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1、第2章金属材料组织和性能的控制3本讲稿第一页，共三十五页 塑性加工时，金属产生塑性变形，对金塑性加工时，金属产生塑性变形，对金属的组织结构和性能会产生重要的影响。属的组织结构和性能会产生重要的影响。问题问题1 1：塑性变形对金属的组织结构和性能有什塑性变形对金属的组织结构和性能有什么重要影响？么重要影响？问题问题2 2：塑性变形后的金属再加热时组织结构和性塑性变形后的金属再加热时组织结构和性能有什么变化？能有什么变化？本讲稿第二页，共三十五页 一、单晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形基本方式有单晶体的塑性变形基本方式有2 2种：种：滑移滑移 孪生孪生 1.1.滑移滑移 晶体在
2、切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面晶面(滑移面滑移面)上的一定方向上的一定方向(滑移方向滑移方向)相对相对于另一部分发生滑动叫于另一部分发生滑动叫滑移滑移。滑移滑移本讲稿第三页，共三十五页 （2 2）滑移是晶体）滑移是晶体内部位错运动的结果。内部位错运动的结果。滑移特点滑移特点 （1 1）滑移只能在切应力作用下才会发生。）滑移只能在切应力作用下才会发生。滑移临界切应力滑移临界切应力 产生滑移的最小切应力。产生滑移的最小切应力。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。本讲稿第四页，共三十五页 （3 3）总
3、变形量是滑移方向上的原子间距的）总变形量是滑移方向上的原子间距的整数倍。整数倍。滑移在滑移在表面形成滑移带。表面形成滑移带。滑移带观察滑移带观察本讲稿第五页，共三十五页金属三种常见晶格的滑移系金属三种常见晶格的滑移系 13=3 13=3 43=12 43=12 62=1262=12滑移系滑移系 3 3个个 3 3个个 2 2个个每个滑移面上每个滑移面上的滑移方向的滑移方向00010001 1 1个个111111 4 4个个110110 6 6个个滑移面滑移面 密排六方晶格密排六方晶格 面心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格 晶晶 格格 滑移系：滑移系：由一个由一个滑移面与其上的一个滑
4、移方向组成。滑移面与其上的一个滑移方向组成。（4 4）滑移沿着晶体中密排面和其上密排方向进）滑移沿着晶体中密排面和其上密排方向进行。行。密排面、密排方向上原子排列紧密，结合力密排面、密排方向上原子排列紧密，结合力强。密排面是滑移面，密排方向是滑移方向。强。密排面是滑移面，密排方向是滑移方向。本讲稿第六页，共三十五页老师提示老师提示 滑移系越多，金属发生滑移的可能性滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。越大，塑性就越好。滑移方向对滑移所起的作用比滑移面作用大。滑移方向对滑移所起的作用比滑移面作用大。面心立方晶格金属比体心立方晶格金属面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。的塑性
5、更好。本讲稿第七页，共三十五页 （5 5）滑移时晶体发生转动。）滑移时晶体发生转动。本讲稿第八页，共三十五页 2.2.孪生孪生在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面分沿一定晶面(孪生面孪生面)和晶向和晶向(孪生方向孪生方向)发发生切变的变形过程叫生切变的变形过程叫孪生孪生。发发生切变后位向改生切变后位向改变的一部分晶体称为变的一部分晶体称为孪孪晶晶。孪晶与未变形部分晶孪晶与未变形部分晶体原子分布对称。体原子分布对称。本讲稿第九页，共三十五页 孪生所需的临界切应力比滑移的大得多。孪生所需的临界切应力比滑移的大得多。孪生只在滑移很难进行的情况下才发
6、生。孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、锌、滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、锌、镉等镉等,容易发生孪生。容易发生孪生。体心立方晶格金属（如铁）在低温或受体心立方晶格金属（如铁）在低温或受冲击时才发生孪生。冲击时才发生孪生。本讲稿第十页，共三十五页 二、多晶体的塑性变形 工程上使用的金属绝大部分是多晶体。工程上使用的金属绝大部分是多晶体。多晶体中每个晶粒的变形基本方式与单晶体多晶体中每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同。多晶体材料中，各个相同。多晶体材料中，各个晶粒位向不同晶粒位向不同，存在存在许多晶界许多晶界，变形要复杂得多。，变形要复杂得多。多晶体的塑性变形
