第七單元金屬的塑性變形與再結晶塑性是金屬材料的重要特性；金屬材料通過冶煉、鑄造，獲得鑄錠后，可通過塑性加工的方法獲得具有一定形狀、尺寸和力學性能的型材、板材、管材或線材，以及零件毛坯或零件。塑性加工包括鍛壓、軋制、擠壓、拉拔、沖壓等方法。金屬的塑性加工模塊一金屬的塑性變形金屬在承受塑性加工時，產生塑性變形，宏觀上改變了材料的形狀和尺寸；微觀上改變了金屬的組織結構；金屬的塑性變形對材料的性能也會產生重要的影響，是金屬材料重要的強化手段。

金屬的塑性變形：單晶體的塑性變形多晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形的基本方式有兩種：

滑移和孿生

1.滑移滑移是晶體在切應力的作用下，,晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發生滑動。由于位錯每移出晶體一次即造成一個原子間距的變形量,因此晶體發生的總變形量一定是這個方向上的原子間距的整數倍。

銅拉伸試樣表面滑移帶滑移只能在切應力作用下才會發生,不同金屬產生滑移的最小切應力(稱滑移臨界切應力)大小不同。鎢、鉬、鐵的滑移臨界切應力比銅、鋁的要大。2.滑移系滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)進行，這是由于密排面之間、密排方向之間的間距最大，結合力最弱。因此滑移面為該晶體的密排面，滑移方向為該面上的密排方向。一個滑移面與其上的一個滑移方向組成一個滑移系。如體心立方晶格中，(110)面和[111]晶向即組成一個滑移系?；葡翟蕉?，金屬發生滑移的可能性越大，塑性就越好。晶格類型體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格滑移面{110}6個{111}4個{0001}1個滑移方向<111>2個<110>3個<1120>3個滑移系數目6*2=124*3=121*3=3滑移方向對滑移所起的作用比滑移面大，所以面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的塑性更好。金、銀、銅、鋁等金屬的塑性高于鐵、鉻等金屬；而鐵的塑性又高于鋅、鎂等金屬。

3.位錯滑移機制滑移非剛性滑動，而是由位錯的移動實現的（1934年提出）。

滑移是晶體內部位錯在切應力作用下運動的結果?；撇⒎鞘蔷w兩部分沿滑移面作整體的相對滑動，而是通過位錯的運動來實現的。在切應力作用下，一個多余半原子面從晶體一側到另一側運動，即位錯自左向右移動時晶體產生滑移。

刃型位錯運動使晶體滑移引起塑性變形的模型位錯運動使塑性變形容易晶體的滑移塑性變形位錯機制晶體的滑移塑性變形

未變形彈性變形彈塑性變形塑性變形

未變形彈性變形彈塑性變形塑性變形滑移面（面間結合力最小的晶面）位錯運動引起塑性變形通過位錯的移動實現滑移時：1、只有位錯線附近的少數原子移動；2、原子移動的距離小于一個原子間距；所以通過位錯實現滑移時，需要的力較小；金屬的塑性變形是由滑移這種方式進行的，而滑移又是通過位錯的移動實現的。所以，只要阻礙位錯的移動就可以阻礙滑移的進行，從而提高了塑性變形的抗力，使強度提高。金屬材料常用的五種強化手段（固溶強化、加工硬化、晶粒細化、彌散強化、淬火強化）都是通過這種機理實現的。二、多晶體的塑性變形工程上使用的金屬絕大部分是多晶體。多晶體中每個晶粒的變形基本方式與單晶體相同。但由于多晶體材料中，各個晶粒位向不同，且存在許多晶界，因此變形要復雜得多。

多晶體中各個晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應力方向(稱晶粒處于軟位向),另一些晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應力方向相差較大(稱晶粒處于硬位向)。在發生滑移時，軟位向晶粒先開始。當位錯在晶界受阻逐漸堆積時，其它晶粒發生滑移。因此多晶體變形時晶粒分批地逐步地變形，變形分散在材料各處。1.非同步性第二個要注意的問題是晶界的影響。晶界是原子排列不規則的地方，它對位錯的移動有阻礙作用，要想使位錯通過晶界，外界必須對它施加更大的力，所以晶界處的強度比晶內高。2.晶界的影響3.晶粒細化晶粒越細，單位體積內的晶界面積越多，對位錯的阻礙作用越大，金屬的強度越高。晶界與強度之間的關系有一個Hall—Petch公式。

具有細小晶粒的材料不僅強度高，而且塑性、韌性也較高，這是其他強化手段不能達到的。晶粒越細，金屬的變形越分散，減少了應力集中，推遲裂紋的形成和發展，使金屬在斷裂之前可發生較大的塑性變形，因此使金屬的塑性提高。由于細晶粒金屬的強度較高，塑性較好，所以斷裂時需要消耗較大的功，因而韌性也較好。我們一般將通過使材料的組織變細來改善其性能的方法稱為細晶強化或晶粒細化，細晶強化是金屬的一種很重要的強韌化手段。

