金屬的塑性變形與再結(jié)晶課件

第五章金屬的塑性變形與再結(jié)晶

PlasticdeformationandRecrystallization壓力加工：塑性變形過(guò)程不可恢復(fù)的變形，如把鋼錠鍛造、擠壓、扎制、拉拔成各種型鋼，鋼板、鋼管、鋼絲或其他零件等。壓力加工的目的：1)使鋼材或零件獲得規(guī)定的形狀和尺寸。2）改變鋼的組織和性能。1一、金屬單晶體的塑性變形2塑性變形的基本方式：滑移滑移變形的特點(diǎn)：（1）滑移在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生（2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生（3）滑移時(shí)兩部分晶體的相對(duì)位移是原子間距的整數(shù)倍（4）滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)3滑移帶和滑移線的示意圖：52.滑移的機(jī)理：剛性滑動(dòng)：6刃型位錯(cuò)移動(dòng)產(chǎn)生滑移：7高溫合金中位錯(cuò)線的TEM照片：9二、金屬多晶體的塑性變形與單晶體比較并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別，即每個(gè)晶粒的塑性變形仍然以滑移等方式進(jìn)行。多晶體與單晶體的結(jié)構(gòu)差異：

晶界、每個(gè)晶粒中晶格位向不同。10（1）晶界和晶粒位向?qū)频挠绊懢Ы缡窍噜従Я５倪^(guò)渡區(qū);原子排列比較紊亂;常常有雜質(zhì)集中于此，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→位錯(cuò)的塞積→使變形難以繼續(xù)進(jìn)行，必須增加外力，導(dǎo)致塑性變形抗力提高。11（2）細(xì)晶強(qiáng)化多晶體金屬中存在的晶界和晶粒間的位向差，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。晶粒越細(xì)小，晶界越多，晶粒間相互約束也越大，其強(qiáng)度和硬度就越高。金屬的晶粒細(xì)化，不僅可以提高強(qiáng)度，而且可以改善其塑性和韌性。這是因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目越多，在同樣的變形量下同時(shí)參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，而不易造成局部應(yīng)力集中，推遲了裂紋的形成和發(fā)展。因而斷裂前可以承受較大的塑性變形量，并且具有較高的抗沖擊載荷的能力，這使得金屬的塑性和韌性都有所提高。通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法叫做細(xì)晶強(qiáng)化。13三合金的塑性變形與強(qiáng)化合金中存在晶格畸變，使其性能顯著變化。根據(jù)合金的組織可將其分為單相固溶體和多相混合物兩大類。在這兩種不同情況下，合金元素對(duì)塑性變形的影響也不相同。14（1）單相固溶體的塑性變形與固溶強(qiáng)化單相固溶體合金的組織與純金屬比較相似，所以其塑性變形過(guò)程也與多晶體純金屬相似。固溶體中的溶質(zhì)原子，使其塑性變形抗力增加，強(qiáng)度和硬度提高，而塑性、韌性有所下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是提高金屬材料性能的一個(gè)重要途徑，如在碳鋼中加入能溶入鐵素體的Mn、Si等合金元素，即可使其機(jī)械性能明顯提高。15（2）多相合金的塑性變形與彌散強(qiáng)化多相合金也是多晶體。它們的差別在于：多相合金中有些晶粒是另一相，有些界面是相界面。多相合金的塑性變形除與固溶體基體密切相關(guān)以外，還與第二相的性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量及分布狀況等有關(guān)，在塑性變形時(shí)甚至起著決定性的作用。17當(dāng)?shù)诙嘣诰Ы缟铣示W(wǎng)狀分布時(shí)，對(duì)強(qiáng)度和塑性都不利；在晶內(nèi)呈片狀和層狀分布時(shí)，可提高強(qiáng)度和硬度，但會(huì)降低塑性和韌性鎂合金中的網(wǎng)狀共晶體T8中的珠光體18在晶內(nèi)呈彌散質(zhì)點(diǎn)分布時(shí)，雖塑性、韌性稍會(huì)降低，但可顯著提高強(qiáng)度和硬度，而且質(zhì)點(diǎn)越細(xì)、越多，合金的強(qiáng)度、硬度越高。這種合金強(qiáng)化方法稱為彌散強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化，它也是合金的主要強(qiáng)化方法之一。19內(nèi)部的晶粒形狀被拉長(zhǎng)或壓扁。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)成纖維狀，晶界變得模糊不清。此時(shí)，金屬的性能將會(huì)有明顯的各向異性，如縱向的性能明顯優(yōu)于橫向。21使晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使晶粒破碎成亞晶粒。這是因?yàn)樗苄宰冃螘?huì)促使晶體內(nèi)部的位錯(cuò)發(fā)生增殖和纏結(jié)，進(jìn)而使各晶粒破碎成細(xì)碎的亞晶粒。222．形變織構(gòu)的產(chǎn)生當(dāng)金屬的變形量很大時(shí)，由于晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)，使多晶體中原為任意取向的各個(gè)晶粒會(huì)逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致。這種由于塑性變形的結(jié)果而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫做“形變織構(gòu)”。233．塑性變形對(duì)金屬性能的影響在塑性變形的過(guò)程中，隨著金屬內(nèi)部組織的變化，金屬的性能也將產(chǎn)生變化。隨著變形程度的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這一現(xiàn)象稱為“加工硬化”或“形變強(qiáng)化”。一般認(rèn)為產(chǎn)生加工硬化的原因是晶體內(nèi)部位錯(cuò)的增殖，造成位錯(cuò)間相互纏結(jié)，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，從而提高了強(qiáng)度。25加工硬化使金屬繼續(xù)變形更加困難，常常造成生產(chǎn)中生產(chǎn)工序的增加和能耗的提高，對(duì)材料的加工是不利的。但加工硬化促使金屬塑性變形更加均勻，還可提高金屬的強(qiáng)度，所以加工硬化也是金屬?gòu)?qiáng)化的重要手段之一。塑性變形還會(huì)使金屬的電阻增大，耐蝕性能下降。26五變形金屬在加熱過(guò)程中組織和性能的變化目的：消除殘余應(yīng)力或恢復(fù)其某些性能（如提高塑性、韌性，降低硬度等）。過(guò)程：依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。本質(zhì)：加熱導(dǎo)致原子擴(kuò)散。29301．回復(fù)冷變形金屬加熱時(shí)，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前（即再結(jié)晶晶粒形成前）所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過(guò)程。

