工程材料及成型技术基础第3章 金属的塑性变形

第三章

金属的塑性变形与再结晶

思考题?

材料在外力作用下会发生那些种类的变形？铁丝在室温下反复弯折，会越变越硬，直到断裂，为什么？如果是铅丝呢？2

冷、热塑性加工变形也可改变材料的组织结构，进而改变材料的性能。大部分金属在浇注成锭后，要通过锻造、轧制等压力加工工序消除铸造缺陷并加工成坯料，在经过冷加工、拉拔等工序加工成各种型材或直接加工成零件。本章讨论的重点

金属塑性变形（主要是滑移变形）的特点塑性变形对金属组织、性能的影响（特别是加工硬化现象）回复与再结晶的有关概念

滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。一塑性变形的形式：滑移和孪生。金属常以滑移方式发生塑性变形。滑移面原子排列密度最大的晶面原子排列密度最大的方向

滑移方向+=滑移系滑移面和该面上的一个滑移方向

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6个滑移面2个滑移方向×=12个滑移系BCCFCC4个滑移面3个滑移方向×=12个滑移系1个滑移面3个滑移方向×=3个滑移系HCP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。§3.2塑性变形对金属组织性能的影响1、纤维组织和织构——择优取向；2、晶粒内部组织发生变化，产生加工硬化现象；3、残余内应力。一、纤维组织和织构金属发生塑性变形时，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。工业纯铁在塑性变形前后的组织变化5%冷变形纯铝中的位错网(a)正火态(c)变形80%(b)变形40%由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。板织构丝织构形变织构示意图各向异性导致的铜板“制耳”有无轧制铝板的“制耳”现象产生加工硬化的原因是:1、随变形量增加,位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加.Si中的位错源晶体中的位错源位错密度与强度关系2.随变形量增加，亚结构细化3.随变形量增加,空位密度增加4.几何硬化：由晶粒转动引起变形20%纯铁中的位错未变形纯铁1）一种强化手段,对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。2）由于加工硬化,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。冷加工成形得以顺利进行3）具有过载能力，使用安全4）↓塑性，↑切削性能不利：塑性变形困难→中间退火→消除硬化。

加工硬化意义

三．残余内应力

内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时,外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中.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。

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，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。晶界位错塞积所引起的应力集中21

一、塑性变形对金属组织与性能的影响

1.塑性变形对金属组织结构的影响

⑴纤维组织形成金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成所谓纤维组织。

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⑵亚结构形成金属经大量的塑性变形后，由于位错密度的增大和位错间的交互作用，使位错分布变得不均匀。大量的位错聚集在局部地区，并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块，即亚晶粒。

⑶形变织构的产生由于塑性变形过程中晶粒的转动，在拉伸时晶粒的滑移面转向平行于外力的方向，在压缩时转向垂直于外力方向。当变形量达到一定程度（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，形成特殊的择优取向。择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。2324

2.塑性变形对金属性能的影响

⑴产生加工硬化现象随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化，也称形变强化。因为经塑性变形后，金属内部的位错密度增加，使得位错运动阻力增大，塑性变形抗力增加。

⑵使金属的性能产生各向异性。⑶影响金属的物理、化学性能金属经塑性变形后，使电阻增大，耐蚀性降低。⑷产生残余应力金属在塑性变形中产生大量点阵缺陷（空位、间隙原子、位错等），使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，而造成的晶格畸变。在变形金属吸收的能量中绝大部分转变为点阵畸变能。金属表层与心部的变形量不同会形成平衡于表层与心部之间的宏观内应力；晶粒彼此之间或晶内不同区域之间的变形不均匀会形成微观内应力；因位错等晶格缺陷增多而引起的内应力称为晶格畸变内应力。这三类内应力对工件的影响是不同的，第一类主要使工件产生变形；第二类会使工件内部产生微裂纹；第三类则使工件强度、硬度升高，塑性、韧性和抗腐蚀性下降。

25二、塑性变形金属在加热时的组织和性能变化1、三个阶段

经冷变形后的金属吸收了部分变形功，其内能升高，主要表现为点阵畸变能增大（位错和点缺陷密度高），处于不稳定状态，具有自发恢复到变形前状态的趋势。一旦受热（例如加热到0.5T熔温度附近），冷变形金属的组织和性能就会发生一系列的变化，可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。

