第4章 金属的塑性变形与再结晶

1、工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 讨讨 论论 p 材料在外力作用下会发生那些种类的材料在外力作用下会发生那些种类的 变形变形 ？ p 铁丝在室温下反复弯折，会越变越硬，铁丝在室温下反复弯折，会越变越硬， 直到断裂，为什么？如果是铅丝呢？直到断裂，为什么？如果是铅丝呢？ 机机 械械 工工 程程 材材 料料 第第4 4章章 金属的塑性变形与再结晶 概述概述4.14.1 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形4.24.2 塑性变形对金属组织性能的影响塑性变形对金属组织性能的影响4.34.3 超塑性超塑性 4.44.4 塑性变形金属在加热时组织性能变化塑性变形金属在加热时组织性能变化 4.5

2、4.5 4.64.6 总结总结 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.1 概述概述 材料在外力作用下会发生变形，这 种变形通常包括弹性变形与塑性变形两 种。塑性变形是金属材料的一种重要加 工成形方法，而且更为重要的是塑性变 形还可改变材料内部组织与结构并影响 其宏观性能。 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.1 概述概述 本章讨论的重点本章讨论的重点 v 金属塑性变形（主要是滑移变形） 的特点 v 塑性变形对金属组织、性能的影 响（特别是加工硬化现象） v 回复与再结晶的有关概念 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 1、单晶体的塑性变形滑移

3、和孪生 2、多晶体的塑性变形 主要内容包括主要内容包括 机机 械械 工工 程程 材材 料料 1、单晶体的塑性变形滑移和孪生 （1 1）滑移）滑移 在外加切应力作用下，在外加切应力作用下， 晶体的一部分相对于另一晶体的一部分相对于另一 部分沿一定晶面（滑移面）部分沿一定晶面（滑移面） 的一定方向（滑移方向）的一定方向（滑移方向） 发生相对的滑动发生相对的滑动 。 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 q 正应力作用使晶格发生弹

4、性伸长；正应力作用使晶格发生弹性伸长； ，伸长量伸长量，原子间结合力时，原子间结合力时， 拉断。正应力拉断。正应力只能使晶体产生弹性变形只能使晶体产生弹性变形 和断裂，不能使晶体产生塑性变形。和断裂，不能使晶体产生塑性变形。 q 切应力作用使晶格发生弹性歪扭；切应力作用使晶格发生弹性歪扭； c c（ （临界切应力），临界切应力），变形量变形量， OO，变形恢复；变形恢复；c c，发生滑移，发生滑移， 产生永久塑性变形。产生永久塑性变形。 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 滑移面滑移面 原子排原子排 列密度最大的列密度最大的 晶面晶面 原 子 排原

5、 子 排 列密度最大的列密度最大的 方向方向 滑移方向滑移方向 + += =滑移系滑移系 滑 移 面 和滑 移 面 和 该面上的一个该面上的一个 滑移方向滑移方向 机机 械械 工工 程程 材材 料料 6 6个滑移面个滑移面 2 2个滑移方向个滑移方向=1212个滑移系个滑移系 BCC 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 FCC 4 4个滑移面个滑移面 3 3个滑移方向个滑移方向=1212个滑移系个滑移系 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 1 1个滑移面个滑

6、移面 3 3个滑移方向个滑移方向=3 3个滑移系个滑移系 HCP 机机 械械 工工 程程 材材 料料 滑移与位错 v 刚性滑移模型计算出的临界切应 力值实测值 v 滑移的实现 借助于位错运动。 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 机机 械械 工工 程程 材材 料料 位错在外加切应力的作用下移动位错在外加切应力的作用下移动 至晶体表面至晶体表面 一个原子间距的滑移一个原子间距的滑移 台阶台阶 塑性变形塑性变形 。 滑移线（晶体表面滑移线（晶体表面 的滑移台阶）的滑移台阶）滑移滑移 带（大量滑移线）带（大量滑移线） 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 机机 械械 工工 程程 材

