1、材料科學與工程學院材料科學與工程學院Engineering Materials第五章金屬的塑性變形與再結晶第五章金屬的塑性變形與再結晶兩個方面的問題兩個方面的問題l 塑性變形塑性變形 各種壓力加工，如軋制、鍛造、擠壓、拉拔、沖壓等，均能使金屬發生各種壓力加工，如軋制、鍛造、擠壓、拉拔、沖壓等，均能使金屬發生塑性變形。塑性變形。一般來說，金屬在常溫下發生的塑性變形是冷塑性變形。一般來說，金屬在常溫下發生的塑性變形是冷塑性變形。金屬發生冷塑性變形后，其內部組織、結構和性能均將發生變化，宏觀金屬發生冷塑性變形后，其內部組織、結構和性能均將發生變化，宏觀性能表現為強度和硬度、電阻率升高，塑性和韌性、耐

2、腐蝕性降低。性能表現為強度和硬度、電阻率升高，塑性和韌性、耐腐蝕性降低。l 回復與再結晶回復與再結晶經過冷塑性變形的金屬被重新加熱后，其內部組織、結構和性能又將發經過冷塑性變形的金屬被重新加熱后，其內部組織、結構和性能又將發生變化，宏觀性能表現為強度和硬度降低，塑性和韌性升高。生變化，宏觀性能表現為強度和硬度降低，塑性和韌性升高。未變形未變形滑移滑移 孿生孿生 5.15.1金屬的塑性變形金屬的塑性變形一、單晶體金屬的塑性變形一、單晶體金屬的塑性變形滑移滑移：在切應力作用在切應力作用下，晶體的一部分沿一下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于定的晶面和晶向相對于另一部分發生相對滑動另一部分發生相

3、對滑動位移的現象。位移的現象。孿生孿生：在切應力作用在切應力作用下，晶體的一部分沿一下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于定的晶面和晶向相對于另一部分發生對稱切變另一部分發生對稱切變的現象。的現象。兩種方式：兩種方式：1 1、滑移變形的特點、滑移變形的特點滑移只能在切應力的作用下發生滑移只能在切應力的作用下發生產生滑移所需的最小切應力稱為臨界切應力。產生滑移所需的最小切應力稱為臨界切應力。5.15.1金屬的塑性變形金屬的塑性變形鋅單晶體拉伸試驗示意圖鋅單晶體拉伸試驗示意圖重要現象：重要現象：當外力與滑移所發生的晶當外力與滑移所發生的晶面之間呈面之間呈4545 時，臨界切應力時，臨界切應力最小

4、，即當單晶體在外力作用最小，即當單晶體在外力作用下，呈下，呈4545 角的晶面最容易產角的晶面最容易產生滑移。生滑移。滑移沿原子密度最大的晶面和原子密度最大的晶向發生滑移沿原子密度最大的晶面和原子密度最大的晶向發生滑移面滑移面滑移方向滑移方向滑移系滑移系體心立方晶格（體心立方晶格（bcc)面心立方晶格面心立方晶格(fcc)密排六方晶格密排六方晶格(hcp)1101115.15.1金屬的塑性變形金屬的塑性變形重要結論：重要結論：滑移系越多，則金屬發生滑移的可能性越大，該金屬的塑性也越好。滑移系越多，則金屬發生滑移的可能性越大，該金屬的塑性也越好。滑移的結果會在金屬表面造成臺階。滑移的結果會在金屬

5、表面造成臺階。5.15.1金屬的塑性變形金屬的塑性變形滑移時兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數倍滑移時兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數倍滑移帶和滑移線滑移帶和滑移線滑移的同時伴隨著晶體的轉動滑移的同時伴隨著晶體的轉動單晶體拉伸變形過程單晶體拉伸變形過程a)原試樣；原試樣；b)自由滑移變形；自由滑移變形；c)受夾頭限制時的變形受夾頭限制時的變形5.15.1金屬的塑性變形金屬的塑性變形2 2、滑移的機理、滑移的機理 滑移是通過位錯在滑移面上的運動實現的。滑移是通過位錯在滑移面上的運動實現的。 當位錯線掃過滑移面到達金屬表面時，便產生一個原子間距的滑移量，當位錯線掃過滑移面到達金屬表面時，便產