2627(1)回复在这一阶段低倍显微组织没有变化，晶粒仍是冷变形后的纤维状。此时，金属的机械性能，如硬度、强度变化不大，塑性略有提高，宏观内应力基本消除,但某些物理、化学性能发生明显变化，如电导率显著增大，应力腐蚀抗力提高。28在生产中对冷加工的零件，为了保持加工硬化状态，降低内应力，以减轻变形和翘曲，通常采用去应力退火即回复退火。例如用冷拉钢丝卷制弹簧时，在卷成之后要在260℃左右进行退火，以降低内应力并使之定型，而硬度、强度基本保持不变。此外，降低铸件和焊接件中的内应力，防止变形、开裂也是通过回复退火来实现的。29回复阶段点缺陷的密度显著下降，而位错密度变化不大，位错只是由缠结状态改变为规则排列的位错墙（构成小角亚晶界）。30加工硬化组织加热时的结构和性能变化。31（2）再结晶

在这一阶段开始在变形组织的基体上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

。经过再结晶后，冷变形金属的强度、硬度显著下降，塑性、韧性显著提高，微观内应力完全消除。可见加工硬化状态消除，金属又基本上恢复到冷变形之前的性能。32实验观察表明，金属的再结晶过程是通过形核和长大方式完成的。但没有形成新相，这点与结晶不同，它不是相变过程。再结晶过程也不是一个恒温过程，而是自某一温度开始，随着温度的升高和保温时间的延长而逐渐形核、长大的连续过程。33

因而再结晶温度是指冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。通常定义为变形量很大(≥70%)的金属在1h的保温过程中，能够完成再结晶的最低温度。大量实验表明，再结晶温度T再与熔点T熔（以绝对温度表示）之间存在如下近似关系：

T再=(0.35～0.4)T熔34（3）晶粒长大冷变形金属在再结晶刚完成时，一般得到细小的等轴晶粒组织。如果继续提高加热温度或延长保温时间，将引起晶粒进一步长大，它能减少晶界的总面积，从而降低总的界面能，使组织变得更稳定。352、再结晶晶粒大小的控制影响再结晶晶粒大小的主要因素是变形度和退火温度。能发生再结晶的最小变形度通常在2%～8%范围内，但这时再结晶晶粒特别粗大，这样的变形度称为临界变形度。36

这是因为此时的变形量较小，形成的再结晶核心较少。当变形度大于临界变形度后,则随着变形度的增大晶粒逐渐细化。当变形度和退火保温时间一定时，再结晶退火温度越高，再结晶后的晶粒越粗大。37再结晶晶粒大小随加热温度增加而增加。临界变形度处的再结晶晶粒特别粗大变形度大于临界变形度后,随着变形度的增大晶粒逐渐细化38

三、金属的热加工压力加工是利用塑性变形的方法使金属成形并改性的工艺方法。由于在常温下进行塑性变形会引起金属的加工硬化，即出现变形抗力增大、塑性下降，这使得对某些尺寸较大或塑性低的金属在常温下难以进行塑性变形。生产上通常采用在加热条件下进行塑性变形。

391.热加工与冷加工从金属学的角度，将再结晶温度以上进行的压力加工称为热加工，而将再结晶温度以下进行的压力加工称为冷加工。例如钨的再结晶温度约为1200℃，因此，即使在1000℃进行变形加工也属于冷加工。402.热加工特点在热加工过程中，金属同时进行着两个过程：形变强化和再结晶软化。塑性变形使金属产生形变强化，而同时发生的再结晶(称为动态再结晶)过程又将形变强化现象予以消除。因此，热加工时一般不产生明显加工硬化现象。413.热加工对金属组织与性能的影响

(1)改善铸态组织缺陷可使铸态组织中的气孔、疏松及微裂纹焊合，提高金属致密度，还可以使铸态的粗大树枝晶通过变形和再结晶的过程而变成较细的晶粒，某些高合金钢中的莱氏体和大块初生碳化物可被打碎并使其分布均匀等。这些组织缺陷的消除会使材料的性能得到明显改善。42(2)出现纤维组织在热加工过程中铸态金属的偏析、夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变形方向延展，在宏观工件上勾画出一个个线条，这种组织也称为纤维组织。纤维组织的出现使金