1、課程名稱：工程材料 第 周，第 講次摘 要授課題目（章、節）第三章 金屬的塑性變形與再結晶 第一節 金屬的塑性變形第二節 塑性變形對金屬組織和性能的影響第三節 變形組織在加熱時的組織和性能變化第四節 金屬的熱加工第五節 超塑性本講目的要求及重點難點：【目的要求】1.了解金屬的塑性變形過程；2.掌握加工硬化現象；3.熟悉冷變形金屬在加熱過程中組織與性能的變化；4.掌握冷加工與熱加工的區別?！局?點】1. 金屬塑性變形本質；2. 冷塑性變形對金屬材料的組織和性能的影響；3. 經冷變形的金屬，在加熱時的組織和性能的變化；4.冷加工與熱加工的區別；【難 點】加工硬化產生的原因及在生產中的利弊，回復和再

2、結晶現象，細晶粒鋼強度高、塑性好的原因。內 容【本講課程的引入】在工業生產中，許多金屬零件都要經過壓力加工，如鍛造、軋制、拉絲、擠壓、沖壓和切削成形，壓力加工的一個基本特點就是金屬或合金在外力作用下，都能或多或少地發生變形，去除外力后，永遠殘留的那部分變形叫塑性變形。生產中常利用塑性變形對金屬材料進行壓力加工；了解金屬的塑性變形過程中組織和性能的變化規律，不僅對改進金屬材料的加工工藝，而且對發揮材料的性能潛力，提高產品質量都具有重要意義。金屬的塑性變形可分為冷塑性變形和熱塑性變形兩大章，在這章里我們主要講金屬的冷塑性變形?！颈菊n程的內容】第一節 金屬的塑性變形大家都知道實際金屬材料都為多晶體，

3、為了解多晶體金屬材料的塑性變形過程，不防先看一下單晶體是怎樣發生塑性變形的。一、單晶體的滑移變形金屬單晶體的塑性變形有“滑移”與“孿生”等不同方式，但一般大多數情況下都是以滑移方式進行的。下面我們具體看一下單晶體塑性變形的基本方式滑移。1.滑移的表象發生了滑移的金屬試樣從表面上看是什么樣？圖3-1 滑移如果將一個單晶體金屬試樣表面拋光后，經過伸長變形，再在光學顯微鏡下觀察，可以看到試樣表面出現許多條紋，這些條紋就是晶體在切應力的作用下，一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）滑移產生的臺階，這些條紋稱為“滑移線”，在更高倍的電子顯微鏡下觀察，一個滑移臺階實際上是一束

4、滑移線群的集合體，稱為“滑移帶”。同時還能看到滑移帶在晶體上的分布是不均勻的,如圖3-1所示。所以說，單晶體變形時，滑移只在晶體內有限的晶面上進行，是不均勻的。因此單晶體金屬的塑性變形在表面上看出現了一系列的滑移帶，其塑性變形就是眾多大小不同的滑移帶的綜合效果在宏觀上的體現。2.滑移的機理前面分析已經知道，晶體的塑性變形是晶體內相鄰部分滑移的綜合表現。但晶體內相鄰兩部分之間的相對滑移，不是滑移面兩側晶體之間的整體剛性滑動，而是由于晶體內存在位錯，因位錯線兩側的原子偏離了平衡位置，這些原子有力求達到平衡的趨勢。當晶體受外力作用時，位錯（刃型位錯）將垂直于受力方向，沿著一定的晶面和一定的晶向一格一

5、格地逐步移動到晶體的表面，形成一個原子間距的滑移量，如圖3-2所示。一個滑移帶就是上百個或更多位錯移動到晶體表面所形成的臺階。圖3-2 滑移機理示意圖3.晶體的滑移面、滑移方向及滑移系前面的分析知道，晶體上的滑移帶分布是不均勻的，即塑性變形時，位錯只沿一定的晶面和一定的晶向移動，（并不是沿所有的晶面和晶向都能移動的），這些一定的晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向，并且這些晶面和晶向都是晶體中的密排面和密排方向，因為密排面之間和密排方向之間的原子間距最大，其原子之間的結合力最弱，所以在外力作用下最易引起相對的滑動。不同金屬的晶體結構不同，其滑移面和滑移方向的數目和位向不同，一個滑移面和在這個滑移

