第五章金属的塑性变形与再结晶全解

第五章金属的塑性变形与再结晶目的：掌握金属在塑性变形后组织与性能的变化。要求：掌握塑性变形对金属组织和性能的影响；了解冷变形金属在加热过程中的变化，掌握回复和再结晶的概念及其应用；明确金属冷加工和热加工的区别。重点：塑性变形对金属组织和性能的影响、回复和再结晶的概念及其应用。§5-1金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形单晶体金属的塑性变形只能在切应力作用下发生；单晶体金属的塑性变形在晶体原子最密排面上沿最密排方向进行；单晶体金属的塑性变形伴随着晶体的转动；单晶体金属的塑性变形的实质是位错的运动。二、多晶体金属的塑性变形1、多晶体金属的组织、结构特点对塑性变形的影响各晶粒形状、大小不同，成分、性能不均匀，各相邻晶粒的晶格位向不同：塑性变形抗力增大；相互约束、阻碍；应力、应变分布不均匀；相互协调、适应。存在大量晶界，晶内与晶界性能不同，晶界易聚集杂质，晶格排列紊乱：晶格畸变增大，滑移位错运动阻力增大，难以变形，塑性变形抗力增大。晶粒越细，强度越高：晶界总面积增加，周围不同取向的晶粒数越多，塑性变形抗力越大；晶粒越细，塑性、韧性越好：晶粒越细，单位体积中的晶粒数越多，变形量分散到更多晶粒中进行，产生较均匀的变形，不致造成局部应力集中，引发裂纹的产生和扩展，断裂前可发生较大塑性变形量。工业上，常用压力加工、热处理方法细化晶粒，提高性能。2、多晶体金属的塑性变形过程多晶体金属中各晶粒的晶格位向不同，所受分切应力不同，塑性变形在不同晶粒中逐批进行，是个不均匀过程。软位向：晶格位向与外力处于或接近45°角的晶粒所受分切应力最大，首先发生塑性变形。硬位向：晶格位向与外力处于或接近平行或垂直的晶粒所受分切应力最小，难以进行塑性变形。多晶体金属的塑性变形是一批一批晶粒逐步发生，由少数晶粒发生塑性变形逐渐趋于大量晶粒发生塑性变形，由不均匀变形逐渐趋于较均匀变形。§5-2塑性变形对组织和性能的影响一、塑性变形对组织的影响晶粒形状发生变化：沿变形方向被拉长，形成纤维组织；晶粒内产生亚结构：晶粒破碎，位错密度增大，形成亚晶；产生形变织构：塑性变形伴随着晶粒转动，当变形量超过一定值后，原先任意取向的晶粒经转动而趋于一致——择优取向——形成织构。二、塑性变形对性能的影响加工硬化：金属材料在塑性变形过程中，随着变形量的增加，强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降的现象。加工硬化是提高金属材料强度、硬度的重要手段，特别是对不能以相变热处理提高强度的单相合金，如Cu、Al合金及不锈钢。中间退火（再结晶退火）可以消除加工硬化，恢复塑性变形能力。各向异性：形成纤维组织，沿纤维组织纵向的性能优于横向性能。物理化学性能的变化：电阻增大，耐蚀性下降。产生残余应力§5-3回复与再结晶一、形变金属在加热时的组织和性能变化：按加热温度不同，分为三个阶段：回复冷塑性变形的金属在加热温度较低时因金属中的一些点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶粒内部的变化过程称为回复。由于加热温度低，金属原子的活动能力低，晶粒大小和组织形态、形状无变化，因而机械性能变化不大。但点缺陷、位错发生迁移，导致缺陷减少，从而减少了晶格畸变。残余应力下降，物理化学性能恢复。应用：用于消除内应力，稳定组织，保留加工硬化，改善某些物理性能——去应力退火。如深冲黄铜弹壳经260℃回复后，可以消除内应力和防止应力腐蚀；冷卷钢丝弹簧经250~300℃回复后，可以消除内应力，定型，且获得较高的弹性极限。再结晶冷塑性变形的金属在加热温度较高时，通过新晶核的形成和长大，由畸变晶粒变为等轴晶粒的过程称为再结晶。由于加热温度较高，金属原子的活动能力增强，先在畸变较严重的区域形成无畸变的晶核，然后向畸变的基体长大，直至彼此相遇为止，彻底改变了变形组织，从破碎拉长的晶粒变为新的无畸变的等轴晶粒，性能发生显著变化：强度、硬度显著下降，塑性、韧性提高。加工硬化消除。再结晶过程没有晶格结构和化学成分的变化，仅仅是晶体缺陷的运动和消除，不是相变过程，仅是组织的变化过程。应用：中间退火：压力加工过程中，消除加工硬化，恢复塑性变形能力，以便继续进行压力加工。冷塑性变形后改善组织对不能进行相变热处理的金属材料，利用变形+再结晶过程提高机械性能：控制变形量和再结晶条件，调整再结晶晶粒的大小。晶粒长大冷塑性变形的金属在加热温度过高或加热时间过长时，在晶粒正常长大的基体中，出现少数迅速长大的晶粒，并逐渐吞并周围大量较小的再结晶晶粒，直到迅速长大的晶粒相互接触，形成异常粗大的晶粒组织，机械性能显著下降。晶粒异常长大是一种晶粒的不均匀长大的现象称为二次再结晶。实际生产中要避免。二、金属的再结晶温度再结晶温度实际指开始再结晶的温度。变形程度、合金纯度、再结晶加热速度和保温时间均对再结晶温度有影响。变形程度增大，再结晶温度下降：变形程度大，金属破碎程度增加，晶格缺陷增多，组织不稳定。当变形达到一定程度后，金属的再结晶温度趋于某一最低极限值，该最低极限值称为“最低再结晶温度”。T再=0.4×T熔金属WMoFeNiCuAlMgPbSn燃点(℃)33802625153814551083660650327232最低再结晶温度(℃)118888645141826910096-33-71在工业生产中，为缩短退火周期，再结晶温度一般定为T再以上100~200℃杂质或合金元素，特别是高熔点元素，阻碍原子的扩散和晶界迁移，再结晶温度显著提高。加热速度提高，再结晶温度也随之提高；保温时间延长，再结晶温度下降。三、再结晶退火的晶粒度控制加热温度、保温时间：加热温度越高、保温时间越长，晶粒越粗大；变形程度：当变形量很小时，晶格畸变小，不能引起再结晶，晶粒保持原样；当变形量为2~10%时，再结晶后晶粒粗大。由于只有部分晶粒发生变形，变形不均匀，再结晶时形核数目少，晶粒度不均匀极易相互吞并长大，这种变形度称为临界变形度；当变形量大于临界变形度时，随着变形量增大，变形趋于均匀，再结晶后的晶粒细小均匀；当变形量过大时，退火形成再结晶织构，阻碍晶粒正常长大，只有少数一次再结晶基体中的晶粒长大，发生二次再结晶。§5-4金属的热加工一、冷加工和热加工的区别以再结晶温度为依据热加工：在金属再结晶温度以上进行的加工变形称为热加工。冷加工：在金属再结晶温度以下进行的加工变形称为热加工。金属WMoFeNiCuAlMgPbSn燃点(℃)33802625153814551083660650327232最低再结晶温度(℃)118888645141826910096-33-71二、冷加工和热加工的特点冷加工：产生加工硬化，获得加工硬化组织，变形量不宜过大，但加工精度高，表面质量好热加工：一般不产