7、材 料料 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 （2）孪生）孪生 晶体的一切分相对晶体的一切分相对 于另一部分沿一定晶面于另一部分沿一定晶面 （孪生面）和晶向（孪（孪生面）和晶向（孪 生方向）发生切变。生方向）发生切变。 机机 械械 工工 程程 材材 料料 孪生的特点孪生的特点 金属晶体中金属晶体中 变形部分与未变形部分与未 变形部分在孪变形部分在孪 生面两侧形成生面两侧形成 镜面对称关系。镜面对称关系。 发生孪生的发生孪生的 部分（切变部部分（切变部 分）称为孪生分）称为孪生 带或孪晶。带或孪晶。 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.

8、2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 滑移和孪生的比较滑移和孪生的比较 滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向 进行，产生塑性变形； 孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移 较难进行时发生； 滑移原子移动的相对位移是原子间距的整数值不引 起晶格位向的变化，孪生原子移动的相对位移是原子间距 的分数值孪晶晶格位向改变促进滑移； 孪生产生的塑性变形量小（滑移变形量的10） 孪 生变形引起的晶格畸变大。 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 FCCFCC、BCCBCC和和HCPHCP的比较 . FCC金属一般不发生孪生，少 数在极低温

9、度下发生。 . BCC金属仅在室温或受冲击时 发生。 . HCP金属较容易发生孪生。 机机 械械 工工 程程 材材 料料 （1）影响多晶体塑性变形的因素 晶粒位向 晶界 晶粒位向不一致晶粒位向不一致 .滑移的主要障碍：晶界原子排列较滑移的主要障碍：晶界原子排列较 不规则不规则缺陷多缺陷多滑移阻力大滑移阻力大变形变形 抗力大。抗力大。 .协调变形：晶界自身变形协调变形：晶界自身变形处于不处于不 同变形量的相临晶粒保持连续。同变形量的相临晶粒保持连续。 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 （2 2）细晶强化

10、细晶强化 v 晶粒小晶界面积大变形抗力大强度大 v 晶粒小晶界附近位错密度小应力集中小 滑移由这晶粒到另外一个晶粒机会少变形 困难屈服强度 v 晶粒小单位体积晶粒多变形分散减少 应力集中 v 晶粒小晶界多不利于裂纹的传播断裂 前承受较大的塑性变形 机机 械械 工工 程程 材材 料料 （3 3）多晶体的塑性变形的特点多晶体的塑性变形的特点 v 加载时，各晶粒的滑移面和滑移方向 相对于受力方向是不相同的，那些受最大 或接近最大分切应力位向的晶粒处于软位 向。 v 分批，逐步的进行，从软位向到硬位 向，从少数晶粒到多数晶粒，从不均匀变 形到均匀变。 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 机机

11、 械械 工工 程程 材材 料料 4.2 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.3 塑性变形对金属组织性能的影响塑性变形对金属组织性能的影响 1、晶粒内部组织发生变化，产生、晶粒内部组织发生变化，产生 加工硬化加工硬化现象；现象； 2、纤维组织纤维组织； 3、织构织构择优取向择优取向 ； 4、残余内应力残余内应力 。 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.3 塑性变形对金属组织性能的影响塑性变形对金属组织性能的影响 1、加工硬化 v 金属在冷态下进行塑性变形时， 随着变形度的增加，其强度、硬度 提高，塑性、韧性下降的现象 加工硬化。 机机 械械 工工 程

12、程 材材 料料 4.3 塑性变形对金属组织性能的影响塑性变形对金属组织性能的影响 低碳钢的加工硬化现象低碳钢的加工硬化现象 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.3 塑性变形对金属组织性能的影响塑性变形对金属组织性能的影响 1）一种强化手段 2）冷加工成形得以顺利进行 3）具有过载能力，使用安全 4）塑性，切削性能 不利：塑性变形困难中间退火 消除硬化。 加工硬化意义 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.3 塑性变形对金属组织性能的影响塑性变形对金属组织性能的影响 位错强化 塑性变形位错开动位错大量增殖相互作用运动阻力 加大变形抗力强度、硬度、塑性、韧性 位错强化：位错密度强度、硬度 机

