第5章金属塑性变形与再结晶

1、第5章金属塑性变形与再结晶 第第5 5章章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 v1 1金属的塑性变形金属的塑性变形 v2 2回复与再结晶回复与再结晶 第5章金属塑性变形与再结晶 1 1 金属的塑性变形金属的塑性变形 v一、什么是塑性变形一、什么是塑性变形 v二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 v三、多晶体金属的塑性变形三、多晶体金属的塑性变形 v四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 第5章金属塑性变形与再结晶 一、一、 塑性变形塑性变形 我们主要讲金属的冷塑性变形。我们主要讲金属的冷塑性变形。 1 1、定义：金属或合金在外力作用下，

2、都能或多或少地发生变形，、定义：金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变形， 去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑性变形。去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑性变形。 生产中常利用塑性变形对金属材料进行压力加工。生产中常利用塑性变形对金属材料进行压力加工。 2 2、分类：金属的塑性变形可分为：、分类：金属的塑性变形可分为： 冷塑性变形和热塑性变形。冷塑性变形和热塑性变形。 第5章金属塑性变形与再结晶 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 1. 1.滑移的表象、特点滑移的表象、特点 2.2.滑移的机理滑移的机理 3. 3. 晶体的滑移面、滑移方向及滑移系晶体的滑移面、滑移方向及滑

3、移系 4. 4. 晶体在滑移过程中的转动晶体在滑移过程中的转动 金属单晶体的塑性变形有金属单晶体的塑性变形有“滑移滑移”与与“孪生孪生”等不同方式，等不同方式， 但一般大多数情况下都是以滑移方式进行的。但一般大多数情况下都是以滑移方式进行的。 单晶体塑性变形的基本方式单晶体塑性变形的基本方式滑移。滑移。 由于金属滑移所需的临界切应力远低于孪生所需的临界由于金属滑移所需的临界切应力远低于孪生所需的临界 切应力，因此金属的塑性变形方式以滑移为主。切应力，因此金属的塑性变形方式以滑移为主。 定义：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着定义：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着 一定

4、的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移。一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移。 第5章金属塑性变形与再结晶 1.1.滑移的表象滑移的表象 1 1）表象：发生了滑移的金属试样表面状态如图：）表象：发生了滑移的金属试样表面状态如图： 如果将一个单晶体金如果将一个单晶体金 属试样表面抛光后，经过伸长属试样表面抛光后，经过伸长 变形，再在金相显微镜下观察，变形，再在金相显微镜下观察， 可以看到试样表面出现许多条可以看到试样表面出现许多条 纹，这些条纹就是晶体在切应纹，这些条纹就是晶体在切应 力的作用下，一部分相对于另力的作用下，一部分相对于另 一部分沿着一定的晶面（滑移一部分沿着

5、一定的晶面（滑移 面）和一定的晶向（滑移方向）面）和一定的晶向（滑移方向） 滑移产生的滑移产生的台阶台阶，这些条纹称，这些条纹称 为为“滑移线滑移线”。 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 第5章金属塑性变形与再结晶 1 1）. .滑移的表象滑移的表象 v 单晶体变形时，滑单晶体变形时，滑 移只在晶体内有限的晶移只在晶体内有限的晶 面上进行，是不均匀的。面上进行，是不均匀的。 因此单晶体金属的塑性因此单晶体金属的塑性 变形在表面上看出现了变形在表面上看出现了 一系列的滑移带，其塑一系列的滑移带，其塑 性变形就是众多大小不性变形就是众多大小不 同的滑移带的综合效果同的滑移带的综合效

6、果 在宏观上的体现在宏观上的体现。 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 1.1.滑移的表象滑移的表象 第5章金属塑性变形与再结晶 2.2.滑移的机理滑移的机理 大量的理论和实验研究的结果证明，滑移大量的理论和实验研究的结果证明，滑移 是是通过位错在滑移面上的运动来实现通过位错在滑移面上的运动来实现的。的。 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 图图2-2 2-2 滑移机理示意图滑移机理示意图 滑移是晶体间的相对滑动，不引起晶格类型的变化。滑移是晶体间的相对滑动，不引起晶格类型的变化。 第5章金属塑性变形与再结晶 当晶体受外力作用时，当晶体受外力作用时，位错（刃型位错）

7、将垂位错（刃型位错）将垂 直于受力方向，沿着一定的晶面和一定的晶向一格直于受力方向，沿着一定的晶面和一定的晶向一格 一格地逐步移动到晶体的表面，形成一个原子间距一格地逐步移动到晶体的表面，形成一个原子间距 的滑移量。的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错移动一个滑移带就是上百个或更多位错移动 到晶体表面所形成的台阶。到晶体表面所形成的台阶。 v晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。 但晶体内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两但晶体内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两 侧晶体之间的整体刚性滑动，而是由于晶体内存在位侧晶体之间的整体刚

8、性滑动，而是由于晶体内存在位 错，因位错线两侧的原子偏离了平衡位置，这些原子错，因位错线两侧的原子偏离了平衡位置，这些原子 有力求达到平衡的趋势。有力求达到平衡的趋势。 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 2.2.滑移的机理滑移的机理 第5章金属塑性变形与再结晶 2.2.滑移的机理滑移的机理 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 滑移是在切应力作用下发生的。滑移是在切应力作用下发生的。 滑移发生的滑移发生的力学条件：力学条件：滑移系是否发生滑动，决定于沿此滑移滑移系是否发生滑动，决定于沿此滑移 系的分切应力的大小，当分切应力达到某一临界值时，滑移才系的分切应力的大小，

