金屬的塑性變形和再結(jié)晶

金屬的塑性變形和再結(jié)晶壓力加工變形強(qiáng)化切削加工也有塑性變形變形后組織、結(jié)構(gòu)和性能的變化規(guī)律的研究必須研究金屬塑性變形的過程和機(jī)理第2頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

單晶體的塑性變形的主要方式是滑移和孿生。其中滑移是最基本、最普遍的塑性變形方式，孿生只是在滑移難以進(jìn)行的情況下出現(xiàn)。一.滑移變形的概念1.滑移

是晶體在切應(yīng)力作用下，一部分晶體相對于另一部分沿一定晶面和晶向產(chǎn)生的相對移動?；浦荒茉谇袘?yīng)力的作用下發(fā)生，產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力。

一、單晶體的塑性變形任務(wù)一金屬的塑性變形第3頁,共60頁，2024年2月25日，星期天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)動第4頁,共60頁，2024年2月25日，星期天滑移發(fā)生在特定的晶面和晶向上滑移發(fā)生在原子排列密度最大、間距最?。ǘ噜弮删娴木嚯x大）的晶面和晶向上。見（圖3－6）。第5頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1.單晶體拉伸時(shí)的塑性變形：第6頁,共60頁，2024年2月25日，星期天滑移帶和滑移線的示意圖：滑移帶觀察產(chǎn)生滑移后的金屬表面痕跡，滑移帶和滑移線。第7頁,共60頁，2024年2月25日，星期天每一種晶格都有特定的滑移面和滑移方向構(gòu)成滑移系。晶體滑移系數(shù)愈多（滑移系數(shù)＝滑移面數(shù)×滑移方向數(shù)），金屬塑性愈好。第8頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2.滑移的機(jī)理：剛性滑動：第9頁,共60頁，2024年2月25日，星期天刃型位錯(cuò)移動產(chǎn)生滑移：第10頁,共60頁，2024年2月25日，星期天⑶晶體格缺陷是單晶體滑移的內(nèi)因單晶體的滑移，不是晶體的一部份相對于另一部份的剛性整體運(yùn)動，而是由于晶格缺陷（組織）引起。即在外力作用下空位，位錯(cuò)等在晶格之間傳遞的結(jié)果。見圖3－7。第11頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

孿生晶體的一部分沿一定晶面的晶向，相對于加一部分所產(chǎn)生切變。

主要特點(diǎn)：①孿生通過切變使晶格位向改變，使變形部分與未變形部分呈鏡面對稱。②孿生時(shí)，相鄰原子面的相對位移量小于一個(gè)原子間距。③孿生所需的切應(yīng)力比滑移大得多，變形速度極快。1.孿生

所以孿生常在滑移系較少的密排六方晶格的金屬中產(chǎn)生。體心立方晶格的金屬只在低溫或受到?jīng)_擊時(shí)才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格的金屬一般不發(fā)生孿生變形。第12頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

對于多晶體的塑性變形，在塑性變形過程中，金屬的晶粒內(nèi)部也是滑移為主要方式，晶粒間也產(chǎn)生了滑移并轉(zhuǎn)動（多晶體的晶間變形）。由于晶界和晶粒位向的影響，位錯(cuò)的運(yùn)動阻力加大，致使細(xì)晶粒的金屬的強(qiáng)度增大，即細(xì)晶強(qiáng)化。晶粒越細(xì)、塑性越好。其原因在于：晶粒越細(xì)，則晶界越曲折，越不利于裂紋的傳播；晶粒越細(xì)，變形可以分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，且變形均勻，減少應(yīng)力集中，從而可以在斷裂之前承受更大的塑性變形。

二、多晶體的塑性變形第13頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1.不均勻（均一）的塑性變形多晶體中各晶粒位向不同，處于軟位向的晶粒先變形，處于硬位向的轉(zhuǎn)動后再變形或不變，且晶粒內(nèi)部變形也不一致，所以多晶體的塑性變形不一致、不等時(shí)的。2.多晶體比單晶體有較高的塑性變形抗力

