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1、第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶各种金属的板材、棒材、线材和型材都是通过轧制、锻造、挤压、冷拔、冲压等压力加工方法制造而成，这些加工方法的特点是使金属材料发生永久性的塑性变形。在本章研究在塑性变形的过程中，金属的组织和性能也发生了哪些的变化。同时研究金属塑性变形以及变形金属在加热过程中所发生的变化。了解塑性变形对充分发挥金属材料的力学性能具有重要的意义。第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形一、金属单晶体的塑性变形1.滑移和滑移带金属单晶体塑性变形的基本形式有滑移和滑移和孪生孪生，在大多数情况下滑移滑移是金属塑性变形的一种主要方式。滑移是晶体的一部分相对于另一部分
2、沿着一定晶面上的晶向发生滑动。如图通过对单晶体试样拉伸变形的分析，我们可将滑移变形的要点总结如下：滑移只能在切应力的作用下发生。（正应力只能引起弹性变形或断裂）使晶体开始滑移的最小切应力称为临界切应力，用表示。影响晶体临界切应力的因素主要有金属的晶格类型、成分、温度和变形速度等。用金相显微镜观察被拉伸的金属单晶体试样表面时，可以见到试样的表面有许多呈一定角度阶梯状的互相平行的线条，这些平行的线条称为滑移滑移带带。一个滑移带实际上是由一束平行滑移线滑移线组成。晶体的塑性变形就是众多大小不同的滑移带的综合效果的宏观上的体现。晶体在滑移过程中并未改变晶体的结构和晶格的取向，仅是晶体在切应力的作用下，
3、一部分沿着某一滑移面上的某一晶向相对于另一部分发生滑动。2.滑移系滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑移系滑移系。Fcc和Bcc有12个滑移系。Hcp有3个滑移系。相同的滑移系数量下，滑移方向数量多更易滑移。滑移面总是原子排列最密的晶面，而滑移方向也总是原子排列最密的方向。这是因为晶体中原子密度最大的晶面上，原子的结合力最强，而面与面之间的距离却最大，所以其面与面之间的结合力最弱，最容易滑动。同理，沿原子密度最大的方向滑动时，阻力也最小。3.滑移时晶面的转动 在单晶体试样拉伸过程中，由于发生滑移后的晶体使试样两端拉力不再处于同一直线上，因此产生
4、一个力矩迫使滑移面产生趋向与外力平行的方向转动，使试样两端拉力重新作用于一条直线上。因此金属单晶体在拉伸过程中除了发生滑移外，也同时发生转动。4.滑移的机理滑移的过程不是晶体的一部分相对于另一部分作整体刚性滑移。滑移实质上是位错在滑移面上运动的结果，在切应力的作用下，晶体中存在的正刃位错逐步移动，当这个位错移到晶体的右边缘时，移出晶体的上半部就相对于下半部移动了一个原子间距，形成一个原子间距的滑移量。同一滑移面上若有大量的位错移出，则在晶体表面形成一条滑移线。位错在晶体中移动时所需切应力很小，因为当位错中心前进一个原子间距时，一齐移动的只是位错中心少数原子，而且其位移量都不大，形成逐步滑移，这
