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1、机械制造基础机械制造基础( (上册上册) ) 侯艳君侯艳君 第第4 4章章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 n n 教学提示：教学提示：在工业生产中，由于铸态金属材料的晶粒粗大、组织不均在工业生产中，由于铸态金属材料的晶粒粗大、组织不均 、成分偏析及组织不致密等缺陷，工业上用的金属材料大多要在浇注、成分偏析及组织不致密等缺陷，工业上用的金属材料大多要在浇注 成金属铸锭后经过压力加工再使用。因为通过压力加工时的塑性变形成金属铸锭后经过压力加工再使用。因为通过压力加工时的塑性变形 ，不仅使金属材料获得所需要的形状和尺寸，而且金属内部的组织发，不仅使金属材料获得所需要的形状和尺寸，而且
2、金属内部的组织发 生很大变化，从而使其性能发生变化。如经冷轧或冷拉等加工后金属生很大变化，从而使其性能发生变化。如经冷轧或冷拉等加工后金属 的强度显著提高而塑性下降。但塑性变形后的金属材料较之变形前已的强度显著提高而塑性下降。但塑性变形后的金属材料较之变形前已 处于不稳定的高自由能状态，它具有自发地向着自由能降低方向转变处于不稳定的高自由能状态，它具有自发地向着自由能降低方向转变 ，当温度升高时可加速这种转变。这种转变过程称为回复和再结晶。，当温度升高时可加速这种转变。这种转变过程称为回复和再结晶。 因此，研究金属的塑性变形和回复、再结晶过程的发生、发展规律，因此，研究金属的塑性变形和回复、再
3、结晶过程的发生、发展规律， 对合理地选用金属材料及成形方法、控制和改善变形材料晶粒组织和对合理地选用金属材料及成形方法、控制和改善变形材料晶粒组织和 性能，具有重要的意义。性能，具有重要的意义。 n n 教学要求：教学要求：本章让学生了解塑性变形的本质，塑性变形对合金组织性本章让学生了解塑性变形的本质，塑性变形对合金组织性 能的影响，及对塑性变形后的金属加热时将会产生一系列组织与性能能的影响，及对塑性变形后的金属加热时将会产生一系列组织与性能 的变化。随着温度的升高，将依次产生回复、再结晶和晶粒长大三个的变化。随着温度的升高，将依次产生回复、再结晶和晶粒长大三个 阶段。阶段。 本章知识结构本章
4、知识结构 4.1 4.1 金属的塑性变形金属的塑性变形 4 4 . . 2 2 变形金属在加热时组织和性能的变化变形金属在加热时组织和性能的变化 4.3 4.3 金属的热变形加工金属的热变形加工 4.1 4.1 金属的塑性变形金属的塑性变形 4.1.1 4.1.1 金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形 单晶体金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生，单晶体金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生， 其中滑移是最主要的变形方式。其中滑移是最主要的变形方式。 滑移变形有如下特点：滑移变形有如下特点： (1) (1) 滑移只能在切应力作用下发生。滑移只能在切应力作用下发生。 (2) (2) 滑移常沿晶体中原
5、子密度最大的晶面和晶向发滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发 生。生。 (3) (3) 滑移的距离为滑移方向上原子间距的整数倍。滑移的距离为滑移方向上原子间距的整数倍。 (4) (4) 滑移的同时伴随着晶体的转动。滑移的同时伴随着晶体的转动。 (5) (5) 滑移是由于滑移面上的位错运动而产生的。滑移是由于滑移面上的位错运动而产生的。 单晶体塑性变形另一种形式是孪生。单晶体塑性变形另一种形式是孪生。 由于孪生变形较滑移变形一次移动的原子较多，故其临界 切应力较大，因此，只有不易产生滑移的金属(如Cd、Mg、 Be等)才产生孪生变形。 4.1.2 金属多晶体的塑性变形 多晶体中每个晶粒的塑性
6、变形与单晶体相同。但是由于晶 粒间有晶界存在，各单晶粒的位向又不相同，故多晶体的 塑性变形要比单晶体更加困难和复杂。 (1)晶内滑移 (2) 晶粒间的的滑移和转动 4.1.3 塑性变形对合金组织和性能的影响 1. 塑性变形对组织结构的影响 织构或择优取向 2. 加工硬化 (1) 位错密度随变形量增加而增加，从而使变形 抗力增大。(2) 随变形量增加，亚结构细化，亚晶界对位 错运动有阻碍作用。(3) 随变形量增加，空位密度增加。 (4) 几何硬化。 加工硬化是工业上用以提高金属强度、硬度和耐磨性的 重要手段之一。但加工硬化也使进一步变形困难，给生 产带来一定麻烦。 3. 残余内应力 所谓内应力是