7、多晶体的塑性变形 1.1.晶界阻碍位错运动晶界阻碍位错运动 晶界上原子排列不很规则晶界上原子排列不很规则,阻碍位错的运动阻碍位错的运动,使变形抗力使变形抗力增大。增大。金属晶粒越细，晶界越多，变金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。形抗力越大，金属的强度就越大。本讲稿第十一页，共三十五页 2.2.晶粒分批逐步变形晶粒分批逐步变形 软位向软位向 晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向。切应力方向。硬位向硬位向 晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大。方向相差较大。老师提示老师提示 细晶强化是金属的一种
8、很重要的细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。强韧化手段。滑移时，软位向晶粒先开始，硬位向晶粒后滑移时，软位向晶粒先开始，硬位向晶粒后滑移。变形分散在材料各处。滑移。变形分散在材料各处。晶粒越细，变形越分散，减少了应力集中，推迟晶粒越细，变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹形成和发展，金属塑性提高。裂纹形成和发展，金属塑性提高。晶粒细，金属的强度高，塑性好，断裂时晶粒细，金属的强度高，塑性好，断裂时需要消耗较大的功，因而韧性好。需要消耗较大的功，因而韧性好。本讲稿第十二页，共三十五页 三、塑性变形对金属组织和性能的影响 老师提示：老师提示：重点内容重点内容 1.1.塑性变形对金属组织结构的影
9、响塑性变形对金属组织结构的影响 （1 1）晶粒发生变形）晶粒发生变形 晶粒沿形变方向被拉长或压扁。晶粒沿形变方向被拉长或压扁。变形量很大时变形量很大时,晶粒变成细条状晶粒变成细条状(拉伸时拉伸时),),金属金属中的夹杂物也被拉长中的夹杂物也被拉长,形成形成纤维组织纤维组织。变形前变形前变形后变形后本讲稿第十三页，共三十五页 （2 2）亚晶粒形成）亚晶粒形成 金属经大的塑性变形时金属经大的塑性变形时,位错密度增大位错密度增大,大量大量位错堆积在局部地区位错堆积在局部地区,相互缠结相互缠结,形成不均匀的形成不均匀的分布分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,
10、产生产生亚晶粒亚晶粒。金属经变形后的亚金属经变形后的亚晶粒晶粒本讲稿第十四页，共三十五页 （3 3）形变织构产生）形变织构产生 金属塑性变形到很大程度金属塑性变形到很大程度(70%(70%以上以上)时时,由于由于晶粒发生转动晶粒发生转动,使各晶粒的位向趋近于一致，这种使各晶粒的位向趋近于一致，这种结构叫做结构叫做形变织构形变织构。形变织构示意图形变织构示意图 丝织构丝织构 各晶粒的一定晶向平行于拉拔各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳钢经大变形量冷拔后方向。低碳钢经大变形量冷拔后,其其平平行于拔丝方向行于拔丝方向;板织构板织构 各晶粒的一定晶面和晶向平行各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向。低
11、碳钢的板织构为于轧制方向。低碳钢的板织构为001001。本讲稿第十五页，共三十五页 2.2.塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属性能的影响 （1 1）加工硬化）加工硬化金属发生塑性变形金属发生塑性变形,随变形度增大随变形度增大,金属金属的强度和硬度显著升高的强度和硬度显著升高,塑性和韧性明显下塑性和韧性明显下降。这种现象称为降。这种现象称为加工硬化，加工硬化，也叫也叫形变强化形变强化。工程应用：工程应用：在生在生产中可通过冷轧、产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢冷拔提高钢板或钢丝的强度。丝的强度。本讲稿第十六页，共三十五页 产生加工硬化的原因产生加工硬化的原因:塑性变形时塑性变形时,位错密度增