13、机 械械 工工 程程 材材 料料 4.3 塑性变形对金属组织性能的影响塑性变形对金属组织性能的影响 2 2纤维组织纤维组织 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.3 塑性变形对金属组织性能的影响塑性变形对金属组织性能的影响 3 3、织构、织构择优取向择优取向 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.3 塑性变形对金属组织性能的影响塑性变形对金属组织性能的影响 4 4残余内应力残余内应力 v 第一类内应力第一类内应力宏观，表面和心部，宏观，表面和心部， 塑性变形不均塑性变形不均 v 第二类内应力第二类内应力微观，晶粒间或晶微观，晶粒间或晶 内不同区域变形不均内不同区域变形不均 v 第三类内应力

14、第三类内应力超微观，晶粒畸变超微观，晶粒畸变 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.4 塑性变形金属在加热时组织性能变化塑性变形金属在加热时组织性能变化 包括以下内容： q 回复回复 q 再结晶再结晶 q 晶粒长大晶粒长大 q 热加工对金属组织和性能的影响热加工对金属组织和性能的影响 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.4 塑性变形金属在加热时组织性能变化塑性变形金属在加热时组织性能变化 1 1回复回复 D较小，物理化学性能恢复，内应较小，物理化学性能恢复，内应 力显著降低，强度和硬度略有降低力显著降低，强度和硬度略有降低 去应力退火。去应力退火。 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4

15、.4 塑性变形金属在加热时组织性能变化塑性变形金属在加热时组织性能变化 2 2再结晶再结晶 v 新核的形成、长大过程，无新相生成； v 加工硬化消除，力学性能恢复，显微组织发生显 著变化等轴晶粒，强度大大下降； v 再结晶退火：消除加工硬化的热处理工艺 v 再结晶温度：纯金属 TR=0.4-0.35Tm(K) 合金：TR=0.5-0.7Tm(K) 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.4 塑性变形金属在加热时组织性能变化塑性变形金属在加热时组织性能变化 在金属学中，冷、热加工的界限 是以 再结晶温度来划分的，铜（m 1084）在室温下变形加工为 （ ） 加工；锡（m ） 在 室 温 下 的

16、变 形 加 工 为 （ ） 加工；钨（m 3400）在1100 下的变形加工为 （ ）加工。 它们的再结晶退火温度为多少？ 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.4 塑性变形金属在加热时组织性能变化塑性变形金属在加热时组织性能变化 铜的再结晶温度为：铜的再结晶温度为： T Z =0.4 (1083+273) 273=269.4 ； 铜的再结晶退火温度为：铜的再结晶退火温度为： 269.4+ 269.4+ （ 100 100 200 200 ） =369.4 =369.4 469.4 469.4 。 常见错误 ： 运用经验公式时，将摄氏温度直接代入而致错； 将最低再结晶温度与再结晶退火温度混为

17、一谈。 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.4 塑性变形金属在加热时组织性能变化塑性变形金属在加热时组织性能变化 温度TD晶界迁移 晶粒长大速度 预变形度 原始晶粒尺寸 杂质 合金元素 影响再结晶晶粒度的因素影响再结晶晶粒度的因素 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.4 塑性变形金属在加热时组织性能变化塑性变形金属在加热时组织性能变化 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.4 塑性变形金属在加热时组织性能变化塑性变形金属在加热时组织性能变化 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.4 塑性变形金属在加热时组织性能变化塑性变形金属在加热时组织性能变化 4热加工对金属组织和性能的影响 如

