機械-工程材料-第三章.第一頁，共61頁。第一節金屬的塑性變形1．單晶體的塑性變形2．多晶體的塑性變形3．塑性變形對金屬組織和性能的影響

第三章金屬的塑性變形和再結晶

第二頁，共61頁。當應力超過彈性極限時，金屬將產生塑性變形。為了方便起見，我們首先研究單晶體的塑性變形，而多晶體的塑性變形與各個晶粒的變形行為相關聯，掌握了單晶體的變形規律，將有助于了解多晶體的塑性變形本質。單晶體的變形有“滑移”和“孿生”兩種方式，我們重點研究滑移方式。3.1.1單晶體的塑性變形第三頁，共61頁。滑移：在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和一定的方向（滑移方向）發生相對滑動的過程。由圖可知：外力P在一定的晶面上分解為兩種應力：σ；τ（a）正應力σ使晶格發生彈性變形（由c—c’，a—a’）或斷裂（b）切應力τ使晶格發生彈性歪扭或塑性變形（c）大量晶面的滑移，最終使試樣被拉長變細（d）塑性變形的實質——原子移動到新的穩定位置第四頁，共61頁?？偨Y①滑移只能在切應力的作用下發生；②一些概念：1、滑移面：發生滑移的晶面，叫做滑移面；2、滑移方向：晶體在滑移面上發生滑移的晶向；3、滑移系：一個滑移面和此面上的一個滑移方向結合起來，組成一個滑移系。（它表示金屬晶體在發生滑移時滑移動作可采取的空間位向，滑移系越多，滑移時可供采用的空間位向也越多，所以該金屬的塑性也越好，而且滑移方向的作用大于滑移面的作用。）第五頁，共61頁。一般說來：滑移面總是原子最密排面，滑移方向也總是原子最密排方向。（因為在最密排面上，原子的結合力最強，而面與面之間的距離卻最大，所以最密排面之間的原子間的結合力最弱，滑移阻力最小，因而最易滑移；同理，滑移方向也總是原子最密排方向。）幾種常見金屬的滑移面和滑移方向：

第六頁，共61頁。④晶體在滑移的同時，由于正應力組成的力偶的作用，會推動晶體轉動，力圖使滑移面轉向與外力方向平行。③取金屬單晶體試樣，表面經磨制拋光，然后進行拉伸，當試樣經適量塑性變形后，在金相顯微鏡下觀察，則可在表面見到許多相互平行的線條，稱之為滑移帶；如進一步在電子顯微鏡下觀察，便會發現任一條滑移帶實際上是由許多密集在一起的相互平行的滑移線所組成，這些滑移線表現為在塑性變形后在晶體表面產生的一個個小臺階。第七頁，共61頁。圖3-1滑移帶與滑移線的示意圖第八頁，共61頁。⑤滑移的位錯機制：若晶體中沒有任何缺陷，原子排列得十分整齊時，經理論計算，在切應力的作用下，晶體的上下兩部分沿滑移面作整體剛性的滑移時，此時所需的臨界切應力τK（即滑移所需的最小切應力）與實測相差十分懸殊。（例如：銅的理論計算值τK=6400N/mm2，而實測值τK=1.0N/mm2），為此，導致了位錯學說的誕生。第九頁，共61頁。理論與實驗都已證明，在實際晶體中存在著位錯，晶體的滑移是通過位錯在切應力的作用下沿滑移面逐步移動的結果。如書P45圖3-2所示，一個刃型位錯在切應力的作用下在滑移面上的運動過程，就象接力賽跑一樣，位錯中心的原子逐一遞進，由一個平衡位置轉移到另一個平衡位置，通過一根位錯線從滑移面的一側到另一側的運動便造成一個原子間距的滑移。當位錯線移到晶體表面時，就會在晶體表面上留下一個原子間距的滑移臺階，因而造成滑移線的產生。第十頁，共61頁?；频膶崿F——借助于位錯運動圖3-2晶體中位錯運動產生滑移過程示意圖第十一頁，共61頁。實測的τK遠小于理論的τK的原因：位錯雖然移動了一個原子間距，但位錯中心附近的少數原子只作遠小于一個原子間距的彈性偏移，而其他區域的原子仍處于正常位置，所以這樣的位錯運動只需一個很小的切應力即可實現，故，實測的τK遠小于理論的τK。圖3-3位錯運動時的原子移動第十二頁，共61頁。多晶體金屬的塑性變形與單晶體的本質是一致的，即每個晶粒的塑性變形仍以滑移方式進行，但多晶體是由許多形狀、大小、取向各不相同的晶粒組成。所以，多晶體的塑變過程又比單晶體的相對復雜許多。3.1.2多晶體的塑性變形第十三頁，共61頁。3.1.2.1晶界對塑性變形的影響晶界原子排列較不規則，阻礙位錯運動，使變形抗力增大。晶粒小→晶界多→變形抗力大→強度，硬度↑（細晶強化）晶粒小→變形分散，應力集中小→塑性↑，韌性↑對于每一個晶粒而言，變形也不均勻，晶粒中心區域的變形量大，晶界及其附近區域的變形量較小，出現所謂的“竹節”形變形。第十四頁，共61頁。