9、当分切应力达到某一临界值时，滑移才 能发生。能发生。 力学模型：力学模型： 轴向拉力轴向拉力P P，拉伸轴与滑移面法向，拉伸轴与滑移面法向ONON及及 滑移方向滑移方向OTOT的夹角分别为的夹角分别为和和 。 则：则：P P在滑移方向的分力为在滑移方向的分力为P P* *coscos 滑移面的面积为滑移面的面积为A/cos A/cos P P在滑移方向的分切应力为在滑移方向的分切应力为 coscoscoscos cos/ cos o A P A P 第5章金属塑性变形与再结晶 当当 s s，外加应力等于，外加应力等于 屈服强度时：屈服强度时： 宏观上：晶体出现塑性变宏观上：晶体出现塑性变 形。

10、形。 微观上：晶体开始滑移。微观上：晶体开始滑移。 此时滑移方向上的分切应此时滑移方向上的分切应 力达到临界值，称为力达到临界值，称为临界临界 分切应力分切应力。 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 2.2.滑移的机理滑移的机理 coscoscoscos cos/ cos o A P A P 第5章金属塑性变形与再结晶 3.3.晶体的滑移面、滑移方向及滑移系晶体的滑移面、滑移方向及滑移系 因为密排面之间和密排方向之间的原子因为密排面之间和密排方向之间的原子 间距最大，其原子之间的结合力最弱，所以在外间距最大，其原子之间的结合力最弱，所以在外 力作用下最易引起相对的滑动。力作用下最

11、易引起相对的滑动。 晶体上的滑移带分布是不均匀的，即塑性变形时，晶体上的滑移带分布是不均匀的，即塑性变形时，位位 错只错只 沿一定的晶面和一定的晶向移动沿一定的晶面和一定的晶向移动，并不是沿所有的，并不是沿所有的 晶面和晶向都能移动的，这些一定的晶面和晶向分别称为晶面和晶向都能移动的，这些一定的晶面和晶向分别称为 滑移面和滑移方向，并且这些晶面和晶向都是晶体中的密滑移面和滑移方向，并且这些晶面和晶向都是晶体中的密 排面和密排方向。排面和密排方向。 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 第5章金属塑性变形与再结晶 三种典型晶格的滑移系三种典型晶格的滑移系 体心立方晶格体心立方晶格 面

12、心立方晶格面心立方晶格 密排六方晶格密排六方晶格 滑移面滑移面 110 6110 6个个 111 4111 4个个 六方底面六方底面 1 1个个 滑移方向滑移方向 111111 2 2个个 3 3个个 底面对角线底面对角线3 3个个 滑移系滑移系 6x2=12 4x3=12 1x3=3 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 滑移系：一个滑移面和一个滑移方向构成一滑移系：一个滑移面和一个滑移方向构成一 个滑移个滑移 系，系， 即即一个最大原子密度晶面和一个最大原子密度晶一个最大原子密度晶面和一个最大原子密度晶 向组成一向组成一 个滑移系个滑移系。 第5章金属塑性变形与再结晶 滑移系的

13、特点：滑移系的特点： 1 1）滑移面总是晶体的密排面，而滑移方向也总是密排方向。）滑移面总是晶体的密排面，而滑移方向也总是密排方向。 2 2）每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系。滑移系的多）每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系。滑移系的多 少在一定程度上决定了金属塑性的好坏。少在一定程度上决定了金属塑性的好坏。 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 如金属的塑性：如金属的塑性： 面心立方面心立方 体心立方体心立方 密排六方密排六方 v滑移系的数目越多则金属的塑性愈好，反之滑移系数愈少，滑移系的数目越多则金属的塑性愈好，反之滑移系数愈少， 塑性不好，且相同滑移系数目相同时，滑移

14、方向数越多，越塑性不好，且相同滑移系数目相同时，滑移方向数越多，越 易滑移，塑性越好。易滑移，塑性越好。 第5章金属塑性变形与再结晶 4.4.晶体在滑移过程中的转动晶体在滑移过程中的转动 单晶体试样在拉单晶体试样在拉 伸实验时（如图伸实验时（如图2-32-3），）， 除了沿滑移面产生滑移除了沿滑移面产生滑移 外，晶体还会产生转动。外，晶体还会产生转动。 因为晶体在拉伸过程，因为晶体在拉伸过程， 当滑移面上、下两部分当滑移面上、下两部分 发生微小滑移时，试样发生微小滑移时，试样 两端的拉力不再处于同两端的拉力不再处于同 一直线上，于是在滑移一直线上，于是在滑移 面上形成一力偶，使滑面上形成一力偶

