年首鋼杯軋鋼工培訓(xùn)(金屬學(xué))塑性變形與再結(jié)晶

1、 4- 1 4- 2 知道單晶體和多晶體的塑性變形概念；知道再結(jié)晶的基本知道單晶體和多晶體的塑性變形概念；知道再結(jié)晶的基本概念，再結(jié)晶過(guò)程和對(duì)金屬材料性能的影響。知道冷、熱變形概念，再結(jié)晶過(guò)程和對(duì)金屬材料性能的影響。知道冷、熱變形對(duì)金屬組織和性能的影響。對(duì)金屬組織和性能的影響。 單晶體和多晶體的塑性變形概念，再結(jié)晶的基本概念和再單晶體和多晶體的塑性變形概念，再結(jié)晶的基本概念和再結(jié)晶過(guò)程對(duì)金屬材料性能的影響。結(jié)晶過(guò)程對(duì)金屬材料性能的影響。 一、一、金屬單晶體的金屬單晶體的塑性變形塑性變形 1、單晶體受力分析、單晶體受力分析 2、金屬變形的過(guò)程、金屬變形的過(guò)程 3、單晶體的塑性變形方式、單晶體的塑

2、性變形方式 4、斷裂、斷裂 1、單晶體單晶體受力分析：受力分析： 單晶體受單晶體受力力 F，可分解成垂直于晶面的正應(yīng)力，可分解成垂直于晶面的正應(yīng)力N和平行于和平行于晶面的切晶面的切應(yīng)力應(yīng)力 ；正應(yīng)力；正應(yīng)力只能導(dǎo)致金屬材料斷裂；切應(yīng)力才能只能導(dǎo)致金屬材料斷裂；切應(yīng)力才能使金屬材料產(chǎn)生塑性變形使金屬材料產(chǎn)生塑性變形。 ZYX123Nxz2、金屬金屬變形的過(guò)程變形的過(guò)程 具有一定塑性的金屬材料受到外力的作用發(fā)生變形直至破具有一定塑性的金屬材料受到外力的作用發(fā)生變形直至破壞的過(guò)程可以分成三個(gè)階段：彈性變形階段壞的過(guò)程可以分成三個(gè)階段：彈性變形階段、塑性變形、塑性變形階段和階段和斷裂。斷裂。塑性變形塑

3、性變形彈性變形彈性變形 3、單晶體單晶體的塑性變形方式的塑性變形方式一般一般認(rèn)為，金屬的塑性變形是以認(rèn)為，金屬的塑性變形是以和和的方式進(jìn)行。的方式進(jìn)行。在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿著一定的晶在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生位移的現(xiàn)象。面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生位移的現(xiàn)象。 未變形未變形彈性變形彈性變形彈塑性變形彈塑性變形塑性變形塑性變形在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分以一定的晶面在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分以一定的晶面為對(duì)稱(chēng)面與晶體的另一部分發(fā)生了均勻的切變。為對(duì)稱(chēng)面與晶體的另一部分發(fā)生了均勻的切變。 4、斷裂斷裂金屬金屬的斷裂分為的斷裂分為和和兩類(lèi)。兩

4、類(lèi)。脆性斷裂脆性斷裂當(dāng)正應(yīng)力當(dāng)正應(yīng)力N N大于原子間大于原子間的平衡力時(shí)，晶體斷裂，稱(chēng)為脆斷。的平衡力時(shí)，晶體斷裂，稱(chēng)為脆斷。延性斷裂延性斷裂當(dāng)切應(yīng)力很大時(shí)當(dāng)切應(yīng)力很大時(shí)，晶體晶體在產(chǎn)生一定的在產(chǎn)生一定的塑性塑性變形變形后，也將被切斷后，也將被切斷破破壞壞，稱(chēng)為延性斷裂。，稱(chēng)為延性斷裂。 脆性斷裂示意圖脆性斷裂示意圖 延性斷裂示意圖延性斷裂示意圖 二、二、金屬多晶體的塑性變形金屬多晶體的塑性變形1、晶界、晶界及晶粒位向的影響及晶粒位向的影響 晶界抵抗塑性變形的能力較大晶界抵抗塑性變形的能力較大。 多晶體中，由于各個(gè)晶粒的位向不同，若某一晶粒要多晶體中，由于各個(gè)晶粒的位向不同，若某一晶粒要發(fā)生滑

