金属学第七章金属的塑性变形与再结晶

§1金属的塑性变形特性

一、什么是塑性变形

二、金属单晶体的塑性变形三、多晶体金属的塑性变形

四、合金体的塑性变形返回第一页，共五十七页。一、塑性变形金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变形，去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑性变形。生产中常利用塑性变形对金属材料进行压力加工。金属的塑性变形可分为：冷塑性变形和热塑性变形。返回第二页，共五十七页。一、塑性变形压力加工方法示意图图7-1压力加工方法示意图返回第三页，共五十七页。oe段：弹性变形阶段；es段：屈服阶段；sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。ΔlεF图7-2拉伸曲线应力-应变曲线一、塑性变形Δl

bΔl

uΔl

FbbkFssogfeFepFpFσ返回第四页，共五十七页。一、塑性变形应力σ：单位面积上试样承受的载荷。应变ε：单位长度的伸长量。屈服点与屈服强度σs:产生明显塑性变形的最低应力值.抗拉强度σb：试样在断裂前所能承受的最大应力。返回第五页，共五十七页。一、塑性变形塑性:是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。断面收缩率:

是指试样拉断处横截面积的收缩量Δ

A与原始横截面积A0之比。伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ

L

与原始标距L0之比。

韧性断裂：断口呈纤维状，灰暗无光，断前有明显的塑性变形。脆性断裂：断口有闪烁的光辉，断前无明显的塑性变形。返回第六页，共五十七页。二、单晶体金属的塑性变形金属单晶体的塑性变形有“滑移”与“孪生（晶）”等不同方式，但一般大多数情况下都是以滑移方式进行的。滑移：是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对滑动的过程。1.滑移的表象（滑移带）2.滑移系3.滑移的位错机理4.滑移时晶体的转动返回第七页，共五十七页。1.滑移的表象（滑移带）发生了滑移的金属试样表面状态:试样表面上会出现许多相互平行的线条称为滑移带，每条滑移带是由许多密集且相互平行的滑移线构成。图7-3滑移带和滑移线示意图返回第八页，共五十七页。1.滑移的表象如果将一个单晶体金属试样表面抛光后，经过伸长变形，再在金相显微镜下观察，可以看到试样表面出现许多条纹，这些条纹就是晶体在切应力的作用下，一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）滑移产生的台阶，这些条纹称为“滑移线”。在更高倍的电子显微镜下观察，一个滑移台阶实际上是一束滑移线群的集合体，称为“滑移带”。同时还能看到滑移带在晶体上的分布是不均匀的。单晶体变形时，滑移只在晶体内有限的晶面上进行，是不均匀的。因此单晶体金属的塑性变形在表面上看出现了一系列的滑移带，其塑性变形就是众多大小不同的滑移带的综合效果在宏观上的体现。返回第九页，共五十七页。锌单晶体拉伸试验图7-4锌单晶体拉伸试验示意图

（a）变形前试样（b）变形后试样

返回第十页，共五十七页。二、单晶体金属的塑性变形图7-5单晶体试样拉伸变形示意图返回第十一页，共五十七页。2.滑移系

晶体上的滑移带分布是不均匀的，即塑性变形时，位错只沿一定的晶面和一定的晶向移动，并不是沿所有的晶面和晶向都能移动的，这些一定的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向，并且这些晶面和晶面都是晶体中的密排面和密排方向。因为密排面之间和密排方向之间的原子间距最大，其原子之间的结合力最弱，所以在外力作用下最易引起相对的滑动。不同金属的晶体结构不同，其滑移面和滑移方向的数目和位向不同，一个滑移面和在这个滑移面上的一个滑移方向组成一个“滑移系”。所以不同晶体结构的金属，其滑移系的数目不同，如体心立方12个，面心立方12个，密排六方3个，且滑移系的数目越多则金属的塑性愈好，反之滑移系数愈少，塑性不好，且相同滑移系数目相同时，滑移方向数越多，越易滑移，塑性越好。返回第十二页，共五十七页。2.滑移系返回第十三页，共五十七页。3.晶体在滑移过程中的转动