15、，使滑 移面产生以外力方向为移面产生以外力方向为 转向，趋向于与外力平转向，趋向于与外力平 行的转动。行的转动。 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 第5章金属塑性变形与再结晶 5 5、滑移变形的特点、滑移变形的特点 a、滑移在切应力作用下产生滑移在切应力作用下产生 b、滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生 c、滑移时两部分晶体的相对位移是原子间滑移时两部分晶体的相对位移是原子间 距的整数倍距的整数倍 d、滑移的同时伴随着晶体的转动滑移的同时伴随着晶体的转动 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 第5章金属塑性变形与再结晶 单晶体塑性变

16、形单晶体塑性变形孪生。孪生。 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 1 1 孪生现象孪生现象 在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶 面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。 变形部分与未变形部分以孪晶面为准，构成镜面对称，形成变形部分与未变形部分以孪晶面为准，构成镜面对称，形成 孪晶。孪晶在显微镜下呈带状或透镜状。孪晶。孪晶在显微镜下呈带状或透镜状。 第5章金属塑性变形与再结晶 2 2 孪生变形的特点孪生变形的特点 1 1）孪生使一部分晶体发生了均匀的切变

17、，而滑移是不均匀的，）孪生使一部分晶体发生了均匀的切变，而滑移是不均匀的， 只集中在一些滑移面上进行。只集中在一些滑移面上进行。 2 2）孪生后晶体变形部分与未变形部分成镜面对称关系，位向）孪生后晶体变形部分与未变形部分成镜面对称关系，位向 发生变化。发生变化。 3 3）孪生比滑移的临界分切应力高，萌发于滑移受阻因其的局）孪生比滑移的临界分切应力高，萌发于滑移受阻因其的局 部应力集中区。部应力集中区。 4 4）孪生对塑性变形的影响比滑移小得多。孪生改变了晶体位）孪生对塑性变形的影响比滑移小得多。孪生改变了晶体位 向，使某些滑移系处于有利位向，滑移能够重新开始向，使某些滑移系处于有利位向，滑移能

18、够重新开始 5 5）由于孪生变形时，局部切变可达较大数量，所以在变形试）由于孪生变形时，局部切变可达较大数量，所以在变形试 样的抛光表面上可以看到浮凸，经重新抛光后，虽然表面浮凸样的抛光表面上可以看到浮凸，经重新抛光后，虽然表面浮凸 可以去掉，但因已变形区的晶体位向不同，所以在偏光下或浸可以去掉，但因已变形区的晶体位向不同，所以在偏光下或浸 蚀后仍能看到孪晶。而滑移变形后的试样经抛光后滑移带消失。蚀后仍能看到孪晶。而滑移变形后的试样经抛光后滑移带消失。 二、金属单晶体的塑性变形二、金属单晶体的塑性变形 第5章金属塑性变形与再结晶 三、三、多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 单晶体的滑移发生在一个

19、晶体的一定晶面单晶体的滑移发生在一个晶体的一定晶面 上，而多晶体由于多个晶体和晶界的存在，并上，而多晶体由于多个晶体和晶界的存在，并 且每个晶体的晶格位向不同，故多晶体的塑性且每个晶体的晶格位向不同，故多晶体的塑性 变形比单晶体要复杂得多。变形比单晶体要复杂得多。 一）、晶粒取向的影响一）、晶粒取向的影响 1 1、 变形过程变形过程 位错在晶界塞积位错在晶界塞积应力集中应力集中 相邻晶粒位错源开动相邻晶粒位错源开动 相相 邻晶粒变形邻晶粒变形塑变塑变 多晶体塑性变形的基本方式也是滑移和孪生。多晶体塑性变形的基本方式也是滑移和孪生。 第5章金属塑性变形与再结晶 2 2 、晶粒之间变形的协调性、晶

20、粒之间变形的协调性 （1 1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。 （2 2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶 体分裂）体分裂） （3 3）条件：独立滑移系）条件：独立滑移系 5 5个。（保证晶粒形状的自由变化）个。（保证晶粒形状的自由变化） 多晶体多晶体变形协调性变形协调性：多晶体的每个晶粒都处于其他晶粒的包：多晶体的每个晶粒都处于其他晶粒的包 围之中，其变形必须与周围的晶粒相互协调配合。围之中，其变形必须与周围的晶粒相互协调配合。 结果：多晶体的塑性变形较单晶体困难，其屈服应力也高于结果：多

21、晶体的塑性变形较单晶体困难，其屈服应力也高于 单晶体单晶体。 三、三、多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 第5章金属塑性变形与再结晶 由于晶界为晶格位向不同的两晶粒的过由于晶界为晶格位向不同的两晶粒的过 渡处，故晶格排列紊乱，杂质原子较多，晶渡处，故晶格排列紊乱，杂质原子较多，晶 格畸变严重，位错运动的阻力很大，滑移难格畸变严重，位错运动的阻力很大，滑移难 以发生，只有在较大的外力作用下，位错才以发生，只有在较大的外力作用下，位错才 能穿越晶界进入另一个晶粒中，塑性变形抗能穿越晶界进入另一个晶粒中，塑性变形抗 力大。力大。 二）、晶界的影响二）、晶界的影响 1 1、多晶体变形的现象、多晶体变形的

