工程材料及成型技術(shù)基礎(chǔ)第3章 金屬的塑性變形

第三章

金屬的塑性變形與再結(jié)晶

思考題?

材料在外力作用下會發(fā)生那些種類的變形？鐵絲在室溫下反復(fù)彎折，會越變越硬，直到斷裂，為什么？如果是鉛絲呢？2

冷、熱塑性加工變形也可改變材料的組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變材料的性能。大部分金屬在澆注成錠后，要通過鍛造、軋制等壓力加工工序消除鑄造缺陷并加工成坯料，在經(jīng)過冷加工、拉拔等工序加工成各種型材或直接加工成零件。本章討論的重點(diǎn)

金屬塑性變形（主要是滑移變形）的特點(diǎn)塑性變形對金屬組織、性能的影響（特別是加工硬化現(xiàn)象）回復(fù)與再結(jié)晶的有關(guān)概念

滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動位移的現(xiàn)象。一塑性變形的形式：滑移和孿生。金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形?；泼嬖优帕忻芏茸畲蟮木嬖优帕忻芏茸畲蟮姆较?/p>

滑移方向+=滑移系滑移面和該面上的一個滑移方向

體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三種典型金屬晶格的滑移系6個滑移面2個滑移方向×=12個滑移系BCCFCC4個滑移面3個滑移方向×=12個滑移系1個滑移面3個滑移方向×=3個滑移系HCP滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移面更大。因而金屬的塑性，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。§3.2塑性變形對金屬組織性能的影響1、纖維組織和織構(gòu)——擇優(yōu)取向；2、晶粒內(nèi)部組織發(fā)生變化，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象；3、殘余內(nèi)應(yīng)力。一、纖維組織和織構(gòu)金屬發(fā)生塑性變形時，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長或壓扁。當(dāng)變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變得模糊不清。塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化5%冷變形純鋁中的位錯網(wǎng)(a)正火態(tài)(c)變形80%(b)變形40%由于晶粒的轉(zhuǎn)動，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時，會使絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。板織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖各向異性導(dǎo)致的銅板“制耳”有無軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象產(chǎn)生加工硬化的原因是:1、隨變形量增加,位錯密度增加，由于位錯之間的交互作用(堆積、纏結(jié))，使變形抗力增加.Si中的位錯源晶體中的位錯源位錯密度與強(qiáng)度關(guān)系2.隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化3.隨變形量增加,空位密度增加4.幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動引起變形20%純鐵中的位錯未變形純鐵1）一種強(qiáng)化手段,對于不能熱處理強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。2）由于加工硬化,使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形,而未變形部分開始變形。冷加工成形得以順利進(jìn)行3）具有過載能力，使用安全4）↓塑性，↑切削性能不利：塑性變形困難→中間退火→消除硬化。

加工硬化意義

三．殘余內(nèi)應(yīng)力

內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力時,內(nèi)部變形不均勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時,外力所做的功只有10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中.內(nèi)應(yīng)力分為三類：第一類內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間(宏觀內(nèi)應(yīng)力)。第二類內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間,(微觀內(nèi)應(yīng)力)。第三類內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。

第三類內(nèi)應(yīng)力是形變金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力，也是金屬強(qiáng)化的主要原因。而第一、二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬強(qiáng)度降低。內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。晶界位錯塞積所引起的應(yīng)力集中21

一、塑性變形對金屬組織與性能的影響

1.塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響

⑴纖維組織形成金屬在外力作用下發(fā)生塑性變形時，隨著變形量的增加晶粒形狀發(fā)生變化，沿變形方向被拉長或壓扁。當(dāng)拉伸變形量很大時，晶粒變成細(xì)條狀，金屬中的夾雜物也被拉長，形成所謂纖維組織。

22

⑵亞結(jié)構(gòu)形成金屬經(jīng)大量的塑性變形后，由于位錯密度的增大和位錯間的交互作用，使位錯分布變得不均勻。大量的位錯聚集在局部地區(qū)，并將原晶粒分割成許多位向略有差異的小晶塊，即亞晶粒。