在多晶體金屬中，由于各晶粒的位向不同，則各滑移系的取向（滑移面和滑移方向的分布）也不同，所以在外力的作用下，每個滑移系上所受的分切應力就不同。如果：在受拉伸時，滑移系與外力P成45o，則τ為最大；滑移系與外力P平行或垂直，則τ為最小。3.1.2.2晶粒取向對塑性變形的影響第十五頁，共61頁。軟位向：凡滑移面和滑移方向處于或接近與外力成45o的夾角的晶粒必先滑移，處于這種位向的晶粒為處于軟位向。

硬位向：滑移面或滑移方向處于或接近于與外力平行或垂直的晶粒，處于硬位向，則難以滑移。如圖所示，以A→B→C的順序分批滑移。圖3-4多晶體金屬塑性變形不均勻性的示意圖第十六頁，共61頁。

在外力作用下，金屬中處于“軟位向”的晶粒中的位錯首先滑移，產生變形，但是這種變形要受到鄰近尚未產生滑移的晶粒的制約。這些晶粒要以彈性變形來協調，所以，多晶體中“軟位向”晶粒的位錯運動所需的外力較單晶體所需的外力大另外，分正應力組成一力偶，促使晶粒發生轉動，所以隨著滑移的發生，軟位可轉移到硬位向，硬位向可轉到軟位向。

多晶體的塑性變形總是逐批滑移，從不均勻變形逐步發展到比較均勻的變形。第十七頁，共61頁。

按組成相不同，合金主要可分為單相固溶體合金和多相合金，它們的塑性變形又各自具有不同的特點。一.單相固溶體合金的塑性變形

單相固溶體合金和純金屬相比，最大的區別在于單相固溶體合金中存在溶質原子。溶質原子對合金塑性變形的影響主要表現在固溶強化作用，提高了塑性變形的阻力，此外，有些固溶體會出現明顯的屈服點和應變時效現象。3.1.3合金的塑性變形第十八頁，共61頁。1.固溶強化影響固溶強化的因素很多，主要有以下幾個方面：（1）固溶體中溶質原子的含量越高，強化作用越大（2）溶質原子與基體金屬的原子半徑相差越大，強化作用越大；（3）間隙型溶質原子比置換型溶質原子具有更大的固溶強化效果，但間隙原子的固溶度很有限，故實際強化效果也有限；（4）溶質原子與基體金屬的價電子數相差越大，固溶強化作用越顯著，即固溶體的屈服強度隨合金電子濃度的增加而提高。第十九頁，共61頁。2.屈服現象與應變時效

通常認為，溶質原子與位錯交互作用形成的溶質原子氣團（Cottrell氣團）對位錯有“釘扎作用”。上屈服點：位錯要運動，需加大外力才能掙脫柯氏氣團的釘扎而移動；下屈服點：一旦掙脫柯氏氣團的釘扎，位錯的運動就比較容易，因此應力降低；應力平臺區：在基本恒定的應力下繼續變形。圖3-8低碳鋼拉伸時的應力-應變曲線第二十頁，共61頁。應變時效是與Cottrell氣團相關的另一種現象。

