金属学及热处理_第五章_金属的塑性变形和再结晶

1、金属学及热处理第5章金属的塑性变形和再结晶第第5章章 金属的塑性变形和再结晶金属的塑性变形和再结晶金属材料金属材料高温塑性变形高温塑性变形室温塑性变形室温塑性变形形状变化形状变化组织性能变化组织性能变化加加热热回复、再结晶和晶粒长大回复、再结晶和晶粒长大 本章的主要学习内容：本章的主要学习内容：第第5章章 金属的塑性变形和再结晶金属的塑性变形和再结晶金属的变形特性；金属的变形特性；单晶体的塑性变形；单晶体的塑性变形；多晶体的塑性变形；多晶体的塑性变形；塑性变形对金属组织与性能的影响；塑性变形对金属组织与性能的影响；冷变形金属的回复与再结晶；冷变形金属的回复与再结晶；金属的热加工；金属的热加工；

2、超塑性。超塑性。 金属变形的基本过程：金属变形的基本过程： 弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形断裂断裂5.1.1 应力应变曲线应力应变曲线5.1 金属的变形特性金属的变形特性 金属的弹性变形：金属的弹性变形： 弹性变形弹性变形应力去除后，原来的形状和尺寸完全恢复。应力去除后，原来的形状和尺寸完全恢复。 金属的弹性变形量一般不超过金属的弹性变形量一般不超过1 1。 弹性极限弹性极限( (e) )：残余变形达到：残余变形达到0.005%0.005%时的应力值。时的应力值。 弹性模量弹性模量：弹性阶段直线斜率，抵抗弹性变形能力。：弹性阶段直线斜率，抵抗弹性变形能力。低碳钢拉伸应力应变曲线低碳钢拉伸应力

3、应变曲线 金属的塑性变形：金属的塑性变形： 应力大于应力大于e时开始塑性变形。时开始塑性变形。 应力达到应力达到s和和0.2时开始明显时开始明显 塑性变形。塑性变形。5.1.1 应力应变曲线应力应变曲线5.1 金属的变形特性金属的变形特性 s表示金属开始产生屈服现象时的应力表示金属开始产生屈服现象时的应力屈服极限屈服极限。 金属的弹性变形量一般不超过金属的弹性变形量一般不超过1 1。 0.2表示金属的残余应变达到表示金属的残余应变达到0.2%时的应力时的应力 条件屈服极限条件屈服极限。低碳钢拉伸应力应变曲线低碳钢拉伸应力应变曲线 拉伸曲线的最高点所代表的应力拉伸曲线的最高点所代表的应力为为抗拉

4、极限强度抗拉极限强度b 。5.1.1 应力应变曲线应力应变曲线5.1 金属的变形特性金属的变形特性 试样断裂后标距长度伸长量试样断裂后标距长度伸长量L(Lk-L0)与原始标距长度与原始标距长度L0的百分比称为的百分比称为延伸率延伸率： (Lk-L0)/ L0 100% 试样的原始截面面积试样的原始截面面积F0和断裂时的截面面积和断裂时的截面面积Fk之差与原之差与原始截面面积始截面面积F0的百分比称为的百分比称为断面收缩率断面收缩率： ( (F0- - Fk)/)/F0100%低碳钢拉伸应力应变曲线低碳钢拉伸应力应变曲线5.1.2 金属的弹性变形金属的弹性变形5.1 金属的变形特性金属的变形特性

5、金属弹性变形的实质是金属的晶格结构在外力作用金属弹性变形的实质是金属的晶格结构在外力作用下产生的弹性畸变。所加外力小于原子间结合力，下产生的弹性畸变。所加外力小于原子间结合力，外力去除后，变形完全恢复。在弹性变形阶段应力外力去除后，变形完全恢复。在弹性变形阶段应力与应变呈线性关系，即：与应变呈线性关系，即：E, , E= =/E为为弹性模量弹性模量， 为弹性应力，为弹性应力， 为弹性应变。为弹性应变。金属金属的弹性模量是一个对组织不敏感的性能指标，的弹性模量是一个对组织不敏感的性能指标，它取决于原子间结合力大小。它取决于原子间结合力大小。Mg:45GPa; Al:70GPa; Ti:116GP

6、a; Fe: 211GPa; Mg:45GPa; Al:70GPa; Ti:116GPa; Fe: 211GPa; Pb:18GPa; W:411GPaPb:18GPa; W:411GPa5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形当应力超过弹性极限时，金属将发生塑性变形。当应力超过弹性极限时，金属将发生塑性变形。多晶体的变形与组成它的各个晶粒的变形行为有关。多晶体的变形与组成它的各个晶粒的变形行为有关。在常温和低温下，金属塑性变形主要是通过滑移方式在常温和低温下，金属塑性变形主要是通过滑移方式 进行的，还有孪生等其它方式。进行的，还有孪生等其它方式。5.2.1 滑移滑移5.2 单晶体的塑性变形单

7、晶体的塑性变形晶体的塑性变形是晶体的晶体的塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相着某些晶面和晶向发生相对滑动的结果，这种变形对滑动的结果，这种变形方式称为方式称为滑移。滑移。经塑性变形单晶体表面抛光后在金相显微镜下可以观经塑性变形单晶体表面抛光后在金相显微镜下可以观察到许多相互平行的线条，这些线条称为察到许多相互平行的线条，这些线条称为滑移带滑移带。铜中的滑移带铜中的滑移带5.2.1 滑移滑移5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形每条滑移带是由一族相互每条滑移带是由一族相互平行的细线即滑移线组成，平行的细线即滑移线组成，而这些滑移线是经塑性变而这些

