机械工程材料 第二章 金属的塑性变形与再结晶

1、第一节 金属的塑性变形第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响第三节 回复与再结晶第四节 金属的热加工第二章第二章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形一、金属变形的三个阶段一、金属变形的三个阶段二、单晶体的塑性变形二、单晶体的塑性变形三、三、多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形一、金属变形的三个阶段一、金属变形的三个阶段金属在外力作用下的变形过程可分为金属在外力作用下的变形过程可分为弹性变形弹性变形、弹塑性变形弹塑性变形和和断裂断裂三个连续的阶段。三个连续的阶段。 （一）弹性变形（一）弹性变形在拉伸试验过程中，材料不产生塑性变形时的在拉伸试验过程中

2、，材料不产生塑性变形时的最大应力，用符号最大应力，用符号e表示。表示。应力与应变保持正比关系的最大应力。应力与应变保持正比关系的最大应力。1、比例极限p2、弹性极限e指外力去除后可以恢复的那部分可逆变形。指外力去除后可以恢复的那部分可逆变形。3、弹性模量或杨氏模量E= / 、G= / 也称为也称为材料刚度材料刚度，表示了零件在受力时，抵抗弹，表示了零件在受力时，抵抗弹 性变形的能力。它们主要由材料的成分决定，而与性变形的能力。它们主要由材料的成分决定，而与组织关系不大。组织关系不大。（二）弹塑性变形（二）弹塑性变形在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继

3、续伸长时的应力，用符号续伸长时的应力，用符号s表示。表示。条件屈服极限条件屈服极限：试样卸除载荷后，其标距部分试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的的残余伸长率达到试样标距长度的0.2%0.2%时的应时的应力，用符号力，用符号0.20.2表示。表示。屈服极限s(Re)当应力去除后，变形只能部分恢复，而保留部分永当应力去除后，变形只能部分恢复，而保留部分永久变形。久变形。（三）断裂（三）断裂材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号b b表示。表示。1 1、抗拉强度、抗拉强度b（Rm)l1-l0l0100%=l1试样拉断后的标距，试样拉断后的标

4、距，mm;l0试样的原始标距，试样的原始标距，mm。试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。2 2、伸长率、伸长率(A)S0-S1S0=100%S0试样原始横截面积，试样原始横截面积，mm2；S1颈缩处的横截面积，颈缩处的横截面积，mm2 。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。原始横截面积的百分比。3、断面收缩率(Z)二、单晶体的塑性变形二、单晶体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单晶体受力后，外力在单晶体受力

5、后，外力在任何晶面上都可分解为任何晶面上都可分解为正应力正应力和和切应力切应力。正应力正应力只能引起弹性变只能引起弹性变形及解理断裂。形及解理断裂。只有在只有在切应力切应力的作用下的作用下金属晶体才能产生金属晶体才能产生塑性塑性变形变形。滑移：滑移：当作用在位错上的当作用在位错上的切应力切应力达到某一临界达到某一临界值时，晶体的一部分将沿着值时，晶体的一部分将沿着一定的晶面一定的晶面（滑移面）（滑移面）和和一定的方向（滑移方向）一定的方向（滑移方向）发生相发生相对的滑动，产生相对的位移。对的滑动，产生相对的位移。塑性变形的形式：塑性变形的形式：滑移滑移和和孪生孪生。金属常以滑移方式发生塑性变形

6、。金属常以滑移方式发生塑性变形。滑移的特征滑移的特征滑移只能在滑移只能在切应力切应力的作用下发生。的作用下发生。滑移的结果：滑移的结果：使晶体表面产生台阶，称为使晶体表面产生台阶，称为滑移线，若干条滑移滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。线组成一个滑移带。三种常见金属晶体结构的滑移系三种常见金属晶体结构的滑移系滑移系的个数滑移系的个数:(滑移面个数）滑移面个数）（每个面上所具有的滑移方向的个数）（每个面上所具有的滑移方向的个数）滑移通常沿滑移通常沿原子密度最大原子密度最大的的晶面和晶向晶面和晶向进行。进行。滑移面、滑移方向、滑移系滑移面、滑移方向、滑移系一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个一

