金属的塑性成形和再结晶

1、第五章 金属的塑性成形和再结晶教学目的及要求通过本章学习，使学生们掌握金属材料变形的过程，塑性变形对组织与性能的影响，变形金属在加热时转变：回复与再结晶。主要内容1塑性变形对金属的组织和性能的影响2冷变形金属加热过程中组织和性能的变化回复与再结晶3金属的热加工冷加工的区别学时安排讲课2学时。教学重点1 塑性变形对组织与性能的影响2 回复与再结晶教学难点1 塑性变形的机理2 回复与再结晶教学过程 一、基本概念 1 金属的塑料成形，又称压力加工指金属材料在外力作用下发生塑性变形的过程。在工业生产上，将钢锭锻造、挤压、轧制、拉拔成各种型钢、钢板、钢管或钢丝等规定尺寸和形状的零件和产品的过程都属金属的

2、塑性成形。 2目的（1）获得规定形状和尺寸的零件和产品；（2）改善金属的组织和性能。 3金属塑性变形的分类 按加工温度是否高于再结晶温度分为两种：冷塑性变形（冷加工）：指在金属再结晶温度以上进行的塑性变形加工，T < T再；热塑性变形（热加工）：指在金属再结晶温度以上进行的塑性变形加工，T > T再。纯金属：T再（0.350.4）T熔（K）合 金：T再（0.50.7）T熔（K）一、金属的塑性变形1单晶体的塑性变形 主要方式：滑移和孪生。一般以滑移为主，孪生通常是在滑移难以进行时发生，是为了进一步滑移。机理：由于晶体中位错的存在降低了晶体的变形抗力。在外力作用下，通过位错的传递，晶体

3、发生滑移和孪生，从而实现金属的塑性变形。实质：是由位错的移动来实现的。金属的晶格类型不同，塑性变形的难易程度不同：面心立方晶格金属最易发生塑性变形，所以塑性较好；其次是体心立方多属，密排六方晶格的金属塑性相对较差。2多晶体的塑性变形实际金属变形方式：滑移晶位的转动影响因素：晶粒位向和晶界。（1）晶粒位向不一致，变形时各晶粒间要相互协调：（2）晶界的影响：一方面是阻碍位错滑移，使变形抗力增大；另一方面是协调变形，晶界自身发生变形，使处于不同变形量的相邻晶粒保持连续。所以，多晶体的塑性变形过程可以这样描述：在外力作用下，变形首先发生在有利滑移的晶粒内，处于不利滑移的晶粒逐渐向有利方向转动，互相协调

4、，由少量晶粒的变形扩大到大量晶粒的变形，从而实现宏观变形。3细晶强化Hall-Pitch公式：s=0+Kd-1/2 （d为晶粒直径）。描述了晶粒大小与金属强度之间的关系：晶粒直径与金属的强度成反比。晶粒越细小，金属的强度越高。原因：（1）晶粒越细，单位体积中的晶界面积越大，对位错的滑移起到阻碍作用，提高了变形抗力；（2）晶界的存在有利于晶粒的移动和转动，推迟裂纹形成，阻碍裂纹扩展，在断裂前承受较大的塑性变形。所以，细化晶粒既可提高材料的强度，又可提高材料的塑性韧性。通过细化晶粒来提高金属的强度的方法称为细晶强化，是一种很重要的金属强韧化手段。二、冷塑性变形对金属组织和和性能的影响 1形成纤维组

5、织，产生各向异性。随着应变量的增加，晶粒被拉长或者压扁，呈细条状或者纤维状；使金属沿变形方向的强度、塑性和韧性都比垂直于变形方向的高，产生了各向异性。 2晶粒内产生亚结构，造成加工硬化。加工硬化：经过冷塑性变形的金属材料，随变形度增加，强度硬度提高，塑性韧性下降的现象，称为加工硬化。产生原因：塑性变形造成晶粒破碎，晶格扭曲，位错密度急剧增加引起。意义：存在有利和不利两个方面。有利方面：提高强度和硬度，是强化金属材料的主要方法之一，尤其是对不能用热处理方法强化的金属。 不利方面：金属的塑性降低，变形抗力提高，使进一步的冷变形困难，必须中间采用退火处理消除加工硬化现象；造成生产成本增加，生产率降低