5、移，必然要克服相鄰晶粒的阻力之后才能發(fā)生滑移。發(fā)生滑移，必然要克服相鄰晶粒的阻力之后才能發(fā)生滑移。 晶粒晶粒越細(xì)，晶界面積及不同位向晶粒越多，金屬的塑性變?cè)郊?xì)，晶界面積及不同位向晶粒越多，金屬的塑性變形抗力就大，強(qiáng)度和硬度越高。形抗力就大，強(qiáng)度和硬度越高。 晶粒晶粒越細(xì)可能發(fā)生滑移的晶粒越多，變形可以分散在更多越細(xì)可能發(fā)生滑移的晶粒越多，變形可以分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，故塑性、韌性越大。的晶粒內(nèi)進(jìn)行，故塑性、韌性越大。 2、多晶體多晶體的塑性變形過(guò)程的塑性變形過(guò)程 軟位向軟位向：凡滑移面和滑移方向位于或接近于與外力：凡滑移面和滑移方向位于或接近于與外力成成 45方位的晶粒將首先發(fā)生滑移變形，這

6、些位向稱(chēng)為軟位向方位的晶粒將首先發(fā)生滑移變形，這些位向稱(chēng)為軟位向。 PP軟位向軟位向 硬硬位向位向：凡滑移面和滑移方向位于或接近于與外力平行或：凡滑移面和滑移方向位于或接近于與外力平行或成成90方位（垂直）的晶粒將很難發(fā)生滑移變形，這些位向稱(chēng)方位（垂直）的晶粒將很難發(fā)生滑移變形，這些位向稱(chēng)為硬位向。為硬位向。 PP硬位向硬位向三、金屬材料的冷塑性變形與加工硬化三、金屬材料的冷塑性變形與加工硬化 1、冷塑性變形對(duì)金屬組織的影響、冷塑性變形對(duì)金屬組織的影響 2、冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響、冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響 1、冷塑性變形對(duì)金屬組織的影響、冷塑性變形對(duì)金屬組織的影響 改變金屬顯微組織改變金

7、屬顯微組織 金屬的晶粒形狀由原先的等軸晶粒逐漸改變?yōu)檠刈冃谓饘俚木ЯＰ螤钣稍鹊牡容S晶粒逐漸改變?yōu)檠刈冃畏较蛏扉L(zhǎng)的晶粒，強(qiáng)烈變形后的組織稱(chēng)為纖維組織。方向伸長(zhǎng)的晶粒，強(qiáng)烈變形后的組織稱(chēng)為纖維組織。 亞結(jié)構(gòu)細(xì)化亞結(jié)構(gòu)細(xì)化 產(chǎn)生大量的晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)（亞晶）。產(chǎn)生大量的晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)（亞晶）。 等軸晶粒等軸晶粒伸長(zhǎng)的晶粒伸長(zhǎng)的晶粒亞晶亞晶 產(chǎn)生形變織構(gòu)產(chǎn)生形變織構(gòu) 金屬本身是由許多雜亂分布的晶粒相互不規(guī)則地嵌合所金屬本身是由許多雜亂分布的晶粒相互不規(guī)則地嵌合所組成，變形時(shí)各個(gè)晶粒通過(guò)沿一定晶面和晶向的滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)，組成，變形時(shí)各個(gè)晶粒通過(guò)沿一定晶面和晶向的滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)，晶粒取向就與金屬延伸方向呈一定關(guān)系，使各晶

8、粒位向（即晶粒取向就與金屬延伸方向呈一定關(guān)系，使各晶粒位向（即晶面和晶向）趨于一致，這種組織叫晶面和晶向）趨于一致，這種組織叫。 絲織構(gòu)絲織構(gòu) 在拉拔和擠壓條件下形成的織構(gòu)稱(chēng)為在拉拔和擠壓條件下形成的織構(gòu)稱(chēng)為。各個(gè)晶各個(gè)晶粒有一個(gè)共同晶向相互平行，并與拉伸軸線一致，以此晶向粒有一個(gè)共同晶向相互平行，并與拉伸軸線一致，以此晶向來(lái)表示絲織構(gòu)，如：面心立方晶格（金、銀、銅等）的絲織來(lái)表示絲織構(gòu)，如：面心立方晶格（金、銀、銅等）的絲織構(gòu)為構(gòu)為111和和100；體心立方晶格（；體心立方晶格（-Fe、鎢、鉬等）、鎢、鉬等）的絲織構(gòu)為的絲織構(gòu)為110。 YXZ110111YXZ100 板織構(gòu)板織構(gòu) 在軋制條