1）晶粒間位向差阻礙滑移

2）晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動多晶體的塑性變形特點(diǎn)：

3.多晶體塑性變形時(shí)晶粒間相互協(xié)調(diào)和配合4.只有多個(gè)滑移系才能保證多晶體變形的連續(xù)性第14頁,共60頁，2024年2月25日，星期天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，合金元素對塑性變形的影響也不相同。第15頁,共60頁，2024年2月25日，星期天（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，即可使其力學(xué)性能明顯提高。第16頁,共60頁，2024年2月25日，星期天固溶強(qiáng)化的主要原因：一是溶質(zhì)原子的溶入使固溶體的晶格發(fā)生畸變，對在滑移面上運(yùn)動的位錯(cuò)有阻礙作用；二是在位錯(cuò)線上偏聚的溶質(zhì)原子對位錯(cuò)的釘扎作用，使運(yùn)動位錯(cuò)受阻，因而提高了固溶體的變形抗力。第17頁,共60頁，2024年2月25日，星期天（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。第18頁,共60頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)?shù)诙嘣诰Ы缟铣示W(wǎng)狀分布時(shí)，對強(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，但會降低塑性和韌性鎂合金中的網(wǎng)狀共晶體T8中的珠光體第19頁,共60頁，2024年2月25日，星期天在晶內(nèi)呈彌散質(zhì)點(diǎn)分布時(shí)，雖塑性、韌性稍會降低，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。第20頁,共60頁，2024年2月25日，星期天任務(wù)二金屬的冷塑性變形冷塑性變形時(shí)，多晶體主要是晶內(nèi)滑移變形;實(shí)質(zhì)上是位錯(cuò)的移動和增殖的過程;由于位錯(cuò)的交互作用,塑性變形時(shí)產(chǎn)生了加工硬化。加工硬化：金屬在冷變形時(shí)，隨著變形程度的增加強(qiáng)度硬度有所提高，塑性韌性有所下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。有利有弊第21頁,共60頁，2024年2月25日，星期天塑性變形對組織和性能的影響1．塑性變形對金屬顯微組織的影響外形發(fā)生變化第22頁,共60頁，2024年2月25日，星期天內(nèi)部的晶粒形狀被拉長或壓扁。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長成纖維狀，晶界變得模糊不清。此時(shí)，金屬的性能將會有明顯的各向異性，如縱向的性能明顯優(yōu)于橫向。第23頁,共60頁，2024年2月25日，星期天使晶粒內(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偈咕w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。第24頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2．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，使多晶體中原為任意取向的各個(gè)晶粒會逐漸調(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)”。第25頁,共60頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)出現(xiàn)織構(gòu)以后，多晶體金屬就表現(xiàn)出一定程度的各向異性，這對材料的性能和加工工藝有很大的影響。例如當(dāng)用有織構(gòu)的板材沖壓杯狀的薄壁零件時(shí)，容易產(chǎn)生所謂的“制耳”現(xiàn)象，使邊緣不齊，厚薄不均。但織構(gòu)有時(shí)也有有利的一面，比如用有織構(gòu)的硅鋼片制作變壓器鐵芯具有更高的導(dǎo)磁率。第26頁,共60頁，2024年2月25日，星期天板織構(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”有無第27頁,共60頁，2024年2月25日，星期天軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象第28頁,共60頁，2024年2月25日，星期天3．塑性變形對金屬性能的影響在塑性變形的過程中，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)動困難，從而提高了強(qiáng)度。（滑移是位錯(cuò)的移動）第29頁,共60頁，2024年2月25日，星期天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強(qiáng)化的重要手段之一。塑性變形還會使金屬的電阻增大，耐蝕性能下降。第30頁,共60頁，2024年2月25日，星期天4．殘余內(nèi)應(yīng)力金屬在塑性變形時(shí)，外力所作的功大部分轉(zhuǎn)化為熱能，但尚有小部分（約10%）保留在金屬內(nèi)部，形成殘余內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力分為三類：第一類內(nèi)應(yīng)力又叫宏觀內(nèi)應(yīng)力，是由于金屬表層與心部變形不一致造成的，所以存在于表層與心部之間；第二類內(nèi)應(yīng)力又叫微觀內(nèi)應(yīng)力，是由于晶粒之間變形不均勻造成的，所以存在于晶粒與晶粒之間；第三類內(nèi)應(yīng)力又叫點(diǎn)陣畸變，是由于晶體缺陷增加引起點(diǎn)陣畸變增大而造成的內(nèi)應(yīng)力，所以存在于晶體缺陷中。第31頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第三類內(nèi)應(yīng)力是變形金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力（占90%以上），因而是金屬強(qiáng)化的主要原因。而第一、第二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬的強(qiáng)度降低。殘余內(nèi)應(yīng)力還會使金屬耐蝕性下降，引起加工、淬火過程中零件的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低殘余內(nèi)應(yīng)力。第32頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第33頁,共60頁，2024年2月25日，星期天1．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)和性能的變化過程。