6、面上的一個滑移方向組成一個“滑移系”，所以不同晶體結構的金屬，其滑移系的數目不同，如體心立方12個，面心立方12個，密排六方12，且滑移系的數目越多則金屬的塑性愈好，反之滑移系數愈少，塑性不好，且相同滑移系數目相同時，滑移方向數越多，越易滑移，塑性越好。每種晶體中都有不止一個的滑移系，受力以后哪個滑移系先滑動呢？研究表明，只有與外力接近45°取向的滑移系，才具有較大的切應力，這樣的滑移系在外力作用下易于優先產生滑移，通常把這種處于有利的滑移位向稱為“軟取向”，反之，遠離45°的滑移系稱為“硬取向”。4.晶體在滑移過程中的轉動單晶體試樣在拉伸實驗時（如圖3-3），除了沿滑移面

7、產生滑移外，晶體還會產生轉動。因為晶體在拉伸過程，當滑移面上、下兩部分發生微小滑移時，試樣兩端的拉力不再處于同一直線上，于是在滑移面上形成一力偶，使滑移面產生以外力方向為轉向，趨向于與外力平行的轉動。 可見在滑移過程中，由于晶體的轉動，晶體的位向會發生變化，原來處于軟取向滑移系，逐漸轉向硬取向，使滑移困難，這種現象“取向硬化”，相反，原來的硬向的滑移系，將逐步趨于軟位向，易于滑移，稱為“取向軟化”。可見在滑移過程中“取向軟化”和“取向硬化”是同時進行的。二、多晶體金屬的塑性變形工程上使用的金屬材料大多為位向、形狀、大小不同的晶粒組成的多晶體，因此多晶體的變形是許多單晶體變形的綜合作用的結果。多

8、晶體內單晶體的變形仍是以滑移和孿生兩種方式進行的，但由于位向不同的晶粒是通過晶界結合在一起的，晶粒的位向和晶界對變形有很大的影響，所以多晶體塑性變形較單晶體復雜。多晶體金屬的塑性變形與單晶體比較，并無本質的差別，即每個晶粒的塑性變形仍以滑移等方式進行。但由于晶界的存在和每個晶粒中晶格位向不同，故在多晶體中的塑性變形比單晶體復雜得多。1.晶界和晶粒位向的影響圖3-4 拉伸試樣變形示意圖有人利用僅由兩個晶粒構成的試樣來進行拉伸試驗，經過變形后會出現明顯的所謂“竹節”現象（如圖3-4），即試樣在遠離夾頭和晶界的晶粒中部會出現明顯的縮頸，而在晶界附近則難以變形。該明晶界附近變形抗力大。原因在于晶界附近

9、為兩晶粒晶格位向的過渡之處，晶格排列紊亂，加之該處的雜質原子也往往較多，也增大其晶格畸變，因而使該處在滑移時位錯運動的阻力較大，難以發生變形。此外，不僅晶界的存在會增大滑移抗力，而且因多晶體中各晶粒晶格位向的不同，也會增大其滑移抗力，因為其中任一晶粒的滑移都必然會受到它周圍不同晶格位向晶粒的約束和障礙，各晶粒必須相互協調，相互適應，才能發生變形。因此多晶體金屬的變形抗力總是高于單晶體。可見，金屬的塑性變形抗力，不僅與其原子間的結合力有關，而且還與金屬的晶粒度有關，即金屬的晶粒愈細，金屬的強度便愈高。因為金屬的晶粒愈細，其晶界總面積愈大，每個晶粒周圍不同取向的晶粒數便愈多，對塑性變形的抗力也愈大

