第四章金属及合金的塑性变形与再结晶

1、第第4 4章章 金属及合金的塑性变形与再结晶金属及合金的塑性变形与再结晶压力加工成型压力加工成型是工业生产中常用的成型方式轧制挤压拉丝自由锻造模型锻造薄板冲压1. 什么是金属的塑性变形？什么是金属的塑性变形？3. 金属怎样产生塑性变形？金属怎样产生塑性变形？4. 塑性变形对金属材料组织性能的影响？塑性变形对金属材料组织性能的影响？2. 为什么金属能够产生塑性变形？为什么金属能够产生塑性变形？一、金属塑性变形的概念低碳钢拉伸的-曲线 e： 卸载后变形恢复，弹性变形弹性变形 b：试样断裂 e ： 卸载后不能恢复原状，留下永 久变形，塑性变形塑性变形外力去除后残留的永久变形外力去除后残留的永久变形

2、一、金属塑性变形的概念外加应力低于原子间结合力极限外加应力低于原子间结合力极限正应力使晶格沿应力方向伸长，切应力使晶格沿某晶面和晶向相对移动，外力去除后晶格恢复原状外加应力大于原子间结合力极限外加应力大于原子间结合力极限正应力使晶体发生断裂，切应力使晶体的原子沿某晶面和晶向迁移到新的平衡位置，外力去除原子停留在新的平衡位置 一、金属塑性变形的概念金属原子之间特殊的结合方式 金属键金属 晶体沿某晶面和晶向产生的相对移动并没有使金属键产生断裂，所以金属整体不发生破坏。 一、金属塑性变形的概念二、单晶体金属的塑性变形塑性变形方式塑性变形方式：滑移滑移和孪晶孪晶 滑移滑移是金属在常温和低温下最基本的塑

3、性变形方式； 孪晶孪晶主要在难以产生滑移的条件下发生！ 1. 滑移的概念滑移的概念切应力作用下，晶体两部分沿一定晶面上的一定晶向相对滑动， 且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑性变形方式。滑移面滑移面滑移方向滑移方向原子间距整数倍距离原子间距整数倍距离晶面晶面晶向晶向滑动滑动 二、单晶体的塑性变形 2. 滑移的现象滑移的现象经抛光的金属晶体试样适量塑性变 形后，金相显微镜下可观察到许 多的平行线条。高锰钢 500线条电子显微镜下可分辨出是由一系列密集的相互平行的更细的线条所组成。 滑移带 滑移线宏观及普通金相显微镜下观察到的线条称为滑移带组成滑移带的更细的线称为滑移线滑移带和滑移线示意图 二、单

4、晶体的塑性变形 3. 滑移系滑移系 晶体滑移总是沿原子最密集排列的晶面和晶向进行 一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系 密排面的面间距最大，原子间作用力小体心立方结构l 密排面110，面间距为0.707al 非密排面010，面间距为0.5a密排晶向之间的距离也最大，容易滑移n 密排晶向111，线间距为0.866an 非密排晶向110 ，线间距为0.5a 二、单晶体的塑性变形 其它条件相同时，金属晶体中滑移系越多，晶体变形越容易。密排六方结构的晶体塑性较差 滑移系数目相同时，滑移方向多越容易变形。面心立方结构比体心立方结构容易变形bcc110111fcchcp1111100001112

5、062=1243=1213=3滑移面滑移方向滑移系数目 二、单晶体的塑性变形 4. 滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力FF横截面积 A某一滑移系上的分切应力cos/cosAF coscosAFcoscos 分切应力计算分析图滑移面法向滑移面滑移方向M取向因子 二、单晶体的塑性变形p 其中任何一个角度为90时，分切应力为零，晶体不可能 滑移p 当两个角度都为45时，取向因子最大（为0.5），该滑 移系处于最有利取向p 只有当分切应力临界分切应力k时，滑移才能开始临界分切应力的存在反应了滑移所需 克服的阻力，其大小取决于金属晶体的本性，与外力的大小及取向无关。coscos 二、单晶体的塑性变形n

6、 拉伸过程中滑移面朝外力平行的方向转动 趋向90 n 压缩过程中滑移面力图转向与压力垂直方向 趋向90 5. 滑移时晶体的转动与旋转滑移时晶体的转动与旋转 如果晶体产生自由滑移，中心线会产生错动 实际拉伸过程中，夹头作用下中心线不能自由偏斜，则往往会伴随着滑移面转动 实际滑移中滑移面在转动同时，滑移方向也在发生旋转（拉伸时朝最大切应力方向旋转） 二、单晶体的塑性变形 6. 滑移的本质滑移的本质 位错运动位错运动 位错在切应力作用下沿滑移面移动，直到移出晶体表面消失，晶体产生一个原子间距的滑移量 位错移动过程中只需位错附近少数原子移动很小距离，其所需的切应力也较小 二、单晶体的塑性变形三、多晶体

