金属材料的变形与再结晶

1、第4章  金属材料的变形与再结晶 金属材料在承受外力时，会产生一定的变形，随着外力的增加，其变形将由弹性变形转变为塑性变形，直至断裂。金属材料的变形特性在工程技术上十分重要，（1）由于铸态金属中往往具有晶粒粗大不均匀、组织不致密及杂质偏析等缺陷，故工业上的金属材料大多要在浇注后经过压力加工再予使用。（2）把材料制作成所要求的形状。因为通过压力加工时的塑性变形，金属的组织也会发生很大的变化，可使某些性能如强度等得到显著的提高。但在塑性变形的同时，也会给金属的组织和性能带来某些不利的影响，因此在压力加工之后或在其加工的过程中，还应经常对金属进行加热，使其发生回复与再结晶，以消除不利的影响

2、。工程上实际材料均为多晶体组织，为了更好地了解多晶体材料的变形，首先了解单晶体的变形特性。4.1. 单晶体金属变4.1.1.        单晶体金属弹性变形单晶体金属材料在正应力作用下变形过程，图（2-1）                       切应力变形图图（2-2）  

3、0;                    特点：（1）       可逆性，去除外力后，变形消失。（2）       变形量小，<1%。（3）       应变与应力成正比。4.1.2.   

4、     单晶体金属塑性变形单晶体塑性变形有“滑移”和“孪生”等不同方式，大多数情况以滑移方式发生。正应力只能引起晶格的弹性伸长，或进一步把晶体拉断切应力可使晶格在发生弹性歪扭之后，进一步造成滑移。通过大量的晶面滑移，最终使试样拉长变细。滑移：晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面发生相对的滑动。滑移变形要点：（1）       滑移只能在切应力的作用下发生（2）       滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。这是因为只有在最密

5、晶面（滑移面）之间的面间距及最密晶向（滑移方向）之间的原子间距才最大，因而原子结合力最弱，所以在最小的切应力下使能引起它们之间的相对滑动。滑移系：滑移面数与滑移方向数的乘积。滑移系越大，金属滑移的可能性越大，即金属塑性越好。晶格体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格滑移面110*6111*4六方底面*1滑移方向111*2110*3底面对角线*3滑移系6*2=124*3=121*3=3  FeCu, AlMg, Zn（3）       滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍，滑移的结果会在晶体的表

6、面上造成台阶。（4）       滑移的同时必然伴有晶体的转动，沿外力方向。滑移过程,4.2. 多晶体金属的变形4.2.1.        晶界作用以两个晶粒的试样在拉伸时的变形为例在远离晶界处，变形明显，在靠近晶界处变形出现“竹节”现象。表明晶界对变形有较大的阻碍作用。原因：晶界附近晶格排列紊乱，杂质原子往往较多，增大晶格畸变，因而使该处在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形。4.2.2.      &

7、#160; 各晶粒位向差别的影响位向不同当受外力作用时，有些晶粒的滑移面适合于外力作用方向，有些晶粒的滑移面与外力方向相抵触，其中任一晶粒的滑移都必然会受到它周围不同晶格位向晶粒的约束和障碍。所以多晶体金属的塑性变形抗力总是高于单晶体。4.2.3.        多晶体金属变形过程滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成45度夹角的晶粒必将首先发生滑移变形，不同位向的晶粒分批滑移。塑性变形特点：（1）       起始塑性变形的非同时性。位向不同，所以在工程上无法测得真

8、正的最大弹性变形抗力和真正的起始塑性变形的抗力指标，要采用条件规定的方法（2）       塑性变形的时间性。弹性变形以声速进行，变形速度对金属弹性性能无影响，但塑性变形需要时间。缓慢拉伸和快速拉伸。要控制冷变形加工速度。（3）       塑性变形量的不均一性。残余应力（4）       变形过程中伴随着发生金属机械性能及其他物理、化学性能的改变。形变强化，密度降低，电阻增加，化学活性增大。4.3. 塑性变形对金属

9、组织和性能的影响变形后性能的变化是由塑性变形时金属内部组织结构的变化决定的。4.3.1.        晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性内部晶粒形状与金属外形成比例，变形量大时，产生纤维关“纤维组织”4.3.2.        晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化.形变量不大时，在变形晶粒中的晶界附近出现位错的堆积。随着变形量增大，晶粒破碎为亚晶粒，亚晶界量越多。滑移变形是通过位错在滑移面上移动实现，晶体内部的晶界、亚晶界以及其他缺陷都成为各种阻碍位错

