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1、工程材料,王金星 材料科学与工程学院,邮箱：wjx 电话：13032353027,Engineering Materials,第五章 金属的塑性变形与再结晶,第五章 金属的塑性变形与再结晶,两个方面的问题 塑性变形 各种压力加工，如轧制、锻造、挤压、拉拔、冲压等，均能使金属发生塑性变形。 一般来说，金属在常温下发生的塑性变形是冷塑性变形。 金属发生冷塑性变形后，其内部组织、结构和性能均将发生变化，宏观性能表现为强度和硬度、电阻率升高，塑性和韧性、耐腐蚀性降低。 回复与再结晶 经过冷塑性变形的金属被重新加热后，其内部组织、结构和性能又将发生变化，宏观性能表现为强度和硬度降低，塑性和韧性升高。,金
2、属的塑性变形是怎么回事？,塑性变形后，对组织和性能有什么影响？,如果重新加热，组织和性能有什么变化？,问 题,先学习单晶体的塑性变形是怎样的？ 多晶体？合金？,金属的塑性变形是怎么回事？,5.1 金属的塑性变形,一、单晶体金属的塑性变形,滑移：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对滑动位移的现象。,孪生：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生对称切变的现象。,两种方式：,1、滑移变形的特点 滑移只能在切应力的作用下发生 产生滑移所需的最小切应力称为临界切应力。,5.1 金属的塑性变形,锌单晶体拉伸试验示意图,重要现象： 当外力与滑移所发生
3、的晶面之间呈45时，临界切应力最小，即当单晶体在外力作用下，呈45角的晶面最容易产生滑移。,滑移沿原子密度最大的晶面和原子密度最大的晶向发生,滑移面,滑移方向,滑移系,110,111,5.1 金属的塑性变形,重要结论： 滑移系越多，则金属发生滑移的可能性越大，该金属的塑性也越好。,滑移的结果会在金属表面造成台阶。,5.1 金属的塑性变形,滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍,滑移带和滑移线,滑移的同时伴随着晶体的转动,单晶体拉伸变形过程 a)原试样；b)自由滑移变形；c)受夹头限制时的变形,5.1 金属的塑性变形,2、滑移的机理 滑移是通过位错在滑移面上的运动实现的。 当位错线扫过滑移
4、面到达金属表面时，便产生一个原子间距的滑移量，同一滑移面上若有大量位错移出，则会在金属表面形成一条滑移线。 重要结论： 位错运动越困难，则金属的强度越高；反之则强度越低，塑性越好。,5.1 金属的塑性变形,晶体通过位错运动而造成滑移,5.1 金属的塑性变形,二、多晶体金属的塑性变形 多晶体金属发生塑性变形的方式仍然是滑移或孪生。 （一）晶界和晶粒位向对多晶体塑性变形的影响 晶界的存在和每个晶粒间存在的位向差将导致强度和硬度提高。 （原子紊乱）（易变形位向不同）,位错的塞积,5.1 金属的塑性变形,（二）晶粒大小对多晶体金属力学性能的影响 1、对硬度和强度的影响 晶粒越小，则晶界越多，金属的强度
5、和硬度越高；晶粒越小，则晶粒越多，位向差越显著，每个晶粒变形时受到的约束也越大，金属的强度和硬度越高。 因此，多晶体金属的晶粒越细小，则强度和硬度越高。 2、对塑性和韧性的影响 晶粒越小，则晶粒越多，同时参与变形的晶粒也越多，变形越均匀，不易造成局部应力集中，可推迟裂纹的形成和扩展，使金属能够发生很大的塑性变形而不断裂。同时，要使金属断裂则需要更大的能量。 因此，多晶体金属的晶粒越细小，则塑性和韧性越好。 细晶强化： 通过细化多晶体金属的晶粒，以同时提高金属的强度和硬度、塑性和韧性的方法。,5.1 金属的塑性变形,三、合金的塑性变形 （一）单相固溶体合金的塑性变形 固溶体中存在溶质原子，造成晶