9、件下形成的織構(gòu)稱(chēng)為在軋制條件下形成的織構(gòu)稱(chēng)為。由于晶面與軋由于晶面與軋制面平行，晶向與軋制方向一致，因此，板織構(gòu)用晶面與晶向制面平行，晶向與軋制方向一致，因此，板織構(gòu)用晶面與晶向共同來(lái)表示。如：體心立方晶格金屬的（共同來(lái)表示。如：體心立方晶格金屬的（100）晶面）晶面軋制面，軋制面，011晶向晶向軋制方向，由此構(gòu)成的板織構(gòu)則表示為軋制方向，由此構(gòu)成的板織構(gòu)則表示為（100）011。 YXZ011（100）2、冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響、冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響 產(chǎn)生加工硬化產(chǎn)生加工硬化 加工硬化是指金屬隨著冷塑性變形程度的增加，強(qiáng)度加工硬化是指金屬隨著冷塑性變形程度的增加，強(qiáng)度和硬度逐漸升高

10、，塑性和韌性逐漸降低的現(xiàn)象。和硬度逐漸升高，塑性和韌性逐漸降低的現(xiàn)象。 產(chǎn)生各向異性產(chǎn)生各向異性 產(chǎn)生纖維組織后，順其變形方向的強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)高于產(chǎn)生纖維組織后，順其變形方向的強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)高于垂直于變形方向。垂直于變形方向。 對(duì)物理化學(xué)性能的影響對(duì)物理化學(xué)性能的影響 降低金屬的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；降低磁性材料的導(dǎo)磁性降低金屬的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；降低磁性材料的導(dǎo)磁性能；降低抗腐蝕性能。能；降低抗腐蝕性能。 4-2 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶一、回復(fù)與再結(jié)晶一、回復(fù)與再結(jié)晶二、熱加工變形對(duì)組織與性能的影響二、熱加工變形對(duì)組織與性能的影響 1、回復(fù)、回復(fù) 2、再結(jié)晶、再結(jié)晶 3、晶粒的長(zhǎng)大晶粒的長(zhǎng)大 4、影響

11、再結(jié)晶溫度的因、影響再結(jié)晶溫度的因素素 冷塑性變形的金屬材料其組織處于不穩(wěn)定階段，有自發(fā)恢冷塑性變形的金屬材料其組織處于不穩(wěn)定階段，有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)。但在室溫下，由于金屬原子活動(dòng)能力與復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)。但在室溫下，由于金屬原子活動(dòng)能力與范圍太小，導(dǎo)致冷加工后的不穩(wěn)定狀態(tài)將得以維持而不發(fā)生變范圍太小，導(dǎo)致冷加工后的不穩(wěn)定狀態(tài)將得以維持而不發(fā)生變化。如果將金屬加熱，增加原子的活動(dòng)能力，就會(huì)加速這種不化。如果將金屬加熱，增加原子的活動(dòng)能力，就會(huì)加速這種不穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，發(fā)生一系列組織結(jié)構(gòu)和性能的變化，這種變穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，發(fā)生一系列組織結(jié)構(gòu)和性能的變化，這種變化分為三個(gè)階段：化分為三個(gè)階

12、段： 第一階段第一階段顯微組織無(wú)變化，晶粒仍是冷變形后的纖維狀，顯微組織無(wú)變化，晶粒仍是冷變形后的纖維狀，稱(chēng)為回復(fù)階段；稱(chēng)為回復(fù)階段； 第二階段第二階段完全變成新的等軸晶粒，稱(chēng)為再結(jié)晶階段；完全變成新的等軸晶粒，稱(chēng)為再結(jié)晶階段； 第三階段第三階段稱(chēng)為晶粒長(zhǎng)大階段。稱(chēng)為晶粒長(zhǎng)大階段。 1、回復(fù)、回復(fù) 回復(fù)的定義回復(fù)的定義 回復(fù)就是冷變形金屬在加熱溫度較低時(shí)，通過(guò)金屬中的一回復(fù)就是冷變形金屬在加熱溫度較低時(shí)，通過(guò)金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移，使晶格畸變逐漸降低，殘余應(yīng)力逐漸些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移，使晶格畸變逐漸降低，殘余應(yīng)力逐漸減小的過(guò)程。減小的過(guò)程。 組織與性能的變化組織與性能的變化 由于金屬晶

