大学工程材料课件第五章金属的塑性变形与再结晶

1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院Engineering Materials第五章金属的塑性变形与再结晶第五章金属的塑性变形与再结晶两个方面的问题两个方面的问题l 塑性变形塑性变形 各种压力加工，如轧制、锻造、挤压、拉拔、冲压等，均能使金属发生各种压力加工，如轧制、锻造、挤压、拉拔、冲压等，均能使金属发生塑性变形。塑性变形。一般来说，金属在常温下发生的塑性变形是冷塑性变形。一般来说，金属在常温下发生的塑性变形是冷塑性变形。金属发生冷塑性变形后，其内部组织、结构和性能均将发生变化，宏观金属发生冷塑性变形后，其内部组织、结构和性能均将发生变化，宏观性能表现为强度和硬度、电阻率升高，塑性和韧性、耐

2、腐蚀性降低。性能表现为强度和硬度、电阻率升高，塑性和韧性、耐腐蚀性降低。l 回复与再结晶回复与再结晶经过冷塑性变形的金属被重新加热后，其内部组织、结构和性能又将发经过冷塑性变形的金属被重新加热后，其内部组织、结构和性能又将发生变化，宏观性能表现为强度和硬度降低，塑性和韧性升高。生变化，宏观性能表现为强度和硬度降低，塑性和韧性升高。未变形未变形滑移滑移 孪生孪生 5.15.1金属的塑性变形金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形滑移滑移：在切应力作用在切应力作用下，晶体的一部分沿一下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对滑动另一部分发生相

3、对滑动位移的现象。位移的现象。孪生孪生：在切应力作用在切应力作用下，晶体的一部分沿一下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于定的晶面和晶向相对于另一部分发生对称切变另一部分发生对称切变的现象。的现象。两种方式：两种方式：1 1、滑移变形的特点、滑移变形的特点滑移只能在切应力的作用下发生滑移只能在切应力的作用下发生产生滑移所需的最小切应力称为临界切应力。产生滑移所需的最小切应力称为临界切应力。5.15.1金属的塑性变形金属的塑性变形锌单晶体拉伸试验示意图锌单晶体拉伸试验示意图重要现象：重要现象：当外力与滑移所发生的晶当外力与滑移所发生的晶面之间呈面之间呈4545 时，临界切应力时，临界切应力最小

4、，即当单晶体在外力作用最小，即当单晶体在外力作用下，呈下，呈4545 角的晶面最容易产角的晶面最容易产生滑移。生滑移。滑移沿原子密度最大的晶面和原子密度最大的晶向发生滑移沿原子密度最大的晶面和原子密度最大的晶向发生滑移面滑移面滑移方向滑移方向滑移系滑移系体心立方晶格（体心立方晶格（bcc)面心立方晶格面心立方晶格(fcc)密排六方晶格密排六方晶格(hcp)1101115.15.1金属的塑性变形金属的塑性变形重要结论：重要结论：滑移系越多，则金属发生滑移的可能性越大，该金属的塑性也越好。滑移系越多，则金属发生滑移的可能性越大，该金属的塑性也越好。滑移的结果会在金属表面造成台阶。滑移的结果会在金属

5、表面造成台阶。5.15.1金属的塑性变形金属的塑性变形滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍滑移带和滑移线滑移带和滑移线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单晶体拉伸变形过程单晶体拉伸变形过程a)原试样；原试样；b)自由滑移变形；自由滑移变形；c)受夹头限制时的变形受夹头限制时的变形5.15.1金属的塑性变形金属的塑性变形2 2、滑移的机理、滑移的机理 滑移是通过位错在滑移面上的运动实现的。滑移是通过位错在滑移面上的运动实现的。 当位错线扫过滑移面到达金属表面时，便产生一个原子间距的滑移量，当位错线扫过滑移面到达金属表面时，便产