⑶形變織構(gòu)的產(chǎn)生由于塑性變形過程中晶粒的轉(zhuǎn)動，在拉伸時晶粒的滑移面轉(zhuǎn)向平行于外力的方向，在壓縮時轉(zhuǎn)向垂直于外力方向。當(dāng)變形量達(dá)到一定程度（70%以上）時，會使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，形成特殊的擇優(yōu)取向。擇優(yōu)取向的結(jié)果形成了具有明顯方向性的組織，稱為織構(gòu)。2324

2.塑性變形對金屬性能的影響

⑴產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象隨著塑性變形量的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化，也稱形變強(qiáng)化。因?yàn)榻?jīng)塑性變形后，金屬內(nèi)部的位錯密度增加，使得位錯運(yùn)動阻力增大，塑性變形抗力增加。

⑵使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。⑶影響金屬的物理、化學(xué)性能金屬經(jīng)塑性變形后，使電阻增大，耐蝕性降低。⑷產(chǎn)生殘余應(yīng)力金屬在塑性變形中產(chǎn)生大量點(diǎn)陣缺陷（空位、間隙原子、位錯等），使點(diǎn)陣中的一部分原子偏離其平衡位置，而造成的晶格畸變。在變形金屬吸收的能量中絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)陣畸變能。金屬表層與心部的變形量不同會形成平衡于表層與心部之間的宏觀內(nèi)應(yīng)力；晶粒彼此之間或晶內(nèi)不同區(qū)域之間的變形不均勻會形成微觀內(nèi)應(yīng)力；因位錯等晶格缺陷增多而引起的內(nèi)應(yīng)力稱為晶格畸變內(nèi)應(yīng)力。這三類內(nèi)應(yīng)力對工件的影響是不同的，第一類主要使工件產(chǎn)生變形；第二類會使工件內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋；第三類則使工件強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性和抗腐蝕性下降。

25二、塑性變形金屬在加熱時的組織和性能變化1、三個階段

經(jīng)冷變形后的金屬吸收了部分變形功，其內(nèi)能升高，主要表現(xiàn)為點(diǎn)陣畸變能增大（位錯和點(diǎn)缺陷密度高），處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有自發(fā)恢復(fù)到變形前狀態(tài)的趨勢。一旦受熱（例如加熱到0.5T熔溫度附近），冷變形金屬的組織和性能就會發(fā)生一系列的變化，可分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個階段。

2627(1)回復(fù)在這一階段低倍顯微組織沒有變化，晶粒仍是冷變形后的纖維狀。此時，金屬的機(jī)械性能，如硬度、強(qiáng)度變化不大，塑性略有提高，宏觀內(nèi)應(yīng)力基本消除,但某些物理、化學(xué)性能發(fā)生明顯變化，如電導(dǎo)率顯著增大，應(yīng)力腐蝕抗力提高。28在生產(chǎn)中對冷加工的零件，為了保持加工硬化狀態(tài)，降低內(nèi)應(yīng)力，以減輕變形和翹曲，通常采用去應(yīng)力退火即回復(fù)退火。例如用冷拉鋼絲卷制彈簧時，在卷成之后要在260℃左右進(jìn)行退火，以降低內(nèi)應(yīng)力并使之定型，而硬度、強(qiáng)度基本保持不變。此外，降低鑄件和焊接件中的內(nèi)應(yīng)力，防止變形、開裂也是通過回復(fù)退火來實(shí)現(xiàn)的。29回復(fù)階段點(diǎn)缺陷的密度顯著下降，而位錯密度變化不大，位錯只是由纏結(jié)狀態(tài)改變?yōu)橐?guī)則排列的位錯墻（構(gòu)成小角亞晶界）。30加工硬化組織加熱時的結(jié)構(gòu)和性能變化。31（2）再結(jié)晶