10、。此外，金屬的晶粒愈細不僅強度愈高，而且塑性與韌性也較高，因為晶粒愈細，金屬單位體積中的晶粒數便越多，變形時同樣的變形量使可分散在更多的晶粒中發生，產生較均勻的變形，而不致造成局部的應力集中，引起裂紋的過早產生和發展，因此，在工業上通過壓力加工和熱處理使金屬獲得細而均勻的晶粒，是目前提高金屬材料性能的有效途徑之一。2.多晶體金屬的變形過程多晶體金屬在外力的作用下，處于軟取向的晶粒優先產生滑移變形，處于硬取向的相鄰晶粒尚不能滑移變形，只能以彈性變形相平衡。由于晶界附近點陣畸變和相鄰晶粒位向的差異，使變形晶粒中位錯移動難以穿過晶界傳到相鄰晶粒，致使位錯在晶界處塞積。只有進一步增大外力變形才能繼續進

11、行。隨著變形加大，晶界處塞積的位錯數目不斷增多，應力集中也逐漸提高。當應力集中達到一定程度后，相鄰晶粒中的位錯源開始滑移，變形就從一批晶粒擴展到另一批晶粒。同時，一批晶粒在變形過程中逐步由軟取向轉動到硬取向，其變形愈來愈困難，另一批晶粒又從硬取向轉動到軟取向，參加滑移變形。所以，多晶體的塑性變形，是在各晶?；ハ嘤绊?，互相制約的條件下，從少量晶粒開始，分批進行，逐步擴大到其它晶粒，從不均勻的變形逐步發展到均勻的變形。第二節 塑性變形對金屬組織和性能的影響經過塑性變形，可使金屬的組織和性能發生一系列重大的變化，這些變化大致可以分為如下四個方面。1.晶粒沿變形方向拉長，性能趨于各向異性經過塑性變形，

12、隨著金屬外形的變化，其內部的晶粒形狀也會發生相應的變化，即隨著金屬外形的壓扁或拉長，其內部晶粒的形狀也會被壓扁或拉長，一般大致與金屬外形的改變成比例，當變形量很大時，各晶粒將會被拉長成為細條狀或纖維狀，晶界變得模糊不清，此時，金屬的性能將會具有明顯的方向性，如縱向的強度和塑性遠大于橫向等，這種組織通常叫做“纖維組織”。2.晶粒破碎，位錯密度增加，產生加工硬化隨著變形的增加，晶粒逐漸被拉長，直至破碎，這樣使各晶粒都破碎成細碎的亞晶粒，變形愈大，晶粒破碎的程度愈大，亞晶界的量便愈多，亞晶界又是由刃型位錯組成的位錯墻，這樣使位錯密度顯著增加；同時細碎的亞晶粒也隨著晶粒的拉長而被拉長。因此，隨著變形量

13、的增加，由于晶粒破碎和位錯密度的增加，金屬的塑性變形抗力將迅速增大，即強度和硬度顯著提高，而塑性和韌性下降產生所謂“加工硬化”現象。如圖3-5。 圖3-5 含碳0.3%的鋼冷加工后機械性能的變化 圖3-6 沖壓示意圖金屬的加工硬化現象會給金屬的進一步加工帶來困難，如鋼板在冷軋過程中會越軋越硬，以致最后軋不動。另一方面人們可以利用加工硬化現象，來提高金屬強度和硬度，如冷拔高強度鋼絲就是利用冷加工變形產生的加工硬化來提高鋼絲的強度的。3.織構現象的產生隨著變形的發生，不僅金屬中的晶粒會被破碎拉長，而且各晶粒的晶格位向也會沿著變形的方向同時發生轉動，轉動結果金屬中每個晶粒的晶格位向趨于大體一致，即出

