工程材料第五章金屬的塑性變形與再結晶分解第一頁，共37頁。第五章金屬的塑性變形與再結晶第二頁，共37頁。第五章金屬的塑性變形與再結晶兩個方面的問題塑性變形

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。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、結構和性能又將發生變化，宏觀性能表現為強度和硬度降低，塑性和韌性升高。第三頁，共37頁。金屬的塑性變形是怎么回事？塑性變形后，對組織和性能有什么影響？如果重新加熱，組織和性能有什么變化？問題第四頁，共37頁。先學習單晶體的塑性變形是怎樣的？多晶體？合金？金屬的塑性變形是怎么回事？第五頁，共37頁。未變形滑移孿生§5.1金屬的塑性變形一、單晶體金屬的塑性變形滑移：在切應力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發生相對滑動位移的現象。孿生：在切應力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發生對稱切變的現象。兩種方式：第六頁，共37頁。1、滑移變形的特點

①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。§5.1金屬的塑性變形鋅單晶體拉伸試驗示意圖重要現象：當外力與滑移所發生的晶面之間呈45時，臨界切應力最小，即當單晶體在外力作用下，呈45角的晶面最容易產生滑移。第七頁，共37頁。②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方向滑移系體心立方晶格（bcc)面心立方晶格(fcc)密排六方晶格(hcp){110}<111>{111}<110>§5.1金屬的塑性變形重要結論：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。第八頁，共37頁。滑移的結果會在金屬表面造成臺階。§5.1金屬的塑性變形③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第九頁，共37頁。④滑移的同時伴隨著晶體的轉動單晶體拉伸變形過程a)原試樣；b)自由滑移變形；c)受夾頭限制時的變形§5.1金屬的塑性變形第十頁，共37頁。2、滑移的機理

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，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：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。§5.1金屬的塑性變形晶體通過位錯運動而造成滑移位錯運動.swf位錯3D運動.swf第十一頁，共37頁。§5.1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。（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。（原子紊亂）（易變形位向不同）位錯的塞積第十二頁，共37頁。§5.1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1、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。因此，多晶體金屬的晶粒越細小，則強度和硬度越高。2、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，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。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：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。第十三頁，共37頁。§5.1金屬的塑性變形三、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。溶質原子在位錯線上的偏聚，會對位錯起“釘扎”作用，使位錯運動困難，也使合金的強度和硬度升高。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和硬度提高的方法。

第十四頁，共37頁。§5.1金屬的塑性變形（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，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力學性能有很大的影響。1、第二相以網狀分布在晶界上降低強度和韌性。如過共析鋼平衡組織中的Fe3CⅡ。2、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。如共析鋼平衡組織中的Fe3C。3、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。如粒狀珠光體中的Fe3C。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，以顯著提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。第十五頁，共37頁。黃銅中圍繞著Al2O3顆粒的位錯環Al2O3位錯環位錯線§5.1金屬的塑性變形位錯線切過留下的痕跡Ni3Al粒子在Ni－Cr－Al合金中位錯切過Ni3Al粒子第十六頁，共37頁。金屬塑性變形后，對組織和性能有什么影響？第十七頁，共37頁。一、塑性變形對金屬組織影響1、晶粒形狀發生變化等軸狀晶粒伸長纖維狀2、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。3、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。§5.2塑性變形對金屬組織和性能的影響晶粒拉長.swf性能各向異性第十八頁，共37頁。§5.2塑性變形對金屬組織和性能的影響第十九頁，共37頁。深沖件的制耳§5.2塑性變形對金屬組織和性能的影響第二十頁，共37頁。二、塑性變形對金屬性能的影響1、產生加工硬化加工硬化（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。§5.2塑性變形對金屬組織和性能的影響在拉伸實驗進入屈服階段后卸載，再次拉伸時會出現什么現象？原因是？思考A′ABCDEpesbE低碳鋼的