8、滑移线是经塑性变形后在试样表面产生的一形后在试样表面产生的一个个小台阶。个个小台阶。金属经塑性变形后，晶体结构未发生变化，滑移带两金属经塑性变形后，晶体结构未发生变化，滑移带两侧的晶体取向也未发生变化。滑移带之间或滑移线之侧的晶体取向也未发生变化。滑移带之间或滑移线之间的晶体片层未发生变形。间的晶体片层未发生变形。滑移线和滑移带示意图滑移线和滑移带示意图5.2.1 滑移滑移5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形金属中的滑移是金属中的滑移是沿着一定的晶面沿着一定的晶面和晶面上一定的和晶面上一定的晶向进行的。晶向进行的。这些晶面称为这些晶面称为滑移面滑移面，晶向称为，晶向称为滑移方向滑移方向。滑

9、移面通常是金属晶体中的密排面，而滑移方面则是最滑移面通常是金属晶体中的密排面，而滑移方面则是最密排方向。一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起密排方向。一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个来组成一个滑移系滑移系。不同晶体有不同的滑移系。滑移系。不同晶体有不同的滑移系。滑移系越多，滑移可能采取的空间取向越多，金属的塑性越好。越多，滑移可能采取的空间取向越多，金属的塑性越好。5.2.1 滑移滑移5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形金属的滑移是在切应力作用下进行的。当外力在某一滑移金属的滑移是在切应力作用下进行的。当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定的临界值时，这一滑移系开动，系中

10、的分切应力达到一定的临界值时，这一滑移系开动，晶体开始滑移，该分切应力称为滑移的晶体开始滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力临界分切应力。外力外力F在滑移方向上的分力为：在滑移方向上的分力为：Fcos滑移面的面积为：滑移面的面积为：A/cos外力外力F在滑移方向上的分切应力为：在滑移方向上的分切应力为： = (Fcos)/(A/cos)=(F/A)coscoscoscossk屈服强度屈服强度s=F/A5.2.1 滑移滑移5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形临界分切应力临界分切应力K的大小取决于金属的的大小取决于金属的本质，与外力大小和方向无关。本质，与外力大小和方向无关。单晶体的屈服强度

11、除与单晶体的屈服强度除与K有关外，还有关外，还与取向因子与取向因子coscos有关。有关。当当和和都为都为45时，取向因子具有最时，取向因子具有最大值，大值， s具有最低值，具有最低值，软取向软取向。coscossks=k / (coscos)当外力与滑移面平行或垂直时，取向因子为零，当外力与滑移面平行或垂直时，取向因子为零， s无无穷大，晶体不能滑移，直至断裂，穷大，晶体不能滑移，直至断裂，硬取向硬取向。5.2.1 滑移滑移5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形如果金属的塑性变形过程中只有一个滑移系开动，称为如果金属的塑性变形过程中只有一个滑移系开动，称为单系滑移单系滑移。对于滑移系较多的

12、晶体，取向最有利的滑移系首先开动，对于滑移系较多的晶体，取向最有利的滑移系首先开动，带动其它滑移系开动，导致两个或多个滑移系同时或交带动其它滑移系开动，导致两个或多个滑移系同时或交替开动。如果外力方向合适，滑移也可以在多个滑移系替开动。如果外力方向合适，滑移也可以在多个滑移系上同时开始。上同时开始。这种在两个或多个滑移系上进行的滑移称为这种在两个或多个滑移系上进行的滑移称为多系滑移多系滑移，或多滑移。多滑移时产生的滑移带常呈交叉状。或多滑移。多滑移时产生的滑移带常呈交叉状。5.2.2 滑移的位错机制滑移的位错机制5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形在切应力作用下，没有任何缺陷的理想晶体的上

13、在切应力作用下，没有任何缺陷的理想晶体的上下两部分沿滑移面作整体刚性滑移所需要的临界下两部分沿滑移面作整体刚性滑移所需要的临界切应力很大，实际值很小。切应力很大，实际值很小。铜的理论计算临界分切应力为铜的理论计算临界分切应力为1500MPa，而实测，而实测值仅为值仅为0.98MPa，相差一千多倍。，相差一千多倍。实际晶体中存在位错，晶体的滑移是通过位错在实际晶体中存在位错，晶体的滑移是通过位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果。切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果。（1）位错的运动与晶体的滑移）位错的运动与晶体的滑移5.2.2 滑移的位错机制滑移的位错机制5.2 单晶体的塑性变形单晶体

14、的塑性变形当一条位错线移到当一条位错线移到晶体表面时，便在晶体表面时，便在晶体表面留下一个晶体表面留下一个原子间距的滑移台原子间距的滑移台阶，其大小等于柏阶，其大小等于柏氏矢量。如果有大氏矢量。如果有大量位错重复按此方量位错重复按此方式滑移过晶体，就式滑移过晶体，就会在晶体表面形成会在晶体表面形成滑移线。滑移线。（1）位错的运动与晶体的滑移）位错的运动与晶体的滑移滑移的位错机制滑移的位错机制螺型位错螺型位错刃型位错刃型位错5.2.2 滑移的位错机制滑移的位错机制5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形晶体滑移时不是滑移面上原子整晶体滑移时不是滑移面上原子整体运动，而是位错中心原子逐一体运动，而