14、現了所謂“織構現象”。由于織構現象的出現會使金屬的性能發生怎樣的變化呢？單晶體金屬：晶格取向一致，各個晶面和晶向上的原子排列不盡相同，使得沿各不同排列的晶面和晶向上的晶體性能不同，具有“各向異性”的特點。多晶體金屬：由許多不同取向的小晶體（晶粒）組成，雖然每個晶粒具有“各向異性”的特點，但在整個多晶體的性能就是不同取向的晶粒性能的綜合表現，不具備“各向異性”的特點，各個方向上性能相同。由于織構現象的產生，使多晶體金屬出現了晶格取向趨于大體一致的現象，導致出現各向異性的特點，這在大多數情況下都是不利的，而且變形織構甚至在退火時也難以消除。4.殘余內應力在冷壓力加工過程中由于材料各部分的變形不均勻

15、或晶粒內各部分和各晶粒間的變形不均勻，金屬內部會形成殘余的內應力，這在一般情況下都是不利的，會引起零件尺寸不穩定，如冷軋鋼板在軋制中就經常會因變形不均勻所殘留的內應力使鋼板發生翹曲等等。此外，殘余內應力還會使金屬的耐腐蝕性能降低，所以金屬在塑性變形之后，通常都要進行退火處理，以消除殘余內應力。第三節 變形金屬在加熱時的組織和性能變化在變形金屬中，由于晶粒破碎拉長及位錯等晶格缺陷大量增加，內部的組織和結構發生很大變化，使金屬很難進一步加工，而且使其內能升高，處于不穩定的狀態，故一旦對其進行加熱造成一定的原子活動能力的條件，就必然會發生一系列的組織和性能的變化。通常將冷變形金屬在加熱時組織和性能的

16、變化分為三個階段一、回復階段即在加熱溫度較低時，原子的活動能力不大，這時金屬的晶粒大小和形狀沒有明顯的變化，只是在晶內發生點缺陷的消失以及位錯的遷移等變化，因此，這時金屬的強度、硬度和塑性等機械性能變化不大，而只是使內應力及電阻率等性能顯著降低。因此對冷變形金屬進行的這種低溫加熱退火只能用在保留加工硬化而降低內應力改善其它的物理性能的場合。比如冷拔高強度鋼絲，利用加工硬化現象產生的高強度，此外，由于殘余內應力對其使用有不利的影響，所以采用低溫退火以消除殘余應力。二、再結晶1.變形金屬的再結晶通過回復，雖然金屬中的點缺陷大為減少，晶格畸變有所降低，但整個變形金屬的晶粒破碎拉長的狀態仍未改變，組織

17、仍處于不穩定的狀態。當它被加熱到較高的溫度時，原子也具有較大的活動能力，使晶粒的外形開始變化。從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒。和變形前的晶粒形狀相似，晶格類型相同，把這一階段稱為“再結晶”。再結晶過程同樣是通過形核和長大兩個過程進行的，首先在變形晶粒的晶界處或變形最強烈的晶粒中的滑移帶上形成晶核，然后通過晶核逐漸長大，變形晶粒消失，再結晶過程結束。再結晶過程中，隨著溫度升高，金屬的顯微組織不斷變化，因而其性能也發生相應變化，硬度降低，塑性、韌性升高。再結晶結束后，金屬中內應力全部消除，顯微組織恢復到變形前的狀態，其所有性能也恢復到變形前的數值，消除了加工硬化。所以再結晶退火主要用于金屬在變形

18、之后或在變形的過程中，使其硬度降低，塑性長高，便于進一步加工。2.再結晶溫度再結晶溫度通常是指經大變形度（70-80%）的變形后，在規定時間內完成再結晶的最低溫度。純金屬的最低再結晶溫度與熔點有一定關系：式中分別為金屬的再結晶溫度和熔點的絕對溫度。因此，熔點的溫度越高，再結晶溫度也越高。3.影響再結晶粒大小的因素影響因素重要有：變形度、加熱溫度和時間、成分、雜質、原始的晶粒度等。這里重點討論加熱溫度和變形度的影響。1）變形度影響當變形量很小時，由于晶格畸變很小，不足以引起再結晶，故加熱時無再結晶現象，晶粒度仍保持原來的大小，當變形度達到某一臨界值時，由于此時金屬中只有部分晶粒變形，變形極不均勻