12、加位错密度增加,位错间的交互作用位错间的交互作用增强增强,相互缠结相互缠结,位错运动阻力增大位错运动阻力增大,塑性变形抗力提塑性变形抗力提高。高。同时晶粒破碎细化同时晶粒破碎细化,强度提高。强度提高。加工硬化加工硬化本讲稿第十七页，共三十五页 （2 2）产生各向异性）产生各向异性 纤维组织和形变织构的形成纤维组织和形变织构的形成,使金属的性能使金属的性能产生产生各向异性各向异性。沿纤维方向的强度和塑性高于垂直方向。沿纤维方向的强度和塑性高于垂直方向。各向异性各向异性 有织构的板材冲制筒形零件时有织构的板材冲制筒形零件时,由于各方向由于各方向上塑性差别很大上塑性差别很大,零件的边缘出现零件的边缘
13、出现“制耳制耳”。因形变织构造成深冲制品的制耳示意图因形变织构造成深冲制品的制耳示意图 在某些情况下在某些情况下,织构的各向异性有用。织构的各向异性有用。制造变压器铁芯的硅钢片制造变压器铁芯的硅钢片,沿沿方向最易磁化方向最易磁化,采用这种织构可使铁损减小采用这种织构可使铁损减小,变压器的效率大大提高。变压器的效率大大提高。本讲稿第十八页，共三十五页 （3 3）物理、化学性能变化）物理、化学性能变化 塑性变形可影响金属的物理、化学性能。塑性变形可影响金属的物理、化学性能。电阻增大电阻增大,耐腐性降低。耐腐性降低。残余内应力使金属的耐蚀性降低，较大时使零残余内应力使金属的耐蚀性降低，较大时使零件变
14、形或开裂。件变形或开裂。（4 4）产生残余内应力）产生残余内应力 残余内应力残余内应力 外力去除后，金属内部残留下外力去除后，金属内部残留下来的应力。来的应力。塑性变形时，金属内部变形不均匀，位错、塑性变形时，金属内部变形不均匀，位错、空位等晶体缺陷增多，产生残余内应力。空位等晶体缺陷增多，产生残余内应力。本讲稿第十九页，共三十五页喷丸强化喷丸强化 齿轮表面通过喷丸处理，产生较大的齿轮表面通过喷丸处理，产生较大的残余压应力，提高疲劳强度。残余压应力，提高疲劳强度。喷丸强化喷丸强化本讲稿第二十页，共三十五页2.3.2 2.3.2 塑性变形后的金属在加热时组织塑性变形后的金属在加热时组织 和性能的
15、变化和性能的变化 金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化。大的变化。对变形后的金属进行加热，金属的组织结构对变形后的金属进行加热，金属的组织结构和性能又会发生变化。和性能又会发生变化。随着加热温度的提高，变形金属将相继随着加热温度的提高，变形金属将相继发生发生回复回复、再结晶再结晶和和晶粒长大晶粒长大过程。过程。本讲稿第二十一页，共三十五页 一、回复 变形后的金属在较低温度进行加热，会发生变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复回复过程。过程。回复温度：回复温度：T T回复回复=(0.25=(0.250.3)0.3)T T熔点熔点 T T熔点为熔
16、点为金属熔点金属熔点,单位为绝对温度单位为绝对温度(K)(K)。晶粒内部位错等缺陷减少，晶粒仍保持变形后晶粒内部位错等缺陷减少，晶粒仍保持变形后的形态，显微组织不发生明显变化。的形态，显微组织不发生明显变化。材料的强度和硬度略有降低，塑性有增高，残余材料的强度和硬度略有降低，塑性有增高，残余应力大大降低。应力大大降低。工程应用：工程应用：对变形金属进行对变形金属进行去应力退火去应力退火、降低残、降低残余内应力，保留加工硬化效果。余内应力，保留加工硬化效果。本讲稿第二十二页，共三十五页 二、再结晶 1.1.再结晶对金属组织、性能的影响再结晶对金属组织、性能的影响 变形后的金属在较高温度加热时，被
17、拉长变形后的金属在较高温度加热时，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶再结晶。本讲稿第二十三页，共三十五页 变形金属再结晶后，强度、硬度明显降变形金属再结晶后，强度、硬度明显降低，塑性、韧性大大提高，加工硬化现象被低，塑性、韧性大大提高，加工硬化现象被消除，内应力全部消失。消除，内应力全部消失。物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。平。老师提示老师提示 再结晶生成的新的晶粒的晶格再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、