7、金属的塑性变形1. 多晶体与单晶体相比较多晶体与单晶体相比较l 同：单个晶粒变形与单晶体相同l 异：各个晶粒变形不同时，需相互协调 2. 多晶体塑性变形过程多晶体塑性变形过程l 外力作用时，取向有利的晶粒首先发生滑移l 位错在附近形成塞积，产生应力集中，使相邻晶粒某些滑移系的分切应力增加到临界值，开始塑性变形 l 产生塑变的晶粒发生转动和旋转，要求相临晶粒做相应的调整 已滑移的晶粒转动到位相不利位置而停止滑移 未滑移的晶粒转动到取向有利位置而发生滑移 三、多晶体金属的塑性变形3. 细晶强化细晶强化金属晶体中，晶粒越细小，强、硬度越高，塑、韧性越好金属晶体中，晶粒越细小，强、硬度越高，塑、韧性越

8、好。晶粒越细，强度越高 霍尔配奇公式 s=0+kd-1/2 原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大，变形抗力大晶粒越细，塑韧性提高p 高塑性：高塑性：晶粒越多，变形量分散，变形协调性、均匀性提高。p 高韧性：高韧性： 晶粒细小，单个晶粒变形量小，应力集中小，裂纹不易萌生； 晶界多，裂纹不易传播（不知道往哪里走）。 三、多晶体金属的塑性变形四、塑性变形对金属组织和性能的影响1. 晶粒拉长（纤维状组织）晶粒拉长（纤维状组织）变形变形10% 100变形变形40% 100 变形变形60% 100 工业纯铁不同变形量的显微组织产生各向异性，沿纤维方向强度最大 四、塑性变形对金属组织和性能的影响2.

9、 变形织构变形织构（具有择优取向的晶粒组织）绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，性能出现各向异性晶粒拉长，但未出现织构。晶粒拉长，但未出现织构。晶粒拉长，且出现织构。晶粒拉长，且出现织构。 四、塑性变形对金属组织和性能的影响u 拉拔时形成丝织构，各晶粒某一晶向与拉拔方向平行u 轧制时形成板织构，各晶粒某一晶面平行于轧制方向 四、塑性变形对金属组织和性能的影响3. 加工硬化加工硬化（形变强化 重要的强化方式之一）金属在冷变形时，随变形量的增加，材料的强硬度升高，塑韧性下降的现象1）产生原因）产生原因塑性变形 位错密度增大，缠结，位错运动阻力增大 变形抗力增加利：利于金属变形均匀，是材料加工

10、成型的保证 用以提高金属的强度，尤其是无法进行热处理强化的金属弊：变形阻力提高，动力消耗增大； 塑性下降，脆断危险性提高。2）利弊分析）利弊分析铜丝冷变形时力学性能的变化铜丝冷变形时力学性能的变化 四、塑性变形对金属组织和性能的影响4. 残余应力残余应力（约占变形功的10）1）分类）分类 第一类残余应力（）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起。 第二类残余应力（）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。 第三类残余应力（）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。2）利弊）利弊 利：预应力处理，如提高疲劳极限。 弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳腐蚀开裂。 3）消除）消除 去应力退火外力去除后残留于金属

11、内部并自相平衡的内应力 四、塑性变形对金属组织和性能的影响晶粒越细，强度越高 晶粒越细，强度越高(细晶强化：由下列霍尔配奇公式可知)s=0+kd-1/2 原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大晶粒越细，塑韧性提高 晶粒越多，变形协调性均匀性提高：高塑性。细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，（不知道往哪里走），表现出高韧性。 4.1.3 多晶体金属的塑性变形一一 、单相固溶体的塑性变形、单相固溶体的塑性变形 1 固溶体的结构：？固溶体的结构：？ 2 固溶强化固溶强化 （1）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度）固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬

12、度提高而塑性、韧性下降的现象。提高而塑性、韧性下降的现象。 晶格畸变，阻碍位错运动；晶格畸变，阻碍位错运动； （2）强化机制）强化机制 气团（缺陷之间的反应或缠结）。气团（缺陷之间的反应或缠结）。4.1.4 合金的塑性变形合金的塑性变形 4.1.4 合金的塑性变形二二 、两相合金的塑性变形、两相合金的塑性变形 1 结构：基体第二相。结构：基体第二相。 2 性能：性能： （1）两相性能接近：按强度分数相加计算。）两相性能接近：按强度分数相加计算。 （2）软基体硬第二相）软基体硬第二相 第二相网状分布于晶界（第二相网状分布于晶界（eg：二次渗碳体）；：二次渗碳体）； 两相呈层片状分布（珠光体）；两