19、，再結晶晶核少，且晶粒極易相互吞并長大，因而再結晶后晶粒粗大，這變形度即為臨界變形度，當變形度大于臨界變形度時，隨變形量的增加，越來越多的晶粒發生了變形，變形愈趨均勻，晶格畸變大，再結晶的晶核多，再結晶后晶粒愈來愈細，可見冷壓加工應注意避免在臨界變形度范圍內加工，以免再結晶后產生粗晶粒。如圖3-8冷加工變形度對再結晶后晶粒大小的影響(純鋁片拉伸)。圖3-7 變形度對晶粒大小的影響3%6%9%12%15%圖3-8 冷加工變形度對再結晶后晶粒大小的影響(純鋁片拉伸)2）再結晶溫度的影響再結晶是在一個溫度范圍內進行的，若溫度過低不能發生再結晶；若溫度過高，則會發生晶粒長大，因此要獲得細小的再結晶晶粒

20、，必須在一個合適的溫度范圍內進行加熱。再結晶退火溫度必須在以上，生產上實際使用的再結晶溫度通常是比高150-250，這樣就既可保證完全再結晶，又不致使晶粒粗化。如圖3-9所示的工業純鐵在不同再結晶溫度的顯微組織比較能夠進一步的得到再結晶溫度對組織的影響。工業純鐵60%變形450退火工業純鐵60%變形500退火工業純鐵60%變形600退火工業純鐵60%變形800退火工業純鐵60%變形700退火圖3-9 工業純鐵60%變形時不同再結晶溫度的組織三、晶粒長大再結晶結束后，若在繼續升高溫度或延長加熱時間，便會出現大晶粒吞并小晶粒的現象，即晶粒長大，晶粒長大對材料的機械性能極不利，強度、塑性、韌性下降。

21、且塑性與韌性下降的更明顯。為了保證變形金屬的再結晶退火質量，獲得細晶粒，有必要了解影響再結晶晶粒大小的因素。圖3-10綜合了回復、再結晶和晶粒長大三個階段組織與性能之間的關系。性能變化組織變化內應力塑性強度回復再結晶晶粒長大晶粒尺寸加熱溫度變形程度圖3-10 變形金屬加熱時組織和性能變化示意圖第四節 金屬的熱加工熱加工：將金屬加熱到再結晶強度以上一定溫度進行壓力加工。在熱加工中將同時發生加工硬化和再結晶軟化兩個過程。再結晶溫度是熱加工與冷加工的分界線，高于再結晶溫度的壓力加工是熱加工，低于再結晶溫度的壓力加工是冷加工。比如：鋼的再結晶溫度一般是600700，在500對鋼進行壓力加工為冷加工，而

22、鉛和錫的再結晶溫度在0以下，所以在室溫的壓力加工便是熱壓力加工。熱加工也會使鋼的組織和性能發生很大的變化：（1）通過熱加工，可使鑄態金屬中的氣孔焊合，從而使其致密度得以提高。（2）通過熱加工，可使鑄態金屬中的枝晶和柱狀晶破碎，從而使晶粒細化，機械性能提高。（3）通過熱加工，可使鑄態金屬中的枝晶偏析和非金屬夾雜分布發生改變，使它們沿著變形的方向細碎拉長，形成熱壓力加工“纖維組織”（流線），使縱向的強度、塑性和韌性顯著大于橫向。且如果合理利用熱加工流線，盡量使流線與零件工作時承受的最大拉應力方向一致，而與外加切應力或沖擊力相垂直，可提高零件使用壽命。可見通過熱加工可使鑄態金屬的組織和性能得到一系列