5、就比一齐移动所需的临界切应力要小得多，这称为“位错的易动性”。滑移所需的临界切应力的大小取决于位错滑动时所要克服的阻力，对单晶体来说，位错的阻力主要由晶体内位错的密度及其分布特征所决定。晶体内存在少量的位错时，滑移易于进行，因此金属晶体的强度也就比较低。当位错密度的增加到一定时，由于位错之间以及位错与其它缺陷之间存在着相互的牵制作用，使位错的运动受阻，结果金属的强度和硬度又逐渐增加。金属材料的冷加工硬化现象就是在加工过程中，金属内部位错密度的增大而引起的金属材料硬化。金属单晶体塑性变形的实质是在切应力作用下位错连续运动，使金属沿一定的滑移面和滑移方向发生位移。这对我们正确认识和深入理解金属的塑
6、性变形，以及变形对金属性能的影响都具有非常重要的意义 2.孪生晶体变形的另一种方式是孪生。孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分对应于一定的晶面（孪晶面）沿一定方向进行的相对移动。3.1.2多晶体金属塑性变形的特点 大多数金属材料是由多晶体组成的。多晶体塑性变形的实质与单晶体一样。要考虑到晶粒彼此之间在变形过程中的约束作用，以及晶界对塑性变形的影响。1.晶粒取向对塑性变形的影响多晶体中各晶粒的位向不同，滑移系与外力的取向也各不相同，在外力的作用下，不同位向的晶粒和同一晶粒内不同的滑移系获得的应力状态和应力大小也各不相同。因此，不同的晶粒或是同一晶粒内的不同部位变形的先后顺序和变形量是不相同的。
7、由于相邻晶粒之间存在位向差，当一个晶粒发生变形时，周围的晶粒如不发生塑性变形，则必须产生弹性变形来与之协调。这样，周围晶粒的弹性变形就成为该晶粒继续塑性变形的阻力。所以，由于晶粒间相互约束，多晶体金属抗塑性变形的能力就大大提高。而且晶粒越细，相同体积内晶粒越多，晶粒位向对金属塑性变形的影响就越显著。2.晶界对塑性变形的影响 多晶粒中的晶界是原子排列比较紊乱的区域，又是杂质聚集的地方，必然会阻碍位错的运动，使滑移变形难以进行。因而多晶体的塑性变形抗力比同种金属的单晶体大得多。3.多晶体金属的变形过程多晶体的塑性变形，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
8、粒；从不均匀的变形逐步发展到均匀的变形。第三节第三节 冷塑性变形对金属组织冷塑性变形对金属组织和性能的影响和性能的影响一、冷塑性变形对金属组织结构的影响 1.晶粒变形金属发生塑性变形时，其内部晶粒的形状也发生变化，各个晶粒将沿着变形的方向被拉长或压扁，变形量越大，晶粒变形也越显著。当变形量很大时，各晶粒将沿着变形方向被拉长成纤维状。这种组织被称为“纤维组织纤维组织”。形成纤维组织后，金属的性能会出现明显的各向异性，如其纵向(沿纤维的方向)的强度和塑性远大于其横向(垂直纤维的方向)的强度和塑性。2.亚结构的形成金属在塑性变形时，除了产生滑移之外，晶粒内部还破碎成许多位向差小于1的小晶块，这种小晶
9、块称为亚晶粒亚晶粒，这种结构被称为亚结构亚结构。亚晶粒的边界堆积有大量的位错，而亚晶粒内部的晶格则相对地比较完整。塑性变形程度愈大，形成的亚晶粒愈多，亚晶界也就愈多，位错密度随之增大。研究表明，亚晶界的存在使晶体的变形抗力增加，是引起加工硬化的重要因素之一。3.形变织构在塑性变形过程中，当金属按一定的方向变形量很大时(变形量大于70%以上)，多晶体中原来任意位向的各晶粒的取向会大致趋于一致，这种有序化结构叫作“变形织构变形织构”，又称为“择优取向择优取向”，金属材料的加工方式不同形成不同类型的织构：拉拔时形成的织构称为丝织构丝织构，其特征是各个晶粒的某一晶向平行于拉拔方向；轧制时形成的织构称为
