第五章金属的塑性变形与再结晶

1、 金属零件在成型过程中需要有一定的变形能力，如轧制、锻造、挤压、拉拔等； 在外力作用下，材料发生不可恢复的变形为塑性变形。轧制轧制模锻模锻拉拔拉拔5万吨水压机万吨水压机一、单晶体金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切应力作用下的变形切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片韧性断口韧性断口脆性解理断口脆性解理断口l塑性变形的形式：塑性变形的形式：滑移和孪生滑移和孪生。金金属常以滑移方式发生塑性变形。属常以滑移方式发生塑性变形。 滑移只能在切应力的作用下滑移只能在切应力的作用下发生。发生。产生滑移的最小切应产生滑移的最小切应力称力称临界切应力临界切应

2、力。 l沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面滑移面和和滑滑移方向移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。 三种典型金属晶格的滑移系三种典型金属晶格的滑移系滑移系示意图滑移系示意图体心立方晶格体心立方晶格面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带和滑移线示意图滑移带和滑移线示意图铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带l当滑移面、滑移方向与外力方向当滑移面、滑移方向与外力方向都呈都呈45角时，滑移方向上切应角时，滑移方向上切应力最大，因而最容易发生滑移。力最大，因而最容易发生滑移。l滑移后滑移后, 滑移面两侧晶体的位向

3、关系未发生变化。滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。 （地毯的运动地毯的运动）多多 脚脚 虫虫 的的 爬爬 行行l晶体通过晶体通过位错运动位错运动产生滑移时，产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作切应力小，这种现象称作位错位错的易动性的易动性。 孪生示意图孪生示意图孪晶组织孪晶组织奥氏体不锈钢中退火孪晶奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶钛合金六方相中的形变孪晶Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积 当位错运动到晶界附近

4、时，受到晶界的阻碍而堆积当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称起来，称位错的塞积位错的塞积。要使变形继续进行，则必须增加。要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的塑性变形抗力提高。外力，从而使金属的塑性变形抗力提高。便成为塑性变形晶粒的便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形抗力提高。抗力提高。 一批晶粒传递到另一批晶一批晶粒传递到另一批晶粒，粒，当有大量晶粒发生滑当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显移后，金属便显示出明显的塑性变形。的塑性变形。 晶界总面积越大，晶界总面

5、积越大，位错障碍越多；需位错障碍越多；需要协调的具有不同要协调的具有不同位向的晶粒越多位向的晶粒越多，使金属塑性变形的使金属塑性变形的抗力越高。抗力越高。晶粒大小与金属强度关系晶粒大小与金属强度关系的晶粒数目也越多，的晶粒数目也越多，变形越均匀，变形越均匀，使在断使在断裂前发生较大的塑性裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同变形。强度和塑性同时增加，时增加，金属在断裂金属在断裂前消耗的功也大，前消耗的功也大，因因而其韧性也比较好。而其韧性也比较好。应变应变应力应力塑性材料塑性材料脆性脆性材料材料锌单晶和多晶的拉伸曲线锌单晶和多晶的拉伸曲线珠光体珠光体奥氏体奥氏体Cu-Ni合金成分与性能关系合金成

6、分与性能关系 形除与合金基体的性质形除与合金基体的性质有关外，还与第二相的有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数性质、形态、大小、数量和分布有关。量和分布有关。第二相第二相可以是纯金属、固溶体可以是纯金属、固溶体或化合物，工业合金中或化合物，工业合金中第二相多数是化合物。第二相多数是化合物。 + 钛合金钛合金(固溶体第二相固溶体第二相)颗粒钉扎作用的电镜照片颗粒钉扎作用的电镜照片位错绕过第二相粒子位错绕过第二相粒子示意图示意图位错切割位错切割第二相粒第二相粒子示意图子示意图滑移，滑移面，滑移方向，滑移系，典型金属的滑移系孪生，细晶强化，固溶强化，弥散强化 得模糊不清。得模糊不清。l塑性变形还