10、移动的障碍物。位错在亚晶界堆积，使滑移变形不易继续进行下去。“晶格畸变”随着形变量增大，由于晶粒破碎和位错密度的啬，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即硬度和强度显著升高，塑性和韧性下降，产生“加工硬化”。4.3.3.        织构现象产生随着变形发生，各晶粒晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，故在变形量达到一定的程度（70-90%）时，金属组织将会出现一种织构现象。织构现象有两种（1）       各晶粒的某一晶向平行于拉拔方向，丝织构（2） &#

11、160;     各晶粒某一晶面平行于轧制方向，板织构出现各向异性，不利。4.3.4.        残余内应力经过塑性变形，外力对金属所作的功，约90%转化成热，10%转化为内应力残留于金属中。塑性变形后，退火。4.4. 塑性变形后的金属在加热时的组织和性能变化加工硬化会造成进一步加工的困难，退火，一是为了消除加工硬化（再结晶退火），另一是保留加工硬化，减小内应力。4.4.1.        回复与再结晶4.4.1

12、.1.  回复即在加热温度较低时，仅因金属中的一些点缺陷和位错迁移而所引起的某些晶内的变化。晶粒大小和形状无明显变化。冷卷弹簧卷制后低温退火，去应力250300。4.4.1.2.  金属的再结晶破碎晶粒未改变，组织仍不稳定，加热到较高温度，晶粒外形开始变化，生成新的等轴颗粒。“再结晶”。强度和硬度显著降低，塑性和韧性提高，消除加工硬化。例：黄铜33%冷轧变形后，在580再结晶。4.4.1.3.  晶粒长大再结晶完成后，再继续提高加热温度或延长加热时间，晶粒便会继续长大。因为晶粒长大可降低表面能，热力学第二定律。4.4.2.   

13、60;    再结晶后的晶粒度再结晶退火时，要确定加热温度4.4.2.1.  变形度影响变形度越大，再结晶温度越低。因为变形度越大，金属晶体缺陷越多，组织破碎越严重，越不稳定。变形度增大，再结晶温度降低，并逐渐趋近于一个极限温度，金属的最低再结晶温度。4.4.2.2.  金属熔化温度的影响工业纯金属     TR=(0.400.50)Tf  TR是金属最低再结晶温度，Tf是金属熔化温度4.4.2.3.  金属纯度的影响有杂质或合金元素时，再结晶温度明显提高。4.4.2.4. 

14、 金属原始组织影响原始组织的晶粒越粗大，变形阻力越小，晶界少，不容易再结晶，再结晶温度越高。4.4.3.        再结晶后的晶粒度影响再结晶后晶粒度的因素（1）       加热温度和加热时间再结晶退火时的加热温度越高，晶粒越大。一定温度，时间越长，晶粒越大（2）       预先冷变形度变形均匀度变形越大，变形越均匀，再结晶后晶粒度越小。§ 热处理工艺表面淬火、退火工艺、正火工艺 

15、7; 表面淬火 钢的表面淬火有些零件在工件时在受扭转和弯曲等交变负荷、冲击负荷的作用下，它的表面层承受着比心部更高的应力。在受摩擦的场合，表面层还不断地被磨损，因此对一些零件表面层提出高强度、高硬度、高耐磨性和高疲劳极限等要求，只有表面强化才能满足上述要求。由于表面淬火具有变形小、生产率高等优点，因此在生产中应用极为广泛。根据供热方式不同，表面淬火主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火等。 感应加热表面淬火感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。感应加热表面淬火与普通淬火比具有如下优点：1.热源在工件表层，加热速度快，热效率高2.工件因不是整体加热，变形

16、小3.工件加热时间短，表面氧化脱碳量少4.工件表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性等均有很大提高。有利于发挥材料地潜力，节约材料消耗，提高零件使用寿命5.设备紧凑，使用方便，劳动条件好6.便于机械化和自动化7.不仅用在表面淬火还可用在穿透加热与化学热处理等。 感应加热的基本原理将工件放在感应器中，当感应器中通过交变电流时，在感应器周围产生与电流频率相同的交变磁场，在工件中相应地产生了感应电动势，在工件表面形成感应电流，即涡流。这种涡流在工件的电阻的作用下，电能转化为热能，使工件表面温度达到淬火加热温度，可实现表面淬火。 感应表面淬火后的性能1.表面硬度：经高、中频感应加热表面