10、板织构板织构，其特征是不仅某一晶面平行于轧制平面，而且某一晶向也平行于轧制方向。金属中存在形变织构时，具有明显的各向异性，用退火方法也难以消除。织构的形成在多数情况下是不利的。例如用有织构的板材去冲制杯形零件时，由于板材各个方向变形能力的不同，深冲后零件的边缘不齐，会产生“制耳”现象。在某些情况下织构也是有用的。如变压器铁芯用的硅钢片，沿晶向最易磁化。如果用这种织构的硅钢片制作变压器和电机时，则可提高铁芯的导磁率，降低其磁滞损失，提高设备的效率。二、冷塑性变形对金属性能的影响1.加工硬化 加工硬化加工硬化是金属在塑性变形过程中，随着亚晶粒的增多和位错密度的增加，位错间的交互作用增强，位错滑移发
11、生困难，使金属塑性变形的抗力增大，其强度和硬度其强度和硬度显著升高，塑性和韧性下降显著升高，塑性和韧性下降。也称形变强化或冷作硬化。金属的加工硬化现象的有利之处，它可以作为一种工提高金属强度、硬度和耐磨性的重要手段之一，尤其是对一些不能用热处理强化的材料显得更为重要，加工硬化还能使金属各部分相继发生塑性变形，使变形更加均匀加工硬化还可以提高构件在使用过程中的安全性。加工硬化也有不利的一面，如使材料在冷轧时的动力消耗增大，也给金属继续变形造成困难。因此，在金属的冷变形和加工过程中，必须进行中间热处理来消除加工硬化现象。2.物理、化学性能的变化金属的塑性变形也使金属的某些物理性能、化学性能发生变化
12、，例如使电阻增大，耐蚀性降低等。3.变形引起的内应力在金属塑性变形过程中，大约有10的能量转化为内应力而残留在金属中，使其内能增加。这些残留于金属内部且平衡于金属内部的应力称为残余内应力残余内应力。它是由于金属在外力作用下各部分发生不均匀的塑性变形而产生的。内应力一般可分为三种类型：（1）宏观内应力宏观内应力(第一类内应力)金属材料在塑性变形时，由于各部分变形不均匀，使整个工件或在较大的宏观范围内(如表层与心部)产生的残余应力。（2）微观内应力(第二类内应力)它是金属经冷塑性变形后，由于晶粒间或晶粒内各亚晶粒之间因变形不均匀而形成的微观内应力。（3）晶格畸变(第三类内应力)冷塑性变形在金属内部
13、产生大量的位错和空位，造成晶格畸变，这种因晶格畸变而产生的残余应力叫晶格畸变应力。这类应力占内应力总量的90左右，是存在于变形金属中主要的残余内应力。它使金属的硬度、强度升高，同时使塑性和抗腐蚀能力下降。内应力的大小与形变条件有关。变形量大、变形不均匀、变形时温度低、变形速率大等都能使内应力增加。内应力对金属材料性能的不良影响第一类内应力所占比例虽然不大，但当其放置一段时间后会因其松弛或应力重新分布而引起金属自动变形，严重时会引起工件开裂。第二类内应力使金属产生晶间腐蚀，所以塑性变形后的金属应进行消除应力退火处理，以消除或降低这部分内应力。第三类内应力则是产生加工硬化的主要原因。合理利用内应力
14、的存在有时可以提高零件的寿命，如齿轮进行表面淬火和喷丸处理，在其表面产生一层极薄的塑性变形层。在变形层中产生的残余压应力可以大大提高材料的疲劳极限，抵消工作时齿面受到的张应力，从而提高齿轮的使用寿命。内应力对热处理质量也有很大的影响。钢经塑性变形所产生的各种内应力是导致淬火工件产生变形甚至开裂的重要原因之一。实践表明，经过粗机械加工、冷压力加工的工件，以及锻造后的毛坯，其内部都残存着因塑性变形而产生的内应力。为了减少淬火变形量并防止产生淬火裂纹，在淬火之前，必须进行消除内应力处理(如退火处理)。第三节第三节 回复与再结晶回复与再结晶金属冷塑性变形后，产生了加工硬化现象，结果金属晶体中缺陷密度增