13、粒的大小和形狀基本保持不變，所以，其強(qiáng)度、由于金屬晶粒的大小和形狀基本保持不變，所以，其強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性基本不變，只是內(nèi)應(yīng)力減小，電阻率降低。硬度、塑性和韌性基本不變，只是內(nèi)應(yīng)力減小，電阻率降低。 冷冷變形金屬加熱到較高溫度時(shí)，將形成一些位向與變形晶變形金屬加熱到較高溫度時(shí)，將形成一些位向與變形晶粒不同的和內(nèi)部缺陷較少的等軸晶粒，這些小晶粒不斷向周?chē)２煌暮蛢?nèi)部缺陷較少的等軸晶粒，這些小晶粒不斷向周?chē)淖冃谓饘贁U(kuò)展長(zhǎng)大，直到金屬的冷變形組織完全消失為止，的變形金屬擴(kuò)展長(zhǎng)大，直到金屬的冷變形組織完全消失為止，這一過(guò)程稱(chēng)為金屬的再結(jié)晶。這一過(guò)程稱(chēng)為金屬的再結(jié)晶。 變形晶粒變形晶粒等軸晶粒形

14、核等軸晶粒形核新晶粒長(zhǎng)大新晶粒長(zhǎng)大3、晶粒的長(zhǎng)大晶粒的長(zhǎng)大 晶粒的長(zhǎng)大是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。因?yàn)榫ЯｉL(zhǎng)大可以減小晶晶粒的長(zhǎng)大是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。因?yàn)榫ЯｉL(zhǎng)大可以減小晶界的面積，降低表面能。界的面積，降低表面能。 晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程實(shí)際上晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)晶界遷移的過(guò)程，是是一個(gè)晶界遷移的過(guò)程，是通過(guò)大晶粒吞并小晶粒來(lái)實(shí)通過(guò)大晶粒吞并小晶粒來(lái)實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)的。 隨著溫度的升高，晶粒長(zhǎng)大，單位面積內(nèi)的晶界數(shù)量減少，隨著溫度的升高，晶粒長(zhǎng)大，單位面積內(nèi)的晶界數(shù)量減少，強(qiáng)度、硬度下降，塑性和韌性先升高后下降，原因是溫度剛升強(qiáng)度、硬度下降，塑性和韌性先升高后下降，原因是溫度剛升高時(shí)，金屬組織均勻化，促使塑高時(shí)

15、，金屬組織均勻化，促使塑性和韌性升高，但繼續(xù)升溫，則性和韌性升高，但繼續(xù)升溫，則晶粒粗化，導(dǎo)致塑性和韌性下降。晶粒粗化，導(dǎo)致塑性和韌性下降。 回復(fù)回復(fù)與再結(jié)晶對(duì)性能的影響示意圖與再結(jié)晶對(duì)性能的影響示意圖 回復(fù)回復(fù)再結(jié)晶再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大溫度溫度晶粒尺寸晶粒尺寸塑性塑性強(qiáng)度強(qiáng)度內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力 再結(jié)晶溫度金屬能夠再結(jié)晶溫度金屬能夠進(jìn)行進(jìn)行再結(jié)晶過(guò)程的再結(jié)晶過(guò)程的最低最低溫度。溫度。 再結(jié)晶再結(jié)晶時(shí)新舊晶粒的晶格結(jié)構(gòu)和成分完全相同，所以再時(shí)新舊晶粒的晶格結(jié)構(gòu)和成分完全相同，所以再結(jié)晶不是相變過(guò)程，沒(méi)有恒定的轉(zhuǎn)變溫度結(jié)晶不是相變過(guò)程，沒(méi)有恒定的轉(zhuǎn)變溫度。 再結(jié)晶過(guò)程的原動(dòng)力主要是變形晶粒的畸變能。再