溫故知新單晶體塑性變形的方式什么是滑移系？滑移系的數目對金屬的塑性有什么影響？金屬的滑移是通過什么方式實現的？多晶體的塑性變形與單晶體有什么區別？單晶體塑性變形的方式單晶體的塑性變形的基本方式有兩種：

滑移和孿生。

滑移是晶體在切應力的作用下,晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發生滑動。滑移系一個滑移面與其上的一個滑移方向組成一個滑移系。如體心立方晶格中，(110)面和[111]晶向即組成一個滑移系。滑移系越多，金屬發生滑移的可能性越大，塑性就越好。我們已經學習了金屬塑性變形的機理,那塑性變形后金屬的組織和性能是否也發生了變化呢？是的，金屬塑性變形后組織和性能發生了明顯的變化，這正我們今天要學習的主要內容。學無止境

模塊二塑性變形對金屬組織和性能的影響

塑性變形對金屬性能的影響塑性變形對金屬組織結構的影響

殘余內應力一、塑性變形對金屬性能的影響演示試驗取一段2.5mm2的導線，剝去一端的塑料絕緣皮，露出里面的銅線。然后用手錘將銅線的一部分砸扁，感覺一下，被砸扁處銅線的硬度發生了什么變化？1.加工硬化金屬發生塑性變形時，隨變形度的增大，金屬的強度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降，這種現象稱為加工硬化，也叫形變強化或冷作硬化。冷塑性變形與力學性能關系加工硬化的原因金屬發生塑性變形時,位錯密度增加,位錯間的交互作用增強,相互纏結,造成位錯運動阻力的增大,引起塑性變形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎細化,使強度得以提高。加工硬化的原因2.加工硬化的意義強化金屬的重要途徑；加工硬化是金屬冷沖壓成型的保證；提高構件在使用過程中的安全性。強化手段加工硬化是金屬材料五大強化手段之一；在生產中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。特別是對于純金屬和不能熱處理強化的材料，冷變形加工是強化它們的主要手段。鏈條板的軋制材料為Q345（16Mn)鋼的自行車鏈條經過五次軋制，厚度由3.5mm壓縮到1.2mm，總變形量為65%，硬度從150HBS提高到275HBS；抗拉強度從510MPa提高到980MPa；使承載能力提高了將近一倍。彈簧鋼絲的強化65Mn彈簧鋼絲經冷拉后，抗拉強度可達2000~3000MPa，比一般鋼材的強度提高4~6倍。高錳鋼的加工硬化高錳鋼（ZGMn13)屬于奧氏體鋼，熱處理不能強化，它的主要強化手段就是加工硬化。當高錳鋼受到激烈摩擦或劇烈沖擊時，其表面部分就會產生微量塑性變形，隨之產生強烈的加工硬化，使其硬度和強度快速提高，從而能夠作為耐磨鋼使用。高錳鋼的加工硬化

高錳鋼的加工硬化

金屬的冷成型加工的保證金屬的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性變形均勻地分布于整個工件上，而不致于集中在某些局部而導致最終斷裂。提高構件的安全性構件在使用過程中，往往不可避免地會某些部位出現應力集中和過載現象，在這種情況下，由于金屬能加工硬化，使局部過載部位在產生少量塑性變形之后，提高了屈服強度并與所承受的應力達到平衡，變形就不會繼續發展，從而在一定程度上提高了構件的安全性。加工硬化的不利影響加工硬化使金屬在塑性變形過程中變形抗力逐漸增加，以致喪失繼續變形的能力。為了消除加工硬化，使金屬重新恢復變形的能力，必須對其進行中間退火，這樣就增加了生產成本，而且延長了生產周期。

二、塑性變形對金屬組織的影響

冷變形纖維組織的形成亞結構的細化形變織構產生1.冷變形纖維組織金屬發生塑性變形后,晶粒發生變形,沿形變方向被拉長或壓扁。當變形量很大時,晶粒變成細條狀(拉伸時),金屬中的夾雜物也被拉長,形成纖維組織。

2.形變織構產生金屬塑性變形到很大程度(70%以上)時,由于晶粒發生轉動,使各晶粒的位向趨近于一致,形成特殊的擇優取向,這種有序化的結構叫做形變織構。形變織構一般分兩種：一種是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向,稱為絲織構,例如低碳鋼經高度冷拔后,其<100>平行于拔絲方向;另一種是各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向,稱為板織構,低碳鋼的板織構為{001}<110>。形變織構制耳3.殘余內應力由于金屬在發生塑性變形時,金屬內部變形不均勻,位錯、空位等晶體缺陷增多，金屬內部會產生殘余內應力。即外力去除后，金屬內部會殘留下來應力。殘余內應力會使金屬的耐腐蝕性能降低，嚴重時可導致零件變形或開裂。齒輪等零件，如表面通過噴丸處理，可產生較大的殘余壓應力，則可提高疲勞強度。

