04-第四章金屬的塑性變形與再結晶

第四章金屬的塑性變形與再結晶第一節(jié)

純金屬的塑性變形第二節(jié)

合金的塑性變形與強化第三節(jié)

塑性變形對組織和性能的影響第四節(jié)

回復與再結晶第五節(jié)

金屬的熱加工04-第四章金屬的塑性變形與再結晶自由鍛造模型鍛造擠壓成型板料沖壓04-第四章金屬的塑性變形與再結晶塑性變形及隨后的加熱對金屬材料組織和性能有顯著影響。了解塑性變形本質，塑性變形及加熱時組織的變化，有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，正確確定加工工藝.5萬噸水壓機04-第四章金屬的塑性變形與再結晶4.1金屬的塑性變形單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應力和剪應力。正應力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在剪應力的作用下金屬晶體才能產生塑性變形。4.1.1單晶體金屬的塑性變形外力在晶面上的分解剪應力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片04-第四章金屬的塑性變形與再結晶韌性斷口脆性斷口04-第四章金屬的塑性變形與再結晶1.滑移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。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。

04-第四章金屬的塑性變形與再結晶1、滑移變形的特點：⑴滑移只能在切應力的作用下發(fā)生。產生滑移的最小切應力稱臨界切應力.

04-第四章金屬的塑性變形與再結晶⑵滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結合力最弱，產生滑移所需切應力最小。沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。

04-第四章金屬的塑性變形與再結晶一個滑移面和其上的一個滑移方向構成一個滑移系。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04-第四章金屬的塑性變形與再結晶滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向對塑性的貢獻比滑移面更大。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。04-第四章金屬的塑性變形與再結晶⑶滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍.滑移的結果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。

銅拉伸試樣表面滑移帶04-第四章金屬的塑性變形與再結晶⑷滑移的同時伴隨著晶體的轉動轉動有兩種：滑移面向外力軸方向轉動和滑移面上滑移方向向最大切應力方向轉動。04-第四章金屬的塑性變形與再結晶切應力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉動04-第四章金屬的塑性變形與再結晶轉動的原因：晶體滑移后使正應力分量和切應力分量組成了力偶.當滑移面、滑移方向與外力方向都呈45°角時，滑移

方向上切應力最大，因而最容易發(fā)生滑移.滑移后,滑移面兩側晶體的位向關系未發(fā)生變化。A0A1FFA004-第四章金屬的塑性變形與再結晶韌性斷口04-第四章金屬的塑性變形與再結晶多腳蟲的爬行2、滑移的機理把滑移設想為剛性整體滑動所需的理論臨界切應力值比實際測量臨界切應力值大3-4個數(shù)量級?；剖峭ㄟ^滑移面上位錯的運動來實現(xiàn)的。04-第四章金屬的塑性變形與再結晶晶體通過位錯運動產生滑移時，只在位錯中心的少數(shù)原子發(fā)生移動，它們移動的距離遠小于一個原子間距，因而所需臨界切應力小，這種現(xiàn)象稱作位錯的易動性。04-第四章金屬的塑性變形與再結晶刃位錯的運動04-第四章金屬的塑性變形與再結晶㈡孿生孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的切變。04-第四章金屬的塑性變形與再結晶發(fā)生切變的部分稱孿生帶或孿晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面。孿生的結果使孿生面兩側的晶體呈鏡面對稱。

孿晶組織孿生示意圖04-第四章金屬的塑性變形與再結晶與滑移相比：孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應力比滑移大得多,變形速度極快,接近聲速;孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距.04-第四章金屬的塑性變形與再結晶密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬，一般不發(fā)生孿生變形，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，這是由于相變過程中原子重新排列時發(fā)生錯排而產生的，稱退火孿晶。奧氏體不銹鋼中退火孿晶鈦合金六方相中的形變孿晶04-第四章金屬的塑性變形與再結晶4.1.2多晶體金屬的塑性變形單個晶粒變形與單晶體相似,多晶體變形比單晶體復雜。㈠晶界及晶粒位向差的影響

1、晶界的影響當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來,稱位錯的塞積。要使變形繼續(xù)進行,則必須增加外力,從而使金屬的變形抗力提高。04-第四章金屬的塑性變形與再結晶晶界對塑性變形的影響Cu-4.5Al合金晶界的位錯塞積04-第四章金屬的塑性變形與再結晶2、晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發(fā)生塑性變形時，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。

04-第四章金屬的塑性變形與再結晶㈡多晶體金屬的塑性變形過程多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45°的晶粒。當塞積位錯前端的應力達到一定程度，加上相鄰晶粒的轉動，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯開動，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。