7、个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系滑移系。p滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。（面心立方）（面心立方）（密排六方）（密排六方）p金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格体心立方晶格好于密排六方晶格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转动有两种转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。移面上滑移方向向最

8、大切应力方向转动。AA1FF滑移面滑移面滑移方向滑移方向最大切应力方向最大切应力方向滑移是通过滑移是通过位错的运动位错的运动实现的。实现的。位错的易动性位错的易动性三、多晶体的塑性变形三、多晶体的塑性变形晶粒变形的不同时性晶粒变形的不同时性处于有利位向（处于有利位向（软位向软位向滑移系与外力夹角等于或滑移系与外力夹角等于或接近于接近于45）的晶粒先滑移；）的晶粒先滑移；处于不利位向（处于不利位向（硬位向硬位向滑移系与外力垂直或平行滑移系与外力垂直或平行）的晶粒后滑移。的晶粒后滑移。硬位向硬位向软位向软位向晶粒变形的相互协调性晶粒变形的相互协调性多晶体中每个晶粒都处于其它晶粒的包围之中，多晶体中

9、每个晶粒都处于其它晶粒的包围之中，它们的变形必然要与其它临近的晶粒相互协调配它们的变形必然要与其它临近的晶粒相互协调配合，合，周围的晶粒以弹性变形来与之协调。周围的晶粒以弹性变形来与之协调。晶界的强化作用晶界的强化作用晶界是滑移的障碍，晶界变形抗力较大。晶界是滑移的障碍，晶界变形抗力较大。晶界多了能强化材料晶界多了能强化材料 细晶强化细晶强化细化晶粒不仅能提高材料的强度，还可以改善材料细化晶粒不仅能提高材料的强度，还可以改善材料的塑性和韧性。的塑性和韧性。第二节 塑性变形对金属 组织和性能的影响一、塑性变形对显微组织的影响一、塑性变形对显微组织的影响二、塑性变形对金属性能的影响二、塑性变形对金

10、属性能的影响三、残余应力三、残余应力一、塑性变形对显微组织的影响一、塑性变形对显微组织的影响(一)形成纤维组织晶粒会沿着变形方向伸长成为长条形或扁平形晶粒。晶粒会沿着变形方向伸长成为长条形或扁平形晶粒。（二）亚结构细化晶粒碎化为亚晶粒晶粒碎化为亚晶粒亚晶粒亚晶粒（三）产生形变织构 在塑性变形达到一定程度时，各个晶粒的滑移在塑性变形达到一定程度时，各个晶粒的滑移面和滑移方向逐渐与变形方向趋于一致，这种面和滑移方向逐渐与变形方向趋于一致，这种现象称为现象称为择优取向择优取向，这种组织状态则称为，这种组织状态则称为形变形变织构织构。 分为两种：分为两种：丝织构丝织构与与板织构板织构 丝织构丝织构板织

11、构板织构对性能影响：产生对性能影响：产生各向异性各向异性无织构无织构有织构有织构力学性能力学性能：利利：深冲板材变形控制；：深冲板材变形控制； 弊弊：制耳。：制耳。物理性能物理性能：硅钢片：硅钢片100100织构可减少铁损。织构可减少铁损。二、塑性变形对金属性能的影响（一）力学性能加工硬化加工硬化（形变强化形变强化）:随着随着冷塑性变形冷塑性变形量量的增加，金属的的增加，金属的强度、硬度升高强度、硬度升高，塑性、韧塑性、韧性下降性下降的现象。的现象。工业纯铜工业纯铜45钢钢链条板的轧制链条板的轧制材料为材料为Q345（16Mn) 钢钢 的自行车链条经过五的自行车链条经过五次轧制，厚度由次轧制，