第一類殘余應力：宏觀內應力，由整個物體變形不均勻引起。第二類殘余應力：微觀內應力，由晶粒變形不均勻引起。第三類殘余應力：點陣畸變內應力，由位錯、空位等引起。80%-90%。

殘余內應力

殘余內應力的消除金屬塑性變形后的殘余內應力，可以通過去應力退火來消除；如經拉延成型的黃銅彈殼在280℃左右進行去應力退火，以避免變形和應力腐蝕。殘余內應力的利用生產中有意控制殘余內應力的分布，使其與工作應力方向相反，可以提高工件的力學性能。右圖是鋼板彈簧的例子。金屬經塑性變形后，組織結構和性能發生很大的變化。如果對變形后的金屬進行加熱，金屬的組織結構和性能又會發生變化。隨著加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發生回復、再結晶和晶粒長大過程。

加熱溫度℃黃銅模塊三冷變形金屬在加熱時的

組織與性能變化

一、回復冷塑性變形后的金屬在較低溫度進行加熱時，原子擴散能力不大，只是晶粒內部位錯、空位、間隙原子等缺陷通過移動、復合消失而大大減少，內應力大為下降；但晶粒仍保持變形后的形態，變形金屬的顯微組織不發生明顯的變化，材料的強度和硬度略有降低，塑性有增高，這種現象稱為回復。在實際生產中常利用回復過程對冷塑性變形金屬進行去應力退火，以降低殘余內應力，防止工件變形、開裂，提高耐蝕性，保留加工硬化效果。如用冷拉鋼絲卷制彈簧，在成形后進行250～300℃的低溫處理，以消除內應力使其定型；經拉延制成的黃銅彈殼在260～280℃左右進行回復退火，以消除殘余應力，避免變形和應力腐蝕開裂。二、再結晶冷變形金屬被加熱到適當溫度時，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，而使形變強化效應完全消除的過程。1.組織與性能變化變形金屬進行再結晶后，金屬的強度和硬度明顯降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現象被消除，此時內應力全部消失，物理、化學性能基本上恢復到變形以前的水平。再結晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前、變形后的晶格類型均一樣。黃銅再結晶和晶粒長大各個階段的金相照片冷變形量為38％的組織580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織2.再結晶溫度變形后的金屬發生再結晶的溫度是一個溫度范圍，并非某一恒定溫度。一般所說的再結晶溫度指的是最低再結晶溫度(T再),通常用經大變形量(70%以上)的冷塑性變形的金屬,經一小時加熱后能完全再結晶的最低溫度來表示。最低再結晶溫度與該金屬的熔點有如下關系：

T再=(0.35～0.4)T熔點

式中的溫度單位為絕對溫度(K)。3.再結晶的應用由于塑性變形后的金屬加熱發生再結晶后，可消除加工硬化現象，恢復金屬的塑性和韌性，因此生產中常用再結晶退火工藝來恢復金屬塑性變形的能力，以便繼續進行形變加工。例如生產鐵鉻鋁電阻絲時，在冷拔到一定的變形度后，要進行氫氣保護再結晶退火，以繼續冷拔獲得更細的絲材。

為了縮短處理時間，實際采用的再結晶退火溫度比該金屬的最低再結晶溫度要高100～200℃。

模塊四金屬的熱加工一、金屬的熱加工與冷加工

金屬塑性變形的加工方法有熱加工和冷加工兩種。熱加工和冷加工不是根據變形時是否加熱來區分，而是根據變形時的溫度處于再結晶溫度以上還是以下來劃分的。

從金屬學的角度出發，冷、熱變形加工是以再結晶溫度為界限的，低于再結晶溫度的變形稱為冷變形加工；高于再結晶溫度的變形就稱為熱變形加工。金屬的熱加工與冷加工不能憑直覺判斷；如鎢的再結晶溫度為1200℃，其在1000℃的變形加工仍是冷加工；又如鉛、錫等金屬，在室溫下的變形就是熱變形加工；冷軋與熱軋

2.金屬的冷變形加工在金屬的再結晶溫度以下的塑性變形加工稱為冷加工。如低碳鋼的冷軋、冷拔、冷沖等。由于加工溫度處于再結晶溫度以下，金屬材料發生塑性變形時不會伴隨再結晶過程。因此冷加工對金屬組織和性能的影響即是前面的所述塑性變形的影響規律。與冷加工前相比，金屬材料的強度和硬度升高，塑性和韌性下降，即產生加工硬化的現象。性能變化是單向的：變形前變形后軟硬加工硬化3.金屬的熱變形加工在金屬的再結晶溫度以上的塑性變形加工稱為熱加工，例如鋼材的熱鍛和熱軋。熱加工溫度：

T再<T熱加工<T熔－10