6、生一个原子间距的滑移量，同一滑移面上若有大量位错移出，则会在金属表面形成一条滑移线。同一滑移面上若有大量位错移出，则会在金属表面形成一条滑移线。重要结论：重要结论： 位错运动越困难，则金属的强度越高；反之则强度越低，塑性越好。位错运动越困难，则金属的强度越高；反之则强度越低，塑性越好。5.15.1金属的塑性变形金属的塑性变形晶体通过位错运动而造成滑移晶体通过位错运动而造成滑移 位错运动位错运动.swf 位错位错3D运动运动.swf5.15.1金属的塑性变形金属的塑性变形二、多晶体金属的塑性变形二、多晶体金属的塑性变形多晶体金属发生塑性变形的方式仍然是滑移或孪生。多晶体金属发生塑性变形的方式仍然

7、是滑移或孪生。（一）晶界和晶粒位向对多晶体塑性变形的影响（一）晶界和晶粒位向对多晶体塑性变形的影响晶界的存在和每个晶粒间存在的位向差将导致强度和硬度提高。晶界的存在和每个晶粒间存在的位向差将导致强度和硬度提高。 （原子紊乱）（易变形位向不同）（原子紊乱）（易变形位向不同）位错的塞积位错的塞积5.15.1金属的塑性变形金属的塑性变形（二）晶粒大小对多晶体金属力学性能的影响（二）晶粒大小对多晶体金属力学性能的影响1 1、对硬度和强度的影响、对硬度和强度的影响晶粒越小，则晶界越多，金属的强度和硬度越高；晶粒越小，则晶粒晶粒越小，则晶界越多，金属的强度和硬度越高；晶粒越小，则晶粒越多，位向差越显著，每

8、个晶粒变形时受到的约束也越大，金属的强度和越多，位向差越显著，每个晶粒变形时受到的约束也越大，金属的强度和硬度越高。硬度越高。因此，多晶体金属的晶粒越细小，则强度和硬度越高。因此，多晶体金属的晶粒越细小，则强度和硬度越高。2 2、对塑性和韧性的影响、对塑性和韧性的影响晶粒越小，则晶粒越多，同时参与变形的晶粒也越多，变形越均匀，晶粒越小，则晶粒越多，同时参与变形的晶粒也越多，变形越均匀，不易造成局部应力集中，可推迟裂纹的形成和扩展，使金属能够发生很大不易造成局部应力集中，可推迟裂纹的形成和扩展，使金属能够发生很大的塑性变形而不断裂。同时，要使金属断裂则需要更大的能量。的塑性变形而不断裂。同时，要

9、使金属断裂则需要更大的能量。因此，多晶体金属的晶粒越细小，则塑性和韧性越好。因此，多晶体金属的晶粒越细小，则塑性和韧性越好。 细晶强化：细晶强化：通过细化多晶体金属的晶粒，以同时提高金属的强度和硬度、塑性和通过细化多晶体金属的晶粒，以同时提高金属的强度和硬度、塑性和韧性的方法。韧性的方法。5.15.1金属的塑性变形金属的塑性变形三、合金的塑性变形三、合金的塑性变形（一）单相固溶体合金的塑性变形（一）单相固溶体合金的塑性变形固溶体中存在溶质原子，造成晶格畸变，从而对位错的运动有阻碍固溶体中存在溶质原子，造成晶格畸变，从而对位错的运动有阻碍作用，使合金的强度和硬度升高。作用，使合金的强度和硬度升高

10、。溶质原子在位错线上的偏聚，会对位错起溶质原子在位错线上的偏聚，会对位错起“钉扎钉扎”作用，使位错运作用，使位错运动困难，也使合金的强度和硬度升高。动困难，也使合金的强度和硬度升高。 固溶强化：固溶强化：通过在金属中溶入某种溶质元素，从而形成固溶体而使合金的强度通过在金属中溶入某种溶质元素，从而形成固溶体而使合金的强度和硬度提高的方法。和硬度提高的方法。5.15.1金属的塑性变形金属的塑性变形（二）多相合金的塑性变形（二）多相合金的塑性变形多相合金的组织中通常有两类不同的相，一是连续分布的基体相，多相合金的组织中通常有两类不同的相，一是连续分布的基体相，二是以一定的形状和数量分布在基体相中的分