將退火狀態的低碳鋼試樣拉伸到超過屈服點并發生少量塑性變形后（圖3-9中曲線1）

卸載，立即重新加載進行拉伸（圖3-9中曲線2）:試樣不發生屈服現象；

將變形后的試樣在常溫下放置幾天（自然時效）或經200℃左右短時加熱（人工時效）后再進行拉伸:屈服現象又復出現，且屈服應力進一步提高（圖3-9中曲線3），這一現象通常稱為應變時效。圖3-9低碳鋼的拉伸試驗1—預塑性變形；2—去載后立即再行加載；3—去載后放置一段時期或在200℃加熱后在加載第二十一頁，共61頁。1.聚合型合金的塑性變形均為塑性相：合金的變形能力取決于兩相的體積分數,滑移往往首先發生在較軟的相中；較強相的體積分數較少，則強化效果甚微；大于30％時，明顯的強化作用。塑性相+脆性相：性能取決于兩相的相對數量；脆性相的形狀、大小和分布密切相關。二.多相合金的塑性變形根據第二相粒子的尺寸大小可將多相合金分為兩大類：聚合型合金、彌散分布型合金第二十二頁，共61頁。2.彌散分布型合金的塑性變形（1）不可變形粒子的強化作用圍繞著粒子的位錯線在左右兩邊相遇，于是正負位錯彼此托消，形成包圍著粒子的位錯環而被留下，而位錯線的其余部分則越過粒子繼續移動。（2）可變形微粒的強化作用當第二相粒子為可變形微粒時，位錯將切過粒子使之隨同基體一起變形，如圖3-11所示。圖3-11位錯切過第二相粒子示意圖圖3-10位錯繞過第二相粒子示意圖第二十三頁，共61頁。變形10%100×變形40%100×變形80%纖維組織100×工業純鐵

不同變形度

的顯微組織1.塑性變形對金屬組織的影響（1）晶粒變形，形成纖維組織

3.1.4冷態

塑性變形對金屬組織和性能的影響第二十四頁，共61頁。（2）位錯密度增加，晶粒破碎，亞結構增加塑性變形→位錯密度增加，相互纏結(亞晶界)，運動阻力加大→變形抗力↑→加工硬化第二十五頁，共61頁。（3）形成形變織構絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，性能出現各向異性。晶粒拉長，但未出現織構。晶粒拉長，且出現織構。第二十六頁，共61頁。（1）加工硬化現象（強化材料的手段之一）在塑性變形過程中，隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度增加，而塑性、韌性下降，這一現象就是加工硬化，或形變強化。2.塑性變形對金屬材料性能的影響第二十七頁，共61頁。金屬在冷變形時，強度、硬度↑，塑性、韌性↓。P21，圖1-17第二十八頁，共61頁。實際意義：⑴優點：a、廣泛用來提高金屬材料的強度；（例如：自行車鏈條的鏈板的制作）b、有利于金屬進行均勻變形；（例如：冷拔鋼絲）c、可以提高工件在使用過程中的安全性。⑵缺點：會給金屬進一步加工造成困難，為此中間需進行再結晶退火處理。第二十九頁，共61頁。（2）產生各向異性(沿纖維方向的強度、塑性最大）優點：利用它所形成的各向異性；（例如：制造變壓器鐵芯的硅鋼片）

缺點：也是因為它所形成的各向異性；（例如：制耳現象)（3）物理、化學性能的變化

電阻增大，耐腐蝕性降低第三十頁，共61頁。（4）殘余內應力—由金屬內部不均勻變形引起①

宏觀內應力（第一類內應力）：由于表層與心部的變形量不同所引起的，它是在整個物體范圍內處于平衡的力。（例如：冷拉圓鋼）②

微觀內應力（第二類內應力）：由于晶粒之間或晶內不同區域變形量不同引起的，它是在晶粒或晶內不同區域內處于平衡的力。③晶格畸變力（第三類內應力）位錯等晶格缺陷的大量增加引起缺陷附近晶格畸變產生的內應力。它是在晶界、滑移面等附近不多的原子群范圍內維持平衡的。它是金屬強化的主要原因，也是變形金屬中的主要內應力。

殘余內應力的危害引起零件加工過程變形、開裂。耐蝕性↓

第三十一頁，共61頁。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，使其內能增加，在熱力學上處于不穩定的亞穩狀態。所以，一旦對其進行加熱使原子有了足夠高的活動能力，那么，形變金屬就能從亞穩狀態向穩定狀態轉變，從而引起一系列組織和性能的變化。由回復、再結晶以及晶粒長大三個階段綜合組成的。

第二節冷加工金屬在加熱時的變化第三十二頁，共61頁。一、回復、再結晶與晶粒長大1．回復2．再結晶3．晶粒長大第三十三頁，共61頁。1、回復

T回復=（0.25～～０.3）T熔點顯微組織無明顯變化，位錯和點缺陷大大↓.回復使塑變后金屬的強度和硬度略有下降，塑性增高，但殘余應力大大降低一些物理性能得到改善。。變化應用工業上利用回復過程對變形金屬進行去應力退火來降低殘余應力，保留加工硬化效果。（例如：經深沖工藝制成的黃銅彈殼）塑性變形后的金屬在低溫加熱時，原子的活動能力較差，從顯微組織幾乎看不出任何變化，僅因變形金屬中的一些點缺陷和位錯的遷移而引起某些晶內變化稱為回復