15、加，内能升高，这种处于不稳定状态的组织有自发恢复到变形前的组织状态的倾向。在常温下，这种转变一般不易进行。如果对金属进行加热，随着加热温度的升高，其组织会相继发生回复、再结晶和晶粒长回复、再结晶和晶粒长大大三个阶段的变化。一、回复、再结晶和晶粒长大 1.回 复当冷变形金属的加热温度不太高时，内部原子活动能力尚不大，只能作短距离扩散，这一过程称为回复回复。在回复这一阶段，金属的某些力学性能、物理性能和亚结构发生变化，但没有新的晶粒出现。内部的“多边化”过程 由于回复过程温度比较低，金属的晶粒大小和形状不会发生明显变化，所以金属加金属加工硬化工硬化后的强度、硬度和塑性等力学性能基本不变基本不变，但
16、残余内应力和电阻显著下降，应力腐蚀现象也基本消除。因此，冷变形金属若要在消除残余内应力的同时仍保持冷变形强化状态的话，就可以采取回复处理，进行一次250300的低温退火低温退火。2.再结晶当冷变形金属加热温度高于回复阶段温度后，原子的扩散能力进一步增强，塑性变形时被破碎、拉长的晶粒全部被转变成均匀而细小的等轴晶粒。这个过程称为“再结晶”。变形的金属发生再结晶后，位错密度降低，金属中的内能下降，使冷变形造成的加工加工硬化消失硬化消失，金属的性能又恢复到金属变形前的性能。由于冷变形金属在再结晶过程中形成的细小等轴晶粒也是通过生核和晶粒长大方式进行的，变化过程中只有晶粒的形状的变化，而晶格类型不变晶
17、粒的形状的变化，而晶格类型不变，因此再结晶过程不应属于相变过程。变形金属开始产生再结晶现象的最低温度称为再再结晶温度（结晶温度（T再再）。）。生产上通常规定在一小时的保温时间内全部完成再结晶过程时所需的最低温度，称为再结晶温度再结晶温度。影响再结晶温度的主要因素（1）金属的纯度 当金属中含有少量合金元素或微量杂质时，会阻碍原子的扩散和晶界的迁移，显著提高再结晶温度。试验表明，当变形程度较大时，纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间存在如下关系：T再=(0.35-0.40)T熔式中T再和T熔均以绝对温度表示。（2）预先的变形度 变形程度越大，金属畸变能越高，再结晶时的驱动力就越大，故再结晶温度就越低
18、。当变形量达到一定值后，再结晶温度便趋近于某一恒定值，称为最低再结晶温度，（3）加热速度和加热保温时间 提高加热速度会使再结晶温度提高。而加热保温时间越长，原子的扩散移动越能充分进行，再结晶温度就越低。在工业生产中，为了缩短再结晶退火周期，一般将再结晶温度定得比理论再结晶温度高出100200。3.晶粒长大 冷变形金属在再结晶刚结束时晶粒比较细，晶界面积比较大，系统界面能也比较高。随着加热温度的升高或保温时间的延长，晶粒会继续长大。晶粒的长大减少了晶界的面积，使晶界表面能降低，因而再结晶后的晶粒长大是一个自发进行的过程。再结晶后的晶粒大小与金属的冷塑性变形程度的关系见图。当变形度很小时，由于金属
19、晶格畸变很小，不足以引起再结晶，因而晶粒仍保持原来的形状。当变形度在2l0范围内时，晶粒容易吞并长大，最后得到异常粗大的晶粒。使晶粒发生异常长大的变形度称为临界变形度。临界变形度。生产中应尽量避免在这一变形范围内进行加工。当变形度超过临界变形度后，随变形程度的增加，晶格畸变愈加严重，再结晶晶核数目越来越多，因此再结晶后的晶粒细而均匀。某些金属在变形量很大时(90)，再结晶后的晶粒又重新出现粗化现象。这种现象称为二次再结晶。一般认为，这种现象是大变形量形成的再结晶织再结晶织构构所造成的。因为晶粒取向大致相同时，给晶粒沿一定方向迅速长大提供了条件。晶粒粗化将使金属材料组织性能恶化，所以冷变形金属的
