机械工程材料3

1、LogoLogo第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶Logo3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形3.1.1 3.1.1 金属的弹性变形与塑性变形金属的弹性变形与塑性变形变形：金属在外力作用下发生形状和尺寸的变化。变形：金属在外力作用下发生形状和尺寸的变化。金属的变形按金属的变形按其性质可分为弹性变形和塑性变形。其性质可分为弹性变形和塑性变形。单晶体：单晶体：在正应力在正应力 N N作用下，晶格被拉长；作用下，晶格被拉长；当外力去除后，原子在引力作用下，恢当外力去除后，原子在引力作用下，恢复到原来位置，产生弹性变形；复到原来位置，产生弹性变形；当正应力当正应力 N

2、N大于原子间引力时，晶体被大于原子间引力时，晶体被拉断，产生脆性断裂。拉断，产生脆性断裂。晶体在正应力作用下只能产生弹性变形晶体在正应力作用下只能产生弹性变形和脆性断裂，不能产生塑性变形。和脆性断裂，不能产生塑性变形。Logo3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形晶体在切应力作用下的变形晶体在切应力作用下的变形晶体弹性变形的部分可以回复，但产生滑动的原子则不能回到它晶体弹性变形的部分可以回复，但产生滑动的原子则不能回到它原来的位置，这就产生了塑性变形。原来的位置，这就产生了塑性变形。Logo3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形3.1.2 3.1.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变

3、形单晶体的塑性变形方式有滑移和孪生两种，其中滑移是主要方式单晶体的塑性变形方式有滑移和孪生两种，其中滑移是主要方式Logo3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形滑移（Slip）：在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向，相对于另一部分发生相对滑动位移的现象。产生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。Logo3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形特点：特点：只能在切应力作用下进行； 临界切应力：使晶体开始滑动的切应力。临界切应力：使晶体开始滑动的切应力。锌单晶体拉伸试验示意图铝单晶的拉伸变形照片 Logo3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形滑移沿原子密排面(滑移面)、

4、原子密排方向(滑移方向)进行。滑移系：一个滑移面和其上一个滑移方向构成。滑移系：一个滑移面和其上一个滑移方向构成。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性越好。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性越好。Logo3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形抛光后进行塑性变形，观察组织，可以看到滑移带。抛光后进行塑性变形，观察组织，可以看到滑移带。每个滑移带都是由很多平行的滑移线和台阶组成的。两条滑移每个滑移带都是由很多平行的滑移线和台阶组成的。两条滑移线之间的区域称为滑移层。线之间的区域称为滑移层。滑移带（Slip Band）和滑移线（Slip Line）滑移带滑移线210-8mLogo

5、3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形滑移的机制：滑移是通过位错在滑移面上的运动实现的。晶体通过位错运动而发生滑移Logo3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形位错运动导致滑移的特点： 当晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，而且它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小。 当位错线扫过滑移面到达金属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表面时，便产生一个原子间距的滑移量，同一滑移面上若有大量位错移量，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出，则会在金属表面形成一条滑移线。移线。位错运动时的原子位移 位错运动越困

6、难，则金属的强度越高；反之则强度越低，塑性越好。Logo3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形孪生（Twinning） ：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向，相对于另一部分发生对称切变的现象。发生孪生的晶面和晶向分别称为孪生面和孪生方向，发生切变，位向改变的这一部分晶体称为孪晶，孪晶与未变形部分晶体以孪生面为对称面呈镜像分布。Logo3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形滑移和孪生的主要区别：滑移和孪生的主要区别： ：孪生晶格位向改变，变形晶体与未变形对称分布；：孪生晶格位向改变，变形晶体与未变形对称分布； 滑移晶格位相不变。滑移晶格位相不变。 ：孪生变形位移是原子间距

7、的分数倍，滑移中位移是原子：孪生变形位移是原子间距的分数倍，滑移中位移是原子 间距的整数倍。间距的整数倍。 ：只有在滑移变形难于进行时，才会产生孪生变形。：只有在滑移变形难于进行时，才会产生孪生变形。 ：孪生产生的塑性变形量比滑移小的多。：孪生产生的塑性变形量比滑移小的多。 ：孪生变形速度快。：孪生变形速度快。 Logo3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形3.1.3 3.1.3 多晶体的塑性变形多晶体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。 晶粒位向的影响 晶粒间的相互约束提高塑性变形抗力。 因各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保因各相邻晶粒位向不同，当

8、一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。力。Logo3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形晶界的影响晶界阻碍位错运动提高塑性变形抗力。 当位错运动到晶界附近时，晶界成为位错运动的障碍，于是当位错运动到晶界附近时，晶界成为位错运动的障碍，于是位错在晶界处堆积起来，形成位错塞积。如果要使变形继续进行位错在晶界处堆积起来，形成位错塞积。如果要使变形继续进行，必须增加外力。，必须增加外力。