6、生一個原子間距的滑移量，同一滑移面上若有大量位錯移出，則會在金屬表面形成一條滑移線。同一滑移面上若有大量位錯移出，則會在金屬表面形成一條滑移線。重要結論：重要結論： 位錯運動越困難，則金屬的強度越高；反之則強度越低，塑性越好。位錯運動越困難，則金屬的強度越高；反之則強度越低，塑性越好。5.15.1金屬的塑性變形金屬的塑性變形晶體通過位錯運動而造成滑移晶體通過位錯運動而造成滑移 位錯運動位錯運動.swf 位錯位錯3D運動運動.swf5.15.1金屬的塑性變形金屬的塑性變形二、多晶體金屬的塑性變形二、多晶體金屬的塑性變形多晶體金屬發生塑性變形的方式仍然是滑移或孿生。多晶體金屬發生塑性變形的方式仍然

7、是滑移或孿生。（一）晶界和晶粒位向對多晶體塑性變形的影響（一）晶界和晶粒位向對多晶體塑性變形的影響晶界的存在和每個晶粒間存在的位向差將導致強度和硬度提高。晶界的存在和每個晶粒間存在的位向差將導致強度和硬度提高。 （原子紊亂）（易變形位向不同）（原子紊亂）（易變形位向不同）位錯的塞積位錯的塞積5.15.1金屬的塑性變形金屬的塑性變形（二）晶粒大小對多晶體金屬力學性能的影響（二）晶粒大小對多晶體金屬力學性能的影響1 1、對硬度和強度的影響、對硬度和強度的影響晶粒越小，則晶界越多，金屬的強度和硬度越高；晶粒越小，則晶粒晶粒越小，則晶界越多，金屬的強度和硬度越高；晶粒越小，則晶粒越多，位向差越顯著，每

8、個晶粒變形時受到的約束也越大，金屬的強度和越多，位向差越顯著，每個晶粒變形時受到的約束也越大，金屬的強度和硬度越高。硬度越高。因此，多晶體金屬的晶粒越細小，則強度和硬度越高。因此，多晶體金屬的晶粒越細小，則強度和硬度越高。2 2、對塑性和韌性的影響、對塑性和韌性的影響晶粒越小，則晶粒越多，同時參與變形的晶粒也越多，變形越均勻，晶粒越小，則晶粒越多，同時參與變形的晶粒也越多，變形越均勻，不易造成局部應力集中，可推遲裂紋的形成和擴展，使金屬能夠發生很大不易造成局部應力集中，可推遲裂紋的形成和擴展，使金屬能夠發生很大的塑性變形而不斷裂。同時，要使金屬斷裂則需要更大的能量。的塑性變形而不斷裂。同時，要

9、使金屬斷裂則需要更大的能量。因此，多晶體金屬的晶粒越細小，則塑性和韌性越好。因此，多晶體金屬的晶粒越細小，則塑性和韌性越好。 細晶強化：細晶強化：通過細化多晶體金屬的晶粒，以同時提高金屬的強度和硬度、塑性和通過細化多晶體金屬的晶粒，以同時提高金屬的強度和硬度、塑性和韌性的方法。韌性的方法。5.15.1金屬的塑性變形金屬的塑性變形三、合金的塑性變形三、合金的塑性變形（一）單相固溶體合金的塑性變形（一）單相固溶體合金的塑性變形固溶體中存在溶質原子，造成晶格畸變，從而對位錯的運動有阻礙固溶體中存在溶質原子，造成晶格畸變，從而對位錯的運動有阻礙作用，使合金的強度和硬度升高。作用，使合金的強度和硬度升高

10、。溶質原子在位錯線上的偏聚，會對位錯起溶質原子在位錯線上的偏聚，會對位錯起“釘扎釘扎”作用，使位錯運作用，使位錯運動困難，也使合金的強度和硬度升高。動困難，也使合金的強度和硬度升高。 固溶強化：固溶強化：通過在金屬中溶入某種溶質元素，從而形成固溶體而使合金的強度通過在金屬中溶入某種溶質元素，從而形成固溶體而使合金的強度和硬度提高的方法。和硬度提高的方法。5.15.1金屬的塑性變形金屬的塑性變形（二）多相合金的塑性變形（二）多相合金的塑性變形多相合金的組織中通常有兩類不同的相，一是連續分布的基體相，多相合金的組織中通常有兩類不同的相，一是連續分布的基體相，二是以一定的形狀和數量分布在基體相中的分