23、重大的改善，如圖3-11所示。因此工業上凡受力復雜，負荷較大的重要工件大多數要經過熱加工的方式來制造。但是也一定要注意熱加工的工藝，工藝不當會帶來不利的影響，如加工的溫度過高，晶粒粗大，若溫度過低，引起加工硬化殘余內應力等，還會形成帶狀組織使性能變壞。圖3-11 鍛件剖面的流線分布示意圖第五節 超塑性超塑性合金是指那些具有超塑性的金屬材料。超塑性是一種奇特的現象。具有超塑性的合金能像飴糖一樣伸長10倍、20倍甚至上百倍，既不出現縮頸，也不會斷裂。金屬的超塑性現象，是英國物理學家森金斯在1982年發現的，他給這種現象做如下定義：凡金屬在適當的溫度下（大約相當于金屬熔點溫度的一半）變得像軟糖一樣柔

24、軟，而應變速度10毫米秒時產生本身長度三倍以上的延伸率，均屬于超塑性。 最初發展的超塑性合金是一種簡單的合金，如錫鉛、鉍錫等。一根鉍錫棒可以拉伸到原長的19.5倍，然而這些材料的強度太低，不能制造機器零件，所以并沒有引起人們的重視。 60年代以后，研究者發現許多有實用價值的鋅、鋁、銅合金中也具有超塑性，于是前蘇聯、美國和西歐一些國家對超塑性理論和加工發生了興趣。特別在航空航天上，面對極難變形的鈦合金和高溫合金，普通的鍛造和軋制等工藝很難成形，而利用超塑性加工卻獲得了成功。到了70年代，各種材料的超塑性成型已發展成流行的新工藝。 現在超塑性合金已有一個長長的清單，最常用的鋁、鎳、銅、鐵、合金均有

25、1015個牌號，它們的延伸率在2002000之間。如鋁鋅共晶合金為1000，鋁銅共晶合金為1150，純鋁高達6000，碳和不銹鋼在150800之間，鈦合金在4501000之間。 實現超塑性的主要條件是一定的變形溫度和低的應變速率，這時合金本身還要具有極為細小的等軸晶粒（直徑五微米以下），這種超塑性稱為超細晶粒超塑性。還有一些鋼，在一定的溫度下組織中的相發生轉變，在相變點附近加工也能完成超塑性，稱為相變超塑性。 超塑加工具有很大的實用價值，只要很小的壓力就能獲得形狀非常復雜的制作。試想一下，金屬變成了飴糖狀，從而具有了可吹塑和可擠壓的柔軟性能，因此過去只能用于玻璃和塑料的真空成型、吹塑成型等工藝

26、被沿用過來，用以對付難變形的合金。而這時所需的壓力很小，只相當于正常壓力加工時的幾分之一到幾十分之一，從而節省了能源和設備。使用超塑性加工制造零件的另一優點是可以一次成型，省掉了機械加工、鉚焊等工序，達到節約原材料和降低成本的目的。在模壓超塑性合金薄板時，只需要具備一種陰?；蜿柲＜纯?，節省一半模具費用。超塑性加工的缺點是加工時間較長，由普通熱模鍛的幾秒增至幾分鐘。 超塑性的鋁合金已經商品化，如英國的Supral 100（Al6Cu0.4Zr）和加拿大的Alcan 08050（Al5Ca5Zn）。鋁板可在300600時利用超塑性成型為復雜形狀，所用模具費用降低至普通壓力加工模具費用的十分之一，因此它具有和薄鋼板、鋁壓鑄件及塑料模壓件相競爭的能力。 據推測，最近超塑性成形工藝將在航天、汽車、車廂制造等部門中廣泛采用，所用的超塑性合金包括鋁、鎂、鈦、碳鋼、不銹鋼和高溫合金等1.微細晶粒超塑性  一般所指超塑性多屬這類超塑性，其特點是材料具有微細的等軸晶粒組織。在一定的溫度區間（Ts0.5Tm，Ts和Tm分別為超塑變形和材料熔點溫度的絕對溫度）和一定的變形速度條件下（應變速率在之間）呈現超塑性。這里指的微細晶粒尺寸，大都在微米級，其范圍在0.55m之間。一般來說，