金屬材料與熱處理課題八-課件2

金屬材料與熱處理金屬材料與熱處理課題三金屬的塑性變形與再結(jié)晶學習情境一金屬的塑性變形學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化學習情境四金屬的熱變形加工課題三金屬的塑性變形與再結(jié)晶學習情境一金屬的塑性變形學習學習目標了解單晶體金屬塑性變形的主要形式；了解冷塑性變形對金屬組織和性能的影響；了解熱加工與冷加工的區(qū)別；了解斷裂的方式及斷裂發(fā)生的原因。課題三金屬的塑性變形與再結(jié)晶學習目標了解單晶體金屬塑性變形的主要形式；課題三金屬的塑在機械制造業(yè)中，許多金屬制品都是通過對金屬鑄錠進行壓力加工獲得的。壓力加工是對金屬施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形，改變形狀和尺寸，用以制造毛坯、工件或機械零件的成形加工方法。它不僅改變了金屬的外形尺寸，而且其內(nèi)部的組織和性能也發(fā)生了變化。

相關知識課題三金屬的塑性變形與再結(jié)晶在機械制造業(yè)中，許多金屬制品都是通過對金屬鑄錠進行壓力加工獲材料在外力作用下將發(fā)生彈性變形或塑性變形，甚至斷裂。塑性變形是外力去除后不可恢復的變形。金屬材料獲得廣泛應用的一個重要原因是它具有優(yōu)良的塑性變形能力。金屬型材、機械零件以及各種金屬制品，大都是在制成鑄錠后，通過軋制、鍛造、擠壓、冷拔、沖壓等壓力加工形成半成品或成品的。金屬經(jīng)過壓力加工不僅可以得到零件所需要的形狀和尺寸，而且可以使鑄態(tài)金屬的組織與性能得到改善。因此，研究金屬的塑性變形可改進金屬加工工藝，提高加工質(zhì)量。學習情境一金屬的塑性變形材料在外力作用下將發(fā)生彈性變形或塑性變形，甚至斷裂。塑性變形學習情境一金屬的塑性變形

一、

單晶體的塑性變形常溫下金屬的塑性變形方式主要有滑移和孿生兩種。學習情境一金屬的塑性變形一、單晶體的塑性變形常溫下學習情境一金屬的塑性變形滑移是在剪切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面和晶向發(fā)生的相對滑動。這種切變既不改變晶格點陣類型，也不影響晶體的取向，只是在晶體表面出現(xiàn)了一系列的臺階狀痕跡，如圖3-1所示。單晶體的滑移變形1.圖3-1滑移變形示意圖學習情境一金屬的塑性變形滑移是在剪切應力作用下，晶體的一學習情境一金屬的塑性變形（1）滑移是在切應力的作用下發(fā)生的。單晶體在切應力τ的作用下的變形示意圖如圖3-2所示。在切應力作用下，原子偏離平衡位置，晶體發(fā)生剪切彈性變形，如圖3-2（b）所示。這時，如果取消外力，晶體恢復原狀；當切應力超過彈性極限時，晶體中上下兩部分產(chǎn)生相對滑移，如圖3-2（c）所示。滑移后原子處于新的平衡位置，當外力去除后，晶格的彈性歪扭隨之消失，而滑移到新位置的原子不能回復原位，在新位置上重新處于平衡狀態(tài)，于是晶體就產(chǎn)生了微量的塑性變形，如圖3-2（d）所示。許多晶面滑移的總和就產(chǎn)生了宏觀的塑性變形。當應力足夠大時，晶體將發(fā)生斷裂。學習情境一金屬的塑性變形（1）滑移是在切應力的作用下發(fā)生學習情境一金屬的塑性變形圖3-2單晶體在切應力作用下的變形示意圖學習情境一金屬的塑性變形圖3-2單晶體在切應力作用下學習情境一金屬的塑性變形（2）滑移的結(jié)果使晶體表面形成臺階，產(chǎn)生滑移線、滑移帶。將一個表面經(jīng)過拋光的金屬試樣進行拉伸，使它發(fā)生一定程度的塑性變形，然后卸除載荷，將其放在金相顯微鏡下觀察，可以看到試樣表面出現(xiàn)一條條黑色的平行線，如圖3-3所示。這些黑線稱為滑移帶，這是晶體塑性變形時原子層間產(chǎn)生相對位移，在試樣表面留下的滑移臺階。進一步研究其細節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，每一個滑移帶實際上是由一些稱為滑移線的更小的臺階組成的?；茙У氖疽鈭D如圖3-4所示。隨著變形量增加，滑移帶不斷地出現(xiàn)并加寬。學習情境一金屬的塑性變形（2）滑移的結(jié)果使晶體表面形成臺學習情境一金屬的塑性變形圖3-3銅變形后的滑移帶圖3-4滑移帶示意圖學習情境一金屬的塑性變形圖3-3銅變形后的滑移帶圖3學習情境一金屬的塑性變形晶體的滑移并不是在所有的晶面上都能發(fā)生，而是沿著一定的晶面和此面上的一定方向進行。晶體中易發(fā)生滑移的晶面和晶向稱為滑移面和滑移方向。晶體滑移大多優(yōu)先發(fā)生在原子密度最大的晶面上。這是因為原子密度最大的晶面上原子間的結(jié)合力較強，滑移阻力較大，而原子密度最大的晶面間的面間距最大，原子間結(jié)合力最小，滑移阻力也就最小。因此，沿面間距最大的晶面滑移阻力最小，即所需切應力最小。從位錯運動看，沿面間距最大的晶面移動引起的點陣畸變也最小，因而所需能量最小。同理，滑移方向也是沿著原子密度最大的晶向?；泼妗⒒品较蚝突葡?.學習情境一金屬的塑性變形晶體的滑移并不是在所有的晶面上都學習情境一金屬的塑性變形圖3-5晶面間距示意圖學習情境一金屬的塑性變形圖3-5晶面間距示意圖學習情境一金屬的塑性變形晶體中一個可滑移的晶面和其上一個可滑移的晶向組成一個滑移系。晶體結(jié)構(gòu)不同，滑移面、滑移方向以及滑移系的多少也不相同。三種常見金屬晶格的滑移面、滑移方向、滑移系見表3-1。晶體中滑移系越多，發(fā)生滑移的可能性越大，金屬的塑性也就越好。學習情境一金屬的塑性變形晶體中一個可滑移的晶面和其上一個學習情境一金屬的塑性變形由表3-1可知，體心立方晶格中原子密度最大的是（110）晶面，在該面上最可能發(fā)生滑移，而最可能發(fā)生滑移的晶向只有［111］。（110）面有6組，每組中有2個方向，其滑移系為6×2=12。面心立方晶格最可能的滑移面是（111）面，而每個晶面有3個密集方向，有4×3=12個滑移系。密排六方晶格最可能發(fā)生滑移的晶面是上下底面，且其上各有3個方向，有1×3=3個滑移系?？傊?，面心立方和體心立方的金屬滑移系較多，故其塑性較好。而密排六方的金屬僅有3個滑移系，故塑性差。學習情境一金屬的塑性變形由表3-1可知，體心立方晶格中原學習情境一金屬的塑性變形近代理論及實驗證明，晶體滑移時，并不是整個滑移面上的全部原子一起移動，因為大量原子同時移動需要克服的滑移阻力十分巨大，實際上滑移是借助于位錯的移動來實現(xiàn)的，如圖3-6所示。圖3-6刃型位錯移動產(chǎn)生滑移示意圖學習情境一金屬的塑性變形近代理論及實驗證明，晶體滑移時，學習情境一金屬的塑性變形位錯的原子面受前后兩邊原子的排斥，處于不穩(wěn)定的平衡位置。只需加上很小的力就能打破力的平衡，使位錯及其附近的原子面移動很小的距離（小于一個原子間距），達到虛線位置，即位錯前進了一個原子間距。在切應力作用下，位錯繼續(xù)移動到晶體表面時就形成了一個原子間距的滑移量。大量的位錯移出晶體表面，就產(chǎn)生了宏觀的塑性變形。按上述理論求得位錯的滑移阻力，與實驗值基本相符。學習情境一金屬的塑性變形位錯的原子面受前后兩邊原子的排斥學習情境一金屬的塑性變形孿生是金屬塑性變形的另一種重要方式。孿生變形過程示意圖如圖3-7所示。在切應力的作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面（孿生面）和一定的方向（孿生方向）相對于另一部分晶體作均勻切變。晶體變形部分的位向改變，與未變形部分以孿生面為對稱面形成鏡面對稱。通常把這兩部分晶體合稱為孿晶，把形成孿晶的過程稱為孿生。孿生變形3.學習情境一金屬的塑性變形孿生是金屬塑性變形的另一種重要方學習情境一金屬的塑性變形圖3-7孿生變形過程示意圖學習情境一金屬的塑性變形圖3-7孿生變形過程示意圖學習情境一金屬的塑性變形由于孿生變形是孿生帶處眾多的原子協(xié)同動作的結(jié)果，所以孿生變形速度快，所需的切應力比滑移的大，只有在滑移很難進行的條件下晶體才進行孿生變形。一些滑移系較少的密排六方金屬（如Zn）在一定條件下優(yōu)先進行孿生變形。體心立方金屬在室溫時，只有在沖擊載荷下才產(chǎn)生孿生變形，或在低溫下由于滑移困難也可產(chǎn)生孿生變形。面心立方金屬由于對稱性高，滑移系多，易于滑移，所以孿生變形很難發(fā)生。學習情境一金屬的塑性變形由于孿生變形是孿生帶處眾多的原子