11、散相（又稱為第二相）。二是以一定的形狀和數量分布在基體相中的分散相（又稱為第二相）。分散相的性質、形狀、大小、數量及分布對多相合金的塑性變形和分散相的性質、形狀、大小、數量及分布對多相合金的塑性變形和力學性能有很大的影響。力學性能有很大的影響。1 1、第二相以網狀分布在晶界上、第二相以網狀分布在晶界上降低強度和韌性。降低強度和韌性。如過共析鋼平衡組織中的如過共析鋼平衡組織中的FeFe3 3C C。2 2、第二相以片狀分布在基體相中、第二相以片狀分布在基體相中提高強度和硬度，降低塑性和韌性。提高強度和硬度，降低塑性和韌性。如共析鋼平衡組織中的如共析鋼平衡組織中的FeFe3 3C C。3 3、第二

12、相以顆粒狀分布在基體相中、第二相以顆粒狀分布在基體相中顯著提高強度和硬度，略降低塑性和韌性。顯著提高強度和硬度，略降低塑性和韌性。如粒狀珠光體中的如粒狀珠光體中的FeFe3 3C C。 彌散強化：彌散強化：第二相以細小的顆粒形狀，均勻彌散地分布在基體相中，以第二相以細小的顆粒形狀，均勻彌散地分布在基體相中，以顯著提顯著提高合金強度和硬度的高合金強度和硬度的方法。又稱為分散強化、第二相強化、沉淀強化。方法。又稱為分散強化、第二相強化、沉淀強化。 黃銅中圍繞著黃銅中圍繞著Al2O3顆粒的位錯環顆粒的位錯環 AlAl2 2O O3 3位錯環位錯環位錯線位錯線5.15.1金屬的塑性變形金屬的塑性變形位

13、錯線切過留下的痕跡位錯線切過留下的痕跡NiNi3 3AlAl粒子粒子在在NiCrAl合金中位錯切過合金中位錯切過Ni3Al粒子粒子一、塑性變形對金屬組織影響一、塑性變形對金屬組織影響 1 1、晶粒形狀發生變化、晶粒形狀發生變化等軸狀等軸狀晶粒伸長晶粒伸長纖維狀纖維狀 2 2、晶粒破碎成亞晶粒、晶粒破碎成亞晶粒 隨著變形量的增加，位錯密度不斷升高，晶粒內形成許多亞晶粒。隨著變形量的增加，位錯密度不斷升高，晶粒內形成許多亞晶粒。3 3、產生形變織構、產生形變織構 由于塑性變形使晶粒具有擇優取向的組織，稱為形變織構。由于塑性變形使晶粒具有擇優取向的組織，稱為形變織構。5.25.2塑性變形對金屬組織和

14、性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響 晶粒拉長晶粒拉長.swf 性能各向異性性能各向異性5.25.2塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響深沖件的制耳深沖件的制耳5.25.2塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響二、塑性變形對金屬性能的影響二、塑性變形對金屬性能的影響 1 1、產生加工硬化、產生加工硬化 加工硬化（形變強化）：加工硬化（形變強化）： 隨著變形量的增加，金屬強度和硬度升高，塑性和韌性下降的現象。隨著變形量的增加，金屬強度和硬度升高，塑性和韌性下降的現象。殘余內應力的危害：殘余內應力的危害：引起壓力加工、熱處理引起壓力加工、熱處理過程

15、中零件的變形和開裂。過程中零件的變形和開裂。降低金屬的強度（第一、降低金屬的強度（第一、二類內應力）。二類內應力）。降低金屬的耐腐蝕性。降低金屬的耐腐蝕性。殘余內應力的消除：殘余內應力的消除：去應力退火或低溫回火。去應力退火或低溫回火。5.25.2塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響2 2、產生殘余內應力、產生殘余內應力宏觀內應力（第一類內應力）：宏觀內應力（第一類內應力）：平衡于金平衡于金屬表層與心部之間的內應力。屬表層與心部之間的內應力。 產生原因：產生原因：表層與心部變形不一致。表層與心部變形不一致。微觀內應力（第二類內應力）：微觀內應力（第二類內應力）：平衡于晶

16、平衡于晶粒之間或晶粒內部的內應力。粒之間或晶粒內部的內應力。 產生原因：產生原因：晶粒之間的變形不均勻。晶粒之間的變形不均勻。點陣畸變（第三類內應力）：點陣畸變（第三類內應力）：存在于晶體存在于晶體缺陷中的內應力。缺陷中的內應力。( (占占90%90%以上以上) ) 產生原因：產生原因：晶體缺陷增加引起畸變增大。晶體缺陷增加引起畸變增大。5.35.3回復與再結晶回復與再結晶冷變形金屬在不同加熱溫度時冷變形金屬在不同加熱溫度時組織和性能的變化組織和性能的變化三、變形金屬在加熱過程中組織和性能的變化：回三、變形金屬在加熱過程中組織和性能的變化：回復復+ +再結晶再結晶（一）回復（一）回復 冷變形金