9、 多晶体中的晶界和晶粒间存在的位向差提高多晶体金属的塑性变形抗力，将导致多晶体金属的强度和硬度增大。双晶粒试样拉伸时变形示意图 Logo3.1 3.1 金属的塑性变形金属的塑性变形多晶体金属的塑性变形过程： 多晶体中首先发生滑移的是那些滑移系与外力夹角等于或接近于 45 的晶粒，使位错在晶界附近塞积，当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。多晶体拉伸变形示意图Logo3.2 3.2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形对金属组织和性能的影

10、响3.2.1 3.2.1 冷塑性变形对金属组织的影响冷塑性变形对金属组织的影响金属的冷塑性变形是指在室温条件下进行的塑性变形。金属的冷塑性变形是指在室温条件下进行的塑性变形。1.1.晶粒变形晶粒变形晶粒被拉长或压扁，直至纤维状，晶界模糊不清。形成纤维组织后，金属的性能产生各向异性。Logo3.2 3.2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形对金属组织和性能的影响2.2.亚结构细化亚结构细化随着变形量的增加，位错密度不断增大，晶粒内形成许多亚晶粒。变形1%变形3.5%变形9%变形20%Logo3.2 3.2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形对金属组织和性能的影响随着塑性变形程度增

11、大，变形的晶粒逐渐被随着塑性变形程度增大，变形的晶粒逐渐被细化成许多细小的亚结构，亚晶界增加，位细化成许多细小的亚结构，亚晶界增加，位错密度显著增大，对滑移变形过程有巨大阻错密度显著增大，对滑移变形过程有巨大阻碍作用，显著提高晶体的变形抗力，对强化碍作用，显著提高晶体的变形抗力，对强化金属起着十分重要的作用金属起着十分重要的作用Logo3.2 3.2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形对金属组织和性能的影响3.3.形变织构产生形变织构产生在塑性变形过程中，当变形达到一定程度（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，这种现象称为形变织构或择优取向。形变织构的性质与金

12、属的变形方式有关，使金属呈现各向异性，形变织构的性质与金属的变形方式有关，使金属呈现各向异性，有利也有弊。有利也有弊。利：可提高硅钢片的导磁率。弊：在深冲零件时，使厚薄不匀，边缘不齐，产生“制耳”现象丝织构示意图板织构示意图Logo3.2 3.2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形对金属组织和性能的影响3.2.2 3.2.2 冷塑性变形对性能的影响冷塑性变形对性能的影响1.1.加工硬化加工硬化金属在冷变形过程中，随变形量增加，强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象称为加工硬化或形变强化。原理：冷变形使位错密度增大，甚至形成位错缠结，同时，亚晶粒越 加细小，对位错运动产生阻碍，从而使变形抗

13、力增大，塑性降低。 由于加工硬化的存在，使已变形部分发生硬化而停止变形，而未由于加工硬化的存在，使已变形部分发生硬化而停止变形，而未变形部分开始变形，因此，没有加工硬化，金属就不会发生均匀变形部分开始变形，因此，没有加工硬化，金属就不会发生均匀塑性变形。塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一，尤其对于那些不能通过热处理强化的金属和合金更为重要。Logo3.2 3.2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形对金属组织和性能的影响工业纯铁45钢金属拉拔示意图强度、硬度升高，塑性、韧性下降Logo3.2 3.2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形对金属组织和性能的影响2.2.产生各向

14、异性产生各向异性由于纤维组织和形变织构的形成，由于纤维组织和形变织构的形成，是金属的性能产生各向异性。织是金属的性能产生各向异性。织构的存在往往会给金属的性能带构的存在往往会给金属的性能带来不利影响。来不利影响。3.3.物理物理、化学性能变化化学性能变化塑性变形可影响金属的物理塑性变形可影响金属的物理、化学性能，如使电阻增大，耐腐蚀性降低。Logo3.2 3.2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形对金属组织和性能的影响4.4.产生残余内应力产生残余内应力残余内应力是指外力去除后，金属内部残留下来的应力。残余内应力是指外力去除后，金属内部残留下来的应力。产生原因：塑性变形时，产生的变形不

15、均匀，位错，空位等晶体产生原因：塑性变形时，产生的变形不均匀，位错，空位等晶体缺陷增多。缺陷增多。残余内应力的类别：第一类内应力：存在于金属表层与心部之间的内应力，又称为宏观内应力。产生原因：表层与心部变形不一致。第二类内应力存在于晶粒之间或晶粒内部的内应力，又称为微观内应力。产生原因：晶粒之间的变形不均匀。Logo3.2 3.2 冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形对金属组织和性能的影响第三类内应力存在于晶体缺陷中的内应力，又称为点阵畸变。金属塑性变形时所产生的内应力主要表现为第三类内应力。产生原因：晶体缺陷增加引起畸变增大。残余内应力的危害：引起压力加工、热处理过程中零件的变形和开裂

