1、第四章第四章 金屬的塑性變形和再結(jié)晶金屬的塑性變形和再結(jié)晶 工業(yè)上的金屬材料大多數(shù)要在澆注為鑄錠后經(jīng)過工業(yè)上的金屬材料大多數(shù)要在澆注為鑄錠后經(jīng)過冷熱壓力加工使其發(fā)生塑性變形，以改善材料的組織冷熱壓力加工使其發(fā)生塑性變形，以改善材料的組織和性能，并得到所需尺寸。和性能，并得到所需尺寸。 鑄態(tài)金屬：鑄態(tài)金屬： 組織粗大、不均勻、不致密、偏析組織粗大、不均勻、不致密、偏析4-1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形1 、單晶拉伸試驗(yàn)、單晶拉伸試驗(yàn)一、一、 單晶體金屬的塑性變形單晶體金屬的塑性變形單晶體拋光表面出現(xiàn)相互平行斜線。單晶體拋光表面出現(xiàn)相互平行斜線。說明晶面之間發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)。說明晶面之間發(fā)生了相對(duì)

2、運(yùn)動(dòng)。PP單晶體表面出現(xiàn)相互平行的斜線且與外力成單晶體表面出現(xiàn)相互平行的斜線且與外力成45。滑移滑移：晶體的一部分對(duì)于另一部分沿：晶體的一部分對(duì)于另一部分沿一定晶面和晶向發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，滑動(dòng)一定晶面和晶向發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，滑動(dòng)后原子處于新的穩(wěn)定位置。后原子處于新的穩(wěn)定位置。2 、(1) 外力（外力（P）分解為正應(yīng)力（）分解為正應(yīng)力（ ）和切應(yīng)力（）和切應(yīng)力（ ）。）。正應(yīng)力引起彈性變形，而不能造成塑性變形。正應(yīng)力正應(yīng)力引起彈性變形，而不能造成塑性變形。正應(yīng)力超過原子間結(jié)合力時(shí)晶體發(fā)生斷裂。超過原子間結(jié)合力時(shí)晶體發(fā)生斷裂。PPPPP ： 載荷：正應(yīng)力：切應(yīng)力(2) 切應(yīng)力作切應(yīng)力作用下晶面相用下晶面相

3、對(duì)位移，外對(duì)位移，外力去除后位力去除后位移不能恢復(fù)。移不能恢復(fù)。塑性變形只塑性變形只能在切應(yīng)力能在切應(yīng)力（ ）作用下作用下才能發(fā)生才能發(fā)生。滑移通常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。滑移通常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。(4) 金屬晶體中的滑移總是沿著一定的晶面和晶向發(fā)生的金屬晶體中的滑移總是沿著一定的晶面和晶向發(fā)生的滑滑 移移 面：面： 發(fā)生滑移的晶面就是發(fā)生滑移的晶面就是“滑移面滑移面”；滑移方向：滑移方向： 發(fā)生滑移的晶向就是發(fā)生滑移的晶向就是“滑移方向滑移方向”。( ) 滑移帶滑移線200 “滑移線滑移線” “滑移帶滑移帶”（A）體心立方晶格滑移系：）體心立方晶格滑移系：

4、6 2 = 12 滑移面：滑移面： 110 6個(gè)個(gè) 滑移方向：滑移方向： 2個(gè)。個(gè)。(5) 滑移系：滑移系： 一個(gè)滑移面和其面上的一個(gè)滑移一個(gè)滑移面和其面上的一個(gè)滑移方向的組成稱為方向的組成稱為“滑移系滑移系”（B）面心立方晶格滑移系：）面心立方晶格滑移系： 4 3 = 12滑移面：滑移面： 111 4個(gè)個(gè) 滑移方向：滑移方向： 3個(gè)個(gè)1101113、三種典型金屬晶格的滑移系、三種典型金屬晶格的滑移系（C）密排六方晶格滑移系：）密排六方晶格滑移系： 1 3 = 3滑移面：滑移面： 六方底面六方底面 個(gè)個(gè) 滑移方向：底面對(duì)角線滑移方向：底面對(duì)角線 個(gè)個(gè)表格表格 2-12-1三種典型晶格的滑移系三