18、变形后的晶格类型均一样。类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。本讲稿第二十四页，共三十五页 2.2.再结晶温度再结晶温度 发生再结晶的温度是一个温度范围，并非一恒发生再结晶的温度是一个温度范围，并非一恒定温度。定温度。再结晶温度指的是再结晶温度指的是最低再结晶温度最低再结晶温度(T T再再)。用经。用经大变形量大变形量(70%(70%以上以上)的冷塑性变形的金属的冷塑性变形的金属,经经1 1小时加小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。热后能完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度：最低再结晶温度：T T再再=(0.35=(0.350.4)0.4)T T熔点熔点 式中的温度单位为绝对温度式中
19、的温度单位为绝对温度(K)(K)。本讲稿第二十五页，共三十五页 最低再结晶温度影响因素：最低再结晶温度影响因素：（1 1）预先变形度）预先变形度 预先变形度预先变形度 金属再结晶前塑性变形的相对变形金属再结晶前塑性变形的相对变形量量。预先变形度越大预先变形度越大,金属的晶体缺陷就越多金属的晶体缺陷就越多,组织越组织越不稳定不稳定,最低再结晶温度也就越低。最低再结晶温度也就越低。当预先变形度达到一定大小后当预先变形度达到一定大小后,最低再结晶温度趋最低再结晶温度趋于某一稳定值。于某一稳定值。（2 2）金属的熔点）金属的熔点 熔点越高熔点越高,最低再结晶温度也就越高。最低再结晶温度也就越高。（3
20、3）杂质和合金元素）杂质和合金元素 杂质和合金元素（高熔点元素）阻碍原子扩散和晶杂质和合金元素（高熔点元素）阻碍原子扩散和晶界迁移界迁移,可显著提高最低再结晶温度。可显著提高最低再结晶温度。高纯度铝高纯度铝(99.999%)(99.999%)的最低再结晶温度为的最低再结晶温度为80 80；工业纯铝工业纯铝(99.0%)(99.0%)的最低再结晶温度提高到的最低再结晶温度提高到290 290。（4 4）加热速度和保温时间）加热速度和保温时间 再结晶是一个扩散过程再结晶是一个扩散过程,需要一定时间才能完成。需要一定时间才能完成。提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生。提高加热速度会使再结晶在较高温
21、度下发生。保温时间越长保温时间越长,再结晶温度越低。再结晶温度越低。本讲稿第二十六页，共三十五页 3.3.再结晶后晶粒的晶粒度再结晶后晶粒的晶粒度 （1 1）加热温度）加热温度 加热温度越高加热温度越高,原子扩散能力越强原子扩散能力越强,则晶则晶界越易迁移界越易迁移,晶粒长大也越快。晶粒长大也越快。加热温度对再结晶后晶粒大小的影响加热温度对再结晶后晶粒大小的影响本讲稿第二十七页，共三十五页 （2 2）预先变形度）预先变形度 变形度的影响主要与金属变形的均匀度有关。变形度的影响主要与金属变形的均匀度有关。变形越不均匀变形越不均匀,再结晶退火后的晶粒越大。再结晶退火后的晶粒越大。预先变形度对再结晶
22、后预先变形度对再结晶后晶粒大小的影响晶粒大小的影响 变形度很小时，不变形度很小时，不足以引起再结晶，晶粒不足以引起再结晶，晶粒不变。变。变形度达到变形度达到2 210%10%时，时，少数晶粒变形，变形不均匀，少数晶粒变形，变形不均匀，再结晶时生成的晶核少，得到再结晶时生成的晶核少，得到极粗大的晶粒。极粗大的晶粒。塑性变形后的金属再结晶塑性变形后的金属再结晶时，晶粒发生异常长大的变形时，晶粒发生异常长大的变形度称作度称作临界变形度临界变形度。变形度继续增大，变形度继续增大，晶粒变形厉害、均匀，再结晶核晶粒变形厉害、均匀，再结晶核心越多，再结晶后的晶粒越细小。心越多，再结晶后的晶粒越细小。当变形度
23、过大（约当变形度过大（约90%)90%)时时,晶粒可能再次出现异常长大晶粒可能再次出现异常长大,由由形变织构造成。形变织构造成。本讲稿第二十八页，共三十五页再结晶的工程应用再结晶的工程应用 再结晶退火再结晶退火 消除塑性变形产生的加工硬化消除塑性变形产生的加工硬化现象，恢复金属塑性变形的能力，以便继续进现象，恢复金属塑性变形的能力，以便继续进行形变加工。行形变加工。如生产铁铬铝电阻丝时，在冷拔到一定的变如生产铁铬铝电阻丝时，在冷拔到一定的变形度后，要进行氢气保护再结晶退火，以便继续形度后，要进行氢气保护再结晶退火，以便继续冷拔获得更细的丝材。冷拔获得更细的丝材。为了缩短处理时间，实际采用的再结