孿生與滑移的區(qū)別如下。(1)顯微外觀。滑移線較細，孿生線較粗。(2)晶格取向?；魄昂缶Ц穹较虿蛔?，而孿生前后晶格方向發(fā)生變化。(3)移動間距?；埔苿娱g距是原子間距的整數(shù)倍，而孿生移動間距是原子間距的分數(shù)倍。學習情境一金屬的塑性變形孿生與滑移的區(qū)別如下。(1)顯微外觀。滑移線較細，孿生學習情境一金屬的塑性變形(4)發(fā)生條件。只要剪切應力大于滑移阻力,沿滑移面上的滑移方向就能發(fā)生滑移；孿生則是在對稱性低、滑移系少、低溫高速的情況下易發(fā)生，孿生所需切應力較大。(5)組織性能變化。孿生后金屬內(nèi)產(chǎn)生空隙，使塑性、韌性下降，而滑移無此弊端。學習情境一金屬的塑性變形(4)發(fā)生條件。只要剪切應力大于實際金屬材料都是多晶體，在室溫下它的塑性變形與單晶體基本相似，即每個晶粒的塑性變形仍是滑移與孿生。但多晶體是由許多形狀、大小、位向都不同的晶粒組成的，它的塑性變形要受周圍位向不同的晶粒及晶界的影響與約束。因此多晶體塑性變形要復雜得多，具體表現(xiàn)為以下兩方面。學習情境一金屬的塑性變形

二、多晶體的塑性變形實際金屬材料都是多晶體，在室溫下它的塑性變形與單晶體基本相似學習情境一金屬的塑性變形多晶體各個晶粒的位向不同，這將使各個晶粒的變形有先有后，并且在變形時，有的互相配合，有的互相干擾。多晶體中，滑移變形將首先發(fā)生在位向有利于滑移變形的某些晶粒中，但已變形晶粒周圍尚處于彈性變形階段的晶粒對已變形的晶粒起著阻礙變形的作用，使那些原先位向有利的晶?；七M行到一定程度后自行停止。同時，當某些晶粒變形至一定程度時，由于對未變形晶粒造成足夠大的應力集中，使原先處于不利位向的晶粒也產(chǎn)生滑移，使應力重新分布。也就是說，隨著外力的增加，晶粒將一批一批地逐次進行滑移，而不是一起滑移。即不均勻變形導致應力集中，而應力集中又將造成不均勻的變形。變形的不均勻性1.學習情境一金屬的塑性變形多晶體各個晶粒的位向不同，這將使學習情境一金屬的塑性變形晶界對塑性變形有較大的阻礙作用，如圖3-8所示。晶界影響2.圖3-8多晶體變形示意圖學習情境一金屬的塑性變形晶界對塑性變形有較大的阻礙作用，學習情境一金屬的塑性變形（1）晶界處塑性變形抗力較大。晶界是兩晶粒的過渡層，原子排列混亂，晶格畸變大，并且雜質(zhì)常存在其間，使滑移時位錯移動受阻，從而增大變形抗力。（2）晶界越多，塑性變形抗力越大。在外力作用下，當某一處于易于變形方向的晶粒要發(fā)生滑動時，必然受到周圍位向不同的其他晶粒的約束，因而滑移所受阻力變大，即金屬塑性變形抗力變大。相鄰晶粒位向差越大，滑移阻力也越大。學習情境一金屬的塑性變形（1）晶界處塑性變形抗力較大。晶學習情境一金屬的塑性變形（3）晶粒越小，塑性、韌性越高。晶粒越小，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目也越多，在同樣的變形條件下，同時參與變形的晶粒數(shù)越多，并且每個晶粒內(nèi)部的變形較均勻，不至于產(chǎn)生過大的應力集中。此外，晶粒越小，晶界數(shù)越多、越曲折，不利于裂紋傳播。（4）晶粒越小，強度、硬度越高。晶粒越小，單位體積內(nèi)晶界數(shù)越多，并且不同位向的晶粒越多，因此強度、硬度越高。學習情境一金屬的塑性變形（3）晶粒越小，塑性、韌性越高。學習情境一金屬的塑性變形單相固溶體的顯微組織與純金屬相似，因此塑性變形也與之相似。但由于溶質(zhì)原子的溶入引起晶格畸變，阻礙位錯運動，即發(fā)生固溶強化，塑性變形抗力升高。三、

合金的塑性變形單相固溶體的塑性變形1.學習情境一金屬的塑性變形單相固溶體的顯微組織與純金屬相似合金混合物中的第二相可能是金屬、固溶體或化合物。若第二相為金屬或固溶體，它們與基體的塑性變形能力相近，則合金的變形能力為二者的平均值。但是一般工業(yè)合金第二相多是以化合物作為強化相存在的，如鋼組織中的硬脆相滲碳體。第二相的性能、數(shù)量、大小、形狀及分布等情況對合金塑性變形的影響有以下幾種情況。學習情境一金屬的塑性變形雙相合金的塑性變形2.合金混合物中的第二相可能是金屬、固溶體或化合物。若第二相為金學習情境一金屬的塑性變形（1）第二相以粒狀彌散分布在基體晶粒內(nèi)。（2）第二相以層片狀分布在基體晶粒內(nèi)。（3）第二相以連續(xù)網(wǎng)狀分布在基體晶粒的邊界上。學習情境一金屬的塑性變形（1）第二相以粒狀彌散分布在基體學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響

