度、硬度和耐磨性，在工业生产中，加工硬化是一种非常重要的强化手段，尤其是对那些不能用热处理方法进行强化的金属材料，如纯金属、某些铜合金、镍铬不锈钢和高锰钢等。上一页下一页返回5.1金属的塑性变形加工硬化现象在金属材料的生产过程中有着重要的实际意义，目前已经广泛用来提高金属材料的强度，如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等，主要是利用冷加工变形来提高其强度和弹性极限。坦克和拖拉机履带板、破碎机的颚板等都是利用加工硬化方法来提高其硬度和耐磨性的。同时，加工硬化也是某些工件或半成品能够加工成型的重要因素，如在金属深冲压过程中(图5-10)，由于:处变形最大，当金属在:处的变形达到一定程度后，首先产生形变强化，使随后的变形转移到其他部分，这样便于得到壁厚均匀的冲压件，否则这个工艺很难完成。此外，加工硬化还可以使金属具有偶然的抗超载能力，在一定程度上提高了构件在使用中的安全性。

3.织构现象的产生上一页下一页返回5.1金属的塑性变形加工硬化现象虽有其有利的一面，但也会给金属材料的生产和使用带来麻烦。因为金属冷加工到一定程度以后，变形抗力就会增加，如要进一步变形，就必须加大设备功率，增加动力消耗。另外，材料塑性的降低，为金属材料进一步的冷塑性变形带来困难。为了使金属材料能继续变形加工，必须进行中间热处理，以消除这种硬化现象。如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后轧不动，因此，在轧制过程中必须安排一些中间退火的工序，通过加热消除加工硬化现象，也称消除硬化退火或再结晶退火。加工硬化，不仅使金属的机械性能发生变化，还会使金属的耐腐蚀性能降低、电阻增加等，所有这些在设计和制造各种零部件时都应予以考虑。上一页下一页返回5.1金属的塑性变形随着变形的发生，不仅金属中的晶粒会被拉长破碎，而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，故在变形量达到一定程度(70%~90%)时，金属的组织将会出现择优取向现象，即金属中每个晶粒的晶格位向都大体趋于一致，这种位向一致的结构称为织构，如图5-11所示。由变形造成的织构称为变形织构，根据加工变形的方式不同，变形织构主要有两种类型:拉拔引起的织构，即丝织构;轧制引起的织构，即板织构。变形织构的形成，会使金属的各种性能呈现明显的各向异性，甚至退火亦难消除，这在大多数情况下都是不利的。上一页下一页返回5.1金属的塑性变形例如，在用具有织构的铜板冲制杯形或筒形工件时，由于沿辗压方向和垂直于辗压方向的延伸率仅为40%，而与辗压方向呈45°角的方向的延伸率为75%，故在深冲后会出现所谓“制耳”现象，使杯形边缘不齐，杯壁四周厚薄不均匀，如图5-12所示。4.残余内应力经过塑性变形，外力对金属所做的功，约90%以上在使金属变形的过程中变成了热，使金属的温度升高，随后散掉;而小于10%的功转化为内应力残留于金属中，使金属的内能增加。所谓内应力，即平衡于金属内部的应力，主要由金属在外力的作用下所产生的内部变形不均匀引起的。上一页下一页返回5.1金属的塑性变形如金属表层与心部的变形量不同，会形成平衡于表层与心部之间的宏观内应力(通常称为第一种内应力);晶粒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(通常称为第二种内应力);由位错等晶体缺陷引起的晶格畸变会形成晶格畸变内应力(通常称为第三种内应力)。第三种内应力是使金属强化的主要原因，也是变形金属中的主要内应力;而第一种和第二种内应力，虽然在变形金属中占的比例不大，但在大多数情况下，不仅会降低金属的强度，而且还会因随后的应力松弛或发生重新分布引起金属变形。此外，残余内应力还会使金属的耐腐蚀性等性能降低，如金属的碰伤之处往往易于生锈。故金属在塑性变形之后，通常都要进行退火处理，以消除或降低这些内应力。上一页返回5.2回复与再结晶5.2.1变形金属在加热时组织和性能的变化在塑性变形金属中，由于晶粒拉长破碎及位错等晶体缺陷大量增加，其内能升高，处于不稳定的状态，故一旦对其进行加热，为原子活动创造条件，就必然会产生一系列组织和性能的变化。通常将塑性变形金属在加热时组织和性能的变化分为三个阶段:回复、再结晶和晶粒长大。