7、使塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒破碎为亚晶粒。晶粒。5%冷变形纯铝中的位错网冷变形纯铝中的位错网(a) 正火态正火态(c) 变形变形80%(b) 变形变形40%l形变织构使金属呈形变织构使金属呈现各向异性现各向异性，在深，在深冲零件时，易产生冲零件时，易产生“制耳制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。可提高硅钢片的导磁率。板织构板织构丝织构丝织构形变织构示意图形变织构示意图各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板 “制耳制耳”有有无无位错密度与强度的关系位错密度与强度的关系强度与冷变形量的关系强度与冷变形量的关系 就不会发生均匀塑性变

8、形。就不会发生均匀塑性变形。l加工硬化是强化金属的重要加工硬化是强化金属的重要手段之一，手段之一，对于不能热处理对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。强化的金属和合金尤为重要。变形变形20%纯铁中的位错网纯铁中的位错网l内应力的存在，内应力的存在，使金属使金属耐蚀性下降，耐蚀性下降，引起零件引起零件加工、淬火过程中的变加工、淬火过程中的变形和开裂形和开裂。因此，金属。因此，金属在塑性变形后，通常要在塑性变形后，通常要进行退火进行退火处理，以消除处理，以消除或降低内应力。或降低内应力。晶界位错塞积所晶界位错塞积所引起的应力集中引起的应力集中加热温度加热温度 黄铜黄铜多边形化示意图多边形化示意图

9、垂直分布，形垂直分布，形成亚晶界，这成亚晶界，这一过程称一过程称多边多边形化形化。铁素体变形铁素体变形80%670加热加热650加热加热冷变形奥氏体不锈钢冷变形奥氏体不锈钢加热时的再结晶形核加热时的再结晶形核SEM-再结晶晶粒在原再结晶晶粒在原变形组织晶界上形核变形组织晶界上形核TEM-再结晶晶粒形核再结晶晶粒形核于高密度位错基体上于高密度位错基体上冷变形黄铜组织性能随温度的变化冷变形黄铜组织性能随温度的变化 冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜黄铜580C保温保温15分后的的再结晶组织分后的的再结晶组织580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580580C C保温保温1515分后的组织分

10、后的组织700700C C保温保温1010分后的组织分后的组织黄铜再结晶后晶粒的长大黄铜再结晶后晶粒的长大冷变形量为冷变形量为38的组织的组织580C保温保温3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580C保温保温15分后的组织分后的组织 700C保温保温10分后的组织分后的组织580C保温保温3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织580C保温保温8秒后的组织秒后的组织冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜的再结晶黄铜的再结晶T再再与与的关系的关系l纯金属的最低再结晶温度与其纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的

11、近似关系：熔点之间的近似关系： T再再0.4T熔。熔。 其中其中T再再、T熔熔为绝对温度。为绝对温度。l金属熔点越高金属熔点越高, T再再也越高。也越高。l提高加热速度会使再结晶推迟到较提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生高温度发生, 延长加热时间延长加热时间, 使原子使原子扩散充分扩散充分, 再结晶温度降低。再结晶温度降低。l生产中，把生产中，把消除加工硬化的热处理消除加工硬化的热处理称为称为再结晶退火再结晶退火。再结晶退火温度。再结晶退火温度比再结晶温度高比再结晶温度高100200。 黄铜黄铜580C保温保温8秒后的组织秒后的组织黄铜黄铜580C保温保温15分后的组织分后的组织再结晶退火温度对晶粒度的影响再结晶退火温度对晶粒度的影响预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度对再结晶晶粒度的影响不均匀，再结晶晶粒不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互大小相差悬殊，易互相吞并和长大，再结相吞并和长大，再结晶后晶粒特别粗大，晶后晶粒特别粗大，这个变形度称这个变形度称临界变临界变形度形度。l对于某些金属，当变对于某些金属，当变形量相当大时形量相当大时( 90%)，再结晶后晶粒又重新再结晶后晶粒又重新出现粗化现