1、第二章第二章 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 與再結晶與再結晶1 1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形基本概念基本概念: :金屬或合金在外力作用下，都能或多或少地發生變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形，去除外力后，永遠殘留的那部分變形叫塑性變形塑性變形。 抵抗塑性變形是一般工程構件的基本要求，不希望結構件在抵抗塑性變形是一般工程構件的基本要求，不希望結構件在承載時產生不可恢復的塑性變形；承載時產生不可恢復的塑性變形； 塑性變形是金屬材料的一種重要加工成形方法，在材料加工塑性變形是金屬材料的一種重要加工成形方法，在材料加工過程中，人們希望它易于加工變

2、形。過程中，人們希望它易于加工變形。塑性變形還可改變材料內部組織與結構并影響其宏觀性能。塑性變形還可改變材料內部組織與結構并影響其宏觀性能。壓力加工方法一、金屬單晶體的塑性變形一、金屬單晶體的塑性變形金屬單晶體的塑性變形方式有金屬單晶體的塑性變形方式有“滑移滑移”與與“孿生孿生” ，但一般大多數情，但一般大多數情況下都是以滑移方式進行況下都是以滑移方式進行的。的?；疲夯疲涸谕饧忧袘ψ饔迷谕饧忧袘ψ饔孟拢?， 晶晶體的體的一部分一部分相對于另一部相對于另一部分沿分沿 一一定晶面（定晶面（滑移面滑移面）上）上的一定方的一定方 向向（滑移方向滑移方向）發生相對的滑動。）發生相對的滑動。正應力

3、正應力：僅使晶格產生：僅使晶格產生彈性伸長彈性伸長，當超過原子間結合力，當超過原子間結合力時，使將晶體時，使將晶體拉斷拉斷；切應力切應力 ：使晶格產生：使晶格產生彈性歪扭彈性歪扭，在超過滑移抗力時引，在超過滑移抗力時引起滑移面兩側的晶體發生起滑移面兩側的晶體發生相對滑動相對滑動?；泼骈g距示意圖滑移面間距示意圖 為最密晶面為最密晶面自然過程的發生總是沿著阻力最小的方式進行！自然過程的發生總是沿著阻力最小的方式進行！刃位錯的移動刃位錯的移動 晶體的塑性變形是晶體內相鄰部分滑移的綜合表現。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，不是滑移面兩但晶體內相鄰兩部分

4、之間的相對滑移，不是滑移面兩側晶體之間的側晶體之間的整體剛性滑動整體剛性滑動，而是由于晶體內存在，而是由于晶體內存在位位錯錯，因位錯使兩側的原子偏離了平衡位置，這些原子，因位錯使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。有力求達到平衡的趨勢。 當晶體受外力作用時，當晶體受外力作用時，位錯位錯（刃型位錯）將垂直于受（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格地逐力方向，沿著一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐步移動到晶體的表面，形成一個原子間距的滑移量。步移動到晶體的表面，形成一個原子間距的滑移量。一個滑移帶就是上百個或更多位錯移動到晶體表面所一個滑移帶就是上百個

5、或更多位錯移動到晶體表面所形成的臺階。形成的臺階。發生了滑移的金屬試樣表面狀態發生了滑移的金屬試樣表面狀態 晶體上的滑移帶分布是不均勻的，即塑性變形時，位錯只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。密排方向。 因為因為密排面密排面之間和之間和密排方向密排方向之間的原子間距最大，其

6、原子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。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面上的一個滑移方向組成向不同，一個滑移面和在這個滑移面上的一個滑移方向組成一個一個“滑移系滑移系”。 不同晶體結構的金屬，其滑移系的數目不同，如體心立方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，面心立方個，面心立方12個，密排六方個，密排六方3個，且個，且滑移系滑移系的數目越多則的數目越多則金屬的塑性愈好，反

7、之滑移系數目愈少，塑性越差，且滑移金屬的塑性愈好，反之滑移系數目愈少，塑性越差，且滑移系數目相同時，系數目相同時，滑移方向滑移方向數越多，越易滑移，塑性越好。數越多，越易滑移，塑性越好。 單晶體試樣在拉伸實驗時，除了沿滑移面產生滑移外，單晶體試樣在拉伸實驗時，除了沿滑移面產生滑移外，晶體還會產生轉動。因為晶體在拉伸過程，當滑移面上、晶體還會產生轉動。因為晶體在拉伸過程，當滑移面上、下兩部分發生微下兩部分發生微小滑小滑 移時，試移時，試樣樣兩端的拉兩端的拉力力不再處不再處于同一直線于同一直線上上，于，于是在滑是在滑移移面上面上 形形成一力偶，使成一力偶，使滑移滑移面產生以面產生以外力方外力方向為

