1、第三章 金属的塑性变形与再结晶,2.1 金属的塑性变形 2.2 冷塑性变形对组织和性能的影响 2.3 回复与再结晶 2.4 金属的热加工,了解塑性变形的本质，塑性变形及加热时组织和性能的变化。,目的要求,第一节 金属的塑性变形,一、金属的变形和断裂 弹性变形：在外力去除后，金属的变形可以完全恢复。 塑性变形：在外力去除后，金属的变形不能得到完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。 韧性断裂：有明显的塑性变形过程发生，断口呈纤维状，灰暗无光。 脆性断裂：断裂前没有发生明显的塑性变形，断口有闪烁的光泽。,第一节 金属的塑性变形,二、金属单晶体金属的塑性变形单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应
2、力和切应力。正应力只能引起弹性变形及断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。,（一）滑移1. 滑移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。 滑移变形的特点 ：滑移只能在切应力的作用下发生。外力一定 的条件下，滑移面法线与外力F呈45角时滑移最容易进行。,塑性变形有两种形式：滑移和孪生,滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶 向发生。因为原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。,发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。,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
3、向对塑性的贡献比滑移面更大。,滑移系 一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。,滑移带：滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。,滑移带：滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。,滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。,（4）滑移的同时必然伴有金属的转动,外力错动力偶使滑移面转动滑移面拉伸轴。 以滑移面的法线为转轴的转动滑移方向最大切应力方向。,4. 滑移的机理 把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大 3-4个数量级。 滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。,理Cu1540N/mm2 实C
4、u 1.0N/mm2,三、多晶体金属的塑性变形,实际金属是由不同位向的 晶粒组成。 晶界及晶粒位向的影响 1、晶界的影响 当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称位错的塞积。要使变形继续进行，则必须增加外力，从而使金属的塑性变形抗力提高。多晶体塑性变形抗力比单晶体大得多。,2、晶粒位向的影响由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。,金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。,因金属晶粒越细，晶界总面积越大
5、，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。,晶粒大小与金属强度的关系,金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。因晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前,发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。,通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬 度、塑性和韧性的方法称细晶强化。, 多晶体的塑性变形过程首先是处于软位向的晶粒优先发生滑移。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开始移动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒。 当有大量晶
6、粒发生滑移后， 金属便显示出明显的塑性变形。 从少量晶粒大量晶粒 不均匀均匀,铜多晶试样拉伸后形成的滑移带,第二节 塑性变形对组织和性能的影响,一、晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性 1. 晶粒变形 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，晶粒将沿变形方向被拉长为纤维状，形成“纤维组织”。导致各向异性。,工业纯铁在塑性变形前后的组织变化,二、晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化,1加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）,随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高， 塑性、韧性下降的现象称加工硬化。,产生加工硬化的原因是：1）随变形量增加，位错密度增
7、加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结等)，使变形抗力增加。2）随变形量增加，亚结构细化。,加工硬化在工业生产中的应用： 1)加工硬化是强化金属的重要手段之一，尤其对于那些不能以热处理强化的金属和合金更为重要。 2)由于加工硬化的存在，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。因此，加工硬化使金属的塑性变形更均匀。 3)加工硬化可以一定程度上提高构件使用的安全性。 4)在金属冷变形加工过程中，必须进行中间热处理来消除加工硬化现象。,？,实验和理论研究表明:晶体的强度和位错密度有如图所示的对应关系, 当晶体中位错密度很低时,晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很高时,其强度很高。 但目
8、前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶须,不能满足使用上的要求。而位错密度很高易实现,如剧烈的冷加工可使密度大大提高,这为材料强度的提高提供途径。,三、 形变织构在塑性变形过程中，由于晶粒的转动，当变形达到一定程度时（大于70%），会使各晶粒的某一位向趋于一致，这种有序化的结构称形变织构或择优取向。,四、 残余内应力,内应力是指平衡于金属内部的应力。 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亚晶粒之间（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
9、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。,第三节 回复与再结晶,金属经冷塑性变形后，组织处于不稳定状态，有自发恢复到变形前组织状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可以维持相当长时间，而加热则使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。,一、变形金属在加热时的组织和性能变化（一）回复回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错的近距离迁移而引起的晶体内某些变化。没有新晶粒。 空位与间隙原子合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等。 由于位错运动使
10、其由冷塑性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，这一过程称多边形化。,多边形化示意图,在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。 工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温（250-300）加热，消除残余内应力的同时保持冷变形强化状态，这种热处理方法称去应力退火。,（二）再结晶 1. 冷变形后的金属加热到一定温度后，在原来的变形组织中从新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称为再结晶。,再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。,由于再结晶后组织
11、的复原， 因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。,（三）晶粒长大,再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低 。所以再结晶退火时应严格控制退火温度和保温时间。,再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，开始发生再结晶的最低温度称再结晶温度。,二、金属的再结晶温度,工业生产中，通常规定再结晶温度为金属经过大于70%的冷塑性变形后，在1小时内的保温时间内全部完成再结晶过程所需的最低温度。,影响再结晶温度的
12、因素： 1）金属的预先变形程度：金属预先变形程度越大，再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。,T再与的关系,2）金属的纯度金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使金属再结晶温度显著提高。 纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系：T再（0.350.4）T熔,3）再结晶加热速度和加热保温时间提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生，延长加热保温时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低。工业生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度常比理论再结晶温度高100 200。,三、再结晶退火后晶粒度,晶粒度：指晶粒
13、的大小，晶粒越小，晶粒度等级越高。 影响退火后晶粒度的因素 （一）加热温度加热温度越高，晶粒越粗大，保温时间越长晶粒也越大，但是没有温度的作用明显。 （二）变形程度,三、再结晶退火后晶粒度 变形度很小时： 2-10%临界变形度 大于临界变形： 变形度越大，再结晶后 的晶粒越细且均匀。 变形量很大时（大于90%）： 再结晶织构再次粗大,第四节 金属的热塑性加工,一、冷加工与热加工的区别 在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工为冷加工，而高于再结晶温度的加工为热加工。,如 Fe 的再结晶温度为450，其在400 以下的加工仍为冷加工。而 Pb 的再结晶温度为-33
14、，则其在室温下的加工为热加工。 热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工通常不会带来加工硬化效果。,巨型自由锻件,热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。 而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。,蒸汽-空气锤,金属的冷热加工方式,二、热加工对金属组织和性能的影响,组织致密：性能提高 成为等轴细晶：力学性能提高 “纤维组织”形成和利用：各向异性,wC=0.3%的碳钢铸态和锻态力学性能比较,锻造曲轴与切削加工曲轴的流线分布,wC=0.45%的碳钢纵横向机械性能的比较,加热温度过低会形成带状组织：各向异性亚共析钢中非金属杂质较多时，热加工后缓冷中，先共析F依附于被拉长的夹杂物析出铁素体带，呈条状，P分布在条状F之间，这种F与P沿加工方向呈层状平行交替的条带状组织，称带状组织。热加工中常采用交替改变变形方向的方法消除，也可通过多次正火或扩散退火消除。,带状组织,1、如果将一软焊料反复弯曲数次，会发现它仍旧很软。而对一退火铜也作同样弯曲就会明显变硬，以至经过几次之后就不能用手弯曲了。这是为什么？ 2、在室温下对铅板进行弯折，愈弯愈硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又象最初一样柔软，这是什么原因？,习 题,