在這一階段開始在變形組織的基體上產(chǎn)生新的無畸變的晶核，并迅速長大形成等軸晶粒，逐漸取代全部變形組織

。經(jīng)過再結(jié)晶后，冷變形金屬的強(qiáng)度、硬度顯著下降，塑性、韌性顯著提高，微觀內(nèi)應(yīng)力完全消除?？梢娂庸び不癄顟B(tài)消除，金屬又基本上恢復(fù)到冷變形之前的性能。32實(shí)驗(yàn)觀察表明，金屬的再結(jié)晶過程是通過形核和長大方式完成的。但沒有形成新相，這點(diǎn)與結(jié)晶不同，它不是相變過程。再結(jié)晶過程也不是一個恒溫過程，而是自某一溫度開始，隨著溫度的升高和保溫時間的延長而逐漸形核、長大的連續(xù)過程。33

因而再結(jié)晶溫度是指冷變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度。通常定義為變形量很大(≥70%)的金屬在1h的保溫過程中，能夠完成再結(jié)晶的最低溫度。大量實(shí)驗(yàn)表明，再結(jié)晶溫度T再與熔點(diǎn)T熔（以絕對溫度表示）之間存在如下近似關(guān)系：

T再=(0.35～0.4)T熔34（3）晶粒長大冷變形金屬在再結(jié)晶剛完成時，一般得到細(xì)小的等軸晶粒組織。如果繼續(xù)提高加熱溫度或延長保溫時間，將引起晶粒進(jìn)一步長大，它能減少晶界的總面積，從而降低總的界面能，使組織變得更穩(wěn)定。352、再結(jié)晶晶粒大小的控制影響再結(jié)晶晶粒大小的主要因素是變形度和退火溫度。能發(fā)生再結(jié)晶的最小變形度通常在2%～8%范圍內(nèi)，但這時再結(jié)晶晶粒特別粗大，這樣的變形度稱為臨界變形度。36

這是因?yàn)榇藭r的變形量較小，形成的再結(jié)晶核心較少。當(dāng)變形度大于臨界變形度后,則隨著變形度的增大晶粒逐漸細(xì)化。當(dāng)變形度和退火保溫時間一定時，再結(jié)晶退火溫度越高，再結(jié)晶后的晶粒越粗大。37再結(jié)晶晶粒大小隨加熱溫度增加而增加。臨界變形度處的再結(jié)晶晶粒特別粗大變形度大于臨界變形度后,隨著變形度的增大晶粒逐漸細(xì)化38

三、金屬的熱加工壓力加工是利用塑性變形的方法使金屬成形并改性的工藝方法。由于在常溫下進(jìn)行塑性變形會引起金屬的加工硬化，即出現(xiàn)變形抗力增大、塑性下降，這使得對某些尺寸較大或塑性低的金屬在常溫下難以進(jìn)行塑性變形。生產(chǎn)上通常采用在加熱條件下進(jìn)行塑性變形。

391.熱加工與冷加工從金屬學(xué)的角度，將再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的壓力加工稱為熱加工，而將再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的壓力加工稱為冷加工。例如鎢的再結(jié)晶溫度約為1200℃，因此，即使在1000℃進(jìn)行變形加工也屬于冷加工。402.熱加工特點(diǎn)在熱加工過程中，金屬同時進(jìn)行著兩個過程：形變強(qiáng)化和再結(jié)晶軟化。塑性變形使金屬產(chǎn)生形變強(qiáng)化，而同時發(fā)生的再結(jié)晶(稱為動態(tài)再結(jié)晶)過程又將形變強(qiáng)化現(xiàn)象予以消除。因此，熱加工時一般不產(chǎn)生明顯加工硬化現(xiàn)象。413.熱加工對金屬組織與性能的影響

(1)改善鑄態(tài)組織缺陷可使鑄態(tài)組織中的氣孔、疏松及微裂紋焊合，提高金屬致密度，還可以使鑄態(tài)的粗大樹枝晶通過變形和再結(jié)晶的過程而變成較細(xì)的晶粒，某些高合金鋼中的萊氏體和大塊初生碳化物可被打碎并使其分布均勻等。這些組織缺陷的消除會使材料的性能得到明顯改善。42(2)出現(xiàn)纖維組織在熱加工過程中鑄態(tài)金屬的偏析、夾雜物、第二相、晶界等逐漸沿變形方向延展，在宏觀工件上勾畫出一個個線條，這種組織也稱為纖維組織。纖維組織的出現(xiàn)使金