8、向為轉轉向的轉動。向的轉動。二、二、多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形金屬材料大多為位向、形狀、大小不同的晶粒組金屬材料大多為位向、形狀、大小不同的晶粒組成的多晶成的多晶體，體，因因此多晶此多晶體的體的變形是許多單變形是許多單晶晶體變形體變形的綜的綜合合作用的結果。作用的結果。主要影響因素：晶界、位向主要影響因素：晶界、位向（A）晶界晶界： 1. 滑移的主要障礙滑移的主要障礙：原子混亂排列區，較不規則：原子混亂排列區，較不規則缺陷、雜質缺陷、雜質集中?；撇荒軓囊粋€晶粒直接延續到另一個晶粒中去。集中?；撇荒軓囊粋€晶粒直接延續到另一個晶粒中去。2. 協調變形協調變形：晶界自身變形：晶界自身變形以

9、維持相鄰晶粒變形保持連續。以維持相鄰晶粒變形保持連續。3. 位錯塞積位錯塞積位錯運動到晶界附近，受到晶界阻礙而堆積起位錯運動到晶界附近，受到晶界阻礙而堆積起來。來。4. 晶粒愈細，金屬的強度便愈高晶粒愈細，金屬的強度便愈高 ，而且塑性與韌性也較高。，而且塑性與韌性也較高。細晶強化細晶強化（）（）位向位向： 多晶體金屬在外力的作用下，處于軟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，硬取向的相鄰晶粒尚不能滑移變形，只能以彈性變形保持平衡。只能以彈性變形保持平衡。三、冷塑性變形對金屬組織和性能的影響三、冷塑性變形對

10、金屬組織和性能的影響 經過塑性變形，可使金屬的經過塑性變形，可使金屬的組織和性能組織和性能發生一系列重大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。的變化，這些變化大致可以分為如下四個方面。1.1. 產生產生纖維組織纖維組織，性能趨于各向異性；，性能趨于各向異性； 2.2. 晶粒破碎，位錯密度增加，產生晶粒破碎，位錯密度增加，產生加工硬化加工硬化 ；3.3. 織構織構現象的產生現象的產生 ；4.4. 殘余內應力殘余內應力 。變形前后晶粒形狀變化示意圖變形前后晶粒形狀變化示意圖1.纖維組織纖維組織：變形時，原等軸晶粒沿變形方向伸長。變：變形時，原等軸晶粒沿變形方向伸長。變形程度大時，

11、晶粒呈現為一片如纖維狀的條紋，稱為纖形程度大時，晶粒呈現為一片如纖維狀的條紋，稱為纖維組織。維組織。 含碳0.3%的鋼冷加工加工硬化 2.加工硬化加工硬化金屬在冷態下進行塑性變形時，隨著變形金屬在冷態下進行塑性變形時，隨著變形度的增加，其強度、硬度提高，塑性、韌性下降。度的增加，其強度、硬度提高，塑性、韌性下降。機理：機理：塑性變形塑性變形位錯移動位錯移動位錯大位錯大量增殖量增殖相互作用相互作用運動阻力運動阻力加大加大變形抗力變形抗力強度強度、硬、硬度度、塑性、韌性、塑性、韌性形變織構示意圖形變織構示意圖3. 織構織構：當金屬變形量達到一定值：當金屬變形量達到一定值(7090以上以上)時，時，

12、金屬中的每個晶粒的位向都趨于大體一致，這種現象金屬中的每個晶粒的位向都趨于大體一致，這種現象稱為稱為“織構織構”現象，或稱現象，或稱“擇優取向擇優取向”。4殘余內應力（性能）殘余內應力（性能） 去除外力后殘留于且平衡于金屬去除外力后殘留于且平衡于金屬內部的應力。內部的應力。第一類內應力第一類內應力宏觀，表面和心部，塑性變形不均勻造成；宏觀，表面和心部，塑性變形不均勻造成；第二類內應力第二類內應力微觀，晶粒間或晶內不同區域變形不均；微觀，晶粒間或晶內不同區域變形不均；第三類內應力第三類內應力超微觀，晶?；?。超微觀，晶?；?。2 2 回復與再結晶回復與再結晶 回復回復：冷變形金屬在低溫加熱時，其

