第二章 金屬的塑性變形與再結晶

第一節金屬的塑性變形第二節

塑性變形對金屬組織和性能的影響第三節回復與再結晶第四節金屬的熱加工第二章金屬的塑性變形與再結晶第一節金屬的塑性變形一、金屬變形的三個階段二、單晶體的塑性變形三、多晶體的塑性變形一、金屬變形的三個階段金屬在外力作用下的變形過程可分為彈性變形、彈塑性變形和斷裂三個連續的階段。（一）彈性變形在拉伸試驗過程中，材料不產生塑性變形時的最大應力，用符號σe表示。應力與應變保持正比關系的最大應力。1、比例極限σp2、彈性極限σe指外力去除后可以恢復的那部分可逆變形。3、彈性模量或楊氏模量E=/、G=/

也稱為材料剛度，表示了零件在受力時，抵抗彈性變形的能力。它們主要由材料的成分決定，而與組織關系不大。（二）彈塑性變形在拉伸試驗過程中，載荷不增加，試樣仍能繼續伸長時的應力，用符號σs表示。條件屈服極限：試樣卸除載荷后，其標距部分的殘余伸長率達到試樣標距長度的0.2%時的應力，用符號σ0.2表示。屈服極限σs(Re)當應力去除后，變形只能部分恢復，而保留部分永久變形。（三）斷裂材料在斷裂前所能承受的最大應力，用符號σb表示。1、抗拉強度σb（Rm)l1-l0l0×100%δ=l1——試樣拉斷后的標距，mm;l0——試樣的原始標距，mm。試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比。2、伸長率δ(A)S0-S1S0Ψ=×100%S0——試樣原始橫截面積，mm2；S1——頸縮處的橫截面積，mm2

。試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。3、斷面收縮率Ψ(Z)二、單晶體的塑性變形外力在晶面上的分解切應力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應力和切應力。正應力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應力的作用下金屬晶體才能產生塑性變形。滑移：當作用在位錯上的切應力達到某一臨界值時，晶體的一部分將沿著一定的晶面（滑移面）和一定的方向（滑移方向）發生相對的滑動，產生相對的位移。塑性變形的形式：滑移和孿生。金屬常以滑移方式發生塑性變形。滑移的特征滑移只能在切應力的作用下發生。滑移的結果：使晶體表面產生臺階，稱為滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。三種常見金屬晶體結構的滑移系滑移系的個數:(滑移面個數）×（每個面上所具有的滑移方向的個數）滑移通常沿原子密度最大的晶面和晶向進行。滑移面、滑移方向、滑移系一個滑移面和其上的一個滑移方向構成一個滑移系。滑移系越多，金屬發生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向對塑性的貢獻比滑移面更大。（面心立方）（密排六方）金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格,體心立方晶格好于密排六方晶格滑移的同時伴隨著晶體的轉動轉動有兩種：滑移面向外力軸方向轉動和滑移面上滑移方向向最大切應力方向轉動。AA1FF滑移面滑移方向最大切應力方向滑移是通過位錯的運動實現的。位錯的易動性三、多晶體的塑性變形晶粒變形的不同時性處于有利位向（軟位向——滑移系與外力夾角等于或接近于45°）的晶粒先滑移；處于不利位向（硬位向——滑移系與外力垂直或平行）的晶粒后滑移。硬位向軟位向晶粒變形的相互協調性多晶體中每個晶粒都處于其它晶粒的包圍之中，它們的變形必然要與其它臨近的晶粒相互協調配合，周圍的晶粒以彈性變形來與之協調。晶界的強化作用晶界是滑移的障礙，晶界變形抗力較大。晶界多了能強化材料——細晶強化細化晶粒不僅能提高材料的強度，還可以改善材料的塑性和韌性。第二節塑性變形對金屬

組織和性能的影響

一、塑性變形對顯微組織的影響二、塑性變形對金屬性能的影響三、殘余應力一、塑性變形對顯微組織的影響(一)形成纖維組織晶粒會沿著變形方向伸長成為長條形或扁平形晶粒。（二）亞結構細化晶粒碎化為亞晶粒亞晶粒（三）產生形變織構在塑性變形達到一定程度時，各個晶粒的滑移面和滑移方向逐漸與變形方向趨于一致，這種現象稱為擇優取向，這種組織狀態則稱為形變織構。分為兩種：絲織構與板織構