5、種典型晶格的滑移系晶格類型晶格類型體心立方體心立方面心面心密排六方密排六方滑滑 移移 面面底面底面滑移方向滑移方向1 10 0底面對(duì)角線底面對(duì)角線滑滑 移移 系系6 面方向面方向=124 面面3 方向方向=121 面面3 方向方向=3二、二、 多晶體金屬的塑性變形多晶體金屬的塑性變形 多晶體塑性變形的影響因素：多晶體塑性變形的影響因素：1、 晶界對(duì)塑性變形的影響晶界對(duì)塑性變形的影響晶界處原子排列不規(guī)則，晶格畸變嚴(yán)重晶界處原子排列不規(guī)則，晶格畸變嚴(yán)重強(qiáng)度、硬度提高強(qiáng)度、硬度提高塑性、韌性好塑性、韌性好 晶粒越細(xì)，強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好。晶粒越細(xì)，強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好。2、 晶粒

6、取向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊懢ЯＨ∠驅(qū)λ苄宰冃蔚挠绊?軟位向硬位向軟位向軟位向硬位向硬位向（一）機(jī)械性能的變化加工硬化（一）機(jī)械性能的變化加工硬化 經(jīng)過冷態(tài)下塑性變形之后的金屬的機(jī)械性能發(fā)生很大經(jīng)過冷態(tài)下塑性變形之后的金屬的機(jī)械性能發(fā)生很大的變化，的變化， 。加工硬化：加工硬化：經(jīng)過冷態(tài)下塑性變形之后，金屬的強(qiáng)度和經(jīng)過冷態(tài)下塑性變形之后，金屬的強(qiáng)度和硬度隨變形量的增加而增加，同時(shí)塑性卻隨之降低，硬度隨變形量的增加而增加，同時(shí)塑性卻隨之降低，這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做“加工硬化加工硬化”或或“冷作硬化冷作硬化”。除了機(jī)械性能的變化，金屬材料的理化性能也除了機(jī)械性能的變化，金屬材料的理化性能也有所變化。有所

7、變化。例：冷拉鋼絲例：冷拉鋼絲強(qiáng)度提高，塑性降低強(qiáng)度提高，塑性降低(二）物理性能變化二）物理性能變化例：金屬的電阻有所增大例：金屬的電阻有所增大 ，抗蝕性降低，抗蝕性降低 。三、三、 冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 （三）（三） 顯微組織的變化顯微組織的變化 晶粒沿加工方向拉長(zhǎng)。晶粒沿加工方向拉長(zhǎng)。1、晶粒形態(tài)變化、晶粒形態(tài)變化晶粒破碎轉(zhuǎn)變成亞晶粒結(jié)構(gòu)晶粒破碎轉(zhuǎn)變成亞晶粒結(jié)構(gòu) 。2、亞結(jié)構(gòu)形成、亞結(jié)構(gòu)形成 當(dāng)變形量非常大時(shí)，晶粒拉長(zhǎng)嚴(yán)重變?yōu)槔w維狀。當(dāng)變形量非常大時(shí)，晶粒拉長(zhǎng)嚴(yán)重變?yōu)槔w維狀。這種纖維狀組織稱為織構(gòu)。織構(gòu)產(chǎn)生各向異性，導(dǎo)致這種纖維狀組織稱為織構(gòu)。織

8、構(gòu)產(chǎn)生各向異性，導(dǎo)致“制耳制耳”。3、產(chǎn)生織構(gòu)、產(chǎn)生織構(gòu)注意：注意：這種各向異性，是偽各向異性。是多晶粒的位這種各向異性，是偽各向異性。是多晶粒的位向趨同造成的。向趨同造成的。（四）（四） 出現(xiàn)殘余內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)殘余內(nèi)應(yīng)力外力的變形功外力的變形功90 熱，熱，10的功的功內(nèi)應(yīng)力，成為殘余應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力，成為殘余應(yīng)力。 1、第一種殘余內(nèi)應(yīng)力、第一種殘余內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力 由晶粒之間或晶粒內(nèi)部不同區(qū)域間的變形量不由晶粒之間或晶粒內(nèi)部不同區(qū)域間的變形量不同而產(chǎn)生。同而產(chǎn)生。2、第二種殘余內(nèi)應(yīng)力、第二種殘余內(nèi)應(yīng)力顯微內(nèi)應(yīng)力顯微內(nèi)應(yīng)力 由位錯(cuò)等晶格缺陷在塑性變形過程中的大量增由位錯(cuò)等晶格缺陷在塑性變形