22、现象 三、三、多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 第5章金属塑性变形与再结晶 2 2、晶粒晶格位向的影响、晶粒晶格位向的影响 多晶体中各晶粒的晶格位向不同，所以多晶体中各晶粒的晶格位向不同，所以 每一晶粒的滑移都会受到周围不同位向晶粒每一晶粒的滑移都会受到周围不同位向晶粒 的约束，故多晶体金属的塑性变形抗力高于的约束，故多晶体金属的塑性变形抗力高于 单晶体金属。单晶体金属。 三个结论：三个结论： 晶粒越细，晶界的总面积就越大，每个晶晶粒越细，晶界的总面积就越大，每个晶 粒周围不同位向的晶粒越多，对滑移产生粒周围不同位向的晶粒越多，对滑移产生 的抗力就越大，金属的强度就越高。的抗力就越大，金属的强

23、度就越高。 三、三、多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 第5章金属塑性变形与再结晶 晶粒越细，单位体积中的晶粒就越多，同晶粒越细，单位体积中的晶粒就越多，同 样的塑性变形量可以分散在更多的晶粒中样的塑性变形量可以分散在更多的晶粒中 发生，使金属产生较为均匀的塑性变形，发生，使金属产生较为均匀的塑性变形， 不致造成局部应力集中，引起断裂，所以不致造成局部应力集中，引起断裂，所以 金属的塑性、韧性也会提高。金属的塑性、韧性也会提高。 晶粒越细，裂纹传播（扩展）所消耗的能晶粒越细，裂纹传播（扩展）所消耗的能 量越多，裂纹在不同位向的晶粒中传播越量越多，裂纹在不同位向的晶粒中传播越 困难，金属的断裂韧性

24、越好。困难，金属的断裂韧性越好。 三、三、多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形 第5章金属塑性变形与再结晶 第5章金属塑性变形与再结晶 四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 1 1、晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性、晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性 2 2、晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化、晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化 3 3、织构现象的产生、织构现象的产生 4 4、残余内应力、残余内应力 经过塑性变形，可使金属的组织和性能发生经过塑性变形，可使金属的组织和性能发生 一系列重大的变化，这些变化大致可以分为一系列重大的变化，这些变化大致可以分为

25、 如下四个方面：如下四个方面： 第5章金属塑性变形与再结晶 一一) )、晶粒沿变形方向变形，性能趋向各向异性晶粒沿变形方向变形，性能趋向各向异性 金属经过塑性变形，其晶粒会随着外形金属经过塑性变形，其晶粒会随着外形 的变化而发生相应变化，晶界变得模糊，金的变化而发生相应变化，晶界变得模糊，金 属性能具有明显的方向性。属性能具有明显的方向性。 同时金属中的夹杂物也沿变形方向被拉长，形成纤维组织。同时金属中的夹杂物也沿变形方向被拉长，形成纤维组织。 四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 第5章金属塑性变形与再结晶 变形前后晶粒形状变化示意图变形前后晶粒形状变化示

26、意图 对显微组织的影响对显微组织的影响 形成纤维组织形成纤维组织 塑性变形量很大时，各晶塑性变形量很大时，各晶 粒已不能分辨而成为一片如纤维粒已不能分辨而成为一片如纤维 状的条纹，称为纤维组织状的条纹，称为纤维组织 1 1）晶粒拉长）晶粒拉长; ; 2 2）杂质呈细带状或链状分布。）杂质呈细带状或链状分布。 纤维组织具有明显的各向异纤维组织具有明显的各向异 性，纵向的强度和塑性高于横向。性，纵向的强度和塑性高于横向。 四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 第5章金属塑性变形与再结晶 20% 50%70% 0% 工业纯铁经不同程度变形的显微组织工业纯铁经不同程

27、度变形的显微组织 四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 第5章金属塑性变形与再结晶 二）、晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化二）、晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化 a a、随着变形的增大，晶界出现位错堆积。、随着变形的增大，晶界出现位错堆积。 b b、随着变形的增大，晶粒破碎成细碎的亚晶、随着变形的增大，晶粒破碎成细碎的亚晶 粒，位错密度明显增大。粒，位错密度明显增大。 c c、金属产生加工硬化，强度、硬度显著增大，、金属产生加工硬化，强度、硬度显著增大， 塑性韧性下降。塑性韧性下降。 d d、金属物理、化学性能发生显著变化，电阻、金属物理、化学性能发

28、生显著变化，电阻 率增大，耐蚀性下降。率增大，耐蚀性下降。 四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 第5章金属塑性变形与再结晶 三）、产生织构现象三）、产生织构现象 金属塑性变形过程中，不仅晶粒发生变形，金属塑性变形过程中，不仅晶粒发生变形， 晶粒的晶格位向也会沿变形方向发生转动，当晶粒的晶格位向也会沿变形方向发生转动，当 金属塑性变形量达到一定程度（金属塑性变形量达到一定程度（70%90%70%90%），）， 金属中的每个晶粒的晶格位向将沿变形方向趋金属中的每个晶粒的晶格位向将沿变形方向趋 于一致，这种现象称为于一致，这种现象称为 “织构现象织构现象”。 四

29、、冷塑性变形对金属组织和性能的影响四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 2、变形织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈、变形织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈 择优取向的组织。择优取向的组织。 1、择优取向：塑性变形过程中晶粒的转动，使绝大部分晶、择优取向：塑性变形过程中晶粒的转动，使绝大部分晶 粒的某一位向与外力方向趋于一致的现象，也粒的某一位向与外力方向趋于一致的现象，也称为称为 “织构织构 现象现象”。 特征特征:各向异性各向异性 第5章金属塑性变形与再结晶 丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成） 板织构：某晶面趋于平

