金屬學第七章金屬的塑性變形與再結(jié)晶

§1金屬的塑性變形特性

一、什么是塑性變形

二、金屬單晶體的塑性變形三、多晶體金屬的塑性變形

四、合金體的塑性變形返回第一頁，共五十七頁。一、塑性變形金屬或合金在外力作用下，都能或多或少地發(fā)生變形，去除外力后，永遠殘留的那部分變形叫塑性變形。生產(chǎn)中常利用塑性變形對金屬材料進行壓力加工。金屬的塑性變形可分為：冷塑性變形和熱塑性變形。返回第二頁，共五十七頁。一、塑性變形壓力加工方法示意圖圖7-1壓力加工方法示意圖返回第三頁，共五十七頁。oe段：彈性變形階段；es段：屈服階段；sb段：均勻塑性變形階段，是強化階段。b點：形成了“縮頸”。bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點斷裂。ΔlεF圖7-2拉伸曲線應力-應變曲線一、塑性變形Δl

bΔl

uΔl

FbbkFssogfeFepFpFσ返回第四頁，共五十七頁。一、塑性變形應力σ：單位面積上試樣承受的載荷。應變ε：單位長度的伸長量。屈服點與屈服強度σs:產(chǎn)生明顯塑性變形的最低應力值.抗拉強度σb：試樣在斷裂前所能承受的最大應力。返回第五頁，共五十七頁。一、塑性變形塑性:是指材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。斷面收縮率:

是指試樣拉斷處橫截面積的收縮量Δ

A與原始橫截面積A0之比。伸長率:是指試樣拉斷后的標距伸長量Δ

L

與原始標距L0之比。

韌性斷裂：斷口呈纖維狀，灰暗無光，斷前有明顯的塑性變形。脆性斷裂：斷口有閃爍的光輝，斷前無明顯的塑性變形。返回第六頁，共五十七頁。二、單晶體金屬的塑性變形金屬單晶體的塑性變形有“滑移”與“孿生（晶）”等不同方式，但一般大多數(shù)情況下都是以滑移方式進行的?；疲菏蔷w的一部分相對于另一部分沿一定晶面和晶向發(fā)生相對滑動的過程。1.滑移的表象（滑移帶）2.滑移系3.滑移的位錯機理4.滑移時晶體的轉(zhuǎn)動返回第七頁，共五十七頁。1.滑移的表象（滑移帶）發(fā)生了滑移的金屬試樣表面狀態(tài):試樣表面上會出現(xiàn)許多相互平行的線條稱為滑移帶，每條滑移帶是由許多密集且相互平行的滑移線構(gòu)成。圖7-3滑移帶和滑移線示意圖返回第八頁，共五十七頁。1.滑移的表象如果將一個單晶體金屬試樣表面拋光后，經(jīng)過伸長變形，再在金相顯微鏡下觀察，可以看到試樣表面出現(xiàn)許多條紋，這些條紋就是晶體在切應力的作用下，一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）滑移產(chǎn)生的臺階，這些條紋稱為“滑移線”。在更高倍的電子顯微鏡下觀察，一個滑移臺階實際上是一束滑移線群的集合體，稱為“滑移帶”。同時還能看到滑移帶在晶體上的分布是不均勻的。單晶體變形時，滑移只在晶體內(nèi)有限的晶面上進行，是不均勻的。因此單晶體金屬的塑性變形在表面上看出現(xiàn)了一系列的滑移帶，其塑性變形就是眾多大小不同的滑移帶的綜合效果在宏觀上的體現(xiàn)。返回第九頁，共五十七頁。鋅單晶體拉伸試驗圖7-4鋅單晶體拉伸試驗示意圖