宏觀層面：顯微組織無(wú)變化，機(jī)械性能無(wú)明顯變化，但內(nèi)應(yīng)力顯著降低。

微觀層面：點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)的近距離遷移，引起的晶內(nèi)某些變化。31回復(fù)的機(jī)理：加熱溫度不太高，原子擴(kuò)散能力較低，原子只能作短距離擴(kuò)散，使某些晶體缺陷相互抵消，導(dǎo)致缺陷數(shù)量減少，晶格畸變程度減輕。如空位與其它缺陷（如間隙原子）合并，同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)的相互抵消，這些結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致了內(nèi)應(yīng)力的降低?；貜?fù)的應(yīng)用：在較低溫度下加熱，使加工硬化金屬的內(nèi)應(yīng)力基本消除，同時(shí)又保持其機(jī)械性能。這叫做去應(yīng)力退火。如冷拔鋼絲，在250℃～300℃低溫加熱，以消除內(nèi)應(yīng)力使其定型。322．再結(jié)晶冷變形金屬在一定溫度保溫后，變形組織中重新產(chǎn)生無(wú)畸變的新晶粒，性能也發(fā)生明顯變化，并完全軟化，這個(gè)過(guò)程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力是冷變形所產(chǎn)生的儲(chǔ)存能，隨著儲(chǔ)存能的釋放，應(yīng)變能也逐漸降低。新的無(wú)畸變等軸晶粒的形成及長(zhǎng)大，使之在熱力學(xué)上變得更加穩(wěn)定。33

再結(jié)晶的過(guò)程也是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程，它是以破碎晶粒中無(wú)畸變的小晶塊為核心并進(jìn)行長(zhǎng)大的。

不是相變過(guò)程。再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同，不同的只是再結(jié)晶后因塑性變形而造成的各種晶體缺陷減少了，內(nèi)應(yīng)力消失。34再結(jié)晶溫度：沒(méi)有恒定的轉(zhuǎn)變溫度，而是自某一溫度開(kāi)始，隨著溫度的升高而進(jìn)行的過(guò)程。通常的再結(jié)晶溫度是指再結(jié)晶開(kāi)始溫度，也就是能夠進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度。一般定義：經(jīng)過(guò)嚴(yán)重冷變形（變形度在70%以上）的金屬，保溫一小時(shí)能夠完成再結(jié)晶（>95%轉(zhuǎn)變量）的溫度。與熔點(diǎn)之間存在： T再≈0.4T熔35再結(jié)晶的應(yīng)用：再結(jié)晶退火：把冷變形金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，使其發(fā)生再結(jié)晶的處理過(guò)程。生產(chǎn)中，采用再結(jié)晶退火來(lái)消除經(jīng)冷變形加工產(chǎn)品的加工硬化和各向異性，提高其塑性。在冷變形加工過(guò)程中間，進(jìn)行再結(jié)晶退火，可恢復(fù)塑性，便于繼續(xù)加工。

