第2章2.3金属的塑性加工

2.3金属的塑性加工2.3.1金属的塑性变形Coldplasticdeformationofmetallicmaterials

概述金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通过塑性加工获得型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。

塑性加工:锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压ColdDrawingRollingExtrusion(Pressing)SmithForgingColdStampingworkpieceworkpieceworkpieceworkpieceworkpiece单晶体塑性变形基本方式：滑移为主，孪生为辅。（1）滑移滑移：晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动位移的现象叫滑移。Shearstress1.单晶体的塑性变形滑移只能在切应力的作用下发生。滑移变形的特点：滑移的条件：必要条件：滑移是在切应力作用下进行。

充分条件：大于临界分切应力。产生滑移的最小切应力称临界切应力(criticalresolvedshearstress)。

单晶体在外力作用下，滑移系一开动就相当于晶体开始屈服，此时，对应于临界分切应力的外加应力就相当于屈服强度σS

。②滑移是晶体内部位错运动的结果。③滑移常沿晶体中密排面和密排方向（晶向）发生。

因密排面、密排方向上原子排列紧密，结合力强。而这些密排面的晶面和晶面之间、及这些密排方向的晶向与晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。

密排面就是滑移面，密排方向就是滑移方向。滑移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。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。因而金属的塑性，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。体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三种典型金属晶格的滑移系④滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。

铜拉伸试样表面滑移带

⑤滑移的同时伴随着晶体的转动转动有两种：滑移面向外力轴方向转动

滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大3～4个数量级。滑移的机理多脚虫的爬行滑移时，仅需位错中心附近的极少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的临界切应力便远远小于刚性整体滑动所需临界切应力。

（2）孪生孪生：在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程叫孪生。孪生所需的临界切应力比滑移的大得多。孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、锌、镉等,容易发生孪生。体心立方晶格金属（如铁）在低温或受冲击时才发生孪生。2.多晶体金属的塑性变形工程上使用的金属绝大部分是多晶体。多晶体中每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同。多晶体材料中，各个晶粒位向不同，存在许多晶界，变形要复杂得多。

晶界阻碍位错运动

晶界附近原子排列紊乱，杂质原子较多，增大了其晶格的畸变，当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。要使变形继续进行,则必须增加外力,从而使金属的变形抗力提高。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。晶粒分批逐步变形软位向晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向。硬位向晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大。

软位向晶粒先滑移，硬位向晶粒后滑移。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。

由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。

此外，晶粒越细，变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹形成和发展，金属塑性提高。PP

小结：细晶粒钢具有优良的综合力学性能晶粒越细，晶界越多，位错运动更困难，强度就越高。Hall-Petch关系：σs=σ0+kd-½晶粒小，晶界总面积大，变形抗力大，强度高；晶粒越细，变形分散，晶粒转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的变形，使得应力集中小，裂纹不易产生和发展，塑性和韧性就越好。由此可以得到推论：晶粒越细小，晶界越多且越曲折，不利于裂纹的传播，断裂时需消耗更大的功，韧性也较好。细晶粒金属的强度、硬度较高，塑性较好，韧性也较好。工程上通常希望获得细小而均匀的晶粒组织，从而具有较高的综合力学性能。金属晶粒越细小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好，这种强化现象被称为细晶强化。——四大强化方式之一。3.合金的冷塑性变形合金的组成相为固溶体时，溶质原子会造成晶格畸变，增加滑移抗力，产生固溶强化。溶质原子常常分布在位错附近，降低了位错附近的晶格畸变，使位错易动性减小，形变抗力增加，强度升高。

合金组织由固溶体和弥散分布的金属化合物称(第二相)组成时，第二相硬质点成为位错移动的障碍物。第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。连续网状塑性相脆性相粒状位错切割第二相粒子示意图电镜观察新的界面新的界面塑性变形对金属组织结构的影响①晶粒发生变形，形成纤维组织。金属发生冷塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。FigureSchematicofrolling4.塑性变形(冷加工)对金属组织和性能的影响变形前后晶粒形状变化示意图 图铜经30%、50%和99%冷轧后的光学显微组织亚结构的形成，细化晶粒金属经大的塑性变形时,位错密度增大,大量位错堆积在局部地区,相互缠结,形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,产生亚晶粒。位错密度的提高将降低了材料的耐腐蚀性。图

两类形变织构示意图图

制耳现象形变织构产生（择优取向）

当金属经受大量(70%以上)的一定方向的变形之后,由于晶粒的转动造成晶粒位向趋于一致，形成了“择优取向”，即某一晶面在某个方向出现的几率明显高于其他方向，这种有序化结构叫做形变织构。即：各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向。对工程应用的影响：