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曲線O第二十一頁，共37頁。殘余內應力的危害：①引起壓力加工、熱處理過程中零件的變形和開裂。②降低金屬的強度（第一、二類內應力）。③降低金屬的耐腐蝕性。§5.2塑性變形對金屬組織和性能的影響2、產生殘余內應力①宏觀內應力（第一類內應力）：平衡于金屬表層與心部之間的內應力。產生原因：表層與心部變形不一致。②微觀內應力（第二類內應力）：平衡于晶粒之間或晶粒內部的內應力。產生原因：晶粒之間的變形不均勻。③點陣畸變（第三類內應力）：存在于晶體缺陷中的內應力。(占90%以上)產生原因：晶體缺陷增加引起畸變增大。殘余內應力的消除：去應力退火或低溫回火。第二十二頁，共37頁。如果重新加熱，組織和性能有什么變化？第二十三頁，共37頁。§5.3回復與再結晶冷變形金屬在不同加熱溫度時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：回復+再結晶第二十四頁，共37頁。（一）回復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。1、組織、結構方面

①顯微組織沒有明顯變化。

②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。2、性能方面

①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。②內應力和電阻率明顯降低。3、工業應用——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，同時保持加工硬化的工藝方法。舉例：冷卷彈簧制品，在成型后進行一次250～300C的低溫加熱，充分消除殘余內應力，穩定尺寸，改善性能。§5.3回復與再結晶第二十五頁，共37頁。（二）再結晶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。1、組織、結構方面①變形的晶粒完全恢復為等軸狀晶粒。②晶體缺陷數量明顯減少。2、性能方面①強度和硬度顯著下降，塑性和韌性顯著升高。②冷變形時的加工硬化現象完全消失。③內應力也基本被消除。3、工業應用——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，以消除加工理化的工藝方法。舉例：冷拉鋼絲時，每拉拔一次，中間均進行再結晶退火，消除加工硬化，以便于下一次拉拔。

§5.3回復與再結晶第二十六頁，共37頁。4、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。5、再結晶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最低溫度。6、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。再結晶過程沒有，重結晶（相變）過程有。

§5.3回復與再結晶純金屬的再結晶溫度：T再≈0.4Tm，

單位為K第二十七頁，共37頁。（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，這一過程即稱為晶粒長大。晶粒長大的類型

①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。

②反常長大（二次再結晶）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1、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。

其中溫度的影響尤其顯著。2、變形程度①變形量較小不發生再結晶，晶粒保持原狀、大小。②變形量達到2～10%再結晶后的晶粒異常粗大。

2～10%的變形量稱為臨界變形度。③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。

§5.3回復與再結晶第二十八頁，共37頁。§5.3回復與再結晶加熱溫度對晶粒度的影響第二十九頁，共37頁。§5.3回復與再結晶預先變形程度對晶粒度的影響第三十頁，共37頁。如果在T再以上溫度進行變形，將發生什么？第三十一頁，共37頁。一、熱加工與冷加工熱加工：指在再結晶溫度以上的加工過程。冷加工：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金屬在熱加工時，溫度在T再之上，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，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1、改善鑄錠組織使氣孔和裂紋焊合，增大材料的致密性。改善夾雜物與脆性相的形態、大小和分布。部分消除枝晶偏析。破碎粗大晶粒而使晶粒細化。§5.4金屬的熱加工思考：純鉛：Tm=327℃純鎢：Tm=3407℃第三十二頁，共37頁。2、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，即流線。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性能，垂直于流線方向的性能則較低。3、產生帶狀組織合金中的各個相在熱加工時沿著變形方向交替地呈帶狀分布的組織稱為帶狀組織。舉例：亞共析鋼在熱軋后，其中的珠光體和鐵素體常沿軋向呈帶狀或層狀分布，即形成帶狀組織。出現帶狀組織，會使材料的力學性能產生方向性，特別是橫向塑性和韌性明顯下降。§5.4金屬的熱加工第三十三頁，共37頁。§5.4金屬的熱加工曲軸中的流線分布a)鍛造變形；