11、散相（又称为第二相）。二是以一定的形状和数量分布在基体相中的分散相（又称为第二相）。分散相的性质、形状、大小、数量及分布对多相合金的塑性变形和分散相的性质、形状、大小、数量及分布对多相合金的塑性变形和力学性能有很大的影响。力学性能有很大的影响。1 1、第二相以网状分布在晶界上、第二相以网状分布在晶界上降低强度和韧性。降低强度和韧性。如过共析钢平衡组织中的如过共析钢平衡组织中的FeFe3 3C C。2 2、第二相以片状分布在基体相中、第二相以片状分布在基体相中提高强度和硬度，降低塑性和韧性。提高强度和硬度，降低塑性和韧性。如共析钢平衡组织中的如共析钢平衡组织中的FeFe3 3C C。3 3、第二

12、相以颗粒状分布在基体相中、第二相以颗粒状分布在基体相中显著提高强度和硬度，略降低塑性和韧性。显著提高强度和硬度，略降低塑性和韧性。如粒状珠光体中的如粒状珠光体中的FeFe3 3C C。 弥散强化：弥散强化：第二相以细小的颗粒形状，均匀弥散地分布在基体相中，以第二相以细小的颗粒形状，均匀弥散地分布在基体相中，以显著提显著提高合金强度和硬度的高合金强度和硬度的方法。又称为分散强化、第二相强化、沉淀强化。方法。又称为分散强化、第二相强化、沉淀强化。 黄铜中围绕着黄铜中围绕着Al2O3颗粒的位错环颗粒的位错环 AlAl2 2O O3 3位错环位错环位错线位错线5.15.1金属的塑性变形金属的塑性变形位

13、错线切过留下的痕迹位错线切过留下的痕迹NiNi3 3AlAl粒子粒子在在NiCrAl合金中位错切过合金中位错切过Ni3Al粒子粒子一、塑性变形对金属组织影响一、塑性变形对金属组织影响 1 1、晶粒形状发生变化、晶粒形状发生变化等轴状等轴状晶粒伸长晶粒伸长纤维状纤维状 2 2、晶粒破碎成亚晶粒、晶粒破碎成亚晶粒 随着变形量的增加，位错密度不断升高，晶粒内形成许多亚晶粒。随着变形量的增加，位错密度不断升高，晶粒内形成许多亚晶粒。3 3、产生形变织构、产生形变织构 由于塑性变形使晶粒具有择优取向的组织，称为形变织构。由于塑性变形使晶粒具有择优取向的组织，称为形变织构。5.25.2塑性变形对金属组织和

14、性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响 晶粒拉长晶粒拉长.swf 性能各向异性性能各向异性5.25.2塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响深冲件的制耳深冲件的制耳5.25.2塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响二、塑性变形对金属性能的影响二、塑性变形对金属性能的影响 1 1、产生加工硬化、产生加工硬化 加工硬化（形变强化）：加工硬化（形变强化）： 随着变形量的增加，金属强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象。随着变形量的增加，金属强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象。残余内应力的危害：残余内应力的危害：引起压力加工、热处理引起压力加工、热处理过程

15、中零件的变形和开裂。过程中零件的变形和开裂。降低金属的强度（第一、降低金属的强度（第一、二类内应力）。二类内应力）。降低金属的耐腐蚀性。降低金属的耐腐蚀性。残余内应力的消除：残余内应力的消除：去应力退火或低温回火。去应力退火或低温回火。5.25.2塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响2 2、产生残余内应力、产生残余内应力宏观内应力（第一类内应力）：宏观内应力（第一类内应力）：平衡于金平衡于金属表层与心部之间的内应力。属表层与心部之间的内应力。 产生原因：产生原因：表层与心部变形不一致。表层与心部变形不一致。微观内应力（第二类内应力）：微观内应力（第二类内应力）：平衡于晶

16、平衡于晶粒之间或晶粒内部的内应力。粒之间或晶粒内部的内应力。 产生原因：产生原因：晶粒之间的变形不均匀。晶粒之间的变形不均匀。点阵畸变（第三类内应力）：点阵畸变（第三类内应力）：存在于晶体存在于晶体缺陷中的内应力。缺陷中的内应力。( (占占90%90%以上以上) ) 产生原因：产生原因：晶体缺陷增加引起畸变增大。晶体缺陷增加引起畸变增大。5.35.3回复与再结晶回复与再结晶冷变形金属在不同加热温度时冷变形金属在不同加热温度时组织和性能的变化组织和性能的变化三、变形金属在加热过程中组织和性能的变化：回三、变形金属在加热过程中组织和性能的变化：回复复+ +再结晶再结晶（一）回复（一）回复 冷变形金