15、是位错中心原子逐一递进，由一个平衡位置转移到另递进，由一个平衡位置转移到另一个平衡位置。一个平衡位置。（1）位错的运动与晶体的滑移）位错的运动与晶体的滑移刃型位错的滑移刃型位错的滑移位错从位错从PQ到到PQ移动了一个原子间距，但只需位错中移动了一个原子间距，但只需位错中心附件的少数原子作远小于一个原子间距的弹性偏移，心附件的少数原子作远小于一个原子间距的弹性偏移，因此这样的位错运动需要的切应力很小。这就是实际因此这样的位错运动需要的切应力很小。这就是实际滑移的临界切应力远低于理论计算值的原因。滑移的临界切应力远低于理论计算值的原因。5.2.2 滑移的位错机制滑移的位错机制5.2 单晶体的塑性变

16、形单晶体的塑性变形晶体的塑性变形要产生大量滑移带，而一个滑移带需晶体的塑性变形要产生大量滑移带，而一个滑移带需要上千个位错扫过滑移面并移出晶体表面。然而，晶要上千个位错扫过滑移面并移出晶体表面。然而，晶体塑性变形后位错不但没有减小，反而增多。体塑性变形后位错不但没有减小，反而增多。晶体塑性变形过程中位错在低应力作用下可以源源不晶体塑性变形过程中位错在低应力作用下可以源源不断地产生，其中的一种机制就是弗兰克瑞德断地产生，其中的一种机制就是弗兰克瑞德(Frank-Read)位错增殖机制位错增殖机制（2）位错的增值）位错的增值5.2.2 滑移的位错机制滑移的位错机制5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑

17、性变形位错在三维空间中相互交结，在位错在三维空间中相互交结，在位错线上形成固定结点位错线上形成固定结点(DD)。位。位错线在外力作用下要向前运动，错线在外力作用下要向前运动，而而D和和D两结点不动，使直线变两结点不动，使直线变为曲线。位错线运动方向与本身为曲线。位错线运动方向与本身（2）位错的增值）位错的增值弗兰克瑞德位错源弗兰克瑞德位错源垂直，各点运动线速度相等，角速度不同。与结点越垂直，各点运动线速度相等，角速度不同。与结点越近，角速度越大，便形成了一个回转蜷线。近，角速度越大，便形成了一个回转蜷线。m和和n点异点异号螺型位错相遇并销毁，形成新的线段和周围位错环。号螺型位错相遇并销毁，形成

18、新的线段和周围位错环。位错环继续滑移并移出晶体后形成一个原子间距的位位错环继续滑移并移出晶体后形成一个原子间距的位移，新的线段位错重复继续不断地产生位错环。移，新的线段位错重复继续不断地产生位错环。5.2.2 滑移的位错机制滑移的位错机制5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形位错位错AB和和CD，滑移面，滑移面Pa和和Pb，柏氏矢量，柏氏矢量b1和和b2。AB自自左向右运动，产生左向右运动，产生b1距离的位移，与距离的位移，与CD交割后，交割后，CD变变成成CmnD，mn也是刃型位错，但滑移面不同，因此称之也是刃型位错，但滑移面不同，因此称之为割阶。为割阶。（3）位错的交割与塞积）位错的交割

19、与塞积两个相互垂直的刃型位错的交割两个相互垂直的刃型位错的交割有些割阶难以运有些割阶难以运动，成为位错运动，成为位错运动障碍，造成位动障碍，造成位错缠结，导致加错缠结，导致加工硬化。工硬化。5.2.2 滑移的位错机制滑移的位错机制5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形位错位错运动过程中如果遇到障碍物的阻碍，如其运动过程中如果遇到障碍物的阻碍，如其它位错、硬质点、晶界等，领先的位错受阻于它位错、硬质点、晶界等，领先的位错受阻于障碍物，后续位错被阻塞，形成位错塞积群，障碍物，后续位错被阻塞，形成位错塞积群，造成应力集中。造成应力集中。（3）位错的交割与塞积）位错的交割与塞积位错塞积示意图位错塞积

20、示意图5.2.3 孪生孪生5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形不同的晶体结构具有不同的孪生面和孪生方向。孪生区不同的晶体结构具有不同的孪生面和孪生方向。孪生区内相邻晶面沿孪生方向相对移动相同距离，孪生后晶体内相邻晶面沿孪生方向相对移动相同距离，孪生后晶体的切变部分与未变形部分以孪生面为分界面形成了镜面的切变部分与未变形部分以孪生面为分界面形成了镜面对称的位向关系，孪生区的晶体取向发生了改变。对称的位向关系，孪生区的晶体取向发生了改变。面心立方晶体孪生变形过程示意图面心立方晶体孪生变形过程示意图孪生是另一种塑孪生是另一种塑性变形机制，是性变形机制，是均匀切变过程。均匀切变过程。切变面为孪生面

21、，切变面为孪生面，切变方向为孪生切变方向为孪生方向。方向。5.2.3 孪生孪生5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形与滑移相比，孪生本身对晶体塑性变形贡献不大。孪生与滑移相比，孪生本身对晶体塑性变形贡献不大。孪生改变了晶体的位向，可使某些原来处于不利取向的滑移改变了晶体的位向，可使某些原来处于不利取向的滑移系转变到有利滑移的取向，激发进一步滑移变形。系转变到有利滑移的取向，激发进一步滑移变形。钢中的变形孪晶钢中的变形孪晶孪生也是在切应力作用下发生孪生也是在切应力作用下发生的，但所需临界切应力远高于的，但所需临界切应力远高于滑移，只有在很难进行时，才滑移，只有在很难进行时，才发生孪生变形。密排