20、再结晶退火温度应严格控制在再结晶温度范围内，而且保温时间不宜过长，以获得细而均匀的晶粒。第四节 金属的热塑性加工金属的热塑性加工 一、热加工与冷加工的区别金属的冷加工和热加工可以按其再结晶温度来划分。金属在再结晶温度以下的塑性变形称为冷加工冷加工；金属在再结晶温度以上的塑性变形称为热加工热加工。热加工的主要优点是材料容易变形，加工耗能量少。这是因为在热加工过程中，金属的内部同时进行着加工硬化和再结晶软化两个相反的过程。冷加工变形会引起加工硬化，增大金属的变形抗力。所以若继续进行冷加工，则必须进行中间退火处理，重新软化后才能进行继续加工。金属在热加工过程中表面发生氧化，使得工件表面比较粗糙，尺寸
21、精度比较低。所以热加工一般用来制造一些截面比较大、加工变形量大的半成品。而冷加工则能保证工件有较高的尺寸精度和表面粗糙度，在冷加工过程中材料同时也得到强化处理。有时经冷加工后可以直接获得成品。二、热加工对金属组织和性能的影响1.改善钢锭的组织和性能铸锭的组织：在铸造过程中，由于铸锭的表面和中心的结晶条件不同，在铸锭的截面上有三个不同特征的结晶区：表层细晶粒区、柱状晶区及中心等轴晶区表层细晶粒区、柱状晶区及中心等轴晶区（图3-19）。除了上述几个晶区外，铸锭内还存在一些铸造缺陷，如缩孔与缩松、化学成分偏析、气孔、夹杂、裂纹等。通过热加工可以把大部分的缩松、气孔和微裂纹在加工过程中焊合，提高了金属
22、的致密度。对于铸锭内部的晶内偏析、粗大柱状晶或大块碳化物，可以在压力的作用下使晶粒破碎，消除了成分偏析、柱状晶及粗大碳化物，使金属的力学性能得到提高加工状态b MPas MPa (%)(%)ak（J/cm2)锻态53031020457铸态500280152735 0.3%C碳钢锻态和铸态时机械性能的比较2.细化晶粒在热加工过程中，变形的晶粒内部不断发生回复再结晶，已经发生再结晶的区域又不断发生变形。周而复之使晶核数目不断增加，晶粒得到细化。但热加工后金属的晶粒大小与加工温度和变形量有很大的关系。变形量小，终止加工温度过高，加工后得到的晶粒粗大；相反则得到细小晶粒。3.形成纤维组织在热加工过程中
23、，钢锭中的粗大枝晶和钢锭铸态组织中的各种夹杂物，在高温下都具有一定塑性，使其沿着金属的变形流动方向伸长，形成纤维组织纤维组织。宏观检验时称其为“锻造流线锻造流线”。锻造流线使金属的性能产生明显的各向异性，通常是沿流线方向的强度、塑性和韧性高，其抗剪强度低。而垂直于流线方向上，情况则正好相反 45钢的机械性能与热加工方向的关系热加工方向b MPas MPa (%)(%)ak(J/cm2)纵向71547017.5 62.8 62横向67244010.0 31.0 304.形成带状组织当低碳钢中非金属杂质比较多时，在热加工后的缓慢冷却过程中，先共析铁素体可能依附于被拉长的夹杂物析出铁素体带，并将碳排到附近的奥氏体中，使奥氏体中的碳含量逐渐提高，最后转变为珠光体。结果，沿杂质富集区析出的铁素体首先形成条状，珠光体分布在条状铁素体之间，这种铁素体和珠光体沿加工变形方向成层状平行交替的条带状组织，称为带状组织带状组织作业：书中p653-4；3-6；3-7；3-8.