大多数情况下不利，如深冲之后零件的边缘不齐出现“制耳”现象。但织构有时也能带来好处，制造变压器铁芯的硅钢片，<100>最易磁化，可大大提高变压器的效率。(2)塑性变形对金属性能的影响①加工硬化金属发生冷塑性变形后，随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降的现象称为加工硬化。也叫形变强化。位错密度及晶体缺陷的增加是加工硬化的原因加工硬化的工程意义：加工硬化是强化材料的重要手段，尤其是对于那些不能用热处理方法强化的金属材料。如何消除——再结晶退火(后面）产生加工硬化的原因:

塑性变形时,位错密度增加,位错间的交互作用增强,相互缠结,位错运动阻力增大,塑性变形抗力提高。同时塑性变形量增加，导致晶粒变形、破碎，形成亚晶粒，亚晶界阻碍位错运动，造成强度和硬度提高。ρ经合金化、加工硬化或热处理的合金加工硬化在工业生产中具有重要意义：(1)它是提高不方便进行热处理的合金构件金属强度、硬度和耐磨性的重要手段之一，特别是对那些不能进行热处理强化的金属及合金尤为重要。如冷卷弹簧，高锰钢制作的坦克、拖拉机履带板、破碎机颚板和奥氏体不锈钢等。加工硬化是强化金属的重要手段之一实例一：自行车链条的链片是用Q345(16Mn)钢带制造的。将厚度为3.5mm的带钢经过五次冷轧后，其硬度由150HBS提高到275HBS。(2)它是某些工件或半成品能够拉伸或冷冲压加工成形的重要基础，有利于金属均匀变形实例二：金属薄板在冲压过程中，弯角处变形最严重，首先产生加工硬化，因此该处变形到一定程度后，随后的变形就转移到其他部分，这样便可得到厚薄均匀的冲压件。实例三：冷拉钢丝拉过模孔的部分，由于发生了加工硬化，不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。ColdDrawingColdStampingPPPPPPP②产生各向异性

由于纤维组织和形变织构的形成，使金属的性能产生各向异性。沿纤维方向的强度和塑性高于垂直方向。有织构的板材冲制筒形零件时,由于各方向上塑性差别很大,零件的边缘出现“制耳”，使零件边缘不齐，厚薄不匀。

在某些情况下,织构的各向异性有用。制造变压器铁芯的硅钢片,沿<100>方向最易磁化,采用这种织构可使铁损减小,变压器的效率大大提高。③物理、化学性能变化

塑性变形可影响金属的物理、化学性能，如导电率、导磁率下降，比重、热导率下降，使电阻增大,化学活性提高，耐腐蚀性降低。

④产生残余内应力金属发生塑性变形时，外力对金属所做的功，约90%以上变成热而散失。由于金属内部变形不均匀及晶格畸变，不到10%的功转化为内应力残存于金属中，使金属的内能增加。内应力(innerstress)指平衡于金属内部的应力。它是由于金属在外力作用下，内部变形不均匀而引起的。残余内应力

外力去除后，金属内部残留下来的应力。内应力分为三类：第一类内应力平衡于表面与心部之间(宏观内应力)；第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间(微观内应力)；第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力(超微观内应力)。第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行去应力退火处理，以消除或降低内应力。小结：强化金属的基本原理和方法一、基本原理

提高塑性变形抗力的过程称为材料的强化。强化的方法就是设法增大位错运动的阻力，使滑移困难。二、主要方法1.细晶强化：晶界阻碍位错运动。同时提高塑性、韧性。2.固溶强化：溶质原子使晶格畸变，阻碍位错运动。3.弥散强化：在基体中形成弥散分布的第二相质点，阻碍位错运动。有时称为沉淀强化。4.加工硬化：冷加工变形增大位错密度，位错阻碍位错运动。也称位错强化。5.相变强化：如A转变成M。热处理相变强化是综合运用了上述强化手段，能有效地强化金属。2.3.2塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化

黄铜退火温度/℃塑性变形后金属的状态：冷塑性变形后，金属产生加工硬化而且存在内应力，组织处于不稳定状态，有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可长时间维持。对变形后的金属进行加热可使原子扩散能力增加，由组织不稳定状态，向组织稳定状态转化，性能由加工硬化状态向变形前的性能变化。随着加热温度的提高，变形金属将发生回复、再结晶和晶粒长大三种变化过程。

1.回复定义：是指冷变形后的金属在加热温度较低时，发生组织和性能变化的过程。T回≈（0.25～0.3)Tm(

K)T回——回复加热温度，Tm——绝对熔化温度；

回复

冷变形后加热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移，造成重新排列。特点：①晶粒的大小与形状无明显的变化；②位错密度变化不大；③电阻明显降低；④抗蚀性提高；⑤强度硬度略有降低；⑥内应力明显下降。目的：保持加工硬化状态，降低内应力，稳定零件尺寸，改善理化性能，减轻变形和翘曲。工程应用：对变形金属进行去应力退火、降低残余内应力，保留加工硬化效果。