絲織構板織構對性能影響：產生各向異性無織構有織構力學性能：利：深沖板材變形控制；弊：制耳。物理性能：硅鋼片{100}[100]織構可減少鐵損。

二、塑性變形對金屬性能的影響（一）力學性能加工硬化（形變強化）:隨著冷塑性變形量的增加，金屬的強度、硬度升高，塑性、韌性下降的現象。工業純銅45鋼鏈條板的軋制材料為Q345（16Mn)

鋼的自行車鏈條經過五次軋制，厚度由3.5mm壓縮到1.2mm，總變形量為65%。硬度從150HBS提高到275HBS；抗拉強度從510MPa提高到980MPa；使承載能力提高了將近一倍。加工硬化是強化金屬的重要手段之一。對于不能熱處理強化的金屬和合金尤為重要。彈簧鋼絲的強化65Mn彈簧鋼絲經冷拉后，抗拉強度可達2000~3000MPa，比一般鋼材的強度提高4~6倍。高錳鋼的加工硬化高錳鋼（ZGMn13)屬于奧氏體鋼，熱處理不能強化，它的主要強化手段就是加工硬化。當高錳鋼受到激烈摩擦或劇烈沖擊時，其表面部分就會產生微量塑性變形，隨之產生強烈的加工硬化，使其硬度和強度快速提高，從而能夠作為耐磨鋼使用。金屬的冷成型加工的保證金屬的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性變形均勻地分布于整個工件上，而不致于集中在某些局部而導致最終斷裂。提高材料使用的安全性構件在使用過程中，往往不可避免地會某些部位出現應力集中和過載現象，在這種情況下，由于金屬能加工硬化，使局部過載部位在產生少量塑性變形之后，提高了屈服強度并與所承受的應力達到平衡，變形就不會繼續發展，從而在一定程度上提高了構件的安全性。加工硬化的不利影響不利于繼續變形。

必須對其進行中間退火，這樣就增加了生產成本，而且延長了生產周期。產生殘余應力。（二）其他性能塑性變形影響金屬的物理、化學性能，如電阻增大，導磁率下降，耐腐蝕性能降低。密度、導熱系數下降。（一）宏觀內應力（第一類內應力）原因：由工件不同部位的宏觀變形不均勻而引起的。作用范圍：作用于整個工件。三、殘余應力（約占變形功的10％）金屬棒彎曲變形后的殘余應力金屬冷拉拔后的殘余應力（二）微觀內應力（第二類內應力）（三）點陣畸變（第三類內應力）80-90%原因：晶體缺陷而引起的畸變應力。作用范圍：約幾百到幾千個原子范圍內。原因：晶粒或亞晶粒之間的變形不均勻引起的。作用范圍：與晶粒尺寸相當。金屬強化主要原因第一類、第二類殘余應力：

對金屬材料的性能是有害的，使金屬強度降低。

它導致材料及工件的變形、開裂和產生應力腐蝕。

消除措施：去應力退火處理

利：預應力處理（噴丸、噴砂、滾壓）→殘余壓應力→提高工件疲勞強度，延長使用壽命。

第三類內應力是產生加工硬化主要原因，是金屬強化的主要原因。弊：第三節回復與再結晶一、回復二、再結晶三、晶粒長大四、影響再結晶退火后晶粒度的因素變形金屬加熱時組織和性能變化示意圖回復是指經冷塑性變形的金屬在加熱時，在光學顯微組織發生改變前(即在再結晶晶粒形成前)所產生的某些亞結構和性能的變化過程。顯微組織無顯著變化。晶粒仍保持纖維狀或扁平狀的變形組織。特點：2.加工硬化現象未消失。3.某些物理、化學性能發生明顯變化，如電阻顯著減小，第一類內應力基本消除，抗應力腐蝕能力提高，一、回復生產上應用：回復退火（去應力退火）利用回復過程，在基本保留加工硬化的前提下，降低內應力，避免變形開裂并改善抗蝕性。例如：冷沖壓黃銅工件在變形后要進行去應力退火，以防止晶間開裂。二、再結晶再結晶：冷變形金屬在加熱到一定溫度后，在原來變形組織中重新產生并最終由無畸變的新晶粒完全取代，而性能恢復到變形前狀態的變化過程。1.特點（1）組織發生變化