（a）變形前試樣（b）變形后試樣

返回第十頁，共五十七頁。二、單晶體金屬的塑性變形圖7-5單晶體試樣拉伸變形示意圖返回第十一頁，共五十七頁。2.滑移系

晶體上的滑移帶分布是不均勻的，即塑性變形時，位錯只沿一定的晶面和一定的晶向移動，并不是沿所有的晶面和晶向都能移動的，這些一定的晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向，并且這些晶面和晶面都是晶體中的密排面和密排方向。因為密排面之間和密排方向之間的原子間距最大，其原子之間的結(jié)合力最弱，所以在外力作用下最易引起相對的滑動。不同金屬的晶體結(jié)構(gòu)不同，其滑移面和滑移方向的數(shù)目和位向不同，一個滑移面和在這個滑移面上的一個滑移方向組成一個“滑移系”。所以不同晶體結(jié)構(gòu)的金屬，其滑移系的數(shù)目不同，如體心立方12個，面心立方12個，密排六方3個，且滑移系的數(shù)目越多則金屬的塑性愈好，反之滑移系數(shù)愈少，塑性不好，且相同滑移系數(shù)目相同時，滑移方向數(shù)越多，越易滑移，塑性越好。返回第十二頁，共五十七頁。2.滑移系返回第十三頁，共五十七頁。3.晶體在滑移過程中的轉(zhuǎn)動

單晶體試樣在拉伸實驗時（如圖7-5），除了沿滑移面產(chǎn)生滑移外，晶體還會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。因為晶體在拉伸過程，當滑移面上、下兩部分發(fā)生微小滑移時，試樣兩端的拉力（正應力）不再處于同一直線上，于是在滑移面上形成一力偶，使滑移面產(chǎn)生以外力方向為轉(zhuǎn)向，趨向于與外力平行的轉(zhuǎn)動?？梢娫诨七^程中，由于晶體的轉(zhuǎn)動，晶體的位向會發(fā)生變化，原來處于軟取向滑移系，逐漸轉(zhuǎn)向硬取向，使滑移困難，這種現(xiàn)象“取向硬化”；相反，原來硬取向的滑移系，將逐步趨于軟位向，易于滑移，稱為“取向軟化”。結(jié)果是滑移產(chǎn)生轉(zhuǎn)移?？梢娫诨七^程中“取向軟化”和“取向硬化”是同時進行的。返回第十四頁，共五十七頁。4.滑移的位錯機理晶體的塑性變形是晶體內(nèi)相鄰部分滑移的綜合表現(xiàn)。但晶體內(nèi)相鄰兩部分之間的相對滑移，不是滑移面兩側(cè)晶體之間的整體剛性滑動，而是由于晶體內(nèi)存在位錯，因位錯線兩側(cè)的原子偏離了平衡位置，這些原子有力求達到平衡的趨勢。當晶體受外力作用時，位錯（刃型位錯）將沿著一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐步移動到晶體的表面，形成一個原子間距的滑移量。一個滑移帶就是上百個或更多位錯移動到晶體表面所形成的臺階。返回第十五頁，共五十七頁。4.滑移的位錯機理返回滑移是通過位錯在滑移面上的運動來實現(xiàn)的。圖中顯示了一刃型位錯在切應力τ的作用下在滑移面上的運動過程，即通過一根位錯線從滑移面的一側(cè)到另一側(cè)的運動造成一個原子間距滑移的過程。第十六頁，共五十七頁。4.滑移的位錯機理圖7-6弗蘭克-瑞德位錯增殖機制返回第十七頁，共五十七頁。位錯的交割與塞積（加工硬化）割階：不同滑移面上運動著的位錯相遇時，發(fā)生互相互交割兩個相互垂直的刃型位錯的交割

割階形成，一方面增加位錯線的長度，另一方面形成固定割階，阻礙后續(xù)位錯的運動。第十八頁，共五十七頁。位錯的平面塞積

a)示意圖b)GH70高溫合金中的位錯塞積

位錯塞積：在切應力作用下，大量位錯遇到障礙物（固定位錯、雜質(zhì)粒子、晶界等），領(lǐng)先位錯在障礙前被阻止，后續(xù)位錯被堵塞起來而形成。第十九頁，共五十七頁。三、孿生孿生是冷塑性變形的另一種重要形式，常易發(fā)生在滑移難以進行時的情況。孿生：晶體一部分相對于另一部分在切應力作用下沿特定晶面與晶向產(chǎn)生一定角度的均勻切變。Cd，Zn，Mg等部分密排六方金屬常易發(fā)生孿生變形第二十頁，共五十七頁。孿生變形特點：（1）發(fā)生在晶體內(nèi)部的均勻切變；（2）沿晶體的一定晶面(孿晶面)，沿一定方向(孿生方向)發(fā)生；（3）變形后晶體的變形部分與未變形部分以孿晶面為分界面構(gòu)成了鏡面對稱的位向關(guān)系。