17、属在较低温度加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的冷变形金属在较低温度加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能的变化过程称为回复。某些亚结构和性能的变化过程称为回复。 1 1、组织、结构方面、组织、结构方面显微组织没有明显变化。显微组织没有明显变化。亚结构发生一定的变化，表现为晶体缺陷数量有所减少。亚结构发生一定的变化，表现为晶体缺陷数量有所减少。空位与间隙原子的合并、同一滑移面上的异号位错相互抵消。空位与间隙原子的合并、同一滑移面上的异号位错相互抵消。2 2、性能方面、性能方面力学性能没有明显变化。力学性能没有明显变化。强度和硬度略有下降，塑性和韧性略有升高。强度和硬度略有

18、下降，塑性和韧性略有升高。内应力和电阻率明显降低。内应力和电阻率明显降低。3 3、工业应用、工业应用去应力退火去应力退火将已经加工硬化的金属在较低的温度下加热，使其内应力基本消除，将已经加工硬化的金属在较低的温度下加热，使其内应力基本消除，同时保持加工硬化的工艺方法。同时保持加工硬化的工艺方法。 举例：举例：冷卷弹簧制品，在成型后进行一次冷卷弹簧制品，在成型后进行一次250250300300 C C的低温加热，充的低温加热，充分消除残余内应力，稳定尺寸，改善性能。分消除残余内应力，稳定尺寸，改善性能。5.35.3回复与再结晶回复与再结晶（二）再结晶（二）再结晶 冷变形金属在加热到一定温度后，在

19、已变形组织中重新产生无畸变的新冷变形金属在加热到一定温度后，在已变形组织中重新产生无畸变的新晶粒，性能发生明显的变化，并恢复到完全软化状态的过程称为再结晶。晶粒，性能发生明显的变化，并恢复到完全软化状态的过程称为再结晶。1 1、组织、结构方面、组织、结构方面变形的晶粒完全恢复为等轴状晶粒。变形的晶粒完全恢复为等轴状晶粒。晶体缺陷数量明显减少。晶体缺陷数量明显减少。2 2、性能方面、性能方面强度和硬度显著下降，塑性和韧性显著升高。强度和硬度显著下降，塑性和韧性显著升高。冷变形时的加工硬化现象完全消失。冷变形时的加工硬化现象完全消失。内应力也基本被消除。内应力也基本被消除。 3 3、工业应用、工业

20、应用再结晶退火再结晶退火将已经加工硬化的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶，以消将已经加工硬化的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶，以消除加工理化的工艺方法。除加工理化的工艺方法。 举例：举例：冷拉钢丝时，每拉拔一次，中间均进行再结晶退火，消除加工硬冷拉钢丝时，每拉拔一次，中间均进行再结晶退火，消除加工硬化，以便于下一次拉拔。化，以便于下一次拉拔。5.35.3回复与再结晶回复与再结晶4 4、再结晶的驱动力、再结晶的驱动力再结晶的驱动力来自冷变形所产生的储存能。再结晶的驱动力来自冷变形所产生的储存能。再结晶过程也是一个形核和长大的过程。在温度作用下，再结晶的核再结晶过程也是一个形核和

21、长大的过程。在温度作用下，再结晶的核心（晶核）在变形造成的最大畸变处形成，随后进一步长大，最终全面替心（晶核）在变形造成的最大畸变处形成，随后进一步长大，最终全面替换畸变的晶粒，金属组织重新恢复成无畸变的等轴晶。换畸变的晶粒，金属组织重新恢复成无畸变的等轴晶。5 5、再结晶温度、再结晶温度冷变形金属发生再结晶的最低温度。冷变形金属发生再结晶的最低温度。再结晶不是一个恒温过程，没有恒定的转变温度。因此，再结晶温度再结晶不是一个恒温过程，没有恒定的转变温度。因此，再结晶温度的意义是开始发生再结晶的温度，即在畸变的晶粒中产生无畸变等轴晶粒的意义是开始发生再结晶的温度，即在畸变的晶粒中产生无畸变等轴晶