所謂金屬冷塑性變形，可以認為是在室溫條件下進行的。在冷塑性變形后，金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能都發(fā)生一系列重要的變化。至于金屬學上的冷變形和熱變形的確切定義將在學習情境四中進行論述。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響所謂金屬冷學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響

一、

冷塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響1）改變金屬顯微組織金屬晶體在外力作用下，隨著外形和尺寸的變化，其內(nèi)部晶粒也由原先的等軸晶粒逐漸改變?yōu)檠刈冃畏较虮焕L或壓扁的晶粒。當變形量很大時，各晶?？梢员焕衫w維狀，在光學顯微鏡下已很難分開，晶界變得模糊不清，稱之為纖維組織。圖3-9所示為純銅經(jīng)不同程度冷軋后的顯微組織。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響一、學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-9純銅經(jīng)不同程度冷軋變形后的顯微組織(300×)學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-9學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響1）位錯密度增加，亞結(jié)構(gòu)細化隨著變形量的增加，原有晶粒被破碎，形成許多位向略有不同的小晶塊（約10-3~10-6cm）。每一個小晶塊稱為亞晶粒，這種組織稱為亞結(jié)構(gòu)，如圖3-10所示。在亞晶粒邊界上集聚著較多位錯，隨著塑性變形程度增大，亞晶粒將進一步細化并產(chǎn)生位錯增殖(位錯密度增大)，從而出現(xiàn)嚴重的晶格畸變。但是亞晶粒內(nèi)部的晶格則比較完整。亞結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和細化，對滑移變形過程有巨大阻礙作用，顯著地提高了晶體的變形抗力，對于強化金屬材料起著十分重要的作用。圖3-11是位錯密度與強度關系示意圖。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響1）位錯密度學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-10金屬冷塑性變形后的亞結(jié)構(gòu)示意圖圖3-11位錯密度與強度關系示意圖學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-10塑性變形除了使晶粒拉長、壓扁和出現(xiàn)亞晶之外，當變形量足夠大時，還會使晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動。即各晶粒的某一晶向都不同程度地轉(zhuǎn)到與外力相近的方向(與金屬延伸方向呈一定關系)，從而使多晶體中原來任意位向的各晶粒取得接近于一致的位向，形成所謂“擇優(yōu)取向”，這種組織稱為形變織構(gòu)。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響3）產(chǎn)生形變織構(gòu)塑性變形除了使晶粒拉長、壓扁和出現(xiàn)亞晶之外，當變形量足夠大時學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響形變織構(gòu)的性質(zhì)與金屬的變形方式有關。例如，面心立方晶格的金屬，在拉絲時形成的織構(gòu)稱為絲織構(gòu)，其特點是大多數(shù)晶粒的取向是［111］晶向并與拉絲方向平行；而同樣是面心立方晶格的金屬，在軋制時則形成板織構(gòu)，其特點是各晶粒的某一晶面(110)和某一晶向［112］都分別平行于軋制平面和軋制方向，如圖3-12所示。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響形變織構(gòu)的性學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-12面心立方晶格金屬形變織構(gòu)示意圖織構(gòu)的形成使多晶體金屬出現(xiàn)各向異性，在沖壓復雜形狀零件(如汽車覆蓋件等)時，產(chǎn)生不均勻塑性變形則可能導致工件報廢。但是，也可利用織構(gòu)現(xiàn)象來提高硅鋼板的某一方向的磁導率。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-12學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響二、

冷塑性變形對金屬性能的影響產(chǎn)生加工硬化1.金屬材料隨著冷塑性變形程度的增大，強度和硬度逐漸升高，塑性和韌性逐漸降低的現(xiàn)象稱為加工硬化或冷作硬化，這也是冷塑性變形后的金屬在力學性能方面最為突出的變化。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響二、顯然，加工硬化是金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的宏觀表現(xiàn)。經(jīng)冷變形后，晶界總面積增大，位錯密度也增大，位錯線間的距離減小，彼此干擾作用明顯增強，使得能夠產(chǎn)生滑移變形的潛在部位減少，從而導致滑移阻力增加，塑性變形能力降低。再則，金屬冷變形后，原來的晶粒破碎了，形成許多亞結(jié)構(gòu)，在亞晶粒邊界上聚集著大量位錯，產(chǎn)生嚴重的晶格畸變，也對滑移過程產(chǎn)生巨大阻礙。所有這些都使金屬變形抗力升高，塑性和韌性降低。圖3-13是ωC=0.3%碳鋼冷軋后力學性能的變化。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響顯然，加工硬化是金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的宏觀表現(xiàn)。經(jīng)冷變形學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-13ωC=0.3%碳鋼冷軋后力學性能的變化學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-13學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響加工硬化使金屬強化是以犧牲金屬的塑性、韌性為代價的，而且在冷變形加工過程中隨著加工硬化現(xiàn)象的產(chǎn)生要不斷增加機械功率，故對設備和工具的強度提出了較高要求，隨著材料塑韌性的下降，也可能發(fā)生脆性破壞。此外，加工硬化也使冷軋、冷拔、沖壓等成形工藝增加能耗，為恢復塑性繼續(xù)進行冷變形往往要進行中間退火，這就使生產(chǎn)周期延長，成本增加。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響加工硬化使金學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響金屬在冷塑性變形中，隨著晶粒被拉長或壓扁，特別是產(chǎn)生纖維組織后，金屬會具有明顯的方向性，其縱向(沿纖維的方向)的力學性能高于橫向(垂直于纖維的方向)的性能。同樣，當金屬產(chǎn)生織構(gòu)時，其力學和電磁性能也呈各向異性。在大多數(shù)情況下形成織構(gòu)是有害的，由于材料性能不一致造成變形分布不均勻，使沖壓件厚度不均，如杯形件出現(xiàn)的“制耳”現(xiàn)象，如圖3-14所示。2）產(chǎn)生各向異性學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響金屬在冷塑性學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-14制耳現(xiàn)象但是織構(gòu)現(xiàn)象在有些方面是可以利用的。例如，生產(chǎn)變壓器硅鋼片時，其晶格為體心立方，沿［100］晶向最易磁化，如采用具有織構(gòu)取向的硅鋼片制作鐵芯，使其［100］晶向平行于磁場方向，則其磁導率顯著增大，從而提高變壓器效率，減少鐵芯重量和鐵損。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-14學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形會降低金屬的導電、導熱性能，降低磁性材料的導磁性能，降低金屬的抗蝕(電化學腐蝕)性能。3）對物理、化學性能的影響學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形會學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化金屬經(jīng)塑性變形后，其組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生很大的變化，處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，具有恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢。如果對變形后的金屬進行加熱，金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能又會發(fā)生變化。隨加熱溫度升高，金屬將依次發(fā)生回復、再結(jié)晶和晶粒長大，如圖3-15所示。圖3-15冷變形后的金屬在加熱過程中組織結(jié)構(gòu)和性能變化示意圖學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化金屬經(jīng)塑性變形后，學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化變形后的金屬在較低溫度下進行加熱，原子擴散能力不是很大，只是晶粒內(nèi)部位錯、空位、間隙原子等缺陷通過移動、復合消失而大大減少，內(nèi)應力大為下降。但晶粒之間仍保持變形后的狀態(tài)，變形金屬的顯微組織不發(fā)生明顯的變化，材料的強度和硬度只是略有降低，塑性略有增高，這種現(xiàn)象稱為回復。工業(yè)上常利用回復過程對變形金屬進行去應力退火以降低殘余內(nèi)應力，防止工件變形，提高耐蝕性，保留加工硬化效果。如冷卷彈簧的定型、黃銅彈殼的去應力退火等。