第三十四頁，共61頁。第三十五頁，共61頁。2、再結晶

T再=（0.35～～０.4）T熔點變形后金屬被加熱到較高溫度時，由于原子擴散能力增大，變形和破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細小的等軸晶粒，該過程稱為再結晶。變化再結晶使塑變后金屬的強度和硬度明顯降低，塑性和韌性大大提高，殘余應力完全消除，加工硬化現象被消除。，應用工業上利用再結晶過程對變形后金屬進行再結晶退火來消除加工硬化現象，恢復金屬的塑性和韌性。以利于后面的變形加工。第三十六頁，共61頁。再結晶退火：對發生了加工硬化（冷變形）的金屬，在再結晶溫度以上一定溫度加熱，適當保溫的熱處理工藝，稱為再結晶退火。再結晶退火的溫度經常定為最低再結晶溫度以上100~200℃。書P29表2-2，幾種常見金屬及合金的最低再結晶溫度和再結晶退火溫度。第三十七頁，共61頁。3.晶粒長大變形80%工業純鐵再結晶退火顯微照片100×變形80%600℃退火8小時

變形80%400℃退火8小時加熱溫度T和保溫時間t↑

→晶界遷移、晶粒合并長大。第三十八頁，共61頁。類型：

⑴正常長大：隨著溫度的升高或保溫時間的延長，晶粒均勻連續的長大。（因為晶粒長大是一個表面能降低的過程，所以晶粒長大是一個自發過程，但長大速度不大。）⑵異常長大：經嚴重冷變形的金屬，在較高溫度退火時，少數晶粒優先長大，逐漸吞食周圍大量小晶粒而形成粗大晶粒的過程，叫二次再結晶。特點：不是重新生核與長大，而是在一次再結晶完成之后，某些特殊晶粒長大形成的；是不連續、不均勻的長大，故叫反常長大如圖形成機理：第二相或夾雜物質點的影響第三十九頁，共61頁。（一）金屬的再結晶溫度再結晶溫度（T再）：通常再結晶溫度是指再結晶開始的溫度，它與金屬的變形程度和純度等因素有關；但需注意的是再結晶過程不是一個恒溫過程，而是在一定溫度范圍內進行的過程。二、影響再結晶溫度和晶粒大小的因素第四十頁，共61頁。影響再結晶溫度的因素：⑴金屬的預變形度：金屬的預變形度越大，晶體缺陷就越多，則組織就越不穩定，再結晶溫度就越低。從圖中可以看出，當變形程度達到一定程度后，再結晶溫度趨于某一最低值，這一溫度稱為最低再結晶溫度。大量實驗證明：最低再結晶溫度TR純金屬TR=（0.4~0.35）T0

合金TR=（0.5~0.7）T0溫度單位：絕對溫度(K)預變形度對TR的影響第四十一頁，共61頁。（2）金屬的純度：金屬的純度越低，金屬中的微量元素或合金元素，尤其是高熔點元素，常常趨向于位錯、晶界處偏聚，因此會阻礙原子擴散和晶界的遷移，從而再結晶溫度顯著提高。（3）加熱速度和保溫時間：因為再結晶的形核和長大都需要時間，所以加熱速度越大，在不同的溫度下停留的時間短，使之來不及形核和長大，而推遲到更高的溫度下才會發生再結晶；保溫時間越長，原子的擴散能力越大，再結晶溫度就越低。（4）原始晶粒越小，再結晶溫度越低因為原始晶粒越小，則變形抗力越大，冷變形后儲存的能量較高，再結晶溫度越低。此外，晶粒越細小，晶界越多，形核位置越多，越有利于再結晶。第四十二頁，共61頁。

變形金屬經再結晶退火后，強度、硬度下降，塑性、韌性上升。但這并不意味著與變形前完全一樣，中心問題是再結晶后的晶粒大小。

變形金屬經再結晶退火后，晶粒的大小對其力學性能有著非常重要的影響，只有獲得細晶粒金屬，才能獲得較高的強度、硬度和良好的塑性、韌性。所以，就必須了解決定再結晶退火后晶粒度的因素有哪些？了解決定再結晶退火后晶粒度的因素就可以控制變形金屬的再結晶退火后的質量。(二）再結晶退火后的晶粒度第四十三頁，共61頁。1.退火溫度和時間T