16、。降低金属的强度（第一、二类内应力）。降低金属的耐腐蚀性。残余内应力的消除：去应力退火或低温回火。Logo3.3 3.3 回复与再结晶回复与再结晶冷变形金属在加热时的组织和性能变化金属经冷变形后，组织处于亚稳定状态，有自发恢复到变形前状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，亚稳定状态可以维持相当长时间。加热可以增加原子扩散能力，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。与此同时，变形金属的组织与性能也发生相应的变化。冷变形金属在不同加热温度时组织和性能的变化Logo3.3 3.3 回复与再结晶回复与再结晶3.3.1 3.3.1 回复回复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

17、些亚结构和性能的变化过程称为回复。组织、结构方面：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减少。材料的强度和硬度略有降低，塑性略有提高，残余应力降低。Logo3.3 3.3 回复与再结晶回复与再结晶去应力退火（Stress-relief Annealing）： 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。 冷卷弹簧制品，在成型后进行一次250300C的低温加热，充分消除残余内应力，稳定尺寸，改善性能。 冷冲压黄铜工件在变形后要进行去应力退火，以防止晶间开裂。Logo3.3 3.3 回复与再结晶回复与再结晶3.3.2 3.3.2

18、再结晶再结晶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。Logo3.3 3.3 回复与再结晶回复与再结晶1.组织、结构方面：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。2.性能方面：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完全消失，金属恢复到变形前的性能。内应力基本被消除。 3.工业应用： 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，以消除加工硬化的工艺方法。 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。Logo3.3 3.3 回复与再结

19、晶回复与再结晶再结晶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最低温度。生无畸变等轴晶粒的最低温度。影响因素：影响因素：（1 1）预先变形度）预先变形度（2 2）金属的熔点）金属的熔点（3 3）杂质和合金元素）杂质和合金元素（4 4）加热速度和保温时间）加热速度和保温时间Logo3.3 3.3 回复与再结晶回复与再结晶3.3.3 3.3.3 晶粒长大晶粒长大 冷变形金属

20、在再结晶结束后，继续升高温度或延长保温时间，晶粒就会不断长大，这一过程即称为晶粒长大。 晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。过程。 晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低 金属冷塑性变形不均匀，再结晶后得到的晶粒大小差别大金属冷塑性变形不均匀，再结晶后得到的晶粒大小差别大，大晶粒很容易吞并小晶粒而越长越大，这种晶粒不均匀急剧，大晶粒很容易吞并小晶粒而越长越大，这种晶粒不均匀急剧长大的现象称为二次再结晶。长大的现象称为二次再结晶。Logo3.3 3.3 回复与再结晶回复与再

21、结晶晶粒长大示意图Logo3.3 3.3 回复与再结晶回复与再结晶3.3.4 3.3.4 影响再结晶晶粒大小的因素影响再结晶晶粒大小的因素1.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。 其中温度的影响尤其显著。其中温度的影响尤其显著。加热温度对晶粒度的影响Logo3.3 3.3 回复与再结晶回复与再结晶2.变形程度变形量较小 不发生再结晶，晶粒保不发生再结晶，晶粒保持原状、大小。持原状、大小。变形量达到210% 再结晶后的晶粒异常粗再结晶后的晶粒异常粗大。大。210%的变形量称为临界变形度。变形量超过临界变形度 随变形程度的增加，晶随变形程度的增加，晶粒细小而均匀。粒细小而均

22、匀。预先变形程度对晶粒度的影响Logo3.4 3.4 金属的热加工金属的热加工3.4.1 3.4.1 热加工与冷加工的区别热加工与冷加工的区别 工业生产中，热加工通常指将金属材料加热至高温进行锻造、轧制等压力加工过程。 金属学角度的冷、热加工： 热加工（Hot Working）：指在再结晶温度以上的加工过程。 冷加工（Cold Working）：指在再结晶温度以下的加工过程。 Fe的再结晶温度T再450C，在400C对其加工，则为冷加工。 Pb的再结晶温度T再-33C，在25C(常温)对其加工，则为热加工。Logo3.4 3.4 金属的热加工金属的热加工特点：特点：冷加工：晶粒压扁或拉长冷加工

23、：晶粒压扁或拉长 变形过程不发生再结晶变形过程不发生再结晶 产生加工硬化现象产生加工硬化现象 精度高，表面粗糙度值低，适用于塑性较好的材料精度高，表面粗糙度值低，适用于塑性较好的材料热加工：容易变形热加工：容易变形 同时进行着加工硬化和再结晶软化过程同时进行着加工硬化和再结晶软化过程 易发生氧化，表面精度、光洁度低。易发生氧化，表面精度、光洁度低。 Logo3.4 3.4 金属的热加工金属的热加工3.4.2 3.4.2 热加工对金属组织和性能的影响热加工对金属组织和性能的影响热加工不会引起金属的加工硬化，但由于温度处于再结晶温度热加工不会引起金属的加工硬化，但由于温度处于再结晶温度以上，变形加工后随即发生回复和再结晶，使金属的组织和性以上，变形加工后随即发生回复和再结晶，使金属的组织和性能发生显著改变。能发生显著改变。1.1.改善铸态金属的组织和性能改善铸态金属的组织和性能 a. a. 气孔闭合，致密度增加；气孔闭合，致密度增加； b. b. 粗