22、六方晶体发生孪生变形。密排六方晶体滑移系少，易发生孪生变形。滑移系少，易发生孪生变形。孪生变形速度很快。孪生变形速度很快。单晶体的塑性变形：单晶体的塑性变形： 滑移：滑移线，滑移带，滑移面，滑移方向，滑移系，滑移：滑移线，滑移带，滑移面，滑移方向，滑移系， 滑移的临界分切应力，单系滑移，多系滑移滑移的临界分切应力，单系滑移，多系滑移 滑移的位错机制：位错的运动、增殖、交割、塞积滑移的位错机制：位错的运动、增殖、交割、塞积 孪生：孪生过程，孪生机制，孪生特点孪生：孪生过程，孪生机制，孪生特点小结小结金属的变形特性：金属的变形特性： 弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形断裂断裂 弹性极限，弹性模量，屈

23、服极限，抗拉极限强度弹性极限，弹性模量，屈服极限，抗拉极限强度 延伸率，断面收缩率延伸率，断面收缩率5.3.1 多晶体塑性变形的特点多晶体塑性变形的特点5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形位错塞积造成应力集中，与不断提高的外力叠加，使相位错塞积造成应力集中，与不断提高的外力叠加，使相邻晶粒某些滑移系开动，塑性变形从一个晶粒传递到另邻晶粒某些滑移系开动，塑性变形从一个晶粒传递到另一个晶粒，一批晶粒如此传递，产生宏观塑性变形。一个晶粒，一批晶粒如此传递，产生宏观塑性变形。位错塞积示意图位错塞积示意图多晶体中各晶粒取向不同，多晶体中各晶粒取向不同，在外力作用下，处于有利在外力作用下，处于有利位向

24、的晶粒首先滑移，位位向的晶粒首先滑移，位错源开动。周围晶粒位向错源开动。周围晶粒位向不利，位错不能穿过晶界，不利，位错不能穿过晶界，受阻形成塞积。受阻形成塞积。5.3.1 多晶体塑性变形的特点多晶体塑性变形的特点5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形多晶体各晶粒取向不同及晶界多晶体各晶粒取向不同及晶界存在，使各晶粒间变形不均匀。存在，使各晶粒间变形不均匀。在一个晶粒中，内部变形大，在一个晶粒中，内部变形大，晶界及附近变相小。晶界及附近变相小。双晶粒试样拉伸变形双晶粒试样拉伸变形多晶体每个晶粒都处于其它晶粒包围之中，每个晶粒多晶体每个晶粒都处于其它晶粒包围之中，每个晶粒的变形必须有相邻晶粒的相

25、互协调，保持晶粒之间的的变形必须有相邻晶粒的相互协调，保持晶粒之间的连续性。要求相邻晶粒不只在取向有利的滑移系中进连续性。要求相邻晶粒不只在取向有利的滑移系中进行滑移，非有利滑移系也要开动。多晶体的塑性变形行滑移，非有利滑移系也要开动。多晶体的塑性变形一般需要每个晶粒至少一般需要每个晶粒至少5个独立滑移系开动来保证各个独立滑移系开动来保证各晶粒间变形协调。密排六方晶体滑移系少，塑性差。晶粒间变形协调。密排六方晶体滑移系少，塑性差。5.3.2 晶粒大小对塑性变形的影响晶粒大小对塑性变形的影响5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形这就是著名的霍尔佩奇这就是著名的霍尔佩奇（Hall-Petch）公

26、式，式中：）公式，式中：0与与K均为常数。均为常数。0表示晶内表示晶内对变形的阻力，相当于单对变形的阻力，相当于单晶体的屈服强度；晶体的屈服强度；K表示晶界对强度的影响程度，与表示晶界对强度的影响程度，与晶界结构有关。晶界结构有关。常温下钢的屈服强度（常温下钢的屈服强度（0）与晶粒直径（）与晶粒直径（d）平方根的）平方根的倒数呈线性关系：倒数呈线性关系：21Kdos5.3.2 晶粒大小对塑性变形的影响晶粒大小对塑性变形的影响5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形这就是霍尔佩奇这就是霍尔佩奇（Hall-Petch）公式）公式的物理本质的物理本质。多晶体中一个晶粒发生变形，在晶界附近产生位错塞多

27、晶体中一个晶粒发生变形，在晶界附近产生位错塞积，引起应力集中。应力集中大小与塞积位错数目有积，引起应力集中。应力集中大小与塞积位错数目有关。晶粒越小，位错塞积距离越小，应力集中越小，关。晶粒越小，位错塞积距离越小，应力集中越小，引发相邻晶粒变形的机会越小，需要外力越大，表现引发相邻晶粒变形的机会越小，需要外力越大，表现出强度越高。出强度越高。位错塞积示意图位错塞积示意图5.3.2 晶粒大小对塑性变形的影响晶粒大小对塑性变形的影响5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形多晶体晶粒细小均匀时，一定体积内晶粒数目多。形多晶体晶粒细小均匀时，一定体积内晶粒数目多。形相同变形量下，变形分散在较多晶粒内进