宏觀層面：顯微組織無變化，機(jī)械性能無明顯變化，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。第34頁,共60頁，2024年2月25日，星期天回復(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。（消除第三類應(yīng)力）回復(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。第35頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2．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)過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶的驅(qū)動力是冷變形所產(chǎn)生的儲存能，隨著儲存能的釋放，應(yīng)變能也逐漸降低。新的無畸變等軸晶粒的形成及長大，使之在熱力學(xué)上變得更加穩(wěn)定。第36頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

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

不是相變過程。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。第37頁,共60頁，2024年2月25日，星期天再結(jié)晶溫度：沒有恒定的轉(zhuǎn)變溫度，而是自某一溫度開始，隨著溫度的升高而進(jìn)行的過程。通常的再結(jié)晶溫度是指再結(jié)晶開始溫度，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。

第38頁,共60頁，2024年2月25日，星期天純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)之間的近似關(guān)系:T再（K）≈0.4T熔（K）

其中T再、T熔為絕對溫度.金屬熔點(diǎn)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℃第39頁,共60頁，2024年2月25日，星期天再結(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)晶的處理過程。再結(jié)晶退火溫度比理論再結(jié)晶溫度高

100℃-150℃

生產(chǎn)中，采用再結(jié)晶退火來消除經(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。

第40頁,共60頁，2024年2月25日，星期天再結(jié)晶可以作為控制晶粒大小的手段。在不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬中，再結(jié)晶可以使粗晶粒轉(zhuǎn)變細(xì)晶粒，但材料必須預(yù)進(jìn)行塑性變形，以提供在結(jié)晶的驅(qū)動力第41頁,共60頁，2024年2月25日，星期天3．晶粒長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，晶粒之間便會相互吞并而長大，這一階段稱為晶粒長大。晶粒長大是自發(fā)過程。晶粒長大分為兩種：正常長大；反常長大或二次再結(jié)晶。

第42頁,共60頁，2024年2月25日，星期天再結(jié)晶完成后，正常的晶粒應(yīng)是均勻的、連續(xù)的。但在某些情況下，晶粒的長大只是少數(shù)晶粒突發(fā)性地、迅速地粗化，使晶粒之間的尺寸差別越來越大。這種不正常的晶粒長大稱為晶粒的反常長大。這種晶粒的不均勻長大就好像在再結(jié)晶后均勻細(xì)小的等軸晶粒中又重新發(fā)生了再結(jié)晶，所以稱為二次再結(jié)晶。第43頁,共60頁，2024年2月25日，星期天4．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，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加熱溫度對晶粒度的影響晶粒大小第44頁,共60頁，2024年2月25日，星期天（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)先變形程度對晶粒度的影響第45頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共60頁，2024年2月25日，星期天加熱溫度℃黃銅第47頁,共60頁，2024年2月25日，星期天鐵素體變形80%670℃加熱650℃加熱第48頁,共60頁，2024年2月25日，星期天再結(jié)晶后的晶粒長大再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升溫或延長保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個(gè)自發(fā)的過程。黃銅再結(jié)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分后的組織第49頁,共60頁，2024年2月25日，星期天任務(wù)三金屬的熱塑性變形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程。學(xué)術(shù)上：熱加工是指在再結(jié)晶溫度以上的加工過程；在再結(jié)晶溫度以下的加工過程稱為冷加工。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。第50頁,共60頁，2024年2月25日，星期天動態(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程，因塑性變形引起的硬化過程和回復(fù)再結(jié)晶引起的軟化過程同時(shí)存在。由此，在熱加工過程中，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。

第51頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2．熱加工對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枝晶砸碎而成細(xì)小均勻的晶粒。

第52頁,共60頁，2024年2月25日，星期天50

m第53頁,共60頁，2024年2月25日，星期天（2）熱加工流線在熱加工過程中，鑄錠中的粗大枝晶和各種夾雜物都要沿變形方向伸長，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。脆性夾雜物破碎成鏈狀，塑性夾雜物變成條帶狀、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的組織，叫做纖維組織。

第54頁,共60頁，2024年2月25日，星期天纖維組織對性能的影響：

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。