9、過程中的大量增加引起缺陷附近晶格畸變會(huì)而產(chǎn)生（占總內(nèi)應(yīng)力的加引起缺陷附近晶格畸變會(huì)而產(chǎn)生（占總內(nèi)應(yīng)力的大部分）。大部分）。3、第三種殘余內(nèi)應(yīng)力、第三種殘余內(nèi)應(yīng)力晶格畸變應(yīng)力晶格畸變應(yīng)力 由表層與心部的變形量不同而形成由表層與心部的變形量不同而形成 。 殘余應(yīng)力的作用殘余應(yīng)力的作用：第一、第二內(nèi)應(yīng)力引起金屬宏觀變形或開：第一、第二內(nèi)應(yīng)力引起金屬宏觀變形或開裂；第三內(nèi)應(yīng)力使強(qiáng)度增加。都使脆性上升，理化性能下降。裂；第三內(nèi)應(yīng)力使強(qiáng)度增加。都使脆性上升，理化性能下降。2-2 冷加工金屬在加熱時(shí)的變化冷加工金屬在加熱時(shí)的變化 對(duì)于冷加工后的金屬，由于對(duì)于冷加工后的金屬，由于10%的變形能儲(chǔ)存在的變形能儲(chǔ)

10、存在金屬中，在加熱時(shí)，隨著溫度的升高，原子活動(dòng)能力金屬中，在加熱時(shí)，隨著溫度的升高，原子活動(dòng)能力提高，在變形能的作用下，就要發(fā)生組織和性能的變提高，在變形能的作用下，就要發(fā)生組織和性能的變化，其主要包括化，其主要包括三個(gè)階段：回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段：回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大。塑性變形塑性變形加工硬化加工硬化加 工 困 難加 工 困 難理化性能理化性能殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力加熱退加熱退火軟化火軟化冷變形后的金屬在冷變形后的金屬在較低溫度較低溫度加熱時(shí)，金屬中的一些加熱時(shí)，金屬中的一些 而引起某些晶內(nèi)變化稱為回復(fù)。而引起某些晶內(nèi)變化稱為回復(fù)。（一）回復(fù)（一）回復(fù)一、回復(fù)與再結(jié)晶一、回復(fù)與再結(jié)晶

11、1、回復(fù)：、回復(fù)：回復(fù)后強(qiáng)度和塑性無明顯變化，而回復(fù)后強(qiáng)度和塑性無明顯變化，而內(nèi)應(yīng)力消除內(nèi)應(yīng)力消除，脆性，脆性降低。理化性能降低。理化性能(耐蝕性、導(dǎo)電性耐蝕性、導(dǎo)電性) ) 2、性能變化：、性能變化：對(duì)那些需要保留產(chǎn)品的加工硬化性能，同時(shí)需要消除殘對(duì)那些需要保留產(chǎn)品的加工硬化性能，同時(shí)需要消除殘余內(nèi)應(yīng)力的工件，可以把熱處理加熱溫度選擇在使其內(nèi)余內(nèi)應(yīng)力的工件，可以把熱處理加熱溫度選擇在使其內(nèi)部發(fā)生回復(fù)的溫度，這種熱處理工藝稱為部發(fā)生回復(fù)的溫度，這種熱處理工藝稱為“去應(yīng)力退去應(yīng)力退火火”。 3、實(shí)際應(yīng)用：、實(shí)際應(yīng)用：點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)的遷移冷變形金屬加熱到某一更高的溫度時(shí)，生成新晶粒

12、，冷變形金屬加熱到某一更高的溫度時(shí)，生成新晶粒，而晶格類型不變，這種現(xiàn)象叫而晶格類型不變，這種現(xiàn)象叫 。（二）（二） 再結(jié)晶再結(jié)晶 1、再結(jié)晶：、再結(jié)晶： 形核形核長(zhǎng)大長(zhǎng)大等軸晶粒。當(dāng)加熱溫度繼續(xù)升等軸晶粒。當(dāng)加熱溫度繼續(xù)升高時(shí)，金屬內(nèi)晶格畸變嚴(yán)重部位（有大量的位錯(cuò)塞積）高時(shí)，金屬內(nèi)晶格畸變嚴(yán)重部位（有大量的位錯(cuò)塞積）形核并長(zhǎng)大，晶粒的外形開始發(fā)生變化，從破碎拉長(zhǎng)形核并長(zhǎng)大，晶粒的外形開始發(fā)生變化，從破碎拉長(zhǎng)的晶粒變成新的等軸晶粒。的晶粒變成新的等軸晶粒。 2、再結(jié)晶過程：、再結(jié)晶過程：從拉長(zhǎng)和纖維狀變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒。強(qiáng)度和硬度重新從拉長(zhǎng)和纖維狀變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒。強(qiáng)度和硬度重新下降，塑性和