28、行，变形较相同变形量下，变形分散在较多晶粒内进行，变形较均匀，引起应力集中小，使材料在断裂之前能承受较均匀，引起应力集中小，使材料在断裂之前能承受较大的变形量，可以得到较大的延伸率。因此，晶粒小大的变形量，可以得到较大的延伸率。因此，晶粒小小，不仅室温强度高，而且具有较好的塑性。小，不仅室温强度高，而且具有较好的塑性。晶粒越细，晶界曲折，不利于裂纹扩展，断裂吸收的晶粒越细，晶界曲折，不利于裂纹扩展，断裂吸收的能量高，因此表现出良好的韧性。能量高，因此表现出良好的韧性。在工业生产中，要设法获得细小均匀的晶粒组织，具在工业生产中，要设法获得细小均匀的晶粒组织，具有较高的综合性能。有较高的综合性能。

29、5.4.1 塑性变形对金属组织的影响塑性变形对金属组织的影响5.4 塑性变形对金属组织与性能影响塑性变形对金属组织与性能影响金属经冷塑性变形后，原来的等轴晶粒沿变形方向进行金属经冷塑性变形后，原来的等轴晶粒沿变形方向进行拉长。当变形量很大时，晶界难以分辨，呈现一片如纤拉长。当变形量很大时，晶界难以分辨，呈现一片如纤维状的条纹，称之为维状的条纹，称之为纤维组织纤维组织。金属中的塑性夹杂物沿变形方向被拉长；脆性夹杂破碎，金属中的塑性夹杂物沿变形方向被拉长；脆性夹杂破碎，沿变形方向呈链状分布。沿变形方向呈链状分布。纤维组织使金属的性能具有方向性，纵向的强度和塑性纤维组织使金属的性能具有方向性，纵向的

30、强度和塑性高于横向。高于横向。滑移变形产生滑移带，孪生变形产生孪晶。滑移变形产生滑移带，孪生变形产生孪晶。（1）显微组织的变化）显微组织的变化5.4.1 塑性变形对金属组织的影响塑性变形对金属组织的影响5.4 塑性变形对金属组织与性能影响塑性变形对金属组织与性能影响金属的一个晶粒中一般存在很多亚晶粒。塑性变形后，金属的一个晶粒中一般存在很多亚晶粒。塑性变形后，亚晶粒进一步细化成为胞块，称为亚晶粒进一步细化成为胞块，称为变形亚晶变形亚晶。胞块之间。胞块之间位向差不超过位向差不超过2。胞壁由大量堆积位错构成，胞内位错。胞壁由大量堆积位错构成，胞内位错密度较低。变形量越大，胞块越多，尺寸越小，并沿变

31、密度较低。变形量越大，胞块越多，尺寸越小，并沿变形方向被拉长。形方向被拉长。金属塑性变形时位错不断增殖，位错密度大幅提高。金属塑性变形时位错不断增殖，位错密度大幅提高。变形亚晶阻碍位错滑移，提高变形抗力，加工硬化。变形亚晶阻碍位错滑移，提高变形抗力，加工硬化。（2）亚结构的细化）亚结构的细化5.4.1 塑性变形对金属组织的影响塑性变形对金属组织的影响5.4 塑性变形对金属组织与性能影响塑性变形对金属组织与性能影响金属塑性变形过程中，各晶粒的滑移面和滑移方向逐渐金属塑性变形过程中，各晶粒的滑移面和滑移方向逐渐向外力方向转动，当变形量很大时，各晶粒的取向会大向外力方向转动，当变形量很大时，各晶粒的

32、取向会大致趋于一致，这一现象称为晶粒的择优取向。变形金属致趋于一致，这一现象称为晶粒的择优取向。变形金属中的这种组织状态称为中的这种组织状态称为变形织构变形织构。拉拔变形产生的织构是各个晶粒的某一晶向大致与拉拔拉拔变形产生的织构是各个晶粒的某一晶向大致与拉拔方向平行，称之为方向平行，称之为丝织构丝织构。轧制变形产生的织构是各个。轧制变形产生的织构是各个晶粒的某一晶面与轧制平面平行，而某一晶向与轧制的晶粒的某一晶面与轧制平面平行，而某一晶向与轧制的主变形方向平行，称之为主变形方向平行，称之为板织构板织构。（3）变形织构）变形织构5.4.1 塑性变形对金属组织的影响塑性变形对金属组织的影响5.4

33、塑性变形对金属组织与性能影响塑性变形对金属组织与性能影响由于金属塑性变形的不均匀性和产生点阵畸变，变形后由于金属塑性变形的不均匀性和产生点阵畸变，变形后在金属内部留下残余内应力和点阵畸变。在金属内部留下残余内应力和点阵畸变。宏观内应力（第一类内应力）：工件各部分宏观变形不宏观内应力（第一类内应力）：工件各部分宏观变形不均匀而引起的，其平衡范围是工件的整个体积。均匀而引起的，其平衡范围是工件的整个体积。微观内应力（第二类内应力）：由于各晶粒或亚晶粒之微观内应力（第二类内应力）：由于各晶粒或亚晶粒之间变形不均匀而产生的，其平衡范围为几个间变形不均匀而产生的，其平衡范围为几个(亚亚)晶粒。晶粒。点阵

