第9章金属的塑性变形与再结晶

金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶第九

章金属的塑性变形与再结晶本章介绍金属塑性变形的微观机理、塑性变形对金属组织和性能的影响，以及再结晶对金属组织和性能的影响。重点是金属的塑性加工、再结晶对金属组织和性能的影响规律。内容简介金属的塑性变形与再结晶金属铸锭可通过塑性加工的方法获得具有一定形状、尺寸和机械性能的型材、零件毛坯或零件。第一节金属材料的塑性变形压力加工方法示意图单晶体受力后，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。单晶体金属的塑性变形外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片1.金属变形的三个阶段弹性变形：应力去掉后，变形完全恢复原状。在弹性变形范围内，其应力与应变之间服从虎克定律。弹塑性变形：应力去掉后，变形不能恢复原状断裂：韧性断裂、脆性断裂金属的塑性变形与再结晶韧性断口脆性解理断口应力形式任何外力都可以分解为：一个正应力(

)

一个切应力(

)正应力—伸长、断裂切应力—塑性变形金属的塑性变形与再结晶外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片2.单晶体的塑性变形塑性变形主要方式：滑移、孪生滑移变形在晶体表面留下变形痕迹孪晶变形在晶体内部留下变形痕迹金属的塑性变形与再结晶单晶体弹性变形滑移变形孪生变形滑移滑移是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动。金属的塑性变形与再结晶滑移示意图金属的塑性变形与再结晶滑移的特点金属的塑性变形与再结晶机械工程材料滑移与位错滑移的实现是借助于位错的运动进行的。位错在外加切应力的作用下移动至晶体表面→一个原子间距的滑移台阶→塑性变形金属的塑性变形与再结晶平面位错运动3D位错运动位错的易动性晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。滑移带和滑移线滑移线：晶体表面的滑移台阶滑移带：大量的滑移线组成金属的塑性变形与再结晶对滑移线的观察也表明了晶体塑性变形的不均匀性，滑移只是集中发生在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间的晶体层片则未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已。滑移面和滑移方向滑移面：晶体中能够发生滑移的晶面滑移方向：晶体中能够发生滑移的晶向金属的塑性变形与再结晶滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。滑移变形的特点：⑴

滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。⑵滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。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。

滑移面滑移方向FF滑移系滑移系：一个滑移面和其上一个滑移方向的组合滑移系数目：晶体内可能滑移的滑移面数和滑移方向数的乘积在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，材料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明显。金属的塑性变形与再结晶滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格,体心立方晶格好于密排六方晶格。（面心立方）（密排六方）三种常见金属晶格的滑移面金属的塑性变形与再结晶三种常见金属晶格的滑移系金属的塑性变形与再结晶晶格体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格滑移面{110}6个{111}4个{0001}1个每个滑移面上的滑移方向<111>2个<110>3个<1120>3个简图滑移系6×2＝124×3＝121×3＝3⑶滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。

铜拉伸试样表面滑移带⑷滑移的同时伴随着晶体的转动转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。滑移时晶体的转动①外力错动→力偶使滑移面转动

→滑移面∥拉伸轴金属的塑性变形与再结晶②以滑移面的法线为转轴的转动

→滑移方向∥最大切应力方向。转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶。当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45°角时，滑移方向上切应力最大，因而最容易发生滑移.滑移后，滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。A0AA1FF滑移面滑移方向最大切应力方向铝的杯状和锥状韧性断口多脚虫的爬行2、滑移的机理把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3-4个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。刃位错的运动