一、

回復學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化變形后的金屬在較低變形后的金屬在較高溫度加熱，當金屬原子活動具有足夠熱運動力時，則開始以碎晶或雜質(zhì)為核心結(jié)晶出新的晶粒，從而消除了加工硬化現(xiàn)象，物理、化學性能基本上恢復到變形以前的水平，這個過程稱為再結(jié)晶。圖3-16為工業(yè)純鐵再結(jié)晶過程的顯微組織。學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化

二、再結(jié)晶變形后的金屬在較高溫度加熱，當金屬原子活動具有足夠熱運動力時學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化圖3-16工業(yè)純鐵再結(jié)晶過程的顯微組織(200×)學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化圖3-16工業(yè)學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化再結(jié)晶也是一個晶核形成和長大的過程，但不是相變過程。再結(jié)晶前后晶粒的晶格類型和成分完全相同，也可以說只有顯微組織變化而沒有晶格結(jié)構(gòu)變化，故稱為再結(jié)晶，以區(qū)別于各種相變的結(jié)晶(重結(jié)晶)。學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化再結(jié)晶也是一個晶核學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化變形后的金屬發(fā)生再結(jié)晶的溫度是一個溫度范圍，并非某一恒定溫度。一般將金屬開始再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度(T再)，通常用能夠使經(jīng)大變形量(70%以上)的冷塑性變形的金屬，經(jīng)1h加熱后能完全再結(jié)晶的最低溫度來表示。最低再結(jié)晶溫度與該金屬的熔點有如下關系。T再=(0.35~0.4)T熔點式中的溫度單位為熱力學溫度,K。學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化變形后的金屬發(fā)生再學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化影響金屬再結(jié)晶溫度的因素有金屬的預先變形度、金屬的化學成分、加熱速度和保溫時間等。金屬中的微量雜質(zhì)和合金元素會阻礙原子擴散和晶界遷移，故可顯著提高再結(jié)晶溫度。由于塑性變形后的金屬加熱發(fā)生再結(jié)晶后，可消除加工硬化現(xiàn)象，恢復金屬的塑性和韌性，因此生產(chǎn)中常用再結(jié)晶退火工藝來恢復金屬塑性變形的能力，以便繼續(xù)進行形變加工。例如，生產(chǎn)鐵鉻鋁電阻絲時，在冷拔到一定的變形度后，要進行氫氣保護再結(jié)晶退火，以繼續(xù)冷拔獲得更細的絲材。在實際生產(chǎn)中為縮短生產(chǎn)周期，通常再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100℃~200℃。學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化影響金屬再結(jié)晶溫度學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化再結(jié)晶完成后的晶粒是細小的，如再延長加熱時間或提高加熱溫度，則晶粒會明顯長大，成為粗晶組織，導致金屬的強度、硬度、塑性、韌性等力學性能都顯著降低。一般情況下晶粒長大是應當避免發(fā)生的現(xiàn)象。三、晶粒長大學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化再結(jié)晶完成后的晶粒學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化冷變形金屬再結(jié)晶后晶粒大小與加熱溫度、保溫時間有關外，還與金屬的預先變形程度有關。圖3-17表示金屬再結(jié)晶后的晶粒大小與其預先變形程度間的關系。由圖可見，當變形程度很小時，金屬不發(fā)生再結(jié)晶，因而晶粒大小不變。變形度達到2%~10%時，再結(jié)晶后其晶粒會出現(xiàn)異常的大晶粒，這個變形度稱為臨界變形度，不同的金屬，其具體的臨界變形度數(shù)值有所不同。隨著變形程度的不斷增加，由于各晶粒變形愈趨均勻，再結(jié)晶時形核率愈大，因而使再結(jié)晶后的晶粒逐漸變細。當變形量很大(≥90%)時，某些金屬再結(jié)晶后又會出現(xiàn)晶粒異常長大現(xiàn)象。圖3-18是純鋁片經(jīng)不同變形度的拉伸，再結(jié)晶后的顯微組織。學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化冷變形金屬再結(jié)晶后學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化圖3-17金屬再結(jié)晶后的晶粒大小與其預先變形程度間的關系圖3-18純鋁片經(jīng)不同變形度的拉伸，再結(jié)晶后的顯微組織(200×)學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化圖3-17金屬學習情境四金屬的熱變形加工金屬塑性變形的加工方法有熱加工和冷加工兩種。熱加工和冷加工不是根據(jù)變形時是否加熱來區(qū)分，而是根據(jù)變形時的溫度處于再結(jié)晶溫度以上還是以下來劃分的，低于再結(jié)晶溫度的加工為冷加工，而高于再結(jié)晶溫度的加工為熱加工。例如，F(xiàn)e的再結(jié)晶溫度為450℃，其在450℃以下的加工變形仍屬冷加工。而Pb的再結(jié)晶溫度為－33℃，則其在室溫下的加工變形為熱加工。

一、

冷、熱變形加工的區(qū)別學習情境四金屬的熱變形加工金屬塑性變形的加工方法有熱加工金屬在再結(jié)晶溫度以下進行的塑性變形加工稱為冷變形加工，如鋼在常溫下進行的冷沖壓、冷軋、冷拔等。由于加工溫度處于再結(jié)晶溫度以下，金屬材料發(fā)生塑性變形時不會伴隨再結(jié)晶過程。因此，冷加工對金屬組織和性能的影響即是前面所述的塑性變形的影響規(guī)律。學習情境四金屬的熱變形加工冷變形加工1.金屬在再結(jié)晶溫度以下進行的塑性變形加工稱為冷變形加工，如鋼在學習情境四金屬的熱變形加工冷變形工件沒有氧化皮，可獲得較高的公差等級，較小的表面粗糙度，強度和硬度較高。由于冷變形金屬存在有殘余應力和塑性差等缺點，因此常常需要中間退火，才能繼續(xù)變形。學習情境四金屬的熱變形加工冷變形工件沒有氧化皮，可獲得較金屬在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性變形稱為熱變形，如熱鍛、熱軋、熱擠壓等。在熱變形加工時，由于溫度處于再結(jié)晶溫度以上，材料性能的變化是雙向的。因為在發(fā)生加工硬化的同時，還發(fā)生著再結(jié)晶，也就是因為變形發(fā)生的硬化和因為再結(jié)晶發(fā)生的軟化在同時進行著，哪一個方面占優(yōu)勢要看變形度和加熱溫度的具體情況。學習情境四金屬的熱變形加工熱變形加工2.金屬在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性變形稱為熱變形，如熱鍛、熱軋、學習情境四金屬的熱變形加工熱變形與冷變形相比，其優(yōu)點是塑性良好，變形抗力低，容易加工變形。但高溫下金屬容易產(chǎn)生氧化皮，所以制件的尺寸精度低，表面粗糙。學習情境四金屬的熱變形加工熱變形與冷變形相比，其優(yōu)點是塑學習情境四金屬的熱變形加工在熱變形加工中，金屬經(jīng)塑性變形及再結(jié)晶，可使原來存在的不均勻、晶粒粗大的組織得以改善，或?qū)㈣T錠組織中的氣孔、縮松等壓合，得到更致密的再結(jié)晶組織，提高金屬的力學性能。熱加工能打碎鑄態(tài)金屬中的粗大樹枝晶和柱狀晶，并通過再結(jié)晶獲得等軸細晶粒，而使金屬的力學性能全面提高。二、