6、格畸变，从而对位错的运动有阻碍作用，使合金的强度和硬度升高。 溶质原子在位错线上的偏聚，会对位错起“钉扎”作用，使位错运动困难，也使合金的强度和硬度升高。 固溶强化： 通过在金属中溶入某种溶质元素，从而形成固溶体而使合金的强度和硬度提高的方法。,5.1 金属的塑性变形,（二）多相合金的塑性变形 多相合金的组织中通常有两类不同的相，一是连续分布的基体相，二是以一定的形状和数量分布在基体相中的分散相（又称为第二相）。 分散相的性质、形状、大小、数量及分布对多相合金的塑性变形和力学性能有很大的影响。 1、第二相以网状分布在晶界上 降低强度和韧性。如过共析钢平衡组织中的Fe3C。 2、第二相以片状分布
7、在基体相中 提高强度和硬度，降低塑性和韧性。如共析钢平衡组织中的Fe3C。 3、第二相以颗粒状分布在基体相中 显著提高强度和硬度，略降低塑性和韧性。如粒状珠光体中的Fe3C。 弥散强化： 第二相以细小的颗粒形状，均匀弥散地分布在基体相中，以显著提高合金强度和硬度的方法。又称为分散强化、第二相强化、沉淀强化。,5.1 金属的塑性变形,金属塑性变形后，对组织和性能有什么影响？,一、塑性变形对金属组织影响 1、晶粒形状发生变化,等轴状,晶粒伸长,纤维状,2、晶粒破碎成亚晶粒 随着变形量的增加，位错密度不断升高，晶粒内形成许多亚晶粒。 3、产生形变织构 由于塑性变形使晶粒具有择优取向的组织，称为形变织
8、构。,5.2 塑性变形对金属组织和性能的影响,性能各向异性,5.2 塑性变形对金属组织和性能的影响,深冲件的制耳,5.2 塑性变形对金属组织和性能的影响,二、塑性变形对金属性能的影响 1、产生加工硬化 加工硬化（形变强化）： 随着变形量的增加，金属强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象。,5.2 塑性变形对金属组织和性能的影响,残余内应力的危害： 引起压力加工、热处理过程中零件的变形和开裂。 降低金属的强度（第一、二类内应力）。 降低金属的耐腐蚀性。,5.2 塑性变形对金属组织和性能的影响,2、产生残余内应力 宏观内应力（第一类内应力）：平衡于金属表层与心部之间的内应力。 产生原因：表层与心部变
9、形不一致。 微观内应力（第二类内应力）：平衡于晶粒之间或晶粒内部的内应力。 产生原因：晶粒之间的变形不均匀。 点阵畸变（第三类内应力）：存在于晶体缺陷中的内应力。(占90%以上) 产生原因：晶体缺陷增加引起畸变增大。,残余内应力的消除： 去应力退火或低温回火。,如果重新加热，组织和性能有什么变化？,5.3 回复与再结晶,冷变形金属在不同加热温度时 组织和性能的变化,三、变形金属在加热过程中组织和性能的变化：回复+再结晶,（一）回复 冷变形金属在较低温度加热时，在光学显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能的变化过程称为回复。 1、组织、结构方面 显微组织没有明显变化。 亚结构发生一定的变化，
10、表现为晶体缺陷数量有所减少。 空位与间隙原子的合并、同一滑移面上的异号位错相互抵消。 2、性能方面 力学性能没有明显变化。 强度和硬度略有下降，塑性和韧性略有升高。 内应力和电阻率明显降低。 3、工业应用去应力退火 将已经加工硬化的金属在较低的温度下加热，使其内应力基本消除，同时保持加工硬化的工艺方法。 举例：冷卷弹簧制品，在成型后进行一次250300C的低温加热，充分消除残余内应力，稳定尺寸，改善性能。,5.3 回复与再结晶,（二）再结晶 冷变形金属在加热到一定温度后，在已变形组织中重新产生无畸变的新晶粒，性能发生明显的变化，并恢复到完全软化状态的过程称为再结晶。 1、组织、结构方面 变形的