滑移的特点滑移只能在切应力的作用下发生滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生（在滑移系中进行）滑移量是滑移方向上原子间距的整数倍，滑移结果在晶体的表面上造成台阶。滑移的同时必然伴随着晶体的转动。金属的塑性变形与再结晶孪生孪生：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（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变的变形过程。金属的塑性变形与再结晶孪生的特点金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。金属的塑性变形与再结晶孪生带的晶格位向发生变化，发生孪生时各原子移动的距离是不相等的。密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶与滑移相比：孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多,变形速度极快,接近声速;孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。3.多晶体的塑性变形多晶体中每个晶粒的塑性变形与单晶体相似。但实际上多晶体的塑性变形过程要比单晶体复杂得多。原因是：晶界的存在晶粒间位向的差异变形过程中晶粒之间的相互牵制等金属的塑性变形与再结晶晶界的影响晶界特点：是相邻晶粒的过渡区，原子排列较紊乱，常有杂质。晶界作用：阻碍位错运动，造成位错塞积，提高变形抗力。金属的塑性变形与再结晶晶界的影响金属的塑性变形与再结晶晶粒位向的影响软位向：容易变形的位向硬位向：不容易变形的位向当发生滑移变形时，处于不同位向的晶粒会产生相互约束，造成多晶体金属的变形抗力提高。金属的塑性变形与再结晶细晶强化细晶强化：通过细化晶粒来同时提高强度、塑性、韧性的方法原理：金属的晶粒越细小，①晶界越多，其变形抗力越高；②晶粒数目较多，每个晶粒所分担的外力较小；③晶界总量较长且曲折，裂纹扩展困难。金属的塑性变形与再结晶第二节冷塑性变形对组织和性能的影响塑性变形能够使材料在变形的同时，伴随着变性。变形结果：⑴晶粒破碎：位错密度增加、产生加工硬化⑵晶粒伸长：各向异性、产生形变织构⑶夹杂物伸长：形成纤维组织⑷应力状态：产生残余应力金属的塑性变形与再结晶组织变化—晶粒形状的变化金属发生塑性变形后，沿形变方向，晶粒被拉长或压扁,金属中的夹杂物也被拉长,形成纤维组织→各向异性。大变形量(70%～90%以上)定向变形时，出现形变织构现象，或称“择优取向”金属的塑性变形与再结晶组织变化—亚结构的形成金属经大的塑性变形时,由于位错的密度增大和发生交互作用,大量位错堆积在局部地区,并相互缠结,形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,而在晶粒内产生亚结构。金属的塑性变形与再结晶工业纯铁在塑性变形前后的组织变化5%冷变形纯铝中的位错网(a)正火态(c)变形80%(b)变形40%性能变化—加工硬化加工硬化：发生塑性变形时,随变形度的增大,金属的强度和硬度显著提高,塑性和韧性明显下降的现象,也叫形变强化。（利、弊）产生原因：①金属发生塑性变形时,位错密度增加,位错间的交互作用增强,相互缠结,造成位错运动阻力的增大,引起塑性变形抗力提高。②晶粒破碎细化,使强度得以提高。金属的塑性变形与再结晶冷塑性变形与性能关系变形20%纯铁中的位错未变形纯铁Si中的位错源性能变化—其它性能变化经塑性变形后的金属材料，发生点阵畸变，各种结构缺陷密度增加，导致：金属的电阻率增高，电阻温度系数下降，磁导率下降，热导率也有所降低，铁磁材料的磁滞损耗及矫顽力增大。能量状态升高，导致金属中的扩散过程加速，金属的化学活性增大，腐蚀速度加快。金属的塑性变形与再结晶性能变化—产生各向异性由于纤维组织和形变织构的形成,使金属的性能产生各向异性。金属的塑性变形与再结晶各向异性导致的铜板“制耳”有无残余内应力的形成储存能：外力去除后，仍残存在材料内部的畸变能。储存能的具体表现方式为：宏观残余应力、微观残余应力及点阵畸变。按照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为三种：金属的塑性变形与再结晶残余内应力的种类第一类内应力：因金属表面和心部塑性变形不均匀造成，存在于宏观范围内，又称宏观内应力。第二类内应力：由于晶粒之间变形不均匀造成，存在于晶粒间，故称微观内应力或晶间内应力。第三类内应力：由于晶格畸变，原子偏离平衡位置造成，存在于原子之间，又称晶格畸变应力。金属的塑性变形与再结晶第三类内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。而第一、二类内应力都使金属强度降低。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。晶界位错塞积所引起的应力集中第三节回复与再结晶冷变形后材料的状态：处于加工硬化状态且存在大量残余应力，能量状态较高回复与再结晶作用：消除变形金属的残余应力或恢复其某些性能（如提高塑性、韧性，降低硬度等）。对冷变形金属加热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。金属的塑性变形与再结晶变形金属加热时的组织与性能变化金属的塑性变形与再结晶一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化

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。加热温度℃黄铜1.回复回复：较低温度加热，由于原子运动，使变形金属中的缺陷密度降低，造成内应力下降的过程。特点：原子活动能力较小，金属的晶粒大小和形状无明显变化，故金属的机械性能变化不大，而内应力和电阻等理化性能显著变化。应用：生产中要求保留加工硬化性能，但需要降低内应力或改善某些理化性能。金属的塑性变形与再结晶在回复阶段，组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。工业上常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留加工硬化，这种热处理方法称去应力退火。80%冷变形Al合金回复后的TEM明场像2.再结晶再结晶：变形金属在较高温度加热，原子活动能力增大，被拉长(或压扁)、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。特点：①晶粒外形发生了变化(消除了变形金属的一切组织特征)，而晶格类型无任何变化；

②加工硬化和内应力完全消除，各种性能完全恢复到变形前的状态。应用：常作为金属进一步加工时的中间退火工序

金属的塑性变形与再结晶铁素体变形80%670℃加热650℃加热再结晶也是晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后晶粒的晶格类型和成分完全相同。Al合金再结晶晶粒在原变形组织晶界上形核冷变形奥氏体不锈钢加热时再结晶晶粒形核于高密度位错基体上由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。冷变形黄铜组织性能随温度的变化