熱變形加工對金屬組織和性能的影響消除鑄態(tài)金屬的某些缺陷1.學習情境四金屬的熱變形加工在熱變形加工中，金屬經(jīng)塑性變形基于以上原因，只要熱變形加工的工藝條件適當，熱變形加工的工件力學性能要高于鑄件。所以，受力復雜、負荷較大的重要工件一般都是選用鍛件，不用鑄件。但是，熱變形加工工藝參數(shù)不當，也會降低熱變形加工工件的性能。例如，加熱溫度過高可能使熱變形后的工件晶粒粗大、強度和塑性下降;若熱變形加工停止的溫度過低可能帶來加工硬化、殘余應力加大、出現(xiàn)裂紋等問題。學習情境四金屬的熱變形加工基于以上原因，只要熱變形加工的工藝條件適當，熱變形加工的工件學習情境四金屬的熱變形加工熱變形加工使鑄態(tài)金屬中殘存的枝晶偏析、可變形夾雜物和第二相等隨著金屬的變形，沿金屬流動方向被拉長，并逐漸形成纖維狀。這些夾雜物在再結(jié)晶時不會改變其纖維狀分布特點，在鋼材的縱向截面上經(jīng)拋光和酸浸后，用肉眼或放大20倍就可以看到一條條沿變形方向的細線，這種宏觀組織稱為熱變形纖維組織，通常稱為流線。熱變形纖維組織(流線)2.學習情境四金屬的熱變形加工熱變形加工使鑄態(tài)金屬中殘存的枝學習情境四金屬的熱變形加工流線使金屬的性能呈各向異性。當分別沿著流線方向和垂直流線方向拉伸時，前者有較高的抗拉強度。當分別沿著流線方向和垂直方向剪切時，后者有較高的抗剪強度。在設計和制造機器零件時，必須考慮鍛造流線的合理分布，使零件工作時的正應力與流線方向垂直，并盡量使鍛造流線與零件的輪廓相符而不被切斷。例如，鍛造曲軸的合理流線分布，可保證曲軸工作時所受的最大拉應力與流線一致，而外加剪切應力或沖擊力與流線垂直，使曲軸不易斷裂。而切削加工制成的曲軸，其流線分布不合理，易沿軸肩發(fā)生斷裂，如圖3-19所示。學習情境四金屬的熱變形加工流線使金屬的性能呈各向異性。當學習情境四金屬的熱變形加工圖3-19不同方法加工曲軸流線分布示意圖學習情境四金屬的熱變形加工圖3-19不同方法加工曲軸學習情境四金屬的熱變形加工在熱加工亞共析鋼時，常發(fā)現(xiàn)鋼中的鐵素體與珠光體常沿變形方向呈帶狀分布，這種組織稱為帶狀組織，如圖3-20所示。帶狀組織3.圖3-20亞共析鋼中的帶狀組織(100×)學習情境四金屬的熱變形加工在熱加工亞共析鋼時，常發(fā)現(xiàn)鋼中學習情境四金屬的熱變形加工帶狀組織與枝晶偏析被沿加工方向拉長有關，由于鋼材在熱變形加工后的冷卻過程中發(fā)生相變時，鐵素體優(yōu)先在由枝晶偏析和非金屬夾雜延伸而成的條帶中析出，形成鐵素體帶，鐵素體帶之間為珠光體，兩者相間成層分布。學習情境四金屬的熱變形加工帶狀組織與枝晶偏析被沿加工方向?qū)W習情境四金屬的熱變形加工帶狀組織能造成材料的各向異性，降低鋼的強度、塑性和沖擊韌性，應加以注意。避免在兩相區(qū)變形、減少夾雜元素含量、采用高溫擴散退火或正火可以消除帶狀組織。學習情境四金屬的熱變形加工帶狀組織能造成材料的各向異性，ThankyouThankyou金屬材料與熱處理金屬材料與熱處理課題三金屬的塑性變形與再結(jié)晶學習情境一金屬的塑性變形學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化學習情境四金屬的熱變形加工課題三金屬的塑性變形與再結(jié)晶學習情境一金屬的塑性變形學習學習目標了解單晶體金屬塑性變形的主要形式；了解冷塑性變形對金屬組織和性能的影響；了解熱加工與冷加工的區(qū)別；了解斷裂的方式及斷裂發(fā)生的原因。課題三金屬的塑性變形與再結(jié)晶學習目標了解單晶體金屬塑性變形的主要形式；課題三金屬的塑在機械制造業(yè)中，許多金屬制品都是通過對金屬鑄錠進行壓力加工獲得的。壓力加工是對金屬施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形，改變形狀和尺寸，用以制造毛坯、工件或機械零件的成形加工方法。它不僅改變了金屬的外形尺寸，而且其內(nèi)部的組織和性能也發(fā)生了變化。

相關知識課題三金屬的塑性變形與再結(jié)晶在機械制造業(yè)中，許多金屬制品都是通過對金屬鑄錠進行壓力加工獲材料在外力作用下將發(fā)生彈性變形或塑性變形，甚至斷裂。塑性變形是外力去除后不可恢復的變形。金屬材料獲得廣泛應用的一個重要原因是它具有優(yōu)良的塑性變形能力。金屬型材、機械零件以及各種金屬制品，大都是在制成鑄錠后，通過軋制、鍛造、擠壓、冷拔、沖壓等壓力加工形成半成品或成品的。金屬經(jīng)過壓力加工不僅可以得到零件所需要的形狀和尺寸，而且可以使鑄態(tài)金屬的組織與性能得到改善。因此，研究金屬的塑性變形可改進金屬加工工藝，提高加工質(zhì)量。學習情境一金屬的塑性變形材料在外力作用下將發(fā)生彈性變形或塑性變形，甚至斷裂。塑性變形學習情境一金屬的塑性變形