13、韌性重新提高。下降，塑性和韌性重新提高。加工硬化得以消除加工硬化得以消除。 3、組織和性能變化：、組織和性能變化：再結(jié)晶再結(jié)晶注意：注意：晶粒的晶格類型沒變，再結(jié)晶過程沒有發(fā)生相晶粒的晶格類型沒變，再結(jié)晶過程沒有發(fā)生相 變；沒發(fā)生塑性變形的金屬不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶變；沒發(fā)生塑性變形的金屬不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶。 再結(jié)晶完成后繼續(xù)升高溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶再結(jié)晶完成后繼續(xù)升高溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大 。（三）再結(jié)晶完成后晶粒的長(zhǎng)大（三）再結(jié)晶完成后晶粒的長(zhǎng)大1、晶粒正常長(zhǎng)大：、晶粒正常長(zhǎng)大： 再結(jié)晶后的晶粒均勻、穩(wěn)速地長(zhǎng)大的現(xiàn)象。發(fā)生再結(jié)晶后的晶粒均勻、穩(wěn)速地長(zhǎng)大的現(xiàn)象。發(fā)生在再結(jié)晶晶粒

14、細(xì)小且均勻時(shí)。（希望的長(zhǎng)大方式）在再結(jié)晶晶粒細(xì)小且均勻時(shí)。（希望的長(zhǎng)大方式） 2、晶粒異常長(zhǎng)大：、晶粒異常長(zhǎng)大： 再結(jié)晶后的晶粒不均勻，急劇長(zhǎng)大的現(xiàn)象。在再結(jié)再結(jié)晶后的晶粒不均勻，急劇長(zhǎng)大的現(xiàn)象。在再結(jié)晶晶晶晶粒大小不均時(shí)，大晶粒吞并小晶粒，將得到異常粗粒大小不均時(shí)，大晶粒吞并小晶粒，將得到異常粗大的晶粒，也稱大的晶粒，也稱“二次再結(jié)晶二次再結(jié)晶”。實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)晶界遷移過程晶界遷移過程二次再結(jié)晶對(duì)組織性能的影響：二次再結(jié)晶對(duì)組織性能的影響：織構(gòu)明顯，產(chǎn)生各向異織構(gòu)明顯，產(chǎn)生各向異性；優(yōu)化磁導(dǎo)率；晶粒大小不均，性能不均勻；強(qiáng)度、性；優(yōu)化磁導(dǎo)率；晶粒大小不均，性能不均勻；強(qiáng)度、塑性下降；晶粒粗大，表面

15、粗糙。塑性下降；晶粒粗大，表面粗糙。T T再再不是一個(gè)恒定的溫度，它與許多因素有關(guān)。不是一個(gè)恒定的溫度，它與許多因素有關(guān)。（一）金屬的再結(jié)晶溫度（一）金屬的再結(jié)晶溫度二、影響再結(jié)晶溫度和晶粒大小的因素二、影響再結(jié)晶溫度和晶粒大小的因素1、再結(jié)晶溫度、再結(jié)晶溫度(T再再)：冷變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶冷變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度。的最低溫度。A. 預(yù)先變形度的影響：預(yù)先變形度的影響：金屬的預(yù)先變形程度越大，再金屬的預(yù)先變形程度越大，再結(jié)晶開始溫度越低。變形度很大時(shí)，起始再結(jié)晶溫度趨結(jié)晶開始溫度越低。變形度很大時(shí)，起始再結(jié)晶溫度趨于某一個(gè)恒定值于某一個(gè)恒定值“最低再結(jié)晶溫度最低再結(jié)晶溫度” ”

16、（T再再） 。 2、影響再結(jié)晶溫度的因素：、影響再結(jié)晶溫度的因素： T再再 0.4T熔熔 (K)T T退火退火 晶粒尺寸晶粒尺寸,另外另外加熱時(shí)間長(zhǎng)，也會(huì)使晶粒長(zhǎng)大加熱時(shí)間長(zhǎng)，也會(huì)使晶粒長(zhǎng)大（二）再結(jié)晶退火后的晶粒大小（二）再結(jié)晶退火后的晶粒大小1、退火溫度的影響：、退火溫度的影響：B. 金屬的純度：金屬的純度：微量雜質(zhì)及少量合金元素會(huì)使再結(jié)晶微量雜質(zhì)及少量合金元素會(huì)使再結(jié)晶溫度升高。溫度升高。C. 加熱速度加熱速度快，快，保溫時(shí)間保溫時(shí)間短，會(huì)提高再結(jié)晶溫度。短，會(huì)提高再結(jié)晶溫度。 因此，綜合結(jié)果，在工業(yè)中制定再結(jié)晶退火因此，綜合結(jié)果，在工業(yè)中制定再結(jié)晶退火溫度為：溫度為：T T退火退火T