单晶体试样在拉伸实验时（如图7-5），除了沿滑移面产生滑移外，晶体还会产生转动。因为晶体在拉伸过程，当滑移面上、下两部分发生微小滑移时，试样两端的拉力（正应力）不再处于同一直线上，于是在滑移面上形成一力偶，使滑移面产生以外力方向为转向，趋向于与外力平行的转动。可见在滑移过程中，由于晶体的转动，晶体的位向会发生变化，原来处于软取向滑移系，逐渐转向硬取向，使滑移困难，这种现象“取向硬化”；相反，原来硬取向的滑移系，将逐步趋于软位向，易于滑移，称为“取向软化”。结果是滑移产生转移。可见在滑移过程中“取向软化”和“取向硬化”是同时进行的。返回第十四页，共五十七页。4.滑移的位错机理晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。但晶体内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两侧晶体之间的整体刚性滑动，而是由于晶体内存在位错，因位错线两侧的原子偏离了平衡位置，这些原子有力求达到平衡的趋势。当晶体受外力作用时，位错（刃型位错）将沿着一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐步移动到晶体的表面，形成一个原子间距的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错移动到晶体表面所形成的台阶。返回第十五页，共五十七页。4.滑移的位错机理返回滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的。图中显示了一刃型位错在切应力τ的作用下在滑移面上的运动过程，即通过一根位错线从滑移面的一侧到另一侧的运动造成一个原子间距滑移的过程。第十六页，共五十七页。4.滑移的位错机理图7-6弗兰克-瑞德位错增殖机制返回第十七页，共五十七页。位错的交割与塞积（加工硬化）割阶：不同滑移面上运动着的位错相遇时，发生互相互交割两个相互垂直的刃型位错的交割

割阶形成，一方面增加位错线的长度，另一方面形成固定割阶，阻碍后续位错的运动。第十八页，共五十七页。位错的平面塞积

a)示意图b)GH70高温合金中的位错塞积

位错塞积：在切应力作用下，大量位错遇到障碍物（固定位错、杂质粒子、晶界等），领先位错在障碍前被阻止，后续位错被堵塞起来而形成。第十九页，共五十七页。三、孪生孪生是冷塑性变形的另一种重要形式，常易发生在滑移难以进行时的情况。孪生：晶体一部分相对于另一部分在切应力作用下沿特定晶面与晶向产生一定角度的均匀切变。Cd，Zn，Mg等部分密排六方金属常易发生孪生变形第二十页，共五十七页。孪生变形特点：（1）发生在晶体内部的均匀切变；（2）沿晶体的一定晶面(孪晶面)，沿一定方向(孪生方向)发生；（3）变形后晶体的变形部分与未变形部分以孪晶面为分界面构成了镜面对称的位向关系。

第二十一页，共五十七页。孪生与滑移的差别：(2)孪生后晶体的变形部分的位向发生了改变，滑移后晶体各部分位向均未改变。(1)孪生使一部分晶体发生了均匀切变，而滑移只集中在一些滑移面上进行。(3)孪生变形时，孪晶带中每层原子沿孪生方向的位移量都是原子间距的分数值，而滑移为原子间距的整数倍。(4)孪生变形所需的切应力比滑移变形大得多。

第二十二页，共五十七页。三、多晶体金属的塑性变形

工程上使用的金属材料大多为位向、形状、大小不同的晶粒组成的多晶体，因此多晶体的变形是许多单晶体变形的综合作用的结果。多晶体内单晶体的变形仍是以滑移和孪生两种方式进行的，但由于位向不同的晶粒是通过晶界结合在一起的，晶粒的位向和晶界对变形有很大的影响，所以多晶体的塑性变形较单晶体复杂。1.晶界和晶粒位向的影响2.多晶体金属的变形过程返回第二十三页，共五十七页。1.晶界和晶粒位向的影响图7-7拉伸试样变形示意图返回第二十四页，共五十七页。1.晶界和晶粒位向的影响晶界的存在会增大滑移抗力，而且多晶体中各晶粒晶格位向的不同，也会增大其滑移抗力，因此多晶体金属的变形抗力总是高于单晶体。金属的晶粒愈细，金属的强度便愈高，而且塑性与韧性也较高（细晶强化）。返回第二十五页，共五十七页。2.多晶体金属的变形过程图7-8多晶体的拉伸实验示意图返回第二十六页，共五十七页。2.多晶体金属的变形过程