34、畸变（第三类内应力）：塑性变形产生的缺陷使点点阵畸变（第三类内应力）：塑性变形产生的缺陷使点阵中一部分原子偏离其平衡位置，造成晶格畸变。阵中一部分原子偏离其平衡位置，造成晶格畸变。（4）残余应力）残余应力5.4.2 塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属性能的影响5.4 塑性变形对金属组织与性能影响塑性变形对金属组织与性能影响随着塑性变形程度的增加，金属的强度和硬度升高，而随着塑性变形程度的增加，金属的强度和硬度升高，而塑性和韧性下降，这一现象称为塑性和韧性下降，这一现象称为加工硬化加工硬化。随着塑性变形的进行，位错相互交割，产生位错塞积，随着塑性变形的进行，位错相互交割，产生位错塞积，形成位

35、错缠结，位错密度提高，位错的进一步运动受阻，形成位错缠结，位错密度提高，位错的进一步运动受阻，引起变形抗力增加，提高了金属的强度和硬度。引起变形抗力增加，提高了金属的强度和硬度。冷轧钢板，冷拔钢丝，限制颈缩。冷轧钢板，冷拔钢丝，限制颈缩。连续多道次变形过程可采用中间退火消除加工硬化。连续多道次变形过程可采用中间退火消除加工硬化。（1）对金属机械性能的影响）对金属机械性能的影响5.4.2 塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属性能的影响5.4 塑性变形对金属组织与性能影响塑性变形对金属组织与性能影响塑性变形使金属的电阻率增加，电阻温度系数下降，导塑性变形使金属的电阻率增加，电阻温度系数下降，导热

36、系数下降，导磁率和磁饱和系数下降，磁滞和矫顽力热系数下降，导磁率和磁饱和系数下降，磁滞和矫顽力增加。增加。塑性变形提高金属的内能，使化学活性提高，腐蚀速度塑性变形提高金属的内能，使化学活性提高，腐蚀速度加快。塑性变形后，由于金属中的晶体缺陷（位错及空加快。塑性变形后，由于金属中的晶体缺陷（位错及空位）增加，原子扩散速度增加。位）增加，原子扩散速度增加。（2）对金属物理和化学性能的影响）对金属物理和化学性能的影响5.5 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶金属塑性变形消耗的能量大部分转变成热而散失，小部金属塑性变形消耗的能量大部分转变成热而散失，小部分以晶体缺陷引起的晶格缺陷和变形不

37、均匀所引起的弹分以晶体缺陷引起的晶格缺陷和变形不均匀所引起的弹性应变能的形式储存于金属内部，称为储存能。性应变能的形式储存于金属内部，称为储存能。储存能使塑性变形后的金属自由能升高，热力学不稳定，储存能使塑性变形后的金属自由能升高，热力学不稳定，有自发恢复到自由能较低的稳定态趋势。但在室温下原有自发恢复到自由能较低的稳定态趋势。但在室温下原子不易扩散，恢复极为缓慢。子不易扩散，恢复极为缓慢。加热升温，金属原子扩散能力提高，冷变形金属向稳定加热升温，金属原子扩散能力提高，冷变形金属向稳定态转变，变化分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。态转变，变化分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。向稳定态的转变

38、将引起组织与性能变化，转变的驱动力向稳定态的转变将引起组织与性能变化，转变的驱动力是储存能。是储存能。5.5.1 回复回复5.5 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织改变前经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织改变前产生的某些亚结构和性能的变化过程称为回复。产生的某些亚结构和性能的变化过程称为回复。回复过程纤维状晶粒组织保持不变，金属的强度、硬度回复过程纤维状晶粒组织保持不变，金属的强度、硬度和塑性变化不大，电阻率减小，抗腐蚀能力提高，第一和塑性变化不大，电阻率减小，抗腐蚀能力提高，第一类内应力基本消除。类内应力基本消除。加热温度较低时

39、，空位移至晶界或位错处而消失，空位加热温度较低时，空位移至晶界或位错处而消失，空位与间隙原子结合而消失，空位之间聚合而形成空位对或与间隙原子结合而消失，空位之间聚合而形成空位对或空位群，点缺陷密度大幅度下降。空位群，点缺陷密度大幅度下降。5.5.1 回复回复5.5 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶加热温度较高时，位错加热温度较高时，位错开始运动，异号位错吸开始运动，异号位错吸引抵消，使位错密度降引抵消，使位错密度降低。温度更高时，刃型低。温度更高时，刃型位错位错攀移攀移，沿垂直于滑，沿垂直于滑移面方向排列成位错墙，移面方向排列成位错墙，构成构成小角亚晶界小角亚晶界，形成，形成完

40、整的完整的亚晶块亚晶块，称为，称为回回复亚晶复亚晶。这一过程称为。这一过程称为多边形化多边形化。刃型位错攀移和滑移示意图刃型位错攀移和滑移示意图多边形化前后位错排列情况多边形化前后位错排列情况5.5.1 回复回复5.5 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶多边形化过程实质上是位错从高能态的混乱排列向低能多边形化过程实质上是位错从高能态的混乱排列向低能态的规则排列移动的过程。态的规则排列移动的过程。生产上的去应力退火就是利用回复过程使冷加工金属在生产上的去应力退火就是利用回复过程使冷加工金属在基本保持加工硬化状态的条件下，降低其内应力，并能基本保持加工硬化状态的条件下，降低其内应力，