22、粒的最低温度。的最低温度。6 6、再结晶与重结晶（相变）的区别、再结晶与重结晶（相变）的区别本质区别在于是否发生晶体结构和化学成分的变化。本质区别在于是否发生晶体结构和化学成分的变化。再结晶过程没有，重结晶（相变）过程有。再结晶过程没有，重结晶（相变）过程有。5.35.3回复与再结晶回复与再结晶 纯金属的再结晶温度：纯金属的再结晶温度：T T再再0.40.4T Tm m， 单位为单位为K K（三）晶粒长大（三）晶粒长大 冷变形金属在再结晶结束后，继续升高温度或保温，晶粒就会不断长大，冷变形金属在再结晶结束后，继续升高温度或保温，晶粒就会不断长大，这一过程即称为晶粒长大。这一过程即称为晶粒长大。

23、晶粒长大的类型晶粒长大的类型正常长大正常长大随温度升高或保温时间延长，晶粒均匀连续地长大。随温度升高或保温时间延长，晶粒均匀连续地长大。反常长大（二次反常长大（二次再结晶）再结晶）晶粒不均匀不连续地迅速长大。晶粒不均匀不连续地迅速长大。四、影响再结晶后晶粒度的因素四、影响再结晶后晶粒度的因素1 1、加热温度和保温时间、加热温度和保温时间加热温度越高、保温时间越长，晶粒越粗大。加热温度越高、保温时间越长，晶粒越粗大。其中温度的影响尤其显著。其中温度的影响尤其显著。2 2、变形程度、变形程度变形量较小变形量较小不发生再结晶，晶粒保持原状、大小。不发生再结晶，晶粒保持原状、大小。变形量达到变形量达到

24、2 210%10%再结晶后的晶粒异常粗大。再结晶后的晶粒异常粗大。2 210%10%的变形量称为临界变形度。的变形量称为临界变形度。变形量超过临界变形度变形量超过临界变形度随变形程度的增加，晶粒细小而均匀。随变形程度的增加，晶粒细小而均匀。5.35.3回复与再结晶回复与再结晶5.35.3回复与再结晶回复与再结晶加热温度对晶粒度的影响加热温度对晶粒度的影响5.35.3回复与再结晶回复与再结晶预先变形程度对晶粒度的影响预先变形程度对晶粒度的影响一、热加工与冷加工一、热加工与冷加工热加工：热加工：指在再结晶温度以上的加工过程。指在再结晶温度以上的加工过程。 冷加工：冷加工：指在再结晶温度以下的加工过

25、程。指在再结晶温度以下的加工过程。二、动态回复和动态再结晶二、动态回复和动态再结晶金属在热加工时，温度在金属在热加工时，温度在T再再之上，因此金属内部同时进行着加工硬化之上，因此金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程，即回复和再结晶是边加工边发生的，与回复再结晶软化两个相反的过程，即回复和再结晶是边加工边发生的，此即动态回复和动态再结晶。此即动态回复和动态再结晶。三、热加工对金属组织和性能的影响三、热加工对金属组织和性能的影响1 1、改善铸锭组织、改善铸锭组织l 使气孔和裂纹焊合，增大材料的致密性。使气孔和裂纹焊合，增大材料的致密性。l 改善夹杂物与脆性相的形态、大小和分布。改善夹杂物与脆性相的形态、大小和分布。l 部分消除枝晶偏析。部分消除枝晶偏析。l 破碎粗大晶粒而使晶粒细化。破碎粗大晶粒而使晶粒细化。5.45.4金属的热加工金属的热加工思考：思考：纯铅：纯铅：Tm=327 纯钨：纯钨：Tm=3407 2 2、产生热加工流线、产生热加工流线组织中的夹杂物及偏析沿变形方向伸长，在宏观上变成一条条细线，组织中的夹杂物及偏析沿变形方向伸长，在宏观上变成一条条细线，即流线。即流线。由一条条流线沟划出来的组织称为纤维组织。由一条条流线沟划出来的组织称为纤维组织。出现纤维组织，会使金属产生各向异性。顺纤维方向具有较高的力学出现纤维组织，会使金属产生各向异性。顺