變形晶粒由無畸變新晶粒代替。（2）消除加工硬化現象。（3）變形儲存能充分釋放。2.再結晶的過程實質：新晶粒重新形核和長大的過程，無新相產生。再結晶過程示意圖變形晶粒新等軸晶粒3.再結晶溫度及再結晶退火工業純金屬的最低再結晶溫度生產上定義：經過大變形量冷塑性變形的金屬（變形度＞70%），在1h保溫時間內能夠完成再結晶轉變（轉變量＞95%）的溫度。T再≈0.4T熔（絕對溫度）再結晶退火：生產中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結晶退火。生產上為了縮短退火周期，采用的再結晶退火溫度一般定為最低再結晶溫度以上100～200℃。再結晶的應用：恢復金屬塑性變形的能力，以便繼續進行形變加工。4.再結晶與重結晶不同點：（1）再結晶轉變前后的晶格類型沒有發生變化，重結晶時晶格類型發生改變。（2）再結晶是對冷塑性變形的金屬而言的，沒有發生冷塑性變形的金屬不存在再結晶問題。相同點：晶粒形核、長大的過程。三、晶粒長大再結晶剛剛完成后的晶粒是無畸變的等軸晶粒，如果繼續升高溫度或延長保溫時間，晶粒之間就會通過晶界的遷移相互吞并而長大。晶粒長大示意圖二次再結晶再結晶完成后，若繼續升高溫度或延長保溫時間，晶粒會不均勻急劇長大，這種現象類似于再結晶的形核、長大過程，因而稱為二次再結晶。對性能影響：使金屬的強度、塑性和韌性顯著降低，易產生裂紋，導致零件的破壞。四、影響再結晶退火后晶粒度的因素

1、加熱溫度和保溫時間加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越粗大,加熱溫度的影響尤為顯著。再結晶退火溫度對晶粒度的影響2、冷變形度冷變形度的影響，實質上是變形均勻程度的影響。當變形度很小時，晶格畸變小，不足以引起再結晶。

預先變形度對再結晶晶粒度的影響當變形達到2~10%時，只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長大，再結晶后晶粒特別粗大，這個變形度稱臨界變形度。當超過臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再結晶時形核量大而均勻，使再結晶后晶粒細而均勻，達到一定變形量之后，晶粒度基本不變。

對于某些金屬，當變形量相當大時(

90%)，再結晶后晶粒又出現粗化現象，一般認為這與形成織構有關。第四節金屬的熱加工一、熱加工與冷加工的區別二、熱加工對金屬組織和性能的影響三、超塑性（自學）第四節金屬的熱加工一、熱加工與冷加工的區別指在再結晶溫度以上的加工過程。熱加工：冷加工：指在再結晶溫度以下的加工過程。熱加工過程實質：加工硬化與動態軟化同時進行。動態軟化動態回復動態再結晶（注意：與靜態回復與靜態再結晶相區別）熱軋如：鎢的再結晶溫度為1200℃，其在1000℃的變形加工仍是冷加工；

鉛(熔點為327℃)的再結晶溫度為-33℃，在室溫下的變形就是熱加工。熱加工能量消耗小，但鋼材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、變形量大、在室溫下加工困難的工件。冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光潔度要求高的工件。二、熱加工對金屬組織和性能的影響1.改善鑄態組織細化晶粒，使枝晶、柱狀晶和粗大晶粒破碎；微裂紋和氣孔被焊合，疏松壓實，提高致密度；某些合金鋼中的大塊碳化物被打碎并均勻分布；組織缺陷的改善，使力學性能特別是塑性、韌性明顯提高。消除成分偏析。2.形成纖維組織熱加工中，鑄態金屬中的某些枝晶偏析、非金屬夾雜物及第二相將隨基體組織的塑性變形而伸長并沿變形的方向分布，在宏觀組織上呈現一條條細線（流線），這種組織叫熱加工纖維組織。對性能影響措施使金屬的力學性能有明顯的各向異性，沿流線方向上的強度、塑性和韌性要顯著大于垂直流線方向上的相應性能。通過冶煉和加工減弱和控制流線的形成。制