17、T再再+100+100200200 再結(jié)晶后的晶粒尺寸對(duì)金材的性能影響很大，再結(jié)晶后的晶粒尺寸對(duì)金材的性能影響很大，所以有必要了解影響它的各種影響因素：所以有必要了解影響它的各種影響因素：晶粒大小再結(jié)晶退火溫度 2、變形變形(程程)度的影響度的影響：臨界變形度：臨界變形度： 變形越大，變形越均變形越大，變形越均勻，再結(jié)晶退火后晶粒越勻，再結(jié)晶退火后晶粒越細(xì)。一般選用細(xì)。一般選用30-60%30-60%的變的變形度。形度。晶粒大小 2%-8%臨界變形度臨界變形度要加以避免要加以避免預(yù)先變形度預(yù)先變形度能發(fā)生再結(jié)晶的最小變形量。能發(fā)生再結(jié)晶的最小變形量。通常在通常在28%，此時(shí)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力小，

18、形核率低，再結(jié)晶后的晶粒特別粗大。力小，形核率低，再結(jié)晶后的晶粒特別粗大。當(dāng)當(dāng)%臨臨% % 不發(fā)生再結(jié)晶（動(dòng)力不足）不發(fā)生再結(jié)晶（動(dòng)力不足）當(dāng)當(dāng)%臨臨% % 則發(fā)生再結(jié)晶，且則發(fā)生再結(jié)晶，且%，則，則d d晶晶當(dāng)當(dāng)%大到一定量后，由于織構(gòu)形成，則大到一定量后，由于織構(gòu)形成，則d d晶晶又又制定制定工藝：工藝：選擇合適選擇合適T加加 避免在臨界變形變下變形，避免在臨界變形變下變形，避開避開臨臨%2-3 金屬的熱加工金屬的熱加工一、熱加工與冷加工的區(qū)別一、熱加工與冷加工的區(qū)別 從金屬學(xué)的角度來看：從金屬學(xué)的角度來看：再結(jié)晶溫度以下的加工稱為再結(jié)晶溫度以下的加工稱為 冷加工冷加工；再結(jié)晶溫度以上的加

19、工稱為再結(jié)晶溫度以上的加工稱為 熱加工熱加工。二、熱加工過程中的加工硬化與再結(jié)晶二、熱加工過程中的加工硬化與再結(jié)晶1 1、熱加工引發(fā)加工硬化和再結(jié)晶。由于加熱溫度高熱加工引發(fā)加工硬化和再結(jié)晶。由于加熱溫度高于再結(jié)晶溫度，所以因塑性變形引起的于再結(jié)晶溫度，所以因塑性變形引起的2 2、再結(jié)晶溫度以上變形加工，再結(jié)晶溫度以上變形加工，回復(fù)和再結(jié)晶是邊加回復(fù)和再結(jié)晶是邊加工邊發(fā)生工邊發(fā)生。因此是。因此是屬于動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶屬于動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。實(shí)際。實(shí)際上是加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶相互制約，相互平衡的上是加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶相互制約，相互平衡的過程。過程。 硬化過程和回硬化過程和回復(fù)再結(jié)晶引起

20、的軟化過程幾乎同時(shí)存在復(fù)再結(jié)晶引起的軟化過程幾乎同時(shí)存在。3 3、熱加工溫度低、熱加工溫度低、( (或或) )變形量小、變形量小、( (或或) )變形速率高時(shí)，變形速率高時(shí)，加工硬化占主導(dǎo)。溫度高、加工硬化占主導(dǎo)。溫度高、( (或或) )變形量大、變形量大、( (或或) )變形變形速率低時(shí)，回復(fù)和再結(jié)晶占主導(dǎo)。速率低時(shí)，回復(fù)和再結(jié)晶占主導(dǎo)。純鐵高溫變形的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系示意圖純鐵高溫變形的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系示意圖 650700750800850900真應(yīng)力真應(yīng)變當(dāng)溫度恒定，當(dāng)溫度恒定，改變應(yīng)變速改變應(yīng)變速率時(shí)，提高率時(shí)，提高應(yīng)變速率所應(yīng)變速率所起到的作用起到的作用與降低加工與降低加工溫度的作用溫度的作用相似。相似。 熱加工還可以改變鑄態(tài)金屬中的成分熱加工還可以改變鑄態(tài)金屬中的成分偏析和夾雜物的分布，使原來沿著樹枝晶分布的偏析偏析和夾雜物的分布，使原來沿著樹枝晶分布的偏析元素和夾雜物發(fā)生改變，而使它們沿變形方向線形分元