1.回复在加热温度较低时，由于原子的活动能力不大，这时变形金属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在晶粒内部，点缺陷消失，位错迁移。下一页返回5.2回复与再结晶因此，处于回复阶段的变形金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，只是其内应力及电阻率等显著降低。因此，塑性变形金属的这种低温加热退火方法应该用在保留加工硬化而降低内应力并改善其他物理性能的场合。在工业上，常利用回复现象将塑性变形金属低温加热，既稳定组织、消除残余应力，又保留了加工硬化，这种方法称为去应力退火。2.再结晶通过回复，虽然金属中的点缺陷大为减少，晶格畸变有所降低，但整个变形金属的晶粒拉长破碎的状态仍未改变，组织仍处于不稳定的状态。当它被加热到较高的温度时，原子具有较大的活动能力，晶粒的外形开始变化。上一页下一页返回5.2回复与再结晶由拉长破碎的晶粒变成与变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同的新的等轴晶粒的过程称为再结晶，如图5-13所示。再结晶同样包括形核和长大两个过程，首先在变形晶粒的晶界处或变形最强烈的晶粒的滑移带上形成晶核，然后晶核逐渐长大，变形晶粒消失，再结晶过程结束。在再结晶过程中，随着温度的升高，金属的显微组织不断变化，故其性能也发生相应的变化，强度、硬度降低，塑性、韧性升高。再结晶结束后，金属中的内应力全部消除，显微组织恢复变形前的状态，其所有性能也恢复到变形前的数值，消除了加工硬化。上一页下一页返回5.2回复与再结晶3.晶粒长大再结晶结束后，若再继续升高温度或延长加热时间，便会出现大晶粒吞并小晶粒的现象，即晶粒长大(图5-14)。晶粒长大对材料的机械性能极为不利，使材料的强度、塑性、韧性下降，且塑性与韧性下降得更明显。为了保证塑性变形金属的再结晶退火质量，应特别注意再结晶后的晶粒度。5.2.2再结晶温度再结晶不是一个恒温过程，它是从某一温度开始，随温度升高而进行的形核、长大的过程，一般把塑性变形金属发生再结晶的最低温度称为再结晶温度。上一页下一页返回5.2回复与再结晶再结晶温度受以下因素的影响:

1.金属的预先变形程度如图5-15所示，金属的预先变形程度越大，再结晶温度越低。这是因为，预先变形程度越大，晶体的缺陷越多，组织就越不稳定，加热时会较早地出现再结晶。当变形达到一定程度之后，再结晶温度趋于一个定值，这个温度称为最低再结晶温度。大量实验结果表明，纯金属的最低再结晶温度T再与其熔点T熔之间有如下近似关系:由该式可以看出，金属的熔点越高，它的再结晶温度也越高。上一页下一页返回5.2回复与再结晶

2.金属的纯度金属中的微量杂质或合金元素，特别是那些高熔点元素，起阻碍原子扩散及晶界迁移的作用，使金属的再结晶温度显著升高。

3.再结晶加热速度和保温时间由于再结晶是一个扩散的过程，需要经过一定的时间才能完成。提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生，而保温时间越长，原子扩散越充分，再结晶温度便越低。塑性变形的金属经过再结晶转变后，金属的强度和硬度显著下降，而塑形和韧性大大提高，所有力学性能和物理性能全部恢复到变形前的数值，残余应力完全消除。上一页下一页返回5.2回复与再结晶把消除加工硬化所进行的热处理称为再结晶退火。在工业生产中，采用再结晶退火来消除变形产品的加工硬化，提高塑性和韧性;也常将其作为冷变形加工过程的中间退火，恢复金属材料塑性变形的能力，以便继续加工。常见金属材料的再结晶退火与去应力退火的加热温度见表5-1。5.2.3再结晶退火后的晶粒度由于晶粒大小对金属的机械性能具有显著的影响，因此，有必要了解影响再结晶退火后晶粒度的因素。

1.加热温度和保温时间的影响加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越大。上一页下一页返回5.2回复与再结晶加热温度的影响尤为显著，如图5-16所示。

2.预先变形程度的影响预先变形程度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。如图5-17所示，当变形程度很小时，由于金属的晶格畸变很小，不足以引起再结晶，因而晶粒仍保持原来的形状。当变形程度达2%~10%时，金属中只有部分晶粒发生变形，变形极不均匀，再结晶时，晶粒大小相差悬殊，晶粒容易相互吞并长大，因而再结晶后晶粒特别粗大，这个变形程度称为临界变形度，生产中应尽量避开临界变形度。超过临界变形度之后，随着变形程度的增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而且均匀，故再结晶后晶粒细而均匀。上一页下一页返回5.2回复与再结晶达到一定的变形量之后，晶粒度基本不变。再结晶也可作为控制晶粒尺寸的手段，在不发生同素异构转变的金属中，再结晶可使一种粗晶粒组织转变成细晶粒，但材料必须先进行塑形变形以提供再结晶驱动力。上一页返回5.3金属的热加工5.3.1热加工与冷加工的区别由于金属在高温下强度、硬度低，而塑性、韧性高，故在高温下对金属进行加工变形比在较低温度下容易。因此，生产上便有冷、热加工之分。在金属学中，冷加工与热加工以金属的再结晶温度为界限，而不是以具体的加热温度来划分的。低于再结晶温度的加工变形称为冷加工，而高于再结晶温度的加工变形称为热加工。例如，铁的最低再结晶温度为450℃，故它在400℃时的加工变形仍属冷加工，又如，铅的再结晶温度在0℃以下，故其在室温下的加工变形为热加工。冷加工变形时，在组织上伴随有晶粒的变形，如图5-18(a)所示。下一页返回5.3金属的热加工同时，由于晶粒内和晶界上位错数量的增加，还会引起冷变形强化。而在热加工中，因为冷变形强化和再结晶两个过程同时发生，故发生变形的晶粒也会立即发生再结晶，然后通过形核、长大成为新的等轴晶粒，如图5-18(b)所示。故热加工后，冷变形