17、淬火的工件，其表面硬度往往比普通淬火高 23 个单位（HRC）。2.耐磨性：高频淬火后的工件耐磨性比普通淬火要高。这主要是由于淬硬层马氏体晶粒细小，碳化物弥散度高，以及硬度比较高，表面的高的压应力等综合的结果。3.疲劳强度：高、中频表面淬火使疲劳强度大为提高，缺口敏感性下降。对同样材料的工件，硬化层深度在一定范围内，随硬化层深度增加而疲劳强度增加，但硬化层深度过深时表层是压应力，因而硬化层深度增打疲劳强度反而下降，并使工件脆性增加。一般硬化层深（1020）D。较为合适，其中D。为工件的有效直径。 退火工艺退火是将金属和合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火后组织亚共析

18、钢是铁素体加片状珠光体；共析钢或过共析钢则是粒状珠光体。总之退火组织是接近平衡状态的组织。 退火的目的降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织和成分，改善钢的性能或为以后的热处理作组织准备。消除钢中的内应力，以防止变形和开裂。 退火工艺的种类均匀化退火（扩散退火)均匀化退火是为了减少金属铸锭、铸件或锻坯的化学成分的偏析和组织的不均匀性，将其加热到高温，长时间保持，然后进行缓慢冷却，以化学成分和组织均匀化为目的的退火工艺。均匀化退火的加热温度一般为Ac3+（150200），即10501150，保温时间一般为1015h，以保证扩散充

19、分进行，大道消除或减少成分或组织不均匀的目的。由于扩散退火的加热温度高，时间长，晶粒粗大，为此，扩散退火后再进行完全退火或正火，使组织重新细化。完全退火完全退火又称为重结晶退火，是将铁碳合金完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。完全退火主要用于亚共析钢，一般是中碳钢及低、中碳合金结构钢锻件、铸件及热轧型材，有时也用于它们的焊接构件。完全退火不适用于过共析钢，因为过共析钢完全退火需加热到Acm以上，在缓慢冷却时，渗碳体会沿奥氏体晶界析出，呈网状分布，导致材料脆性增大，给最终热处理留下隐患。完全退火的加热温度碳钢一般为Ac3+（3050）；合金钢为Ac3+（50070）；保温

20、时间则要依据钢材的种类、工件的尺寸、装炉量、所选用的设备型号等多种因素确定。为了保证过冷奥氏体完全进行珠光体转变，完全退火的冷却必须是缓慢的，随炉冷却到500左右出炉空冷。不完全退火不完全退火是将铁碳合金加热到Ac1Ac3之间温度，达到不完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火工艺。不完全退火主要适用于中、高碳钢和低合金钢锻轧件等，其目的是细化组织和降低硬度，加热温度为Ac1+(4060)，保温后缓慢冷却。等温退火等温退火是将钢件或毛坯件加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体温度区间地某一温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺。等温退火工艺

21、应用于中碳合金钢和低合金钢，其目的是细化组织和降低硬度。亚共析钢加热温度为Ac3+(3050)，过共析钢加热温度为Ac3+(2040)，保持一定时间，随炉冷至稍低于Ar3温度进行等温转变，然后出炉空冷。等温退火组织与硬度比完全退火更为均匀。球化退火球化退火是使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。将钢加热到Ac1以上2030，保温一段时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。球化退火主要适用于共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。这些钢经轧制、锻造后空冷，所得组织是片层状珠光体与网状渗碳体，这种组织硬而脆，不仅难以切削加工，且在以后淬火过程中也容易变形

22、和开裂。而经球化退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂倾向小。另外对于一些需要改善冷塑性变形（如冲压、冷镦等）的亚共析钢有时也可采用球化退火。球化退火加热温度为Ac1+(2040)或Acm-(2030)，保温后等温冷却或直接缓慢冷却。在球化退火时奥氏化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。因此，它不可能消除网状碳化物，如过共析钢有网状碳化物存在，则在球化退火前须先进行正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。球化退火工艺方法很多

23、，最常用的两种工艺是普通球化退火和等温球化退火。普通球化退火是将钢加热到Ac1以上2030，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500左右出炉空冷。等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷至500左右出炉空冷。和普通球化退火相比，球化退火不仅可缩短周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。再结晶退火（中间退火）再结晶退火是经冷形变后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新结晶成均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的热处理工艺。去应力退火去应力退火是为了消除由于塑性形变加工、焊接等而造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火工艺。锻造、铸造、焊接以及切削加工后的工件内部存在内应力，如不及时消除，将使工件在加工和使用过程中发生变形，影响工