17、屬在較低溫度加熱時，在光學顯微組織發生改變前所產生的冷變形金屬在較低溫度加熱時，在光學顯微組織發生改變前所產生的某些亞結構和性能的變化過程稱為回復。某些亞結構和性能的變化過程稱為回復。 1 1、組織、結構方面、組織、結構方面顯微組織沒有明顯變化。顯微組織沒有明顯變化。亞結構發生一定的變化，表現為晶體缺陷數量有所減少。亞結構發生一定的變化，表現為晶體缺陷數量有所減少。空位與間隙原子的合并、同一滑移面上的異號位錯相互抵消。空位與間隙原子的合并、同一滑移面上的異號位錯相互抵消。2 2、性能方面、性能方面力學性能沒有明顯變化。力學性能沒有明顯變化。強度和硬度略有下降，塑性和韌性略有升高。強度和硬度略有

18、下降，塑性和韌性略有升高。內應力和電阻率明顯降低。內應力和電阻率明顯降低。3 3、工業應用、工業應用去應力退火去應力退火將已經加工硬化的金屬在較低的溫度下加熱，使其內應力基本消除，將已經加工硬化的金屬在較低的溫度下加熱，使其內應力基本消除，同時保持加工硬化的工藝方法。同時保持加工硬化的工藝方法。 舉例：舉例：冷卷彈簧制品，在成型后進行一次冷卷彈簧制品，在成型后進行一次250250300300 C C的低溫加熱，充的低溫加熱，充分消除殘余內應力，穩定尺寸，改善性能。分消除殘余內應力，穩定尺寸，改善性能。5.35.3回復與再結晶回復與再結晶（二）再結晶（二）再結晶 冷變形金屬在加熱到一定溫度后，在

19、已變形組織中重新產生無畸變的新冷變形金屬在加熱到一定溫度后，在已變形組織中重新產生無畸變的新晶粒，性能發生明顯的變化，并恢復到完全軟化狀態的過程稱為再結晶。晶粒，性能發生明顯的變化，并恢復到完全軟化狀態的過程稱為再結晶。1 1、組織、結構方面、組織、結構方面變形的晶粒完全恢復為等軸狀晶粒。變形的晶粒完全恢復為等軸狀晶粒。晶體缺陷數量明顯減少。晶體缺陷數量明顯減少。2 2、性能方面、性能方面強度和硬度顯著下降，塑性和韌性顯著升高。強度和硬度顯著下降，塑性和韌性顯著升高。冷變形時的加工硬化現象完全消失。冷變形時的加工硬化現象完全消失。內應力也基本被消除。內應力也基本被消除。 3 3、工業應用、工業

20、應用再結晶退火再結晶退火將已經加工硬化的金屬加熱到再結晶溫度以上，使其發生再結晶，以消將已經加工硬化的金屬加熱到再結晶溫度以上，使其發生再結晶，以消除加工理化的工藝方法。除加工理化的工藝方法。 舉例：舉例：冷拉鋼絲時，每拉拔一次，中間均進行再結晶退火，消除加工硬冷拉鋼絲時，每拉拔一次，中間均進行再結晶退火，消除加工硬化，以便于下一次拉拔。化，以便于下一次拉拔。5.35.3回復與再結晶回復與再結晶4 4、再結晶的驅動力、再結晶的驅動力再結晶的驅動力來自冷變形所產生的儲存能。再結晶的驅動力來自冷變形所產生的儲存能。再結晶過程也是一個形核和長大的過程。在溫度作用下，再結晶的核再結晶過程也是一個形核和

21、長大的過程。在溫度作用下，再結晶的核心（晶核）在變形造成的最大畸變處形成，隨后進一步長大，最終全面替心（晶核）在變形造成的最大畸變處形成，隨后進一步長大，最終全面替換畸變的晶粒，金屬組織重新恢復成無畸變的等軸晶。換畸變的晶粒，金屬組織重新恢復成無畸變的等軸晶。5 5、再結晶溫度、再結晶溫度冷變形金屬發生再結晶的最低溫度。冷變形金屬發生再結晶的最低溫度。再結晶不是一個恒溫過程，沒有恒定的轉變溫度。因此，再結晶溫度再結晶不是一個恒溫過程，沒有恒定的轉變溫度。因此，再結晶溫度的意義是開始發生再結晶的溫度，即在畸變的晶粒中產生無畸變等軸晶粒的意義是開始發生再結晶的溫度，即在畸變的晶粒中產生無畸變等軸晶