24、晶退火温为了缩短处理时间，实际采用的再结晶退火温度比该金属的最低再结晶温度要高。度比该金属的最低再结晶温度要高。再结晶退火温度再结晶退火温度=T T再再+（100 100 200200）本讲稿第二十九页，共三十五页 三、晶粒长大 加热温度过高或保温时间过长，晶粒会长加热温度过高或保温时间过长，晶粒会长大，大，得到得到粗大晶粒粗大晶粒，使金属的强度、硬度、塑使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能显著降低。性、韧性等机械性能显著降低。这种不均匀的长大过程称为这种不均匀的长大过程称为二次再结晶二次再结晶,一一般情况下应当避免。般情况下应当避免。本讲稿第三十页，共三十五页变形金属加热时组织和性能变化
25、变形金属加热时组织和性能变化本讲稿第三十一页，共三十五页2.3.3 2.3.3 金属材料的热加工与冷加工金属材料的热加工与冷加工 金属塑性变形加工方法：金属塑性变形加工方法：热加工：热锻、热轧、热挤压、热拔热加工：热锻、热轧、热挤压、热拔 冷加工：冷镦、冷轧、冷挤压、冷冲、切削冷加工：冷镦、冷轧、冷挤压、冷冲、切削 热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于金属的再结晶温度以上还是以下是根据变形时的温度处于金属的再结晶温度以上还是以下来划分的。来划分的。热加工：热加工：在再结晶温度以上的塑性变形加工在再结晶温度以上的塑性变
26、形加工。冷加工：冷加工：在再结晶温度以下的塑性变形加工在再结晶温度以下的塑性变形加工。本讲稿第三十二页，共三十五页 一、金属的热加工及其对组织、性能影响 钢材的热锻和热轧，温度处于再结晶温度以上，金属钢材的热锻和热轧，温度处于再结晶温度以上，金属塑性变形后，随即发生再结晶。塑性变形引起的加工硬化塑性变形后，随即发生再结晶。塑性变形引起的加工硬化随即消除，使材料保持良好的塑性状态。随即消除，使材料保持良好的塑性状态。老师提示老师提示 热加工提高金属的强度、塑性和热加工提高金属的强度、塑性和韧性，使金属的机械性能全面提高。韧性，使金属的机械性能全面提高。（1 1）热加工能使铸态金属中的气孔、疏松、
27、）热加工能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹焊合，提高金属的致密度；减轻或消除枝微裂纹焊合，提高金属的致密度；减轻或消除枝晶偏析和改善夹杂物、第二相的分布等。晶偏析和改善夹杂物、第二相的分布等。（2 2）热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和）热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒。柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒。本讲稿第三十三页，共三十五页 二、金属的冷加工及其对组织、性能的影响 冷轧、冷拔、冷冲等属于冷加工。冷轧、冷拔、冷冲等属于冷加工。加工温度处于再结晶温度以下加工温度处于再结晶温度以下,金属材料发生塑金属材料发生塑性变形时不发生再结晶过程。冷加工发生塑性
28、变形，金属性变形时不发生再结晶过程。冷加工发生塑性变形，金属晶粒变形、组织细化、缺陷增加。晶粒变形、组织细化、缺陷增加。与冷加工前相比，金属材料的强度和硬度升高，与冷加工前相比，金属材料的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化的现象。塑性和韧性下降，即产生加工硬化的现象。加工硬化具有极重要的实际意义。加工硬化具有极重要的实际意义。想一想想一想:加工硬化在实际工程中有什么重要加工硬化在实际工程中有什么重要的应用？的应用？本讲稿第三十四页，共三十五页本节小结本节小结金属的塑性变形金属的塑性变形 塑性变形机理：塑性变形机理：滑移、孪生滑移、孪生 冷塑性变形对组织、性能影响：冷塑性变形对组织、性能影响：金属晶粒变形、位金属晶粒变形、位错密度增加、产生残余内应力，大的变形量可产生形错密度增加、产生残余内应力，大的变形量可产生形变织构。变织构。产生加工硬化。产生加工硬化。再结晶再结晶 再结晶：再结晶：形成新的等轴晶，晶格形式不变。形成新的等轴晶，晶格形式不变。再结晶对性能影响：再结晶对性能影响：消除加工硬化消除加工硬化 再结晶温度：再结晶温度：T T再结晶再结晶=（0.35 0.35 0.40.4）T T熔点熔点 本讲稿第三十五页，共三十五页