30、行于轧制面，某晶向趋于平行于主变形板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行于主变形 方向。（轧制时形成）方向。（轧制时形成） 形变织构示意图形变织构示意图 3、织构类型、织构类型 第5章金属塑性变形与再结晶 不利：造成变形不不利：造成变形不 均匀，制耳。均匀，制耳。 4、织构对性能的影响、织构对性能的影响 第5章金属塑性变形与再结晶 四）、产生残余应力四）、产生残余应力 残余应力的存在，会造成：残余应力的存在，会造成： 1 1、零件加工后，残余应力随时间的延长而缓、零件加工后，残余应力随时间的延长而缓 慢松弛，使零件产生变形，影响尺寸精度。慢松弛，使零件产生变形，影响尺寸精度。 2 2、

31、降低了金属的耐腐蚀性、降低了金属的耐腐蚀性 四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 残余应力（约占变形功的残余应力（约占变形功的1010） 塑性变形过程中，塑性变形过程中，外力所做的功除了转化为热量之外，外力所做的功除了转化为热量之外， 还有约还有约10%10%的变形功的变形功转化为内应力残留于金属中，转化为内应力残留于金属中，被保留于被保留于 金属内部，称为储存能，表现为变形金属的残留应力（弹金属内部，称为储存能，表现为变形金属的残留应力（弹 性应变）和点阵畸变（点阵缺陷）。性应变）和点阵畸变（点阵缺陷）。 第5章金属塑性变形与再结晶 1 1 第一类残余应力

32、（第一类残余应力（） 宏观内应力宏观内应力: :由整个物体变形不均匀引起。由整个物体变形不均匀引起。 作用：表面残留压应力，可显著提高其疲劳强度作用：表面残留压应力，可显著提高其疲劳强度 2 2 第二类残余应力（第二类残余应力（ ） 微观内应力微观内应力: :由晶粒变形不均匀引起。由晶粒变形不均匀引起。 作用：造成显微裂纹并导致工件的破坏作用：造成显微裂纹并导致工件的破坏 3 3 第三类残余应力（第三类残余应力（ ）：）： 点阵畸变点阵畸变: :由位错、空位等引起。由位错、空位等引起。80-90%80-90%。 作用：使金属处于热力学不稳定状态，是作用：使金属处于热力学不稳定状态，是“回复和再

33、结回复和再结 晶晶”的驱动力的驱动力 残余应力的种类：残余应力的种类： 四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 第5章金属塑性变形与再结晶 四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响 五）、应变硬化五）、应变硬化 1 1 应变硬化（加工硬化）应变硬化（加工硬化） 定义：冷变形金属随着塑性变形量的增加，金属的定义：冷变形金属随着塑性变形量的增加，金属的 强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工 硬化，也称形变强化。硬化，也称形变强化。 2 2 加工硬化的作用加工硬化的作用 1

34、1）强化金属的一种方法，对一些）强化金属的一种方法，对一些不能用热处理强化不能用热处理强化（固态下（固态下 无相变）的材料尤为重要。无相变）的材料尤为重要。 2 2）加工硬化使塑性变形能够均匀地分布于整个工件，不致集）加工硬化使塑性变形能够均匀地分布于整个工件，不致集 中在某些局部区域而引起破裂。中在某些局部区域而引起破裂。 3 3）加工硬化还可以提高零件或构件在使用中的安全性。）加工硬化还可以提高零件或构件在使用中的安全性。 4 4）加工硬化使金属在冷加工过程中，变形抗力会不断增加，）加工硬化使金属在冷加工过程中，变形抗力会不断增加， 增加动力及设备消耗。增加动力及设备消耗。 第5章金属塑性

35、变形与再结晶 2 2 冷变形金属在加热时的 组织与性能变化 金属经过冷塑性变形，其组织和性能都发生了一系列金属经过冷塑性变形，其组织和性能都发生了一系列 变化，而且变形时所消耗的机械功，还有一小部分以各种变化，而且变形时所消耗的机械功，还有一小部分以各种 类型的缺陷储存于变形金属内，使其自由能升高，处于热类型的缺陷储存于变形金属内，使其自由能升高，处于热 力学亚稳状态力学亚稳状态, ,并存在向稳定状态转变的趋势。低温下这种并存在向稳定状态转变的趋势。低温下这种 转变一般不易实现。加热时由于原子的活动能力增强，变转变一般不易实现。加热时由于原子的活动能力增强，变 形金属的组织和性能会发生一系列的

36、变化，最后趋于较稳形金属的组织和性能会发生一系列的变化，最后趋于较稳 定的状态。定的状态。 金属及合金经冷变形后金属及合金经冷变形后, ,强度、硬度升高，塑性、强度、硬度升高，塑性、 韧性下降，给进一步的冷变形加工（深冲）带来困难，韧性下降，给进一步的冷变形加工（深冲）带来困难， 常需要将金属加热进行退火处理，使其性能向塑性变常需要将金属加热进行退火处理，使其性能向塑性变 形前的状态转化。形前的状态转化。 第5章金属塑性变形与再结晶 显微组织的变化显微组织的变化 将经过将经过较大冷变形量的金属较大冷变形量的金属用比较缓慢的速度加热，并利用用比较缓慢的速度加热，并利用 高温显微镜观察组织，发现组