一、

單晶體的塑性變形常溫下金屬的塑性變形方式主要有滑移和孿生兩種。學習情境一金屬的塑性變形一、單晶體的塑性變形常溫下學習情境一金屬的塑性變形滑移是在剪切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面和晶向發(fā)生的相對滑動。這種切變既不改變晶格點陣類型，也不影響晶體的取向，只是在晶體表面出現(xiàn)了一系列的臺階狀痕跡，如圖3-1所示。單晶體的滑移變形1.圖3-1滑移變形示意圖學習情境一金屬的塑性變形滑移是在剪切應力作用下，晶體的一學習情境一金屬的塑性變形（1）滑移是在切應力的作用下發(fā)生的。單晶體在切應力τ的作用下的變形示意圖如圖3-2所示。在切應力作用下，原子偏離平衡位置，晶體發(fā)生剪切彈性變形，如圖3-2（b）所示。這時，如果取消外力，晶體恢復原狀；當切應力超過彈性極限時，晶體中上下兩部分產(chǎn)生相對滑移，如圖3-2（c）所示?；坪笤犹幱谛碌钠胶馕恢茫斖饬θコ?，晶格的彈性歪扭隨之消失，而滑移到新位置的原子不能回復原位，在新位置上重新處于平衡狀態(tài)，于是晶體就產(chǎn)生了微量的塑性變形，如圖3-2（d）所示。許多晶面滑移的總和就產(chǎn)生了宏觀的塑性變形。當應力足夠大時，晶體將發(fā)生斷裂。學習情境一金屬的塑性變形（1）滑移是在切應力的作用下發(fā)生學習情境一金屬的塑性變形圖3-2單晶體在切應力作用下的變形示意圖學習情境一金屬的塑性變形圖3-2單晶體在切應力作用下學習情境一金屬的塑性變形（2）滑移的結(jié)果使晶體表面形成臺階，產(chǎn)生滑移線、滑移帶。將一個表面經(jīng)過拋光的金屬試樣進行拉伸，使它發(fā)生一定程度的塑性變形，然后卸除載荷，將其放在金相顯微鏡下觀察，可以看到試樣表面出現(xiàn)一條條黑色的平行線，如圖3-3所示。這些黑線稱為滑移帶，這是晶體塑性變形時原子層間產(chǎn)生相對位移，在試樣表面留下的滑移臺階。進一步研究其細節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，每一個滑移帶實際上是由一些稱為滑移線的更小的臺階組成的?；茙У氖疽鈭D如圖3-4所示。隨著變形量增加，滑移帶不斷地出現(xiàn)并加寬。學習情境一金屬的塑性變形（2）滑移的結(jié)果使晶體表面形成臺學習情境一金屬的塑性變形圖3-3銅變形后的滑移帶圖3-4滑移帶示意圖學習情境一金屬的塑性變形圖3-3銅變形后的滑移帶圖3學習情境一金屬的塑性變形晶體的滑移并不是在所有的晶面上都能發(fā)生，而是沿著一定的晶面和此面上的一定方向進行。晶體中易發(fā)生滑移的晶面和晶向稱為滑移面和滑移方向。晶體滑移大多優(yōu)先發(fā)生在原子密度最大的晶面上。這是因為原子密度最大的晶面上原子間的結(jié)合力較強，滑移阻力較大，而原子密度最大的晶面間的面間距最大，原子間結(jié)合力最小，滑移阻力也就最小。因此，沿面間距最大的晶面滑移阻力最小，即所需切應力最小。從位錯運動看，沿面間距最大的晶面移動引起的點陣畸變也最小，因而所需能量最小。同理，滑移方向也是沿著原子密度最大的晶向?；泼妗⒒品较蚝突葡?.學習情境一金屬的塑性變形晶體的滑移并不是在所有的晶面上都學習情境一金屬的塑性變形圖3-5晶面間距示意圖學習情境一金屬的塑性變形圖3-5晶面間距示意圖學習情境一金屬的塑性變形晶體中一個可滑移的晶面和其上一個可滑移的晶向組成一個滑移系。晶體結(jié)構(gòu)不同，滑移面、滑移方向以及滑移系的多少也不相同。三種常見金屬晶格的滑移面、滑移方向、滑移系見表3-1。晶體中滑移系越多，發(fā)生滑移的可能性越大，金屬的塑性也就越好。學習情境一金屬的塑性變形晶體中一個可滑移的晶面和其上一個學習情境一金屬的塑性變形由表3-1可知，體心立方晶格中原子密度最大的是（110）晶面，在該面上最可能發(fā)生滑移，而最可能發(fā)生滑移的晶向只有［111］。（110）面有6組，每組中有2個方向，其滑移系為6×2=12。面心立方晶格最可能的滑移面是（111）面，而每個晶面有3個密集方向，有4×3=12個滑移系。密排六方晶格最可能發(fā)生滑移的晶面是上下底面，且其上各有3個方向，有1×3=3個滑移系?？傊?，面心立方和體心立方的金屬滑移系較多，故其塑性較好。而密排六方的金屬僅有3個滑移系，故塑性差。學習情境一金屬的塑性變形由表3-1可知，體心立方晶格中原學習情境一金屬的塑性變形近代理論及實驗證明，晶體滑移時，并不是整個滑移面上的全部原子一起移動，因為大量原子同時移動需要克服的滑移阻力十分巨大，實際上滑移是借助于位錯的移動來實現(xiàn)的，如圖3-6所示。圖3-6刃型位錯移動產(chǎn)生滑移示意圖學習情境一金屬的塑性變形近代理論及實驗證明，晶體滑移時，學習情境一金屬的塑性變形位錯的原子面受前后兩邊原子的排斥，處于不穩(wěn)定的平衡位置。只需加上很小的力就能打破力的平衡，使位錯及其附近的原子面移動很小的距離（小于一個原子間距），達到虛線位置，即位錯前進了一個原子間距。在切應力作用下，位錯繼續(xù)移動到晶體表面時就形成了一個原子間距的滑移量。大量的位錯移出晶體表面，就產(chǎn)生了宏觀的塑性變形。按上述理論求得位錯的滑移阻力，與實驗值基本相符。學習情境一金屬的塑性變形位錯的原子面受前后兩邊原子的排斥學習情境一金屬的塑性變形孿生是金屬塑性變形的另一種重要方式。孿生變形過程示意圖如圖3-7所示。在切應力的作用下，晶體的一部分沿著一定的晶面（孿生面）和一定的方向（孿生方向）相對于另一部分晶體作均勻切變。晶體變形部分的位向改變，與未變形部分以孿生面為對稱面形成鏡面對稱。通常把這兩部分晶體合稱為孿晶，把形成孿晶的過程稱為孿生。孿生變形3.學習情境一金屬的塑性變形孿生是金屬塑性變形的另一種重要方學習情境一金屬的塑性變形圖3-7孿生變形過程示意圖學習情境一金屬的塑性變形圖3-7孿生變形過程示意圖學習情境一金屬的塑性變形由于孿生變形是孿生帶處眾多的原子協(xié)同動作的結(jié)果，所以孿生變形速度快，所需的切應力比滑移的大，只有在滑移很難進行的條件下晶體才進行孿生變形。一些滑移系較少的密排六方金屬（如Zn）在一定條件下優(yōu)先進行孿生變形。體心立方金屬在室溫時，只有在沖擊載荷下才產(chǎn)生孿生變形，或在低溫下由于滑移困難也可產(chǎn)生孿生變形。面心立方金屬由于對稱性高，滑移系多，易于滑移，所以孿生變形很難發(fā)生。學習情境一金屬的塑性變形由于孿生變形是孿生帶處眾多的原子

孿生與滑移的區(qū)別如下。(1)顯微外觀?；凭€較細，孿生線較粗。(2)晶格取向?；魄昂缶Ц穹较虿蛔?，而孿生前后晶格方向發(fā)生變化。(3)移動間距?；埔苿娱g距是原子間距的整數(shù)倍，而孿生移動間距是原子間距的分數(shù)倍。學習情境一金屬的塑性變形孿生與滑移的區(qū)別如下。(1)顯微外觀?；凭€較細，孿生學習情境一金屬的塑性變形(4)發(fā)生條件。只要剪切應力大于滑移阻力,沿滑移面上的滑移方向就能發(fā)生滑移；孿生則是在對稱性低、滑移系少、低溫高速的情況下易發(fā)生，孿生所需切應力較大。(5)組織性能變化。孿生后金屬內(nèi)產(chǎn)生空隙，使塑性、韌性下降，而滑移無此弊端。學習情境一金屬的塑性變形(4)發(fā)生條件。只要剪切應力大于實際金屬材料都是多晶體，在室溫下它的塑性變形與單晶體基本相似，即每個晶粒的塑性變形仍是滑移與孿生。但多晶體是由許多形狀、大小、位向都不同的晶粒組成的，它的塑性變形要受周圍位向不同的晶粒及晶界的影響與約束。因此多晶體塑性變形要復雜得多，具體表現(xiàn)為以下兩方面。學習情境一金屬的塑性變形