13、顯微組織無明顯變化，：冷變形金屬在低溫加熱時，其顯微組織無明顯變化，但其物理、力學性能卻部分恢復到冷變形以前的過程，內但其物理、力學性能卻部分恢復到冷變形以前的過程，內應力基本消除。應力基本消除。 再結晶再結晶：冷變形金屬被加熱到一定溫度時，在變形組織內：冷變形金屬被加熱到一定溫度時，在變形組織內部新的無畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強部新的無畸變的等軸晶粒逐漸取代變形晶粒，而使形變強化效應完全消除的過程。化效應完全消除的過程。冷變形后冷變形后 回復回復 再結晶再結晶 晶粒長大晶粒長大1. 回復階段回復階段 加熱溫度較低時，原子的活動能力不大，這時金屬的晶粒加熱溫度較低時，原子的活動

14、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、硬度和塑性等力學性能變化不大，而只是使內應力及電阻率等和塑性等力學性能變化不大，而只是使內應力及電阻率等性能顯著降低。性能顯著降低。 因此對冷變形金屬進行的這種因此對冷變形金屬進行的這種低溫加熱退火，低溫加熱退火，只能用在只能用在保保留加工硬化留加工硬化而而降低內應力、降低內應力、改善其它的物理性能的場合。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

15、強度，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。低溫退火以消除殘余應力。 2 .再結晶再結晶 當它被加熱到較高的溫度時，原子具有較大的活動能力，當它被加熱到較高的溫度時，原子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，把這一階段稱為這一階段稱為“再結晶再結晶”。 再結晶過程同樣是通過再結晶過程同樣是通

16、過形核形核和和長大長大兩個過程進行的。兩個過程進行的。 再結晶結束后，金屬中內應力全部消除，顯微組織恢復再結晶結束后，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，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。消除了加工硬化。 再結晶退火再結晶退火消除加工硬化的熱處理工藝。消除加工硬化的熱處理工藝。3 .晶粒長大晶粒長大 再結晶結束后，若再繼續升高溫度或延長加熱時間，便再結晶結束后，若再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，晶粒長大對材料的力學性能極不利，即強

17、度、塑性、韌性下降。大對材料的力學性能極不利，即強度、塑性、韌性下降。且塑性與韌性下降的更明顯且塑性與韌性下降的更明顯。影響再結晶粒大小的因素影響再結晶粒大小的因素 1.1.變形度影響變形度影響 當變形量很小時，由于晶格畸變很小，不足以引起再結晶；當變形量很小時，由于晶格畸變很小，不足以引起再結晶； 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，再結晶晶核少，且晶粒極易相互吞并變形，變形極不均勻，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，此變形度即為臨界變形度；長大，因而再結晶后晶粒粗大，此變形度即

18、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。核多，再結晶后晶粒愈來愈細。 可見冷壓加工應注意可見冷壓加工應注意避免在臨界變形度范圍內加工避免在臨界變形度范圍內加工，以免再，以免再結晶后產生粗晶粒。結晶后產生粗晶粒。2.2.退火溫度的影響退火溫度的影響 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

19、此要獲得細再結晶；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，必須在一個合適的溫度范圍內進行加熱小的再結晶晶粒，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再結晶退火溫度必須在T再再以上，生產上實際使用的再結以上，生產上實際使用的再結晶溫度通常是比晶溫度通常是比T再再高高150250，這樣就既可保證完全，這樣就既可保證完全再結晶，又不致使晶粒粗化。再結晶，又不致使晶粒粗化。再結晶溫度：純金屬再結晶溫度：純金屬 TR=0.4-0.35Tm(K) 合金：合金：TR=0.5-0.7Tm(K) 三、三、熱加工對金屬組織和性能的影響熱加工對金屬組織和性能的影響 熱加工相關熱加工相關概念概念：再結晶溫度是熱加工與冷加工的分界線，：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高于再結晶溫度的壓力加工是熱加工熱加工，低于再結晶溫度的，低于再結晶溫度的壓力加工是壓力加工是冷加工冷加工。 兩種變形加工各有所長。冷變形加工可以達到較高精度和兩種