12、厚度由3.5mm压缩到压缩到1.2mm，总变形，总变形量为量为65%。硬度从硬度从150HBS提高到提高到275HBS；抗拉强度从；抗拉强度从510MPa提高到提高到980MPa；使承载能力提高了将；使承载能力提高了将 近一倍。近一倍。加工硬化是强化金属的重要手段之一。加工硬化是强化金属的重要手段之一。对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。弹簧钢丝的强化弹簧钢丝的强化65Mn弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可达弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可达20003000MPa，比一般钢材的强度提高，比一般钢材的强度提高46倍。倍。高锰钢的加工硬化高锰钢的加工硬化高锰钢（高

13、锰钢（ZGMn13)属于属于奥氏体钢奥氏体钢，热处，热处理不能强化，它的主要强化手段就是加工理不能强化，它的主要强化手段就是加工硬化。硬化。当高锰钢受到激烈摩擦或剧烈冲击时，其当高锰钢受到激烈摩擦或剧烈冲击时，其表面部分就会产生微量塑性变形，随之产表面部分就会产生微量塑性变形，随之产生强烈的加工硬化，使其硬度和强度快速生强烈的加工硬化，使其硬度和强度快速提高，从而能够作为耐磨钢使用。提高，从而能够作为耐磨钢使用。金属的冷成型加工的保证金属的冷成型加工的保证金属的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑金属的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性变形均匀地分布于整个工件上，而不致于集中在某性

14、变形均匀地分布于整个工件上，而不致于集中在某些局部而导致最终断裂。些局部而导致最终断裂。提高提高材料使用材料使用的安全性的安全性 构件在使用过程中，往往不可避免地会某构件在使用过程中，往往不可避免地会某些部位出现应力集中和过载现象，在这种些部位出现应力集中和过载现象，在这种情况下，由于金属能加工硬化，使局部过情况下，由于金属能加工硬化，使局部过载部位在产生少量塑性变形之后，提高了载部位在产生少量塑性变形之后，提高了屈服强度并与所承受的应力达到平衡，变屈服强度并与所承受的应力达到平衡，变形就不会继续发展，从而在一定程度上提形就不会继续发展，从而在一定程度上提高了构件的安全性。高了构件的安全性。加

15、工硬化的不利影响加工硬化的不利影响不利于继续变形不利于继续变形。 必须对其进行必须对其进行中间退火中间退火，这样就增加了生这样就增加了生产成本，而且延长了生产周期。产成本，而且延长了生产周期。产生残余应力产生残余应力。（二）其他性能 塑性变形影响金属的物理、化学性能，塑性变形影响金属的物理、化学性能， 如电阻增大，导磁率下降，耐腐蚀性能如电阻增大，导磁率下降，耐腐蚀性能 降低。降低。 密度、导热系数下降。密度、导热系数下降。（一）宏观内应力（第一类内应力）原因：原因：由工件不同部位的宏观变形不均匀而引起的。由工件不同部位的宏观变形不均匀而引起的。作用范围作用范围：作用于整个工件。作用于整个工件

16、。三、残余应力三、残余应力（约占变形功的（约占变形功的10）金属棒弯曲变形后金属棒弯曲变形后的残余应力的残余应力金属冷拉拔后金属冷拉拔后的残余应力的残余应力（二）微观内应力（第二类内应力）（三）点阵畸变（第三类内应力）80-90%原因：晶体原因：晶体缺陷而引起的畸变应力。缺陷而引起的畸变应力。作用范围：作用范围：约几百到几千个原子范围内。约几百到几千个原子范围内。原因：原因：晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起的。晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起的。作用范围：作用范围：与晶粒尺寸相当。与晶粒尺寸相当。金属强化金属强化主要原因主要原因第一类、第二类残余应力：第一类、第二类残余应力：对金属材料的性能是