第二十一頁，共五十七頁。孿生與滑移的差別：(2)孿生后晶體的變形部分的位向發(fā)生了改變，滑移后晶體各部分位向均未改變。(1)孿生使一部分晶體發(fā)生了均勻切變，而滑移只集中在一些滑移面上進行。(3)孿生變形時，孿晶帶中每層原子沿孿生方向的位移量都是原子間距的分數(shù)值，而滑移為原子間距的整數(shù)倍。(4)孿生變形所需的切應力比滑移變形大得多。

第二十二頁，共五十七頁。三、多晶體金屬的塑性變形

工程上使用的金屬材料大多為位向、形狀、大小不同的晶粒組成的多晶體，因此多晶體的變形是許多單晶體變形的綜合作用的結(jié)果。多晶體內(nèi)單晶體的變形仍是以滑移和孿生兩種方式進行的，但由于位向不同的晶粒是通過晶界結(jié)合在一起的，晶粒的位向和晶界對變形有很大的影響，所以多晶體的塑性變形較單晶體復雜。1.晶界和晶粒位向的影響2.多晶體金屬的變形過程返回第二十三頁，共五十七頁。1.晶界和晶粒位向的影響圖7-7拉伸試樣變形示意圖返回第二十四頁，共五十七頁。1.晶界和晶粒位向的影響晶界的存在會增大滑移抗力，而且多晶體中各晶粒晶格位向的不同，也會增大其滑移抗力，因此多晶體金屬的變形抗力總是高于單晶體。金屬的晶粒愈細，金屬的強度便愈高，而且塑性與韌性也較高（細晶強化）。返回第二十五頁，共五十七頁。2.多晶體金屬的變形過程圖7-8多晶體的拉伸實驗示意圖返回第二十六頁，共五十七頁。2.多晶體金屬的變形過程

多晶體金屬在外力的作用下，處于軟取向的晶粒優(yōu)先產(chǎn)生滑移變形，處于硬取向的相鄰晶粒尚不能滑移變形，只能以彈性變形相平衡。由于晶界附近點陣畸變和相鄰晶粒位向的差異，使變形晶粒中位錯移動難以穿過晶界傳到相鄰晶粒，致使位錯在晶界處塞積。只有進一步增大外力變形才能繼續(xù)進行。隨著變形加大，晶界處塞積的位錯數(shù)目不斷增多，應力集中也逐漸提高。返回第二十七頁，共五十七頁。2.多晶體金屬的變形過程

當應力集中達到一定程度后，相鄰晶粒中的位錯源開始滑移，變形就從一批晶粒擴展到另一批晶粒。同時，一批晶粒在變形過程中逐步由軟取向轉(zhuǎn)動到硬取向，其變形愈來愈困難，另一批晶粒又從硬取向轉(zhuǎn)動到軟取向，參加滑移變形。多晶體的塑性變形，是在各晶粒互相影響，互相制約的條件下，從少量晶粒開始，分批進行，逐步擴大到其它晶粒，從不均勻的變形逐步發(fā)展到均勻的變形。返回第二十八頁，共五十七頁。四、合金體的塑性變形1）單相固溶體的塑性變形和純金屬相比最大的區(qū)別在于單相固溶體合金中存在溶質(zhì)原子。溶質(zhì)原子對合金塑性變形的影響主要表現(xiàn)在固溶強化作用，提高了塑性變形的阻力。

返回溶質(zhì)原子的存在，固溶度↑，基體金屬的變形抗力↑。第二十九頁，共五十七頁。

2）多相合金多相合金中第二相以細小彌散的微粒均勻分布于基體相中時，則會產(chǎn)生顯著的強化作用（彌散強化）。第二相粒子的強化作用是通過其對位錯運動的阻礙作用而表現(xiàn)出來的。第三十頁，共五十七頁。