例如：用冷拔高强度钢丝绕制成弹簧后，通过250℃~300℃的低温去应力退火，以降低内应力并使之定型，同时消除对物理、化学性能的不利影响。而保持高硬度、高强度基本不变。2.再结晶定义：冷变形后的金属在较高温度加热时，被拉长(或压扁)、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。

这种冷变形组织在加热时重新结晶的过程称为再结晶。变形金属再结晶后，强度、硬度明显降低，塑性、韧性大大提高，加工硬化效果被消除，材料的塑性变形能力被恢复；内应力全部消失。物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。（1）特点：*再结晶过程不是相变过程尽管再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程。变化前后化学成分相同，晶体结构并未发生变化，属于同一个相。*再结晶在一定温度范围内完成

它没有确定的转变温度，再结晶是在温度达到一定程度后，原子活动能力增强发生迁移进行晶格位置的重排，温度愈高，完成愈快，没有固定温度，但有一温度下限，这个温度称为再结晶开始温度。（2）再结晶温度

再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。纯金属：TR=T再结晶

=（0.35～0.4）Tm(K)

合金：TR=(0.5-0.7)Tm(K)

（3）影响再结晶温度的因素：

1）预先变形度

预先变形度金属再结晶前塑性变形的相对变形量。预先变形度越大,金属的晶体缺陷就越多,组织越不稳定,最低再结晶温度也就越低。当预先变形度达到一定大小后,最低再结晶温度趋于某一稳定值，称最低再结晶温度。图2-56T再与ε的关系2）金属的熔点

熔点越高,最低再结晶温度也就越高。TR℃=(Tm℃+273)×0.4–273，3）杂质和合金元素

杂质和合金元素（高熔点元素）阻碍原子扩散和晶界迁移,可显著提高最低再结晶温度。4）加热速度和保温时间

再结晶是一个扩散过程,需要一定时间才能完成。提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生。保温时间越长,再结晶温度越低。

3.再结晶后晶粒长大

（1）加热温度

加热温度越高,原子扩散能力越强,则晶界越易迁移,晶粒长大也越快。黄铜再结晶后晶粒的长大580ºC保温8秒后的组织580ºC保温15分后的组织700ºC保温10分后的组织再结晶后晶粒长大晶粒长大方式：正常长大；异常长大（二次再结晶）⑵变形度影响当变形量很小时，由于晶格畸变很小，不足以引起再结晶；当变形度达到某一临界值时，由于此时金属中只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶核少，且晶粒极易相互吞并长大，因而再结晶后晶粒粗大，此变形度即为临界变形度；

当变形度大于临界变形度时，随变形量的增加，越来越多的晶粒发生了变形，变形愈趋均匀，晶格畸变大，再结晶的晶核多，再结晶后晶粒愈来愈细。可见冷压加工应注意避免在临界变形度范围内加工，以免再结晶后产生粗晶粒。2.3.3塑性变形和再结晶的工程应用金属塑性变形加工方法：热加工：热锻、热轧、热挤压、热拔冷加工：冷镦、冷轧、冷挤压、冷冲、切削热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于该金属的再结晶温度以上还是以下来划分的。热加工：在该金属材料再结晶温度以上的塑性变形加工。冷加工：在该金属材料再结晶温度以下的塑性变形加工。1.金属的热加工钢材的热锻和热轧，温度处于再结晶温度以上，金属塑性变形后，随即发生再结晶。加工硬化随即消除，使材料保持良好的塑性状态。所以，热加工是一个加工硬化+动态回复和再结晶过程，所谓的动态回复(在塑变过程中发生的回复)与动态再结晶(在塑变过程中发生的再结晶。包含亚晶粒，位错密度较高)，这种动态回复与动态再结晶的特点是在塑性变形的过程中反复形核，有限长大，使晶粒得以细化。最后终止在再结晶状态。（1）热加工能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹焊合，提高金属的致密度；减轻或消除枝晶偏析和改善夹杂物、第二相的分布等。（2）热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒。

热加工提高金属的强度、塑性和韧性，使金属的力学性能全面提高。

受力复杂、载荷较大的重要工件，一般都采用热加工方法来制造。

（3）形成流线在热加工时，仅在一个方向上变形，如热轧、拔长等，会造成可变形夹杂物和第二相沿金属流动方向被拉长，形成“流线”。通常纵向的强度、塑性和韧性显著大于横向。让流线与零件的受力方向成合理分布，才能保证或提高零件的质量水平。(a)锻造曲轴

(b)切削加工曲轴30钢铸态和锻态的力学性能比较状态σb

/MPaσs

/MPaδ/(%)Ψ/(%)αk

/(J/cm)锻态530310204570铸态50028015273545钢力学性能与测定的方向的关系取样方向σb/MPaσs

/MPaδ/(%)Ψ/(%