↑→晶粒直徑

D↑

再結晶時，加熱溫度越高，原子的活動能力越強，越有利于晶界的遷移，所以，退火后晶粒越粗大；同時，在加熱溫度一定時，保溫時間越長，晶粒越粗大。第四十四頁，共61頁。

當變形度很小時，晶粒度仍保持原樣；（因為變形度小，畸變能小，不足以引起再結晶）當變形度在2%~10%時，再結晶后的晶粒特別粗大。（金屬中僅有部分晶粒發生變形，變形極不均勻，再結晶時的生核數目少，所以再結晶后的晶粒度極不均勻，晶粒極易相互吞并長大）我們將此范圍的變形度稱為“臨界變形度”，生產上應盡量避免在此范圍內變形。

2.預變形度的影響它的影響實際上是變形均勻程度的問題。

當變形大于臨界變形度后，隨著變形的增加，變形便越趨于均勻，再結晶時的形核數目越多，故晶粒就越細小均勻。當變形度大于90%以上時，某些金屬還會出現晶粒的異常長大。第四十五頁，共61頁。臨界變形度的危害：第四十六頁，共61頁。第四十七頁，共61頁。

（3）原始晶粒尺寸

原始晶粒度越小，再結晶晶粒越細小。因為晶粒越細小，晶界越多，大量晶界為再結晶形核提供了有利的場所，故可得到細小晶粒組織。（4）微量溶質原子

合金元素及雜質可細化晶粒，這是由于基體中的合金元素及雜質可增加變形金屬的儲存能，并阻礙晶界運動。（5）第二相粒子

由于晶粒大小對材料性能將產生重要影響，因此，調節再結晶退火參數、控制再結晶的晶粒尺寸，在生產中具有一定實際意義。第四十八頁，共61頁。1．熱加工對組織和性能的影響熱加工——在TR以上溫度進行的變形加工.

如鋼材的熱鍛和熱軋,但熱加工后不產生加工硬化。熱加工時，塑性變形引起的加工硬化效應隨即被再結晶過程的軟化作用所消除.熱加工過程實際上是加工硬化與回復、再結晶相互制約，相互平衡的過程。第三節金屬的熱加工（自學）第四十九頁，共61頁。熱加工的應用及組織和性能特點1）打碎柱狀晶、樹枝晶，形成等軸晶，機械性能改善。2）壓合鑄件中的疏松、氣孔等缺陷，提高組織致密度和機械性能。3）產生流線分布——非金屬夾雜物沿變形方向分布，引起各向異性。鍛造曲軸切削加工曲軸第五十頁，共61頁。２．冷加工對組織和性能的影響冷加工——在TR以下溫度進行的變形加工，如低碳鋼的冷拔、冷沖。冷加工后產生加工硬化。思考題：其原因是什么？冷加工對金屬組織和性能的影響：※

能產生加工硬化，提高強度和硬度，塑性和韌性下降。是重要的強化手段，對不能熱處理強化的合金尤其重要。但增加繼續塑性變形的抗力。第五十一頁，共61頁。熱加工時，由于再結晶可以及時與加工硬化動態平衡，使金屬具有很高的塑性而容易加工。熱加工變形量大，不需要穿插中間退火，因而流程短，效率高。節省金屬。缺點：需要加熱，不如冷加工簡單易行。制品的組織性能不如冷加工均勻和易于控制。制品不如冷加工尺寸精確，表面粗糙度值大。對于薄或細的加工制品，由于降溫快，尺寸精度差，不宜采用熱加工。熱加工與冷加工的比較第五十二頁，共61頁。作業：1、解釋下列名詞：滑移、滑移系、加工硬化、回復、再結晶；2、指出下列名詞的主要區別：⑴彈性變形與塑性變形⑵再結晶與二次再結晶⑶熱加工與冷加工3、金屬的塑性變形有哪幾種方式？在什么條件下會發生滑移變形？說明滑移機理？

第五十三頁，共61頁。4、說明下列現象產生的原因？⑴滑移面是原子密度最大的晶面，滑移方向是原子密度最大的方向；⑵晶界處滑移阻力最大；⑶實際測得的晶體滑移所需的臨界切應力比理論計算的數值??；⑷Zn、α-Fe、Cu的塑性不同；

第五十四頁，共6