37、织随加热温度的变化可分为高温显微镜观察组织，发现组织随加热温度的变化可分为3 3个个 阶段，一、回复阶段；二、再结晶阶段；三、晶粒长大。阶段，一、回复阶段；二、再结晶阶段；三、晶粒长大。 一、冷变形金属在加热时的组织和性能的变化一、冷变形金属在加热时的组织和性能的变化 第5章金属塑性变形与再结晶 1. 1. 回复阶段回复阶段 v 加热温度较低时加热温度较低时，变形金属发生恢复过程，原子的，变形金属发生恢复过程，原子的 活动能力不大，活动能力不大，这时金属的晶粒大小和形状没有明显的这时金属的晶粒大小和形状没有明显的 变化变化，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等，只是在晶内发生点缺陷的消失

38、以及位错的迁移等 变化；变化；加工硬化后的强度和硬度基本不变，但塑性略有加工硬化后的强度和硬度基本不变，但塑性略有 回升，残余应力基本消除；物理、化学性能基本恢复到回升，残余应力基本消除；物理、化学性能基本恢复到 变形前的情况。变形前的情况。 v 因此对冷变形金属进行的这种低温加热退火只能用因此对冷变形金属进行的这种低温加热退火只能用 在保留加工硬化而降低内应力改善其它的物理性能的场在保留加工硬化而降低内应力改善其它的物理性能的场 合。合。 第5章金属塑性变形与再结晶 一）一） 回复过程中微观结构的变化机制回复过程中微观结构的变化机制 回复是指冷变形金属加热时，尚未发生光学显微组织变化前回复是

39、指冷变形金属加热时，尚未发生光学显微组织变化前 （即再结晶前）的微观结构及性能的变化过程。（即再结晶前）的微观结构及性能的变化过程。 驱动力：弹性畸变能的降低。驱动力：弹性畸变能的降低。 回复特点：回复特点： 1 1）冷变形后的金属组织晶粒大小和形态没有明显的变化；）冷变形后的金属组织晶粒大小和形态没有明显的变化； 2 2）金属的强度和硬度略有降低，塑性略有升高。）金属的强度和硬度略有降低，塑性略有升高。 3 3）降低了金属的晶格畸变，内应力明显下降。）降低了金属的晶格畸变，内应力明显下降。 回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化；回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化； 1. 1. 回复

40、阶段回复阶段 第5章金属塑性变形与再结晶 二）性能变化二）性能变化 1 、物理性能、物理性能 密度：在回复阶段变化不大密度：在回复阶段变化不大 电阻：电阻在回复阶段可明显电阻：电阻在回复阶段可明显 下降下降 2 2 力学性能力学性能 回复阶段：强度、硬度略回复阶段：强度、硬度略 有下降，塑性略有提高。有下降，塑性略有提高。 3 3 内应力的变化内应力的变化 回复阶段：大部分或全部回复阶段：大部分或全部 消除第一类内应力，部分消除第一类内应力，部分 消除第二、三类内应力；消除第二、三类内应力； 1. 1. 回复阶段回复阶段 第5章金属塑性变形与再结晶 三）回复退火的应用三）回复退火的应用 去应力

41、退火：降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变去应力退火：降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变 形、开裂，提高耐蚀性。形、开裂，提高耐蚀性。 举例冷拉钢丝冷卷弹簧的去应力退火。举例冷拉钢丝冷卷弹簧的去应力退火。 1. 1. 回复阶段回复阶段 第5章金属塑性变形与再结晶 当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增 大，晶粒的形状开始发生变化，被拉长及破碎的晶粒通过重大，晶粒的形状开始发生变化，被拉长及破碎的晶粒通过重 新生核、长大，变成新的均匀、细小的等轴晶粒。这个过程新生核、长大，变成新的均匀、细小的等轴晶粒。这个过程 称为再结晶。称为

42、再结晶。 再结晶的驱动力：弹性畸变能的降低。再结晶的驱动力：弹性畸变能的降低。 再结晶的形核再结晶的形核 和长大过程和长大过程 2、再结晶、再结晶 再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸 变的等轴晶粒。变的等轴晶粒。 第5章金属塑性变形与再结晶 再结晶过程特点再结晶过程特点 再结晶的过程：再结晶过程也由形核和长大两个阶段组成。再结晶的过程：再结晶过程也由形核和长大两个阶段组成。 1 1）冷变形金属发生再结晶后，组织恢复到变形前的状态。）冷变形金属发生再结晶后，组织恢复到变形前的状态。 2 2）其强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大