17、有害的，对金属材料的性能是有害的，使金属强度降低。使金属强度降低。它导致材料及工件的它导致材料及工件的变形变形、开裂开裂和产生和产生应力腐蚀应力腐蚀。 消除措施：消除措施：去应力退火去应力退火处理处理 利：预应力处理（利：预应力处理（喷丸、喷砂、滚压）喷丸、喷砂、滚压）残余压应力残余压应力 提高工件疲劳强度，延长使用寿命。提高工件疲劳强度，延长使用寿命。 第三类内应力第三类内应力是产生是产生加加工硬化工硬化主要原因，主要原因，是金是金属强化的主要原因。属强化的主要原因。弊：弊：第三节 回复与再结晶一、回复一、回复二、再结晶二、再结晶三、晶粒长大三、晶粒长大四、影响再结晶退火后晶粒度的因素四、影

18、响再结晶退火后晶粒度的因素 变形金属加热时组织和性能变化示意图变形金属加热时组织和性能变化示意图回复回复是指经是指经冷塑性变形冷塑性变形的金属在的金属在加热加热时，在光学时，在光学显微组织发生改变前显微组织发生改变前(即在再结晶晶粒形成前即在再结晶晶粒形成前)所产生的某些亚结构和性能的变化过程。所产生的某些亚结构和性能的变化过程。显微组织无显著变化显微组织无显著变化。晶粒仍保持纤维状或扁平状的变形组织晶粒仍保持纤维状或扁平状的变形组织 。特点特点：2. 加工硬化现象未消失加工硬化现象未消失。3.3.某些物理、化学性能发生明显变化，如电阻显某些物理、化学性能发生明显变化，如电阻显著减小，第一类内

19、应力基本消除著减小，第一类内应力基本消除，抗应力腐蚀能抗应力腐蚀能力提高，力提高，一、回复生产上应用生产上应用：回复退火（：回复退火（去应力退火）去应力退火） 利用回复过程，利用回复过程，在在基本保留加工硬化基本保留加工硬化的前提下，的前提下，降低内应力，避免变形开裂并改善抗蚀性。降低内应力，避免变形开裂并改善抗蚀性。例如：冷冲压黄铜工件在变形后要进行去应力退火，例如：冷冲压黄铜工件在变形后要进行去应力退火，以防止以防止晶间开裂晶间开裂。二、再结晶 再结晶：再结晶：冷变形金属冷变形金属在加热到一定温度后，在原来变在加热到一定温度后，在原来变形组织中重新产生并最终由形组织中重新产生并最终由无畸变

20、的新晶粒无畸变的新晶粒完全取代，完全取代，而而性能恢复到变形前状态性能恢复到变形前状态的变化过程。的变化过程。1. 特点特点（1）组织发生变化）组织发生变化 变形晶粒变形晶粒由由无畸变新晶粒无畸变新晶粒代替。代替。（2）消除加工硬化现象）消除加工硬化现象。（3）变形储存能充分释放。）变形储存能充分释放。2.再结晶的过程再结晶的过程实质：实质：新晶粒重新新晶粒重新形核形核和和长大长大的过程，无新相产生。的过程，无新相产生。再结晶过程示意图再结晶过程示意图变变形形晶晶粒粒新新等等轴轴晶晶粒粒3. 再结晶温度及再结晶退火再结晶温度及再结晶退火工业纯金属的最低再结晶温度工业纯金属的最低再结晶温度生产上

21、定义：生产上定义：经过大变形量冷塑性变形的金属经过大变形量冷塑性变形的金属（变形度（变形度70%），在），在1h保温时间内能够完成保温时间内能够完成再结晶转变（转变量再结晶转变（转变量95% ）的温度。）的温度。T再再0.4T熔熔（绝对温度）（绝对温度）再结晶退火再结晶退火：生产中，把：生产中，把消除加工硬化的热处理称消除加工硬化的热处理称为为再结晶退火再结晶退火。生产上为了缩短退火周期，采用的再结晶退火温度生产上为了缩短退火周期，采用的再结晶退火温度一般定为一般定为最低再结晶温度以上最低再结晶温度以上100200 。再结晶的应用再结晶的应用：恢复金属塑性变形的能力，以便继续进行形变加工恢复金