363．晶粒長(zhǎng)大冷變形金屬剛剛結(jié)束再結(jié)晶時(shí)的晶粒是比較細(xì)小均勻的等軸晶粒，如果再結(jié)晶后不控制其加熱溫度或時(shí)間，繼續(xù)升溫或保溫，晶粒之間便會(huì)相互吞并而長(zhǎng)大，這一階段稱為晶粒長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大是自發(fā)過(guò)程。晶粒長(zhǎng)大分為兩種：正常長(zhǎng)大；反常長(zhǎng)大或二次再結(jié)晶。

37384．影響再結(jié)晶后晶粒度的因素影響再結(jié)晶后晶粒度的因素很多，最主要的是退火溫度、保溫時(shí)間和預(yù)先變形程度。（1）加熱溫度與保溫時(shí)間的影響再結(jié)晶加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，金屬的晶粒越大，其中加熱溫度的影響尤為顯著。T再加熱溫度圖5-5加熱溫度對(duì)晶粒度的影響晶粒大小39（2）預(yù)先變形程度的影響預(yù)先變形程度的影響實(shí)質(zhì)：變形均勻程度的影響。當(dāng)變形程度很小時(shí)，由于金屬的畸變能也很小，不足以引起再結(jié)晶，因而晶粒仍保持原來(lái)的形狀。臨界變形度：得到特別粗大晶粒的變形度。晶粒大小

臨界變形度預(yù)先變形程度圖5-6預(yù)先變形程度對(duì)晶粒度的影響40六、金屬的熱加工1．熱加工與冷加工的區(qū)別生產(chǎn)上：熱加工通常是指將金屬材料加熱至高溫進(jìn)行鍛造、熱軋等的壓力加工過(guò)程。學(xué)術(shù)上：熱加工是指在再結(jié)晶溫度以上的加工過(guò)程；在再結(jié)晶溫度以下的加工過(guò)程稱為冷加工。例如鉛的再結(jié)晶溫度低于室溫，因此在室溫下對(duì)鉛進(jìn)行塑性加工屬于熱加工。而鎢的再結(jié)晶溫度約為1200℃，所以即使在1000℃拉制鎢絲也屬于冷加工。41動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：熱加工是在高于再結(jié)晶溫度以上的塑性變形過(guò)程，因塑性變形引起的硬化過(guò)程和回復(fù)再結(jié)晶引起的軟化過(guò)程同時(shí)存在。由此，在熱加工過(guò)程中，金屬內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行著加工硬化與回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個(gè)相反的過(guò)程，塑性變形所產(chǎn)生的加工硬化將很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消。

422．熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響（1）改善鑄錠組織使鑄態(tài)組織缺陷得到改善。使氣泡、疏松大部分得到焊合，材料的致密度增大，改善夾雜物與脆性相的形態(tài)、大小及分布；可以部分地消除枝晶偏析；還可將粗大的柱狀晶和樹(shù)枝晶砸碎而成細(xì)小均勻的晶粒。

4350m44（2）熱加工流線在熱加工過(guò)程中，鑄錠中的粗大枝晶和各種夾雜物都要沿變形方向伸長(zhǎng)，這樣就使枝晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向逐漸與變形方向一致。脆性?shī)A雜物破碎成鏈狀，塑性?shī)A雜物變成條帶狀、線狀或片層狀，宏觀上，存在著沿變形方向的一條條細(xì)線，這就是熱加工中的流線。由一條條流線溝劃出來(lái)的組織，叫做纖維組織。

45纖維組織對(duì)性能的影響：

使金屬的性能呈現(xiàn)各向異性。順纖維方向具有較高的機(jī)械性能，而垂直于流線方向的性能則較低，特別是塑性和韌性表現(xiàn)得更加明顯。在制定熱加工工藝時(shí)，應(yīng)盡量使流線與工件所受的最大拉應(yīng)力方向一致，而與外剪切應(yīng)力或沖擊應(yīng)力的方向垂直。（a）