銅多晶試樣拉伸后形成的滑移帶σσ04-第四章金屬的塑性變形與再結晶㈢晶粒大小對金屬力學性能的影響金屬的晶粒越細，其強度和硬度越高。因為金屬晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協(xié)調的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。晶粒大小與金屬強度關系04-第四章金屬的塑性變形與再結晶金屬的晶粒越細，其塑性和韌性也越高。因為晶粒越細，單位體積內晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強度和塑性同時增加,金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。應變應力塑性材料脆性材料04-第四章金屬的塑性變形與再結晶通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、硬度、塑性和韌性的方法稱細晶強化。

04-第四章金屬的塑性變形與再結晶第二節(jié)合金的塑性變形與強化

合金可根據(jù)組織分為單相固溶體和多相混合物兩種.合金元素的存在，使合金的變形與純金屬顯著不同.珠光體奧氏體04-第四章金屬的塑性變形與再結晶一、單相固溶體合金的塑性變形與固溶強化單相固溶體合金組織與純金屬相同，其塑性變形過程也與多晶體純金屬相似。但隨溶質含量增加，固溶體的強度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱固溶強化。04-第四章金屬的塑性變形與再結晶產生固溶強化的原因：溶質原子與位錯相互作用。溶質原子不僅使晶格發(fā)生畸變，而且易被吸附在位錯附近形成柯氏氣團，使位錯被釘扎住，位錯要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高.Cu-Ni合金成分與性能關系04-第四章金屬的塑性變形與再結晶二、多相合金的塑性變形與彌散強化當合金的組織由多相混合物組成時，合金的塑性變

形除與合金基體的性質有關外，還與第二相的性質、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關。第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物。

+鈦合金(固溶體第二相)04-第四章金屬的塑性變形與再結晶當在晶界呈網狀分布時,對合金的強度和塑性不利;當在晶內呈片狀分布時，可提高強度、硬度，但會降低塑性和韌性；珠光體04-第四章金屬的塑性變形與再結晶當在晶內呈顆粒狀彌散分布時，第二相顆粒越細，分布越均勻，合金的強度、硬度越高，塑性、韌性略有下降，這種強化方法稱彌散強化或沉淀強化。彌散強化的原因是由于硬的顆粒不易被切變，因而阻礙了位錯的運動，提高了變形抗力。顆粒釘扎作用的電鏡照片04-第四章金屬的塑性變形與再結晶位錯切割第二相粒子示意圖電鏡觀察04-第四章金屬的塑性變形與再結晶第三節(jié)塑性變形對組織和性能的影響

一、塑性變形對組織結構的影響金屬發(fā)生塑性變形時，不僅外形發(fā)生變化，而且其內部的晶粒也相應地被拉長或壓扁。當變形量很大時，

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。04-第四章金屬的塑性變形與再結晶工業(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(a)正火態(tài)(c)變形80%(b)變形40%04-第四章金屬的塑性變形與再結晶由于晶粒的轉動，當塑性變形達到一定程度時，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)象稱織構或擇優(yōu)取向。形變織構使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時，易產生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構可提高硅鋼片的導磁率。板織構絲織構形變織構示意圖各向異性導致的銅板“制耳”有無04-第四章金屬的塑性變形與再結晶軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象04-第四章金屬的塑性變形與再結晶二、加工硬化

隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。冷塑性變形量，%屈服強度，MPa1040鋼(0.4%C)黃銅銅冷塑性變形量，%伸長率，%1040鋼(0.4%C)黃銅銅04-第四章金屬的塑性變形與再結晶冷塑性變形與性能關系04-第四章金屬的塑性變形與再結晶產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)，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度關系04-第四章金屬的塑性變形與再結晶2.隨變形量增加，亞結構細化3.隨變形量增加,空位密度增加4.幾何硬化：由晶粒轉動引起由于加工硬化,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。沒有加工硬化,金屬就不會發(fā)生均勻塑性變形。加工硬化是強化金屬的重要手段之一，對于不能熱處理強化的金屬和合金尤為重要。變形20%純鐵中的位錯未變形純鐵04-第四章金屬的塑性變形與再結晶三、殘余內應力

內應力是指平衡于金屬內部的應力。是由于金屬受力時，內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%轉化為內應力殘留于金屬中.內應力分為三類：第一類內應力平衡于表面與心部之間(宏觀內應力).第二類內應力平衡于晶粒之間或晶粒內不同區(qū)域之間,(微觀內應力)。第三類內應力是由晶格缺陷引起的畸變應力。04-第四章金屬的塑性變形與再結晶第三類內應力是形變金屬中的主要內應力，也是金屬強化的主要原因。而第一、二類內應力都使金屬強度降低。內應力的存在，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，通常要進行退火處理，以消除或降低內應力。晶界位錯塞積所引起的應力集中04-第四章金屬的塑性變形與再結晶第四節(jié)回復與再結晶一、冷變形金屬在加熱時的組織和性能變化