43、提高，加工硬化）其强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，加工硬化 现象被消除。现象被消除。 3 3）经过再结晶过程之后，内应力完全消除。）经过再结晶过程之后，内应力完全消除。 对比回复与再对比回复与再 结晶的性能结晶的性能 一）、再结晶的形核及长大一）、再结晶的形核及长大 再结晶的核心一般通过两种方式形成，即再结晶的核心一般通过两种方式形成，即 晶界凸出形核晶界凸出形核和和亚晶形核亚晶形核 2、再结晶、再结晶 第5章金属塑性变形与再结晶 1 1晶界凸出形核晶界凸出形核 条件：冷变形度较小的金属。条件：冷变形度较小的金属。 模型：设模型：设A A、B B为相邻晶粒，为相邻晶粒，B B晶粒中的位

44、错密度晶粒中的位错密度AA晶粒，即晶粒，即B B 晶粒的畸变能较高。发生再结晶时，晶界会通过晶界迁移向晶粒的畸变能较高。发生再结晶时，晶界会通过晶界迁移向B B 晶粒内凸出，成为再结晶晶核。晶粒内凸出，成为再结晶晶核。 2、再结晶、再结晶 第5章金属塑性变形与再结晶 2 2 亚晶形核机制亚晶形核机制 亚晶长大形核机制的条件：变形量较大时亚晶长大形核机制的条件：变形量较大时 （因金属变形量大，每个晶粒变形程度相差不大，晶界两（因金属变形量大，每个晶粒变形程度相差不大，晶界两 侧晶粒内畸变能相近，再结晶核心的形成不可能以晶界凸出形侧晶粒内畸变能相近，再结晶核心的形成不可能以晶界凸出形 核方式形成，

45、而直接借助晶粒内某些无应变的亚晶成核）核方式形成，而直接借助晶粒内某些无应变的亚晶成核） 1 1）亚晶合并形核）亚晶合并形核 某些取向差较小某些取向差较小 的相邻亚晶边界的相邻亚晶边界 上的位错网络通上的位错网络通 过解离、拆散并过解离、拆散并 转移到其他亚晶转移到其他亚晶 界上，导致亚晶界上，导致亚晶 界的消失或亚晶界的消失或亚晶 之间的合并而成之间的合并而成 为大角度晶界为大角度晶界。 2、再结晶、再结晶 第5章金属塑性变形与再结晶 2 2） 亚晶直接长大形核（吞并其它亚晶或变形部分）亚晶直接长大形核（吞并其它亚晶或变形部分） 某些取向差较大某些取向差较大 的亚晶界具有较的亚晶界具有较 高

46、的移动性，可高的移动性，可 以直接吞食相邻以直接吞食相邻 亚晶粒亚晶粒 3 3 再结晶晶核的长大再结晶晶核的长大 凸出方式形成的再结晶核心的长大：一旦超过临界半径，便凸出方式形成的再结晶核心的长大：一旦超过临界半径，便 会自发向高畸变能的晶粒中生长；会自发向高畸变能的晶粒中生长； 亚晶机制形成的再结晶核心的长大：一旦形成大角度晶界，亚晶机制形成的再结晶核心的长大：一旦形成大角度晶界， 由于迁移率大，可迅速移动，扫除其遇到的位错，长大。由于迁移率大，可迅速移动，扫除其遇到的位错，长大。 晶界迁移的驱动力：相邻晶粒间的畸变能差晶界迁移的驱动力：相邻晶粒间的畸变能差 晶界移动的方向：背向其曲率中心晶

47、界移动的方向：背向其曲率中心 2、再结晶、再结晶 第5章金属塑性变形与再结晶 1 1 再结晶与相变再结晶与相变( (结晶结晶) )的区别的区别 共同点：共同点：1 1）形核）形核- -长大过程；长大过程； 2 2）都使组织形态发生了彻底改变；）都使组织形态发生了彻底改变； 3 3）转变动力学也有固态相变特点。）转变动力学也有固态相变特点。 区别：区别： 1 1）再结晶前后各晶粒的点阵结构类型和成分都未变化。）再结晶前后各晶粒的点阵结构类型和成分都未变化。 2 2）再结晶温度不像结晶那样有确定的转变温度。）再结晶温度不像结晶那样有确定的转变温度。 再结晶不是相变再结晶不是相变 二）、二）、 再结

48、晶温度再结晶温度 2、再结晶、再结晶 第5章金属塑性变形与再结晶 v 再结晶是在一个温度范围内进行的，若温度过低不能发再结晶是在一个温度范围内进行的，若温度过低不能发 生再结晶；若温度过高，则会发生晶粒长大，因此要获得细生再结晶；若温度过高，则会发生晶粒长大，因此要获得细 小的再结晶晶粒，必须在一个合适的温度范围内进行加热小的再结晶晶粒，必须在一个合适的温度范围内进行加热。 v 2 2 再结晶温度再结晶温度 定义：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度定义：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度 测定方法：金相法、硬度法和测定方法：金相法、硬度法和X X射线衍射法射线衍射法 2、再结晶、再结晶 实际生

49、产中的再结晶温度：实际生产中的再结晶温度： 经严重冷变形（变形量经严重冷变形（变形量70%）的金属或合金，在）的金属或合金，在1h内内 能够完成再结晶的（再结晶体积分数能够完成再结晶的（再结晶体积分数95%）最低温度。）最低温度。 第5章金属塑性变形与再结晶 注：用于生产中再结晶退火温度一般比上述温度高注：用于生产中再结晶退火温度一般比上述温度高100100200200。 这样就既可保证完全再结晶，又不致使晶粒粗化。这样就既可保证完全再结晶，又不致使晶粒粗化。 高纯金属：高纯金属：T再再(0.250.35)Tm。 经验公式经验公式 工业纯金属：工业纯金属：T再再(0.350.45)Tm。 合金