22、粒的最低溫度。的最低溫度。6 6、再結晶與重結晶（相變）的區別、再結晶與重結晶（相變）的區別本質區別在于是否發生晶體結構和化學成分的變化。本質區別在于是否發生晶體結構和化學成分的變化。再結晶過程沒有，重結晶（相變）過程有。再結晶過程沒有，重結晶（相變）過程有。5.35.3回復與再結晶回復與再結晶 純金屬的再結晶溫度：純金屬的再結晶溫度：T T再再0.40.4T Tm m， 單位為單位為K K（三）晶粒長大（三）晶粒長大 冷變形金屬在再結晶結束后，繼續升高溫度或保溫，晶粒就會不斷長大，冷變形金屬在再結晶結束后，繼續升高溫度或保溫，晶粒就會不斷長大，這一過程即稱為晶粒長大。這一過程即稱為晶粒長大。

23、晶粒長大的類型晶粒長大的類型正常長大正常長大隨溫度升高或保溫時間延長，晶粒均勻連續地長大。隨溫度升高或保溫時間延長，晶粒均勻連續地長大。反常長大（二次反常長大（二次再結晶）再結晶）晶粒不均勻不連續地迅速長大。晶粒不均勻不連續地迅速長大。四、影響再結晶后晶粒度的因素四、影響再結晶后晶粒度的因素1 1、加熱溫度和保溫時間、加熱溫度和保溫時間加熱溫度越高、保溫時間越長，晶粒越粗大。加熱溫度越高、保溫時間越長，晶粒越粗大。其中溫度的影響尤其顯著。其中溫度的影響尤其顯著。2 2、變形程度、變形程度變形量較小變形量較小不發生再結晶，晶粒保持原狀、大小。不發生再結晶，晶粒保持原狀、大小。變形量達到變形量達到

24、2 210%10%再結晶后的晶粒異常粗大。再結晶后的晶粒異常粗大。2 210%10%的變形量稱為臨界變形度。的變形量稱為臨界變形度。變形量超過臨界變形度變形量超過臨界變形度隨變形程度的增加，晶粒細小而均勻。隨變形程度的增加，晶粒細小而均勻。5.35.3回復與再結晶回復與再結晶5.35.3回復與再結晶回復與再結晶加熱溫度對晶粒度的影響加熱溫度對晶粒度的影響5.35.3回復與再結晶回復與再結晶預先變形程度對晶粒度的影響預先變形程度對晶粒度的影響一、熱加工與冷加工一、熱加工與冷加工熱加工：熱加工：指在再結晶溫度以上的加工過程。指在再結晶溫度以上的加工過程。 冷加工：冷加工：指在再結晶溫度以下的加工過

25、程。指在再結晶溫度以下的加工過程。二、動態回復和動態再結晶二、動態回復和動態再結晶金屬在熱加工時，溫度在金屬在熱加工時，溫度在T再再之上，因此金屬內部同時進行著加工硬化之上，因此金屬內部同時進行著加工硬化與回復再結晶軟化兩個相反的過程，即回復和再結晶是邊加工邊發生的，與回復再結晶軟化兩個相反的過程，即回復和再結晶是邊加工邊發生的，此即動態回復和動態再結晶。此即動態回復和動態再結晶。三、熱加工對金屬組織和性能的影響三、熱加工對金屬組織和性能的影響1 1、改善鑄錠組織、改善鑄錠組織l 使氣孔和裂紋焊合，增大材料的致密性。使氣孔和裂紋焊合，增大材料的致密性。l 改善夾雜物與脆性相的形態、大小和分布。改善夾雜物與脆性相的形態、大小和分布。l 部分消除枝晶偏析。部分消除枝晶偏析。l 破碎粗大晶粒而使晶粒細化。破碎粗大晶粒而使晶粒細化。5.45.4金屬的熱加工金屬的熱加工思考：思考：純鉛：純鉛：Tm=327 純鎢：純鎢：Tm=3407 2 2、產生熱加工流線、產生熱加工流線組織中的夾雜物及偏析沿變形方向伸長，在宏觀上變成一條條細線，組織中的夾雜物及偏析沿變形方向伸長，在宏觀上變成一條條細線，即流線。即流線。由一條條流線溝劃出來的組織稱為纖維組織。由一條條流線溝劃出來的組織稱為纖維組織。出現纖維組織，會使金屬產生各向異性。順纖維方向具有較高的力學出現纖維組織，會使金屬產生各向異性。順