二、多晶體的塑性變形實際金屬材料都是多晶體，在室溫下它的塑性變形與單晶體基本相似學習情境一金屬的塑性變形多晶體各個晶粒的位向不同，這將使各個晶粒的變形有先有后，并且在變形時，有的互相配合，有的互相干擾。多晶體中，滑移變形將首先發(fā)生在位向有利于滑移變形的某些晶粒中，但已變形晶粒周圍尚處于彈性變形階段的晶粒對已變形的晶粒起著阻礙變形的作用，使那些原先位向有利的晶?；七M行到一定程度后自行停止。同時，當某些晶粒變形至一定程度時，由于對未變形晶粒造成足夠大的應力集中，使原先處于不利位向的晶粒也產(chǎn)生滑移，使應力重新分布。也就是說，隨著外力的增加，晶粒將一批一批地逐次進行滑移，而不是一起滑移。即不均勻變形導致應力集中，而應力集中又將造成不均勻的變形。變形的不均勻性1.學習情境一金屬的塑性變形多晶體各個晶粒的位向不同，這將使學習情境一金屬的塑性變形晶界對塑性變形有較大的阻礙作用，如圖3-8所示。晶界影響2.圖3-8多晶體變形示意圖學習情境一金屬的塑性變形晶界對塑性變形有較大的阻礙作用，學習情境一金屬的塑性變形（1）晶界處塑性變形抗力較大。晶界是兩晶粒的過渡層，原子排列混亂，晶格畸變大，并且雜質(zhì)常存在其間，使滑移時位錯移動受阻，從而增大變形抗力。（2）晶界越多，塑性變形抗力越大。在外力作用下，當某一處于易于變形方向的晶粒要發(fā)生滑動時，必然受到周圍位向不同的其他晶粒的約束，因而滑移所受阻力變大，即金屬塑性變形抗力變大。相鄰晶粒位向差越大，滑移阻力也越大。學習情境一金屬的塑性變形（1）晶界處塑性變形抗力較大。晶學習情境一金屬的塑性變形（3）晶粒越小，塑性、韌性越高。晶粒越小，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目也越多，在同樣的變形條件下，同時參與變形的晶粒數(shù)越多，并且每個晶粒內(nèi)部的變形較均勻，不至于產(chǎn)生過大的應力集中。此外，晶粒越小，晶界數(shù)越多、越曲折，不利于裂紋傳播。（4）晶粒越小，強度、硬度越高。晶粒越小，單位體積內(nèi)晶界數(shù)越多，并且不同位向的晶粒越多，因此強度、硬度越高。學習情境一金屬的塑性變形（3）晶粒越小，塑性、韌性越高。學習情境一金屬的塑性變形單相固溶體的顯微組織與純金屬相似，因此塑性變形也與之相似。但由于溶質(zhì)原子的溶入引起晶格畸變，阻礙位錯運動，即發(fā)生固溶強化，塑性變形抗力升高。三、

合金的塑性變形單相固溶體的塑性變形1.學習情境一金屬的塑性變形單相固溶體的顯微組織與純金屬相似合金混合物中的第二相可能是金屬、固溶體或化合物。若第二相為金屬或固溶體，它們與基體的塑性變形能力相近，則合金的變形能力為二者的平均值。但是一般工業(yè)合金第二相多是以化合物作為強化相存在的，如鋼組織中的硬脆相滲碳體。第二相的性能、數(shù)量、大小、形狀及分布等情況對合金塑性變形的影響有以下幾種情況。學習情境一金屬的塑性變形雙相合金的塑性變形2.合金混合物中的第二相可能是金屬、固溶體或化合物。若第二相為金學習情境一金屬的塑性變形（1）第二相以粒狀彌散分布在基體晶粒內(nèi)。（2）第二相以層片狀分布在基體晶粒內(nèi)。（3）第二相以連續(xù)網(wǎng)狀分布在基體晶粒的邊界上。學習情境一金屬的塑性變形（1）第二相以粒狀彌散分布在基體學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響

所謂金屬冷塑性變形，可以認為是在室溫條件下進行的。在冷塑性變形后，金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能都發(fā)生一系列重要的變化。至于金屬學上的冷變形和熱變形的確切定義將在學習情境四中進行論述。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響所謂金屬冷學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響

一、

冷塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響1）改變金屬顯微組織金屬晶體在外力作用下，隨著外形和尺寸的變化，其內(nèi)部晶粒也由原先的等軸晶粒逐漸改變?yōu)檠刈冃畏较虮焕L或壓扁的晶粒。當變形量很大時，各晶?？梢员焕衫w維狀，在光學顯微鏡下已很難分開，晶界變得模糊不清，稱之為纖維組織。圖3-9所示為純銅經(jīng)不同程度冷軋后的顯微組織。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響一、學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-9純銅經(jīng)不同程度冷軋變形后的顯微組織(300×)學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-9學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響1）位錯密度增加，亞結(jié)構(gòu)細化隨著變形量的增加，原有晶粒被破碎，形成許多位向略有不同的小晶塊（約10-3~10-6cm）。每一個小晶塊稱為亞晶粒，這種組織稱為亞結(jié)構(gòu)，如圖3-10所示。在亞晶粒邊界上集聚著較多位錯，隨著塑性變形程度增大，亞晶粒將進一步細化并產(chǎn)生位錯增殖(位錯密度增大)，從而出現(xiàn)嚴重的晶格畸變。但是亞晶粒內(nèi)部的晶格則比較完整。亞結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和細化，對滑移變形過程有巨大阻礙作用，顯著地提高了晶體的變形抗力，對于強化金屬材料起著十分重要的作用。圖3-11是位錯密度與強度關系示意圖。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響1）位錯密度學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-10金屬冷塑性變形后的亞結(jié)構(gòu)示意圖圖3-11位錯密度與強度關系示意圖學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-10塑性變形除了使晶粒拉長、壓扁和出現(xiàn)亞晶之外，當變形量足夠大時，還會使晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動。即各晶粒的某一晶向都不同程度地轉(zhuǎn)到與外力相近的方向(與金屬延伸方向呈一定關系)，從而使多晶體中原來任意位向的各晶粒取得接近于一致的位向，形成所謂“擇優(yōu)取向”，這種組織稱為形變織構(gòu)。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響3）產(chǎn)生形變織構(gòu)塑性變形除了使晶粒拉長、壓扁和出現(xiàn)亞晶之外，當變形量足夠大時學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響形變織構(gòu)的性質(zhì)與金屬的變形方式有關。例如，面心立方晶格的金屬，在拉絲時形成的織構(gòu)稱為絲織構(gòu)，其特點是大多數(shù)晶粒的取向是［111］晶向并與拉絲方向平行；而同樣是面心立方晶格的金屬，在軋制時則形成板織構(gòu)，其特點是各晶粒的某一晶面(110)和某一晶向［112］都分別平行于軋制平面和軋制方向，如圖3-12所示。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響形變織構(gòu)的性學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-12面心立方晶格金屬形變織構(gòu)示意圖織構(gòu)的形成使多晶體金屬出現(xiàn)各向異性，在沖壓復雜形狀零件(如汽車覆蓋件等)時，產(chǎn)生不均勻塑性變形則可能導致工件報廢。但是，也可利用織構(gòu)現(xiàn)象來提高硅鋼板的某一方向的磁導率。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-12學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響二、