多晶体金属在外力的作用下，处于软取向的晶粒优先产生滑移变形，处于硬取向的相邻晶粒尚不能滑移变形，只能以弹性变形相平衡。由于晶界附近点阵畸变和相邻晶粒位向的差异，使变形晶粒中位错移动难以穿过晶界传到相邻晶粒，致使位错在晶界处塞积。只有进一步增大外力变形才能继续进行。随着变形加大，晶界处塞积的位错数目不断增多，应力集中也逐渐提高。返回第二十七页，共五十七页。2.多晶体金属的变形过程

当应力集中达到一定程度后，相邻晶粒中的位错源开始滑移，变形就从一批晶粒扩展到另一批晶粒。同时，一批晶粒在变形过程中逐步由软取向转动到硬取向，其变形愈来愈困难，另一批晶粒又从硬取向转动到软取向，参加滑移变形。多晶体的塑性变形，是在各晶粒互相影响，互相制约的条件下，从少量晶粒开始，分批进行，逐步扩大到其它晶粒，从不均匀的变形逐步发展到均匀的变形。返回第二十八页，共五十七页。四、合金体的塑性变形1）单相固溶体的塑性变形和纯金属相比最大的区别在于单相固溶体合金中存在溶质原子。溶质原子对合金塑性变形的影响主要表现在固溶强化作用，提高了塑性变形的阻力。

返回溶质原子的存在，固溶度↑，基体金属的变形抗力↑。第二十九页，共五十七页。

2）多相合金多相合金中第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，则会产生显著的强化作用（弥散强化）。第二相粒子的强化作用是通过其对位错运动的阻碍作用而表现出来的。第三十页，共五十七页。

位错受到第二相粒子的阻碍，其运动机制有:（1）绕过机制→位错绕过第二相粒子（2）切过机制→位错切过第二相粒子

位错切过、绕过第二相粒子a)切过机制b)绕过机制2000X第三十一页，共五十七页。§２塑性变形对组织和性能的影响

经过塑性变形，可使金属的组织和性能发生一系列重大的变化，这些变化大致可以分为如下四个方面。晶粒沿变形方向拉长，进一步将形成纤维组织，性能趋于各向异性晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化

织构现象的产生，性能具有方向性残余内应力的产生返回第三十二页，共五十七页。1、晶粒沿变形方向拉长，进一步将形成纤维组织，性能趋于各向异性

图7-9变形前后晶粒形状变化示意图返回第三十三页，共五十七页。2、晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化

图7-10

返回第三十四页，共五十七页。2、晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化

加工硬化：金属在冷态下进行塑性变形时，随着变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。意义①一种强化手段②冷加工成形得以顺利进行③使材料具有过载能力，使用安全④可降低塑性，改善切削性能⑤使进一步塑性变形困难→退火返回第三十五页，共五十七页。3、织构现象

图7-11形变织构示意图返回第三十六页，共五十七页。4．残余内应力第一类内应力——宏观，表面和心部，塑性变形不均匀第二类内应力——微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均匀第三类内应力——超微观，晶格畸变（位错等晶格缺陷）这在一般情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定，如冷轧钢板在轧制中就经常会因变形不均匀所残留的内应力使钢板发生翘曲等等。此外，残余内应力还会使金属的耐腐蚀性能降低，所以金属在塑性变形之后，通常都要进行退火处理，以消除残余内应力。但有利影响是晶格畸内应力使材料产生强化，表面残留压应力可提高接触疲劳寿命。返回第三十七页，共五十七页。§3回复与再结晶