13、相呈层片状分布（珠光体）； 第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）（弥散强化）。第二相呈颗粒状分布（三次渗碳体）（弥散强化）。 4.1.4 合金的塑性变形返回返回4.2塑性变形对金属组织和性能的影响一、塑性变形对金属组织结构的影响一、塑性变形对金属组织结构的影响二、塑性变形对金属对性能的影响二、塑性变形对金属对性能的影响三、产生残余应力三、产生残余应力一、塑性变形对金属组织结构的影响一、塑性变形对金属组织结构的影响 1. 纤维组织形成纤维组织形成 金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成

14、所谓纤维组织。 4.2塑性变形对金属组织和性能的影响2. 晶粒破碎成亚晶粒：晶粒破碎成亚晶粒：金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。 4.2塑性变形对金属组织和性能的影响3. 形变织构的产生：形变织构的产生：由于塑性变形过程中晶粒的转动，当变形量达到一定程度（70%以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。 4.2塑性变形对金属组织和性能的影响二、对性能的影响二、对性能的影响 1. 对力

15、学性能的影响（加工硬化）对力学性能的影响（加工硬化） （1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。强化金属的重要途径； （2）利弊 利：材料加工成型的保证。 弊：变形阻力提高，动力消耗增大； 脆断危险性提高。4.2塑性变形对金属组织和性能的影响2. 对物理、化学性能的影响对物理、化学性能的影响 导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。 4.2塑性变形对金属组织和性能的影响三三 残余应力（约占变形功的残余应力（约占变形功的10） 1 分类分类 第一类残余应力（）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀

16、引起。 第二类残余应力（）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。 第三类残余应力（）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。 2 利弊利弊 利：预应力处理，如提高疲劳极限。 弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳腐蚀开裂。 3 消除消除 去应力退火。 4.2塑性变形对金属组织和性能的影响返回返回4.3金属与合金的回复与再结晶 对冷变形金属加热使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复回复、再再结晶结晶和晶粒晶粒长大长大 1 1 特征：特征：温度低，光学显微组织未变化，亚结构发生了变化（位错、点缺陷密度降低，甚至出现亚晶界）2 2 性能：力性变化不明显性能：力性变化不明显（强度、硬度略有下降，塑性略有提高；大部分

17、或全部消除第一类内应力，部分消除第二、三类内应力）、内应力部分消除、导电率升高内应力部分消除、导电率升高3 3 回复退火的应用回复退火的应用降低内应力、稳定尺寸、提高抗蚀性一、回复：一、回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程4.3金属与合金的回复与再结晶二、再结晶：二、再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全完全消除的过程。 变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒； 强度、硬度明显下降，塑性明显提高； 密度:在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高。4

18、.3金属与合金的回复与再结晶再结晶温度：再结晶温度：经严重冷变形（变形量70%）的金属或合 金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数95%） 最低温度。 高纯金属：高纯金属：T再(0.250.35)Tm。经验公式经验公式 工业纯金属：工业纯金属：T再(0.350.45)Tm。 合金：合金：T再(0.40.9)Tm。 注：注：再结晶退火温度一般比上述温度高100200。为什么纯度越低，再结晶温度越高？为什么纯度越低，再结晶温度越高？答：杂质元素对扩散的阻碍作用答：杂质元素对扩散的阻碍作用4.3金属与合金的回复与再结晶影响因素影响因素 变形量变形量 变形量越大，储存能越多，再结晶驱动力越大，再

19、结晶温度越低； 纯度纯度 纯度越高，杂质或合金元素对位错和晶界运动阻碍越小，再结晶温度越低； 加热速度和保温时间加热速度和保温时间 提高加热速度会使再结晶温度被推迟到较高温度下发生。而保温时间越长，再结晶温度越低。4.3金属与合金的回复与再结晶再结晶退火的应用再结晶退火的应用： 恢复变形能力 改善显微组织 消除各向异性 提高组织稳定性实际再结晶温度：实际再结晶温度：T再100200。 4.3金属与合金的回复与再结晶 晶粒长大方式晶粒长大方式： 正常长大； 异常长大（二次再结晶）.三、晶粒长大：三、晶粒长大：冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小均匀的等轴晶粒，如果再结晶后不控制其加热温度或

20、时间，继续升温或保温，晶粒之间便会相互吞并而长大，这一阶段称为晶粒长大。 4.3金属与合金的回复与再结晶晶粒的异常长大：晶粒的异常长大：少数再结晶晶粒的急剧长大现象。(二次再结晶）基本条件基本条件: :正常晶粒长大过程被(第二分散相微粒、织构）强烈阻碍。控制：控制：温度、保温时间，防止过分长大4.3金属与合金的回复与再结晶再结晶退火 消除加工硬化，将金属件加热保温缓冷至室温，保温温度高于再结晶温度100-200K；对于没有同素异构转变的金属（如铜、铝），冷变形+再结晶退火是细化晶粒的重要手段4.3金属与合金的回复与再结晶3%变形后变形后经经550退退火火6%变形后变形后经经550退退火火9%变形后变形后经经550退退火火12%变形变形后经后经550