冷塑性變形對金屬性能的影響產(chǎn)生加工硬化1.金屬材料隨著冷塑性變形程度的增大，強度和硬度逐漸升高，塑性和韌性逐漸降低的現(xiàn)象稱為加工硬化或冷作硬化，這也是冷塑性變形后的金屬在力學性能方面最為突出的變化。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響二、顯然，加工硬化是金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的宏觀表現(xiàn)。經(jīng)冷變形后，晶界總面積增大，位錯密度也增大，位錯線間的距離減小，彼此干擾作用明顯增強，使得能夠產(chǎn)生滑移變形的潛在部位減少，從而導致滑移阻力增加，塑性變形能力降低。再則，金屬冷變形后，原來的晶粒破碎了，形成許多亞結(jié)構(gòu)，在亞晶粒邊界上聚集著大量位錯，產(chǎn)生嚴重的晶格畸變，也對滑移過程產(chǎn)生巨大阻礙。所有這些都使金屬變形抗力升高，塑性和韌性降低。圖3-13是ωC=0.3%碳鋼冷軋后力學性能的變化。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響顯然，加工硬化是金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的宏觀表現(xiàn)。經(jīng)冷變形學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-13ωC=0.3%碳鋼冷軋后力學性能的變化學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-13學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響加工硬化使金屬強化是以犧牲金屬的塑性、韌性為代價的，而且在冷變形加工過程中隨著加工硬化現(xiàn)象的產(chǎn)生要不斷增加機械功率，故對設備和工具的強度提出了較高要求，隨著材料塑韌性的下降，也可能發(fā)生脆性破壞。此外，加工硬化也使冷軋、冷拔、沖壓等成形工藝增加能耗，為恢復塑性繼續(xù)進行冷變形往往要進行中間退火，這就使生產(chǎn)周期延長，成本增加。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響加工硬化使金學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響金屬在冷塑性變形中，隨著晶粒被拉長或壓扁，特別是產(chǎn)生纖維組織后，金屬會具有明顯的方向性，其縱向(沿纖維的方向)的力學性能高于橫向(垂直于纖維的方向)的性能。同樣，當金屬產(chǎn)生織構(gòu)時，其力學和電磁性能也呈各向異性。在大多數(shù)情況下形成織構(gòu)是有害的，由于材料性能不一致造成變形分布不均勻，使沖壓件厚度不均，如杯形件出現(xiàn)的“制耳”現(xiàn)象，如圖3-14所示。2）產(chǎn)生各向異性學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響金屬在冷塑性學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-14制耳現(xiàn)象但是織構(gòu)現(xiàn)象在有些方面是可以利用的。例如，生產(chǎn)變壓器硅鋼片時，其晶格為體心立方，沿［100］晶向最易磁化，如采用具有織構(gòu)取向的硅鋼片制作鐵芯，使其［100］晶向平行于磁場方向，則其磁導率顯著增大，從而提高變壓器效率，減少鐵芯重量和鐵損。學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖3-14學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形會降低金屬的導電、導熱性能，降低磁性材料的導磁性能，降低金屬的抗蝕(電化學腐蝕)性能。3）對物理、化學性能的影響學習情境二冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形會學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化金屬經(jīng)塑性變形后，其組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生很大的變化，處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，具有恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢。如果對變形后的金屬進行加熱，金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能又會發(fā)生變化。隨加熱溫度升高，金屬將依次發(fā)生回復、再結(jié)晶和晶粒長大，如圖3-15所示。圖3-15冷變形后的金屬在加熱過程中組織結(jié)構(gòu)和性能變化示意圖學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化金屬經(jīng)塑性變形后，學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化變形后的金屬在較低溫度下進行加熱，原子擴散能力不是很大，只是晶粒內(nèi)部位錯、空位、間隙原子等缺陷通過移動、復合消失而大大減少，內(nèi)應力大為下降。但晶粒之間仍保持變形后的狀態(tài)，變形金屬的顯微組織不發(fā)生明顯的變化，材料的強度和硬度只是略有降低，塑性略有增高，這種現(xiàn)象稱為回復。工業(yè)上常利用回復過程對變形金屬進行去應力退火以降低殘余內(nèi)應力，防止工件變形，提高耐蝕性，保留加工硬化效果。如冷卷彈簧的定型、黃銅彈殼的去應力退火等。

一、

回復學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化變形后的金屬在較低變形后的金屬在較高溫度加熱，當金屬原子活動具有足夠熱運動力時，則開始以碎晶或雜質(zhì)為核心結(jié)晶出新的晶粒，從而消除了加工硬化現(xiàn)象，物理、化學性能基本上恢復到變形以前的水平，這個過程稱為再結(jié)晶。圖3-16為工業(yè)純鐵再結(jié)晶過程的顯微組織。學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化

二、再結(jié)晶變形后的金屬在較高溫度加熱，當金屬原子活動具有足夠熱運動力時學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化圖3-16工業(yè)純鐵再結(jié)晶過程的顯微組織(200×)學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化圖3-16工業(yè)學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化再結(jié)晶也是一個晶核形成和長大的過程，但不是相變過程。再結(jié)晶前后晶粒的晶格類型和成分完全相同，也可以說只有顯微組織變化而沒有晶格結(jié)構(gòu)變化，故稱為再結(jié)晶，以區(qū)別于各種相變的結(jié)晶(重結(jié)晶)。學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化再結(jié)晶也是一個晶核學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化變形后的金屬發(fā)生再結(jié)晶的溫度是一個溫度范圍，并非某一恒定溫度。一般將金屬開始再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度(T再)，通常用能夠使經(jīng)大變形量(70%以上)的冷塑性變形的金屬，經(jīng)1h加熱后能完全再結(jié)晶的最低溫度來表示。最低再結(jié)晶溫度與該金屬的熔點有如下關系。T再=(0.35~0.4)T熔點式中的溫度單位為熱力學溫度,K。學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化變形后的金屬發(fā)生再學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化影響金屬再結(jié)晶溫度的因素有金屬的預先變形度、金屬的化學成分、加熱速度和保溫時間等。金屬中的微量雜質(zhì)和合金元素會阻礙原子擴散和晶界遷移，故可顯著提高再結(jié)晶溫度。由于塑性變形后的金屬加熱發(fā)生再結(jié)晶后，可消除加工硬化現(xiàn)象，恢復金屬的塑性和韌性，因此生產(chǎn)中常用再結(jié)晶退火工藝來恢復金屬塑性變形的能力，以便繼續(xù)進行形變加工。例如，生產(chǎn)鐵鉻鋁電阻絲時，在冷拔到一定的變形度后，要進行氫氣保護再結(jié)晶退火，以繼續(xù)冷拔獲得更細的絲材。在實際生產(chǎn)中為縮短生產(chǎn)周期，通常再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100℃~200℃。學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化影響金屬再結(jié)晶溫度學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化再結(jié)晶完成后的晶粒是細小的，如再延長加熱時間或提高加熱溫度，則晶粒會明顯長大，成為粗晶組織，導致金屬的強度、硬度、塑性、韌性等力學性能都顯著降低。一般情況下晶粒長大是應當避免發(fā)生的現(xiàn)象。三、晶粒長大學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化再結(jié)晶完成后的晶粒學習情境三冷塑性變形金屬在加熱時的變化冷變形金屬再結(jié)晶后晶粒大小與加熱溫度、保溫時間有關外，還與金屬的預先變形程度有關。圖3-17表示金屬再結(jié)晶后的晶粒大小與其預先變形程度間的關系。由圖可見，當變形程度很小時，金屬不發(fā)生再結(jié)晶，因而晶粒大小不變。變形度達到2%~10%時，再結(jié)晶后其晶粒會出現(xiàn)異常的大晶粒，這個變形度稱為臨界變形度，不同的金屬，其具體的臨界變形度數(shù)值有所不同。隨著變形程度的不斷增加，由于各晶粒變形愈趨均勻，再結(jié)晶時形核率愈大，因而使再結(jié)晶后的晶粒逐漸變細。當變形量很大(≥90%)時，某些金屬再結(jié)晶后又會出現(xiàn)晶粒異常長大現(xiàn)象。圖