金屬經冷變形后,組織處于不穩(wěn)定狀態(tài),有自發(fā)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可長時間維持。加熱可使原子擴散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復、再結晶和晶粒長大。加熱溫度℃黃銅04-第四章金屬的塑性變形與再結晶㈠回復回復是指在加熱溫度較低時，由于金屬中的點缺陷及位錯近距離遷移而引起的晶內某些變化。如空位

與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號位錯相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等。由于位錯運動使其由冷塑性變形時的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植?，形成亞晶界，這一過程稱多邊形化。04-第四章金屬的塑性變形與再結晶在回復階段,組織變化不明顯,其強度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內應力、電阻率等顯著下降.工業(yè)上常利用回復現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱，既

穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法稱去應力退火。80%冷變形Al合金回復后的TEM明場像04-第四章金屬的塑性變形與再結晶㈡再結晶當變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，由破碎拉長的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。這種冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程稱再結晶。鐵素體變形80%670℃加熱650℃加熱04-第四章金屬的塑性變形與再結晶再結晶也是晶核形成和長大的過程，但不是相變過程，再結晶前后晶粒的晶格類型和成分完全相同。04-第四章金屬的塑性變形與再結晶由于再結晶后組織的復原，因而金屬的強度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化

冷變形(變形量為38%)黃銅580oC保溫15分后的的再結晶組織04-第四章金屬的塑性變形與再結晶㈢再結晶后的晶粒長大再結晶完成后，若繼續(xù)升溫或延長保溫時間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個自發(fā)的過程。黃銅再結晶后晶粒的長大580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織04-第四章金屬的塑性變形與再結晶晶粒的長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會使金屬的強度，尤其是塑性和韌性降低。原子穿過晶界擴散晶界遷移方向04-第四章金屬的塑性變形與再結晶黃銅再結晶和晶粒長大各個階段的金相照片冷變形量為38％的組織580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織04-第四章金屬的塑性變形與再結晶二、再結晶溫度再結晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個溫度范圍內連續(xù)進行的過程，發(fā)生再結晶的最低溫度稱再結晶溫度。580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織冷變形(變形量為38%)黃銅的再結晶04-第四章金屬的塑性變形與再結晶T再與ε的關系影響再結晶溫度的因素為：1、金屬的預先變形程度：金屬預先變形程度越大,再結晶溫度越低。當變形度達到一定值后，再結晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結晶溫度。純金屬的最低再結晶溫度與其熔點之間的近似關系:T再（K）≈0.4T熔（K）其中T再、T熔為絕對溫度.金屬熔點越高,T再也越高.T再℃=(T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃04-第四章金屬的塑性變形與再結晶2、金屬的純度金屬中的微量雜質或合金元素，尤其高熔點元素起阻礙擴散和晶界遷移作用，使再結晶溫度顯著提高.04-第四章金屬的塑性變形與再結晶3、再結晶加熱速度和加熱時間提高加熱速度會使再結晶推遲到較高溫度發(fā)生，延長加熱時間，使原子擴散充分，再結晶溫度降低。生產中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結晶退火.再結晶退火溫度比再結晶溫度高100~200℃。黃銅580oC保溫8秒后的組織黃銅580oC保溫15分后的組織04-第四章金屬的塑性變形與再結晶三、影響再結晶退火后晶粒度的因素1、加熱溫度和保溫時間加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越粗大,加熱溫度的影響尤為顯著.再結晶退火溫度對晶粒度的影響04-第四章金屬的塑性變形與再結晶預先變形度的影響，實質上是變形均勻程度的影響.當變形度很小時，晶格畸變小，不足以引起再結晶.當變形達到2~10%時，只有部分晶粒變形，變形極預先變形度對再結晶晶粒度的影響2、預先變形度不均勻，再結晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長大,再結晶后晶粒特別粗大，這個變形度稱臨界變形度。04-第四章金屬的塑性變形與再結晶當超過臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再結晶時形核量大而均勻，使再結晶后晶粒細而均勻，達到一定變形量之后，晶粒度基本不變。

對于某些金屬，當變形量相當大時(90%),再結晶后晶粒又出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認為這與形成織構有關。04-第四章金屬的塑性變形與再結晶預先變形程度對奧氏體不銹鋼再結晶晶粒尺寸的影響變形83%變形88%變形93%04-第四章金屬的塑性變形與再結晶再結晶圖04-第四章金屬的塑性變形與再結晶第五節(jié)金屬的熱加工

一、冷加工與熱加工的區(qū)別在金屬學中，冷熱加工的界限是以再結晶溫度來劃分的。低于再結晶溫度的加工