41、并能改善耐蚀性，降低电阻率。改善耐蚀性，降低电阻率。对铸件和焊接件加工后及时进行去应力退火，可以防止对铸件和焊接件加工后及时进行去应力退火，可以防止变形和开裂，这也是通过回复过程来实现的。变形和开裂，这也是通过回复过程来实现的。塑性变形对组织性能的影响：塑性变形对组织性能的影响： 组织结构：纤维组织，变形亚晶，位错密度，组织结构：纤维组织，变形亚晶，位错密度， 变形织构，残余应力变形织构，残余应力 性能：加工硬化，物理与化学性能性能：加工硬化，物理与化学性能小结小结多晶体的塑性变性：多晶体的塑性变性： 变形特点：位错塞积变形特点：位错塞积应力集中应力集中引发变形引发变形 变形协调，多系滑移，变

42、形不均匀性变形协调，多系滑移，变形不均匀性 晶粒大小：霍尔佩奇公式，细晶强韧化晶粒大小：霍尔佩奇公式，细晶强韧化回复：回复：机制与性能变化机制与性能变化5.5.2 再结晶再结晶5.5 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶当冷变形金属的加热温度高于回复温度时，在变形组织当冷变形金属的加热温度高于回复温度时，在变形组织中产生新的无畸变的晶核，并迅速长大形成等轴晶粒，中产生新的无畸变的晶核，并迅速长大形成等轴晶粒，逐渐取代全部变形组织，这个过程称为逐渐取代全部变形组织，这个过程称为再结晶再结晶。再结晶的驱动力也是冷变形产生的储存能。再结晶的驱动力也是冷变形产生的储存能。再结晶后，冷变形金

43、属的强度和硬度下降，塑性和韧性再结晶后，冷变形金属的强度和硬度下降，塑性和韧性提高，内应力完全消除，加工硬化状态消除，金属又重提高，内应力完全消除，加工硬化状态消除，金属又重新复原到冷变形之前的状态。新复原到冷变形之前的状态。5.5.2 再结晶再结晶5.5 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶再结晶是通过形核和长大完成的。变形金属中能量较高再结晶是通过形核和长大完成的。变形金属中能量较高的部位（晶界、亚晶界）优先形核，变形量较大时为亚的部位（晶界、亚晶界）优先形核，变形量较大时为亚晶形核，变形量较小时为凸出形核。晶形核，变形量较小时为凸出形核。再结晶过程示意图再结晶过程示意图5.5

44、.2 再结晶再结晶5.5 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶亚晶形核是依靠某些亚晶界的迅速成长而变为再结晶核亚晶形核是依靠某些亚晶界的迅速成长而变为再结晶核心。一种方式是通过某些局部位错密度很高的亚晶界迁心。一种方式是通过某些局部位错密度很高的亚晶界迁移，吞并相邻变形基体和亚晶粒而成长为再结晶核心；移，吞并相邻变形基体和亚晶粒而成长为再结晶核心；另一种方式是通过相邻两亚晶粒间亚晶界消失和合并。另一种方式是通过相邻两亚晶粒间亚晶界消失和合并。随亚晶的生长，形成的亚晶界位向差增大，形成大角晶随亚晶的生长，形成的亚晶界位向差增大，形成大角晶界。由大角晶界包围的无畸变晶体称为再结晶核心。

45、界。由大角晶界包围的无畸变晶体称为再结晶核心。再结晶形核机制示意图再结晶形核机制示意图（1）亚晶形核）亚晶形核5.5.2 再结晶再结晶5.5 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶变形程度较小时，变形不均匀，各晶粒位错密度不同，变形程度较小时，变形不均匀，各晶粒位错密度不同，加热时某一小段晶界向亚晶粒细小、位错密度高的一侧加热时某一小段晶界向亚晶粒细小、位错密度高的一侧弓出，形成无畸变晶体，称为再结晶核心。弓出，形成无畸变晶体，称为再结晶核心。再结晶晶核的长大是形成的大角晶界向畸变区域移动而再结晶晶核的长大是形成的大角晶界向畸变区域移动而生长，形成无畸变晶体，长大动力是畸变能差。变形

46、晶生长，形成无畸变晶体，长大动力是畸变能差。变形晶粒完全被新晶粒代替时，再结晶过程结束。粒完全被新晶粒代替时，再结晶过程结束。再结晶形核机制示意图再结晶形核机制示意图（2）晶界凸出形核）晶界凸出形核5.5.3 再结晶温度及其影响因素再结晶温度及其影响因素5.5 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶在生产中常把再结晶温度定义为：经过大量变形（变形在生产中常把再结晶温度定义为：经过大量变形（变形度度 70）的金属在约）的金属在约1小时的保温时间内，能够完成小时的保温时间内，能够完成再结晶（再结晶体积分数再结晶（再结晶体积分数 95）的最低加热温度。）的最低加热温度。纯金属的再结晶温度与

47、其熔点有以下近似关系：纯金属的再结晶温度与其熔点有以下近似关系：T再再（0.350.4）Tm （单位：（单位：K）纯铁的熔点是纯铁的熔点是1811K，再结晶温度是，再结晶温度是823K，因此有：，因此有：T再再0.4Tm（1）再结晶温度）再结晶温度5.5.3 再结晶温度及其影响因素再结晶温度及其影响因素5.5 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶变形程度：金属冷变形程度增大，储存能提高，再结变形程度：金属冷变形程度增大，储存能提高，再结晶驱动力增大，再结晶温度降低。晶驱动力增大，再结晶温度降低。金属纯度：金属中的杂质或合金元素能阻碍位错运动金属纯度：金属中的杂质或合金元素能阻碍位错