18、何区分某一加工为热加工还 是冷加工？ 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.4 塑性变形金属在加热时组织性能变化塑性变形金属在加热时组织性能变化 热加工，不引起加工硬 化提高金属致密度、消 除枝晶偏析，打碎柱状晶， 树枝晶； 流线分布； 消除铸造缺陷。 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.4 塑性变形金属在加热时组织性能变化塑性变形金属在加热时组织性能变化 冷变形加工冷变形加工和和热变形加工的比较热变形加工的比较 变形类型变形类型工艺方法工艺方法组织变化组织变化 性能变化性能变化 冷变冷变 形形 加工加工 冷轧、拉拔、 冷挤压、冷 冲压、冷镦 等 晶粒沿变形方向伸长，形成冷加 工纤维组织

19、 趋于各向异性 晶粒破碎，形成亚结构，位错密 度增加 强度提高，塑性下降， 产生加工硬化。 冷拉、冷轧 等 晶粒位向趋于一致，形成形变织 构 趋于各向异性 热变热变 形形 加工加工 自由锻、模 锻、热轧、 热挤压等 焊合铸造组织中存在的气孔，缩 松等缺陷 力学性能提高，密度 提高 击碎铸造柱状晶粒、粗大枝晶及 碳化物，偏析减少，晶粒细化 夹杂物沿变形方向伸长，形成流 线组织，缓慢冷却可形成带状组 织 趋于各向异性，沿流 线方向力学性能提高 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.5 超塑性超塑性 v 超塑性：某些合金在特定的条件下进行 拉伸时，其延伸率可达到100%-1000%。 而所需的变形

20、应力却很小，称这种现象为 “超塑性“。 v 1.微细晶粒超塑性 v 2. 相变超塑性 机机 械械 工工 程程 材材 料料 4.6 总结总结 滑移及孪晶的概念，特点及异同；滑移及孪晶的概念，特点及异同； 三种典型的晶体结构滑移特点的比较；三种典型的晶体结构滑移特点的比较； 多晶体的塑性变形特点；多晶体的塑性变形特点； 冷塑性变形对金属性能的影响；冷塑性变形对金属性能的影响； 塑性变形金属在加热时组织性能变化；塑性变形金属在加热时组织性能变化； 再结晶温度与再结晶退火温度。再结晶温度与再结晶退火温度。 机机 械械 工工 程程 材材 料料 课堂练习课堂练习 一、填空一、填空 1金属材料经压力加工变形

21、后，不仅改变了金属材料经压力加工变形后，不仅改变了 ， 而且改变了而且改变了 。 2弹性变形的本质是外力克服弹性变形的本质是外力克服 ，使原子间距发，使原子间距发 生改变。生改变。 3多晶体内晶界对塑性变形有较大的多晶体内晶界对塑性变形有较大的 作用，这是作用，这是 因为晶界处原子排列比较因为晶界处原子排列比较 ，阻碍了，阻碍了 的移动，的移动， 所以晶界越多，多晶体的所以晶界越多，多晶体的 越大。越大。 4.从金属学观点来说，凡在从金属学观点来说，凡在 温度以下进行的加工温度以下进行的加工 称为称为 ，在，在 温度以上进行的加工称为温度以上进行的加工称为 。 机机 械械 工工 程程 材材 料

22、料 二、判断对错二、判断对错 1 1一般来说，晶体内滑移面和滑移方向越多，则金属的一般来说，晶体内滑移面和滑移方向越多，则金属的 塑性越好。塑性越好。 2 2实际上滑移是借助于位错的移动来实现的，故晶界处实际上滑移是借助于位错的移动来实现的，故晶界处 滑移阻力最小。滑移阻力最小。 3 3塑性变形只改变金属的力学性能。塑性变形只改变金属的力学性能。 4 4回复时，金属的显微组织没有明显变化。回复时，金属的显微组织没有明显变化。 5 5金属铸件可以用再结晶退火来细化晶粒。金属铸件可以用再结晶退火来细化晶粒。 6 6为保持冷变形金属的强度和硬度，应采用再结晶退火。为保持冷变形金属的强度和硬度，应采用再结晶退火