16、結(jié)晶過(guò)程的原動(dòng)力主要是變形晶粒的畸變能。 再結(jié)晶過(guò)程能否進(jìn)行主要取決于金屬中畸變能的高低和再結(jié)晶過(guò)程能否進(jìn)行主要取決于金屬中畸變能的高低和金屬原子擴(kuò)散過(guò)程能否充分進(jìn)行金屬原子擴(kuò)散過(guò)程能否充分進(jìn)行。 4、影響再結(jié)晶溫度的因素、影響再結(jié)晶溫度的因素 預(yù)先的變形程度預(yù)先的變形程度 變形程度越大，金屬畸變能越高，向低能量狀態(tài)變化的變形程度越大，金屬畸變能越高，向低能量狀態(tài)變化的傾向也就越大，因此再結(jié)晶傾向也就越大，因此再結(jié)晶溫度較低溫度較低。 例例1：冷軋薄板時(shí)，當(dāng)成品厚度較小時(shí)冷軋薄板時(shí)，當(dāng)成品厚度較小時(shí)，壓下率大，再，壓下率大，再結(jié)晶結(jié)晶溫度就低溫度就低，因而在退火時(shí)溫度也較低，因而在退火時(shí)溫度也

17、較低； 當(dāng)厚度較大時(shí)，鋼板當(dāng)厚度較大時(shí)，鋼板壓下率較小，再結(jié)晶溫度壓下率較小，再結(jié)晶溫度相對(duì)地就要相對(duì)地就要提高，提高，退火溫度相應(yīng)的也有所提高。退火溫度相應(yīng)的也有所提高。 原始晶粒度原始晶粒度 原始晶粒粗大，變形阻力小，變形后內(nèi)能集聚較少，所原始晶粒粗大，變形阻力小，變形后內(nèi)能集聚較少，所以要求再結(jié)晶溫度較高，相對(duì)應(yīng)的退火溫度就高一些以要求再結(jié)晶溫度較高，相對(duì)應(yīng)的退火溫度就高一些。 金屬純度和成分金屬純度和成分 當(dāng)金屬中含有少量合金元素和夾雜時(shí)，在多數(shù)情況下需當(dāng)金屬中含有少量合金元素和夾雜時(shí)，在多數(shù)情況下需要提高再結(jié)晶溫度。要提高再結(jié)晶溫度。 當(dāng)合金元素含量較高時(shí)，要視合金元素對(duì)基體原子擴(kuò)散

18、速當(dāng)合金元素含量較高時(shí)，要視合金元素對(duì)基體原子擴(kuò)散速度的影響，以及合金元素對(duì)再結(jié)晶形核時(shí)表面能的影響而定度的影響，以及合金元素對(duì)再結(jié)晶形核時(shí)表面能的影響而定。 二、熱加工變形對(duì)組織與性能的影響二、熱加工變形對(duì)組織與性能的影響 1、熱加工與冷加工的區(qū)別、熱加工與冷加工的區(qū)別 2、熱加工對(duì)金屬組織和性能的影、熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響響 1、熱加工與冷加工的區(qū)別、熱加工與冷加工的區(qū)別 由于冷加工變形會(huì)引起金屬的加工硬化，變形抗力大，由于冷加工變形會(huì)引起金屬的加工硬化，變形抗力大，故對(duì)于那些變形量較大、特別是截面尺寸較大的工件，冷加工故對(duì)于那些變形量較大、特別是截面尺寸較大的工件，冷加工變形便十分

19、困難；變形便十分困難； 另外，對(duì)于某些較硬（另外，對(duì)于某些較硬（W、Mo）或塑性極低（）或塑性極低（Zn等）等）的金屬，甚至不可能對(duì)其進(jìn)行冷加工，而必須進(jìn)行熱加工。的金屬，甚至不可能對(duì)其進(jìn)行冷加工，而必須進(jìn)行熱加工。 從金屬學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，金屬在其再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的從金屬學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，金屬在其再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的加工變形稱(chēng)為熱加工；在其再溫度以下進(jìn)行的加工變形稱(chēng)為冷加工變形稱(chēng)為熱加工；在其再溫度以下進(jìn)行的加工變形稱(chēng)為冷加工。（加工。（注意：不是以具體的加工溫度高低來(lái)劃分冷、熱加工注意：不是以具體的加工溫度高低來(lái)劃分冷、熱加工的的）。）。 如：鐵的最低再結(jié)晶溫度為如：鐵的最低再結(jié)晶溫度為450，故即使它在，故即使它在400加工變形仍屬于冷加工；加工變形仍屬于冷加工； 鋁的再結(jié)晶溫度在鋁的再結(jié)晶溫度在0以下，故它在室溫度的加工變形以下，故它在室溫度的加工變形就屬熱加工。就屬熱加工。 2、熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響、熱加工對(duì)金屬組織和