48、运动和晶界迁移，所以金属纯度越高，再结晶温度越低。和晶界迁移，所以金属纯度越高，再结晶温度越低。原始晶粒尺寸：原始晶粒尺寸细小，变形抗力较大，原始晶粒尺寸：原始晶粒尺寸细小，变形抗力较大，冷变形后金属储存能较高，再结晶温度较低。冷变形后金属储存能较高，再结晶温度较低。加热时间和加热速度：加热时间增加，再结晶温度降加热时间和加热速度：加热时间增加，再结晶温度降低；加热速度提高，再结晶温度提高。低；加热速度提高，再结晶温度提高。（2）影响再结晶温度的因素）影响再结晶温度的因素5.5.4 再结晶晶粒大小的控制再结晶晶粒大小的控制5.5 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶变形程度：变形量

49、很小时，不变形程度：变形量很小时，不发生再结晶。变形量达到一定程发生再结晶。变形量达到一定程度时（一般为度时（一般为210），再结晶），再结晶晶粒特别粗大。这样的变形度称晶粒特别粗大。这样的变形度称为为临界变形度临界变形度。原因：变形量小，。原因：变形量小，再结晶核心少，生长速度却很大。再结晶核心少，生长速度却很大。大于临界变形度后，晶粒尺寸随大于临界变形度后，晶粒尺寸随变形量的增加而下降。变形量的增加而下降。影响再结晶晶粒大小的因素有：影响再结晶晶粒大小的因素有：变形程度对再结晶变形程度对再结晶晶粒大小的影响晶粒大小的影响5.5.4 再结晶晶粒大小的控制再结晶晶粒大小的控制5.5 冷变形金属

50、的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶原始晶粒尺寸：原始晶粒尺寸细小，再结晶形核位置原始晶粒尺寸：原始晶粒尺寸细小，再结晶形核位置增多，再结晶晶粒细小。增多，再结晶晶粒细小。杂质与合金元素：杂质与合金元素提高变形抗力和储杂质与合金元素：杂质与合金元素提高变形抗力和储存能，阻碍晶界移动，细化再结晶晶粒。存能，阻碍晶界移动，细化再结晶晶粒。变形温度：变形温度越高，回复程度越大，储存能越变形温度：变形温度越高，回复程度越大，储存能越小，再结晶晶粒越粗大。小，再结晶晶粒越粗大。退火温度：在退火保温时间一定时，再结晶退火温度退火温度：在退火保温时间一定时，再结晶退火温度越高，再结晶晶粒越大。越高，再结晶

51、晶粒越大。影响再结晶晶粒大小的因素有：影响再结晶晶粒大小的因素有：5.5.5 晶粒长大晶粒长大5.5 冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属在再结晶刚刚完成时，一般得到细小冷变形金属在再结晶刚刚完成时，一般得到细小的等轴晶粒组织。继续提高加热温度或保温时间，的等轴晶粒组织。继续提高加热温度或保温时间，晶粒将进一步长大。晶粒将进一步长大。晶粒长大可以减少晶界总面积，降低总晶界能，晶粒长大可以减少晶界总面积，降低总晶界能，是一个自发过程。是一个自发过程。晶粒长大的驱动力是晶粒长大前后的晶界能差。晶粒长大的驱动力是晶粒长大前后的晶界能差。5.6.1 金属的热加工与冷加工金属的热加

52、工与冷加工5.6 金属的热加工金属的热加工压力加工是利用塑性变形方法使金属成形并改性的工压力加工是利用塑性变形方法使金属成形并改性的工艺。由于有些金属常温下塑性变形十分困难，因此生艺。由于有些金属常温下塑性变形十分困难，因此生产上常采用加热塑性变形。产上常采用加热塑性变形。在再结晶温度以上进行塑性变形称为在再结晶温度以上进行塑性变形称为热加工热加工；在再结；在再结晶温度以下进行塑性变形称为晶温度以下进行塑性变形称为冷加工冷加工。在热加工过程中，金属内部同时进行加工硬化和回复在热加工过程中，金属内部同时进行加工硬化和回复与再结晶软化两个相反的过程，这时的回复与再结晶与再结晶软化两个相反的过程，这

53、时的回复与再结晶是边加工边发生的，称为是边加工边发生的，称为动态回复动态回复和和动态再结晶动态再结晶。5.6.2 热加工对金属组织与性能的影响热加工对金属组织与性能的影响5.6 金属的热加工金属的热加工热加工可以使钢中的组织和缺陷得到改善：气孔和疏热加工可以使钢中的组织和缺陷得到改善：气孔和疏松被焊合，致密度增加，粗大的柱状晶和树枝晶被破松被焊合，致密度增加，粗大的柱状晶和树枝晶被破碎，大块初晶、共晶碳化物和粗大夹杂物被打碎，并碎，大块初晶、共晶碳化物和粗大夹杂物被打碎，并均匀分布，偏析消除，化学成分均匀，性能提高。均匀分布，偏析消除，化学成分均匀，性能提高。热加工使钢中偏析、夹杂物、晶界等沿变形方向延伸，热加工使钢中偏析、夹杂物、晶界等沿变形方向延伸，在宏观试样上沿着变形方向呈现一条条的