冷变形(变形量为38%)黄铜580ºC保温15分后的的再结晶组织㈢再结晶后的晶粒长大再结晶完成后，若继续升温或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。黄铜再结晶后晶粒的长大580ºC保温8秒后的组织580ºC保温15分后的组织700ºC保温10分后的组织二、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。580ºC保温8秒后的组织580ºC保温3秒后的组织580ºC保温4秒后的组织冷变形(变形量为38%)黄铜的再结晶再结晶温度再结晶温度：变形金属开始进行再结晶的最低温度。统一标准规定：材料在1小时内退火（大变形度），发生再结晶的最低温度（T再）。影响再结晶温度的主要因素为：预先变形程度；原始晶粒的大小；金属的纯度及成分；加热速度和保温时间。金属的塑性变形与再结晶T再与ε的关系影响再结晶温度的因素为：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。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系:T再（K）≈0.4T熔（K）

其中T再、T熔为绝对温度.金属熔点越高,T再也越高.T再℃=(T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃⑵原始晶粒尺寸的影响在其他条件相同的情况下，金属的原始晶粒越细小，则变形的抗力越大，冷变形后储存的能量较高，再结晶温度则较低。金属的塑性变形与再结晶⑶金属的纯度及成分的影响由于杂质和合金元素特别是高熔点元素,阻碍原子扩散和晶界迁移,可显著提高最低再结晶温度。如高纯度铝(99.999%)的最低再结晶温度为80℃,而工业纯铝（99.0%）的最低再结晶温度提高到了290℃。金属的塑性变形与再结晶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。生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度高100~200℃。黄铜580ºC保温8秒后的组织黄铜580ºC保温15分后的组织⑷加热速度和保温时间的影响常见工业金属材料的

再结晶退火和去应力退火温度金属的塑性变形与再结晶金属材料去应力退火温度（℃）再结晶退火温度（℃）钢碳素结构钢及合金结构钢500～650680～720碳素弹簧钢280～300铝及其合金工业纯铝≈100350～420普通硬铝合金≈100350～370铜及其合金（黄铜）270～300600～7003.晶粒长大晶粒长大：再结晶后，随温度升高或保温时间延长，金属晶粒之间相互吞并长大的现象。金属的塑性变形与再结晶r

r

R

由于表面能的降低

小晶粒向大晶粒聚集是一个自发的过程影响再结晶后晶粒大小的因素加热温度和保温时间：金属的塑性变形与再结晶原子扩散→晶界迁移→晶粒长大变形度→畸变能→变形的均匀性

临界变形度：再结晶时，使晶粒异常粗大的变形度预先变形度：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.再结晶退火温度对晶粒度的影响2、预先变形度预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。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，变形极预先变形度对再结晶晶粒度的影响不均匀，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。当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。

对于某些金属，当变形量相当大时(

90%),再结晶后晶粒又出现粗化现象，一般认为这与形成织构有关。铝板弹孔经再结晶退火后的组织金属的塑性变形与再结晶黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片冷变形量为38％的组织580ºC保温3秒后的组织580ºC保温4秒后的组织580ºC保温8秒后的组织580ºC保温15分后的组织700ºC保温10分后的组织冷塑性变形金属的热处理去应力退火：加热到回复阶段，去除内应力，保持加工硬化的强化效果。再结晶退火：消除加工硬化，提高材料塑性，完全消除残余应力。金属的塑性变形与再结晶一、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。轧制模锻拉拔第四节金属材料的热变形如Fe的再结晶温度为451℃，其在400℃以下的加工仍为冷加工。而Pb

(熔点为327℃)

的再结晶温度为-33℃，则其在室温下的加工为热加工。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。巨型自由锻件热加工：在金属的再结晶温度以上进行的塑性变形加工。特点：塑性变形的同时伴随着再结晶过程的进行，因而塑性变形引起的加工硬化效应随即被再结晶过程的软化作用所消除，使材料保持良好的塑性状态。金属在热轧时变形和再结晶的示意图金属的塑性变形与再结晶热加工对金属组织和性能的影响⑴①改善铸锭组织，表现在：可使钢中的气孔焊合，分散缩孔压实，从而使材料的致密度增加；可使钢中的粗大枝晶和柱状晶破碎，晶粒细化，且再结晶后形成等轴晶，机械性能提高。金属的塑性变形与再结晶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。锻压热轧粗晶粒材料变形拉长的晶粒再结晶晶粒形核再结晶晶粒长大再结晶完成晶粒细而均匀材料热加工动态再结晶示意图热加工对金属组织和性能的影响⑵②产生热加工流线：可使钢中的各种夹杂物沿变形方向伸长，形成“纤维组织”，造成各向异性。沿着纤维的方向上(纵向)具有较高的机械性能，而在垂直方向上(横行)性能较低。金属的塑性变形与再结晶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