11、晶粒完全恢复为等轴状晶粒。 晶体缺陷数量明显减少。 2、性能方面 强度和硬度显著下降，塑性和韧性显著升高。 冷变形时的加工硬化现象完全消失。 内应力也基本被消除。 3、工业应用再结晶退火 将已经加工硬化的金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶，以消除加工理化的工艺方法。 举例：冷拉钢丝时，每拉拔一次，中间均进行再结晶退火，消除加工硬化，以便于下一次拉拔。,5.3 回复与再结晶,4、再结晶的驱动力 再结晶的驱动力来自冷变形所产生的储存能。 再结晶过程也是一个形核和长大的过程。在温度作用下，再结晶的核心（晶核）在变形造成的最大畸变处形成，随后进一步长大，最终全面替换畸变的晶粒，金属组织重新恢复成
12、无畸变的等轴晶。 5、再结晶温度 冷变形金属发生再结晶的最低温度。 再结晶不是一个恒温过程，没有恒定的转变温度。因此，再结晶温度的意义是开始发生再结晶的温度，即在畸变的晶粒中产生无畸变等轴晶粒的最低温度。 6、再结晶与重结晶（相变）的区别 本质区别在于是否发生晶体结构和化学成分的变化。 再结晶过程没有，重结晶（相变）过程有。,5.3 回复与再结晶,纯金属的再结晶温度：T再0.4Tm， 单位为K,（三）晶粒长大 冷变形金属在再结晶结束后，继续升高温度或保温，晶粒就会不断长大，这一过程即称为晶粒长大。 晶粒长大的类型 正常长大 随温度升高或保温时间延长，晶粒均匀连续地长大。 反常长大（二次再结晶）
13、 晶粒不均匀不连续地迅速长大。 四、影响再结晶后晶粒度的因素 1、加热温度和保温时间 加热温度越高、保温时间越长，晶粒越粗大。 其中温度的影响尤其显著。 2、变形程度 变形量较小 不发生再结晶，晶粒保持原状、大小。 变形量达到210% 再结晶后的晶粒异常粗大。 210%的变形量称为临界变形度。 变形量超过临界变形度 随变形程度的增加，晶粒细小而均匀。,5.3 回复与再结晶,5.3 回复与再结晶,加热温度对晶粒度的影响,5.3 回复与再结晶,预先变形程度对晶粒度的影响,如果在T再以上温度进行变形，将发生什么？,一、热加工与冷加工 热加工：指在再结晶温度以上的加工过程。 冷加工：指在再结晶温度以下
14、的加工过程。 二、动态回复和动态再结晶 金属在热加工时，温度在T再之上，因此金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程，即回复和再结晶是边加工边发生的，此即动态回复和动态再结晶。 三、热加工对金属组织和性能的影响 1、改善铸锭组织 使气孔和裂纹焊合，增大材料的致密性。 改善夹杂物与脆性相的形态、大小和分布。 部分消除枝晶偏析。 破碎粗大晶粒而使晶粒细化。,5.4 金属的热加工,思考： 纯铅：Tm=327 纯钨：Tm=3407 ,2、产生热加工流线 组织中的夹杂物及偏析沿变形方向伸长，在宏观上变成一条条细线，即流线。 由一条条流线沟划出来的组织称为纤维组织。 出现纤维组织，会使金属
15、产生各向异性。顺纤维方向具有较高的力学性能，垂直于流线方向的性能则较低。 3、产生带状组织 合金中的各个相在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布的组织称为带状组织。 举例：亚共析钢在热轧后，其中的珠光体和铁素体常沿轧向呈带状或层状分布，即形成带状组织。 出现带状组织，会使材料的力学性能产生方向性，特别是横向塑性和韧性明显下降。,5.4 金属的热加工,5.4 金属的热加工,曲轴中的流线分布 a)锻造变形；b)切削加工,5.4 金属的热加工,低碳钢中的带状组织,F,P,本章小结,塑性变形机理：塑性变形滑移位错运动 多晶体：也是滑移，只是多了晶界和晶粒位向的影响 合金：也是滑移，只是多了固溶和第二相的影响 塑性变形对组织和性能均有影响 加热：回复+再结晶+晶粒长大 T再0.4Tm 热加工和冷加工 强化思路：,细晶强化、固溶强化、第二相强化（弥散） 、加工硬化,阻碍位错运动,提高点线面缺陷,阻碍塑性变形,5.4 金属的热加工,第四次作业： 1. 四种强化方式分别是什么？分别叙述其强化的基本原理。 2、对纯铅在室温下变形需不需中间退火？为什么？（已知纯铅的熔点为327）,
