工程材料及热处理5 金属的塑性变形与再结晶

5.1金属的塑性变形5.2冷塑性变形对金属组织和性能的影响5.3冷塑性变形金属在加热时的变化5.4金属的热变形加工5金属的塑性变形与再结晶在机械制造中，广泛采用轧制、锻造、冲压、冷压与冷镦等成形工艺，各种压力加工方法都应使金属材料按预定的要求进行塑性变形。塑性变形不仅改变了金属的形状、尺寸，同时引起金属内部的组织和性能的改变。因此，研究金属的塑性变形过程，了解塑性变形过程中金属组织、性能的变化规律，了解变形后的金属在加热时发生的变化，对改进金属材料的加工工艺，发挥金属材料的强度潜力，提高产品质量和生产效率有重要意义。金属材料在外力的作用下产生变形，先后发生弹性变形、塑性变形、直至断裂。弹性变形：是指外力除去后能够完全恢复的变形，通过弹性变形是不能实现材料的加工成形的。塑性变形：是指外力除去后不能恢复的永久变形，金属零件的变形加工都是通过塑性变形实现的。5.1金属的塑性变形单晶体塑性变形的基本方式主要有滑移和孪生。大多数情况下，滑移是金属塑性变形的主要方式。滑移变形5.1.1单晶体的塑性变形孪生变形：在切应力作用下，晶体的一部分相对另一部分，沿一定的晶面（孪生面）及晶向（孪生方向）发生的均匀剪切变形。

孪生过程示意图实际使用的金属材料多数是多晶体，多晶体塑性变形的方式与单晶体基本相同，也主要以滑移和孪生方式进行。但是由于多晶体中，各晶粒位向不同，有大量晶界存在对塑性变形产生影响，使多晶体的塑性变形比单晶体更为复杂。5.1.2多晶体的塑性变形5.2.1冷塑性变形对金属组织的影响（1）形成纤维组织：金属和合金在冷塑性变形时，随着外形的变化，金属的晶粒形状也发生相应的变化。即沿着变形方向延伸，晶粒逐渐由等轴的多边形伸长为纤维状，晶界变得模糊不清。变形量越大，晶粒伸长的程度也越大，这种纤维状的组织称为冷塑性变形纤维组织形成纤维状组织后，金属的性能会具有明显的方向性，其纵向（沿着纤维方向）的强度、塑性高于横向（垂直于纤维方向）。5.2冷塑性变形对金属组织和性能的影响

图5-10变形前后晶粒形状变化示意图（3）亚结构细化金属冷塑性变形量较大时，金属中的位错在切应力的作用下不断地运动与增殖，在晶粒外形变化的同时，由于位错的堆积、缠结，使亚结构进一步细化，而且亚结构之间的位向差增加，形成变形亚结构。亚结构的增多使亚晶界增加，金属中位错的密度增大，阻止了滑移面的进一步滑移，滑移阻力增加，因而提高了金属的强度、硬度，这是导致加工硬化的重要原因之一。（3）形成形变织构在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，各个晶粒的滑移系会逐渐沿外力方向转动，当变形量很大时，绝大部分晶粒的某一方位会大致与外力方向一致，形成所谓的择优取向，这种由于塑性变形所引起的择优取向叫做形变织构。形变织构的产生使金属材料的性能出现各向异性，并对金属材料的使用和加工工艺产生很大的影响。例如，在冷变形时，它会导致塑性变形分布不均匀，因而造成冲压件的厚度不均、制耳、性能不一致等缺陷，使冲压件报废。a）无制耳b）有制耳金属材料经冷塑性变形加工后，强度、硬度显著提高，而塑性则很快下降，金属变形程度愈大，性能变化越大。这种由于冷塑性变形程度的增加，使金属强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。加工硬化在工业生产上具有重要的意义。加工硬化是强化金属材料的重要途径之一。加工硬化还可以一定程度上提高构件的安全性。加工硬化也是工件能够用塑性变形方法成形的重要因素。不利影响：使金属的强度、硬度提高的同时，降低了塑性与韧性，为进一步的冷塑性变形带来困难，使压力加工的能耗及设备的磨损增加。5.2.2冷塑性变形对金属性能的影响当引起金属塑性变形的外力去除后，仍残存在金属材料内部的应力称为残余应力。金属塑性变形后的残余应力在工件内分布不均匀，往往有应力集中现象。若加工或使用时工件受力平衡状态被破坏，会使局部产生变形或开裂。可采用去应力退火以降低或消除残余应力的不良影响。5.2.3产生残余应力经过冷塑性变形的金属，不仅其组织结构与性能发生了变化，并且还产生了残余应力。这些变化，在许多情况下会对金属的加工和使用产生不利的影响。因此，在生产中如要求其组织结构与性能恢复到变形前的状态，并消除残余应力，必须进行相应的热处理。冷塑性变形后的金属随加热温度升高，组织结构与性能的变化过程可分为回复、再结晶、晶粒长大三个阶段。5.3冷塑性变形金属在加热时的变化

5.3.1回复冷变塑性变形后金属加热温度较低（在0.1熔～0.3T熔范围），为回复阶段。此阶段金属的显微组织无明显变化，其力学性能也变化不大，但残余应力显著降低，其物理和化学性能也部分地恢复到变形前的情况。冷塑性变形后的金属加热到比回复阶段更高的温度时，由于原子扩散能力增大，金属的显微组织和性能将发生明显的变化。破碎的晶粒变为完整的晶粒，纤维状晶粒转变为均匀的等轴状晶粒，同时也使加工硬化与残余应力完全消除，这一过程称为再结晶。冷塑性变形金属的再结晶过程，也是通过形核与长大方式完成的。再结晶过程只是晶粒的形状改变，金属的晶格类型没有变化，不是一个相变的过程。在实际生产中，为了消除加工硬化现象，以便进一步加工，通常把冷变形金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶，这种热处理工艺称为再结晶退火（或中间热处理）。5.3.2再结晶5.3.3晶粒长大冷塑性变形金属再结晶后一般都得到细小均匀的等轴晶粒。如果再结晶后继续升高温度或延长保温时间，则形成的新晶粒又会逐渐长大粗化，使金属的力学性能下降。金属晶粒的长大是不可避免的。因此，进行再结晶退火时，必须严格控制，以防止晶粒过分粗大，降低材料的力学性能。影响再结晶后晶粒大小的主要因素有加热温度、保温时间和冷变形度等。5.4.1金属的热变形加工与冷变形加工的区别通常金属在高温下的变形抗力下降、塑性提高，易于塑变成形，因此对大变形量加工或难于冷变形的金属材料，经常采用热加工。例如，锻造、热轧等加工过程属于热变形加工。5.4金属的热变形加工轧制模锻拉拔从金属学的观点来看，冷变形加工与热变形加工的区别是以金属的再结晶温度为界限的。凡是金属的塑性变形是在再结晶温度以下进行的称为冷变形加工，在冷变形加工时产生加工硬化现象。反之在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热加工，热加工时产生的加工硬化可随时被再结晶消除。一般情况下，热变形加工主要应用于截面尺寸较大、变形量较大、材料在室温下硬脆性较高的金属材料；冷变形加工则一般适用于塑性较好、截面尺寸较小、加工精度和表面质量要求较高的金属构件。金属的热变形加工不会引起加