位錯受到第二相粒子的阻礙，其運動機制有:（1）繞過機制→位錯繞過第二相粒子（2）切過機制→位錯切過第二相粒子

位錯切過、繞過第二相粒子a)切過機制b)繞過機制2000X第三十一頁，共五十七頁。§２塑性變形對組織和性能的影響

經(jīng)過塑性變形，可使金屬的組織和性能發(fā)生一系列重大的變化，這些變化大致可以分為如下四個方面。晶粒沿變形方向拉長，進一步將形成纖維組織，性能趨于各向異性晶粒破碎，位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化

織構(gòu)現(xiàn)象的產(chǎn)生，性能具有方向性殘余內(nèi)應力的產(chǎn)生返回第三十二頁，共五十七頁。1、晶粒沿變形方向拉長，進一步將形成纖維組織，性能趨于各向異性

圖7-9變形前后晶粒形狀變化示意圖返回第三十三頁，共五十七頁。2、晶粒破碎，位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化

圖7-10

返回第三十四頁，共五十七頁。2、晶粒破碎，位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化

加工硬化：金屬在冷態(tài)下進行塑性變形時，隨著變形度的增加，其強度、硬度提高，塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化。意義①一種強化手段②冷加工成形得以順利進行③使材料具有過載能力，使用安全④可降低塑性，改善切削性能⑤使進一步塑性變形困難→退火返回第三十五頁，共五十七頁。3、織構(gòu)現(xiàn)象

圖7-11形變織構(gòu)示意圖返回第三十六頁，共五十七頁。4．殘余內(nèi)應力第一類內(nèi)應力——宏觀，表面和心部，塑性變形不均勻第二類內(nèi)應力——微觀，晶粒間或晶內(nèi)不同區(qū)域變形不均勻第三類內(nèi)應力——超微觀，晶格畸變（位錯等晶格缺陷）這在一般情況下都是不利的，會引起零件尺寸不穩(wěn)定，如冷軋鋼板在軋制中就經(jīng)常會因變形不均勻所殘留的內(nèi)應力使鋼板發(fā)生翹曲等等。此外，殘余內(nèi)應力還會使金屬的耐腐蝕性能降低，所以金屬在塑性變形之后，通常都要進行退火處理，以消除殘余內(nèi)應力。但有利影響是晶格畸內(nèi)應力使材料產(chǎn)生強化，表面殘留壓應力可提高接觸疲勞壽命。返回第三十七頁，共五十七頁?！?回復與再結(jié)晶

一、回復二、再結(jié)晶三、晶粒長大四、影響再結(jié)晶粒大小的因素

返回第三十八頁，共五十七頁?！?回復與再結(jié)晶圖7-12變形金屬加熱時組織和性能變化示意圖返回第三十九頁，共五十七頁。1.顯微組織的演化（三階段）

第一階段回復階段：基本無變化（纖維組織）一、變形金屬在加熱過程中組織和性能的變化

第二階段再結(jié)晶階段：細小等軸晶取代纖維組織第三階段晶粒長大階段：晶粒吞并第四十頁，共五十七頁。2.機械性能的變化回復階段硬度變化很小，約占總變化的1/5，再結(jié)晶階段下降較多，強度與硬度有相似的變化規(guī)律。在再結(jié)晶階段，硬度與強度顯著下降，塑性大大提高。

3.其它性能的變化(1)電阻的回復階段已表現(xiàn)出明顯的下降趨勢。(2)再結(jié)晶階段密度急劇增高。第四十一頁，共五十七頁。1.回復階段

加熱溫度較低時，原子的活動能力不大，這時金屬的晶粒大小和形狀沒有明顯的變化，只是在晶內(nèi)發(fā)生點缺陷的消失以及位錯的遷移等變化，因此，這時金屬的強度、硬度和塑性等機械性能變化不大，而只是使內(nèi)應力及電阻率等性能顯著降低。因此對冷變形金屬進行的這種低溫加熱退火只能用在保留加工硬化而降低內(nèi)應力改善其它的物理性能的場合。比如冷拔高強度鋼絲，利用加工硬化現(xiàn)象產(chǎn)生的高強度，此外，由于殘余內(nèi)應力對其使用有不利的影響，所以采用低溫退火以消除殘余應力。