22、属塑性变形的能力，以便继续进行形变加工。4. 再结晶与重结晶再结晶与重结晶不同点不同点：（1）再结晶转变前后的）再结晶转变前后的晶格类型晶格类型没有发生变化，没有发生变化，重结晶时晶格类型发生改变。重结晶时晶格类型发生改变。（2）再结晶是对冷塑性变形的金属而言的，没有）再结晶是对冷塑性变形的金属而言的，没有发生冷塑性变形的金属不存在再结晶问题。发生冷塑性变形的金属不存在再结晶问题。相同点相同点：晶粒形核、长大的过程。：晶粒形核、长大的过程。三、晶粒长大三、晶粒长大再结晶刚刚完成后的晶粒是无畸变的等轴晶粒，再结晶刚刚完成后的晶粒是无畸变的等轴晶粒，如果继续升高温度或延长保温时间，晶粒之间就如果继

23、续升高温度或延长保温时间，晶粒之间就会通过晶界的迁移相互吞并而长大。会通过晶界的迁移相互吞并而长大。晶粒长大示意图晶粒长大示意图二次再结晶二次再结晶再结晶完成后，若继续升高温度或延长保温时间，再结晶完成后，若继续升高温度或延长保温时间，晶粒会不均匀急剧长大，这种现象类似于再结晶晶粒会不均匀急剧长大，这种现象类似于再结晶的形核、长大过程，因而称为二次再结晶。的形核、长大过程，因而称为二次再结晶。对性能影响对性能影响： 使金属的强度、塑性和韧性显著降低，易产生使金属的强度、塑性和韧性显著降低，易产生 裂纹，导致零件的破坏。裂纹，导致零件的破坏。四、影响再结晶退火后晶粒度的因素四、影响再结晶退火后晶

24、粒度的因素 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，保温时加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗间越长，金属的晶粒越粗大大,加热温度的影响尤为加热温度的影响尤为显著。显著。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2、冷变形度、冷变形度冷变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。冷变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。 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当变形达到当变形达到210%时，只有部分晶粒变形，变形时，只有部分晶粒变形，变形极极不均

25、匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大，再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度称和长大，再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度称临临界变形度界变形度。当超过临界变形度后当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越，随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。基本不变。 对于某些金属，当变形量相当大时对于某些金属，当变形量相当大时( 90%)，再结晶，再结晶后晶粒又出现粗化现象，一般认为这与形成织构有后晶粒又

26、出现粗化现象，一般认为这与形成织构有关。关。第四节第四节 金属的热加工金属的热加工一、热加工与冷加工的区别一、热加工与冷加工的区别二、热加工对金属组织和性能的影响二、热加工对金属组织和性能的影响三、超塑性（自学）三、超塑性（自学）第四节第四节 金属的热加工金属的热加工一、热加工与冷加工的区别一、热加工与冷加工的区别指在指在再结晶温度再结晶温度以上的加工过程。以上的加工过程。热加工热加工：冷加工冷加工：指在指在再结晶温度再结晶温度以下的加工过程。以下的加工过程。热加工过程实质热加工过程实质：加工硬化与加工硬化与动态软化动态软化同时进行。同时进行。动态软化动态软化动态回复动态回复动态再结晶动态再结

27、晶（注意：与静态回复与静（注意：与静态回复与静 态再结晶相区别）态再结晶相区别）热轧热轧如：如：钨钨的再结晶温度为的再结晶温度为1200 1200 ，其在，其在10001000的变的变 形加工仍是冷加工；形加工仍是冷加工； 铅铅(熔点为熔点为327)的再结晶温度为的再结晶温度为-33，在室温下在室温下的变形就是热加工。的变形就是热加工。热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般用热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。工件。冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。及表面光洁度要求高的工件。二、热加工对金属组织和性能的影响二、热加工对金属组织和性能的影响1. 改善铸态组织改善铸态组织细化晶粒细化晶粒，使枝晶、柱状晶和粗大晶粒破碎；，使枝晶、柱状晶和粗大晶粒破碎；微裂纹和气孔被焊合，疏松压实，提高致密度；微裂纹和气孔被