50、：合金：T再再(0.40.9)Tm。 v实验表明，每种金属都有一最低的再结晶温度，即：实验表明，每种金属都有一最低的再结晶温度，即：T再，再， 它和熔点之间存在如下大致关系：它和熔点之间存在如下大致关系： 1、变形量越大，驱动力越大，再结、变形量越大，驱动力越大，再结 晶温度越低；晶温度越低； 2、 纯度越高，再结晶温度越低；纯度越高，再结晶温度越低； 3、加热速度太低或太高，再结晶、加热速度太低或太高，再结晶 温度提高。温度提高。 影响再结晶影响再结晶 温度因素温度因素 2、再结晶、再结晶 第5章金属塑性变形与再结晶 三）三） 影响再结晶的因素影响再结晶的因素 变形量越大，再结晶温度越低；变

51、形量越大，再结晶温度越低； 随变形量增大，结晶温度趋于随变形量增大，结晶温度趋于 稳定；稳定； 变形量低于一定值，再结晶不变形量低于一定值，再结晶不 能进行。能进行。 温度越高，再结温度越高，再结 晶速度越大。晶速度越大。 退火温度退火温度 变形程度变形程度 第5章金属塑性变形与再结晶 原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸 晶粒越小，驱动晶粒越小，驱动 力越大；晶界越力越大；晶界越 多，有利于形核。多，有利于形核。 变形程度变形程度 第5章金属塑性变形与再结晶 结论结论 a a当变形量很小时，由于晶格畸变很当变形量很小时，由于晶格畸变很 小，不足以引起再结晶，故加热时无再结晶小，不足以引起再结晶，故加热时

52、无再结晶 现象，晶粒度仍保持原来的大小。现象，晶粒度仍保持原来的大小。 b b 当变形度达到某一临界值时，由于当变形度达到某一临界值时，由于 此时金属中只有部分晶粒变形，变形极不均此时金属中只有部分晶粒变形，变形极不均 匀，再结晶晶核少，且晶粒极易相互吞并长匀，再结晶晶核少，且晶粒极易相互吞并长 大，因而再结晶后晶粒粗大，这种变形度即大，因而再结晶后晶粒粗大，这种变形度即 为临界变形度。为临界变形度。 没有经过冷作硬化（冷加工硬化）没有经过冷作硬化（冷加工硬化） 的金属不会发生再结晶。的金属不会发生再结晶。 cc当变形度大于临界变形度时，随变形量当变形度大于临界变形度时，随变形量 的增加，越来

53、越多的晶粒发生了变形，的增加，越来越多的晶粒发生了变形， 变形愈趋均匀，晶格畸变大，再结晶的变形愈趋均匀，晶格畸变大，再结晶的 晶核多，再结晶后晶粒愈来愈细。晶核多，再结晶后晶粒愈来愈细。 dd可见冷压加工应注意避免在临界变形度可见冷压加工应注意避免在临界变形度 范围内加工，以免再结晶后产生粗晶粒。范围内加工，以免再结晶后产生粗晶粒。 第5章金属塑性变形与再结晶 恢复变形能力恢复变形能力 改善显微组织改善显微组织 再结晶退火再结晶退火 消除各向异性消除各向异性 提高组织稳定性提高组织稳定性 再结晶温度再结晶温度T T再 再 100100200200。 再结晶的应用再结晶的应用 v 再结晶结束后

54、，金属中内应力全部消除，显微组织恢复到再结晶结束后，金属中内应力全部消除，显微组织恢复到 变形前的状态，其所有性能也恢复到变形前的数值，消除了变形前的状态，其所有性能也恢复到变形前的数值，消除了 加工硬化。加工硬化。 v 所以再结晶退火主要用于金属在变形之后或在变形的过程所以再结晶退火主要用于金属在变形之后或在变形的过程 中，使其硬度降低，塑性长高，便于进一步加工。中，使其硬度降低，塑性长高，便于进一步加工。 第5章金属塑性变形与再结晶 3 .3 .晶粒长大晶粒长大 v 再结晶结束后，若在继续升高温度或延长加热时间，再结晶结束后，若在继续升高温度或延长加热时间， 便会出现大晶粒吞并小晶粒的现象，即晶粒长大。晶粒便会出现大晶粒吞并小晶粒的现象，即晶粒长大。晶粒 长大对材料的机械性能极不利，强度、塑性、韧性下降。长大对材料的机械性能极不利，强度、塑性、韧性下降。 且塑性与韧性下降的更明显。且塑性与韧性下降的更明显。 条件：继续升温或者延长保温条件：继续升温或者延长保温 晶粒长大：再结晶过程结束之后晶粒长大：再结晶过程结束之后 发生的晶粒长大过程。发生的晶粒长大过程。 驱驱 动动 力力：界面能差；：界面能差； 长大方式：长大方式： 正常长大；正常长大； 异常长大（二次再结晶）异常长大（二次再结晶） 与再结晶的驱与再结晶的驱 动力比较？动力比较？ 第5