返回第四十二頁，共五十七頁。2、再結(jié)晶再結(jié)晶：當變形金屬>T回復加熱時，在變形組織的基體上產(chǎn)生新的無畸變再結(jié)晶晶核，并通過逐漸長大成等軸晶粒，從而取代全部變形組織的過程再結(jié)晶過程

第四十三頁，共五十七頁。2.再結(jié)晶

通過回復，雖然金屬中的點缺陷大為減少，晶格畸變有所降低，但整個變形金屬的晶粒破碎拉長的狀態(tài)仍未改變，組織仍處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。當它被加熱到較高的溫度時，原子也具有較大的活動能力，使晶粒的外形開始變化。從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒。和變形前的晶粒形狀相似，晶格類型相同，把這一階段稱為“再結(jié)晶”。再結(jié)晶過程同樣是通過形核和長大兩個過程進行的。再結(jié)晶結(jié)束后，金屬中內(nèi)應力全部消除，顯微組織恢復到變形前的狀態(tài)，其所有性能也恢復到變形前的數(shù)值，消除了加工硬化。再結(jié)晶退火主要用于金屬在變形之后或在變形的過程中，使其硬度降低，塑性長高，便于進一步加工。返回第四十四頁，共五十七頁。再結(jié)晶溫度及其影響因素（1）再結(jié)晶溫度：較大變形程度的金屬（>70%）在1小時內(nèi)能夠完成再結(jié)晶（或再結(jié)晶體積分數(shù)>95%）的最低加熱溫度。（2）影響因素：變形程度、金屬純度、加熱速度等。第四十五頁，共五十七頁。2.再結(jié)晶

實驗表明，每種金屬都有一最低的再結(jié)晶溫度T再，它和熔點之間存在如下大致關(guān)系：

T再≈0.4T熔

T再≈0.4×（T熔+273）-273返回第四十六頁，共五十七頁。再結(jié)晶晶粒大小的控制變形程度變形程度↑，晶粒越細小原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸↓，晶粒越細小合金元素可細化晶粒加熱溫度、保溫時間加熱溫度↑，保溫時間↑，晶粒越粗大。第四十七頁，共五十七頁。3.晶粒長大再結(jié)晶結(jié)束后，若在繼續(xù)升高溫度或延長加熱時間，便會出現(xiàn)大晶粒吞并小晶粒的現(xiàn)象，即晶粒長大，晶粒長大對材料的機械性能極不利，強度、塑性、韌性下降。

為了保證變形金屬的再結(jié)晶退火質(zhì)量，獲得細晶粒，有必要了解影響再結(jié)晶晶粒大小的因素。返回第四十八頁，共五十七頁。4.影響再結(jié)晶粒大小的因素

預先變形度的影響

加熱溫度和保溫時間的影響

返回第四十九頁，共五十七頁。（1）變形度的影響圖7-13變形度對晶粒大小的影響

返回第五十頁，共五十七頁。（1）變形度的影響當變形量很小時，由于晶格畸變很小，不足以引起再結(jié)晶，故加熱時無再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒度仍保持原來的大小，當變形度達到某一臨界值時（2~10%），由于此時金屬中只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結(jié)晶晶核少，且晶粒極易相互吞并長大，因而再結(jié)晶后晶粒粗大，這一區(qū)間的變形度即為臨界變形度。當變形度大于臨界變形度時，隨變形量的增加，越來越多的晶粒發(fā)生了變形，變形愈趨均勻，晶格畸變大，再結(jié)晶的晶核多，再結(jié)晶后晶粒愈來愈細。可見冷壓加工應注意避免在臨界變形度范圍內(nèi)加工，以免再結(jié)晶后產(chǎn)生粗晶粒。返回第五十一頁，共五十七頁。（2）加熱溫度和保溫時間的影響圖7-14返回第五十二頁，共五十七頁。（2）加熱溫度和保溫時間的影響

再結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)進行的，若溫度過低不能發(fā)生再結(jié)晶；若溫度過高，則會發(fā)生晶