6、。3大变形量形成的织构带来各向异性。各晶粒内原子排列位向趋于一致称为织构或者择优取向，导致金属材料的各向异性。有利的影响：变压器铁心硅钢片的导磁性能沿扎制方向显著提高，提高变压器的效率。不利的影响：在深冲杯形工件时，容易出现制耳现象，导致杯口边沿不齐，造成废品。4产生残余内应力 。在金属内部塑性变形是不均匀的，当外力去除后，各部分的弹性恢复也不会完全一样，这就使金属内各部分之间产生相互平衡的内应力。影响：降低零件的尺寸稳定性；残余压应力可提高疲劳强度，残余拉应力降低耐腐蚀性能。消除方法：采用去应力退火。三、冷变形金属在加热时组织和性能的变化随着加热温度的升高，冷变形的金属经历三个阶段：回复、再

7、结晶、晶粒长大。1 回复阶段：加热温度较低，基本上保持加工硬化效果 。（1）显微组织：形貌保持不变；原子排列畸变程度减轻，空位剧烈减少。（2）强度硬度略有降低， 内应力明显下降；（3）此阶段称为“去应力退火”。生产中利用回复进行去应力退火，降低残余应力，保留加工硬化效果。如冷卷弹簧在卷制后进行一次2503000C的去应力退火，稳定尺寸。2再结晶阶段：温度较高，加工硬化效果消除，恢复材料的塑性变形能力。再结晶 指经过冷变形的金属，在较高温度下加热并保持一定的时间，形成新的晶核并成长为新的等轴晶粒的过程。组织性能的变化： （1）组织：碎的、拉长的晶粒转变成细小的等轴晶粒。（2）加工硬化、残余应力等

8、完全消除。（3）性能：恢复塑性韧性，强度硬度降低；（4）此阶段又称再结晶退火。应 用 实际生产中，常利用再结晶退火来消除加工硬化。目的是恢复金属的塑性便于进一步冷加工。 3晶粒长大：再结晶结束后，加热温度继续升高或延长时间，晶粒之间便会相互吞并而长大，这一阶段称为晶粒长大。晶粒粗大后，材料的力学性能会变差，必须控制。其后果是强度、塑性和韧性下降。四、影响再结晶晶粒大小的因素（1）加热温度与保温时间。不宜过高，也不能太低。工业中常用的再结晶温度为： （2）预变形程度的影响。变形度越大，再结晶退火后晶粒尺寸越小，要大于临界变形度。临界变形度: 金属冷变形后再结晶时晶粒极易长得粗大，这时所对应的应变

9、量，称为临界变形度。 金属材料的临界变形度一般为（28）。 五、金属的热塑性变形 1 热塑性变形与冷塑性变形的区别（1）再结晶温度以上进行的塑性加工和变形；（2）不引起加工硬化，如果冷却缓慢，也不出现内应力。2热加工对金属组织和性能的影响（1）改善铸锭组织，消除铸态组织缺陷 （2）形成锻造流线热加工纤维组织当金属在加工时，由于发生了再结晶，晶粒的取向会不同程度地偏离变形方向，但脆性夹杂物被打碎拉长形成的纤维方向不变，这样由一条条热加工中的流线勾划出来的组织，叫做纤维组织。流线使金属仍有各向异性，拉伸时沿流线方向的力学性能好，垂直流线的方向力学性能较差。在制定热加工工艺时，应尽量使流线与工件所受的最大拉应力方向一致，而与外剪切应力或冲击应力的方向垂直。如图56中，图（a）所示曲轴锻坯流线分布合理，图（b）