一、回复二、再结晶三、晶粒长大四、影响再结晶粒大小的因素

返回第三十八页，共五十七页。§3回复与再结晶图7-12变形金属加热时组织和性能变化示意图返回第三十九页，共五十七页。1.显微组织的演化（三阶段）

第一阶段回复阶段：基本无变化（纤维组织）一、变形金属在加热过程中组织和性能的变化

第二阶段再结晶阶段：细小等轴晶取代纤维组织第三阶段晶粒长大阶段：晶粒吞并第四十页，共五十七页。2.机械性能的变化回复阶段硬度变化很小，约占总变化的1/5，再结晶阶段下降较多，强度与硬度有相似的变化规律。在再结晶阶段，硬度与强度显著下降，塑性大大提高。

3.其它性能的变化(1)电阻的回复阶段已表现出明显的下降趋势。(2)再结晶阶段密度急剧增高。第四十一页，共五十七页。1.回复阶段

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等变化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只是使内应力及电阻率等性能显著降低。因此对冷变形金属进行的这种低温加热退火只能用在保留加工硬化而降低内应力改善其它的物理性能的场合。比如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生的高强度，此外，由于残余内应力对其使用有不利的影响，所以采用低温退火以消除残余应力。

返回第四十二页，共五十七页。2、再结晶再结晶：当变形金属>T回复加热时，在变形组织的基体上产生新的无畸变再结晶晶核，并通过逐渐长大成等轴晶粒，从而取代全部变形组织的过程再结晶过程

第四十三页，共五十七页。2.再结晶

通过回复，虽然金属中的点缺陷大为减少，晶格畸变有所降低，但整个变形金属的晶粒破碎拉长的状态仍未改变，组织仍处于不稳定的状态。当它被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。再结晶过程同样是通过形核和长大两个过程进行的。再结晶结束后，金属中内应力全部消除，显微组织恢复到变形前的状态，其所有性能也恢复到变形前的数值，消除了加工硬化。再结晶退火主要用于金属在变形之后或在变形的过程中，使其硬度降低，塑性长高，便于进一步加工。返回第四十四页，共五十七页。再结晶温度及其影响因素（1）再结晶温度：较大变形程度的金属（>70%）在1小时内能够完成再结晶（或再结晶体积分数>95%）的最低加热温度。（2）影响因素：变形程度、金属纯度、加热速度等。第四十五页，共五十七页。2.再结晶

实验表明，每种金属都有一最低的再结晶温度T再，它和熔点之间存在如下大致关系：

T再≈0.4T熔

T再≈0.4×（T熔+273）-273返回第四十六页，共五十七页。再结晶晶粒大小的控制变形程度变形程度↑，晶粒越细小原始晶粒尺寸原始晶粒尺寸↓，晶粒越细小合金元素可细化晶粒加热温度、保温时间加热温度↑，保温时间↑，晶粒越粗大。第四十七页，共五十七页。3.晶粒长大再结晶结束后，若在继续升高温度或延长加热时间，便会出现大晶粒吞并小晶粒的现象，即晶粒长大，晶粒长大对材料的机械性能极不利，强度、塑性、韧性下降。

为了保证变形金属的再结晶退火质量，获得细晶粒，有必要了解影响再结晶晶粒大小的因素。返回第四十八页，共五十七页。4.影响再结晶粒大小的因素

预先变形度的影响

加热温度和保温时间的影响

返回第四十九页，共五十七页。（1）变形度的影响图7-13变形度对晶粒大小的影响

返回第五十页，共五十七页。（1）变形度的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，故加热时无再结晶现象，晶粒度仍保持原来的大小，当变形度达到某一临界值时（2~10%），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，这一区间的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。返回第五十一页，共五十七页。（2）加热温度和保温时间的影响图7-14返回第五十二页，共五十七页。（2）加热温度和保温时间的影响

再结晶是在一个温度范围内进行的，若温度过低不能发生再结晶；若温度过高，则会发生晶