7、指平衡于金属内部的应力。 内应力的产生主要是由于金属在外力作用下，内部变形不均 匀而引起的。 一般将内应力分为三类。 第一类内应力平衡于金属表面与心部之间，它是由于金属表面 与心部变形不均匀造成的，又称宏观内应力。 第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间，也是由 于这些部位之间变形不均匀造成的，又称微观内应力。 第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力，变形金属中的主 要内应力(占90%以上)，是使金属强化的主要原因。 残余内应力还会使金属耐蚀性下降，引起加工、淬火过程中 零件的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行 退火处理，以消除或降低残余内应力。 4 4 . . 2 2 变
8、形金属在加热时组织和变形金属在加热时组织和 性能的变化性能的变化 金属经冷塑性变形后，晶格畸变严重 。位错密度增加，晶粒破碎，产生内 应力等导致系统自由能升高，因而处 于组织不稳定的状态，它具有自发地 恢复到原来自由能较低状态的趋势。 但在室温时，由于原子活动能力不足 ，这种不稳定状态尚能维持相当长时 间而不发生变化。若将冷变形金属加 热，因原子活动能力增强，将会产生 一系列组织与性能的变化。随着温度 的升高，将依次产生回复、再结晶和 晶粒长大三个阶段， 回复回复 回复 加工硬化得到部分消除 再结晶 加工硬化完全消失 加工硬化使金属晶体处于不稳定的应力状态，被扭曲的晶格中 处于高位能的金属原子
9、，力图恢复到平衡位置。当适当加热时 ，原子活动能力增加，从而自发地恢复规则排列的位置，消除 晶格畸变。使加工硬化得到部分消除。这种现象称为回复。 再结晶再结晶 回复 加工硬化得到部分消除 再结晶 加工硬化完全消失 当继续提高加热温度时，金属内部原子活动能力进一步提高 ，以某些碎晶或杂质为核心，重新生核、长大，形成新的等 轴晶粒，从而使金属的组织和性能恢复到变形前的状况。加 工硬化现象完全消失，这个过程称为再结晶。 应用应用 加工硬化：强化金属性能；使进一步变形困 难，给生产带来麻烦。 回复：冷拉钢丝卷制的弹簧进行低温退火， 保持冷拉钢丝强度，消除冷卷弹簧时产生的 内应力。 再结晶：冷轧、拉拔、
10、冲压过程中再结晶退 火，消除加工硬化。 4.3 4.3 金属的热变形加工金属的热变形加工 1.热加工与冷加工的区别 凡是在材料再结晶温度以上所进行的塑性变形加工称为热凡是在材料再结晶温度以上所进行的塑性变形加工称为热 加工，而在材料再结晶温度以下所进行的塑性变形加工加工，而在材料再结晶温度以下所进行的塑性变形加工 称为冷加工。称为冷加工。 n n 金属钨的熔点为金属钨的熔点为33803380，试计算钨在，试计算钨在11001100 时的塑性变形加工属热加工还是冷加工。时的塑性变形加工属热加工还是冷加工。 冷变形和热变形冷变形和热变形 2. 热加工对金属组织和性能的影响 (1)力学性能提高。 (
11、2)流线 纤维组织 在制订加工工艺时，应使流线分布合理， 尽量使流线与工件工作时所受到的最大拉应力方向一致，与剪 切或冲击应力方向相垂直。 (3)在热加工亚共析钢时，常发现钢中的铁素体与珠光体呈带 状或层状分布，这种组织称为带状组织。不仅降低钢的强度， 而且还降低塑性和冲击韧度。轻微的带状组织可通过多次正火 或高温扩散退火加正火来消除。 (4)热加工可用较小的能量消耗来获得较大的变形量，但在热 加工过程中钢材表面易氧化，因而其表面粗糙度增大、尺寸精 度降低。 热加工一般用于截面尺寸较大，变形量较大，在室温下硬热加工一般用于截面尺寸较大，变形量较大，在室温下硬 度大、塑性差的工件，而冷加工一般用
12、于截面尺寸较小，度大、塑性差的工件，而冷加工一般用于截面尺寸较小， 塑性好、尺寸精度和表面粗糙度要求较高的工件。塑性好、尺寸精度和表面粗糙度要求较高的工件。 小小 结结结结 金属材料可以在外力作用下变形而不破坏，金属材料可以在外力作用下变形而不破坏， 因此有优良的压力加工成形性能。本章首先介因此有优良的压力加工成形性能。本章首先介 绍了单晶体金属、多晶体金属的塑性变形及其绍了单晶体金属、多晶体金属的塑性变形及其 微观机制。讨论了金属塑性变形过程中内部组微观机制。讨论了金属塑性变形过程中内部组 织的变化以及引起的力学性能的变化。织的变化以及引起的力学性能的变化。 冷塑性变形后的金属材料产生加工硬
13、化，冷塑性变形后的金属材料产生加工硬化， 能量升高，组织不稳定，因此又讨论了变形金能量升高，组织不稳定，因此又讨论了变形金 属在随后的加热过程中发生的回复、再结晶和属在随后的加热过程中发生的回复、再结晶和 晶粒长大等问题。在上述问题研究的基础上，晶粒长大等问题。在上述问题研究的基础上， 提出了金属热加工的概念。提出了金属热加工的概念。 你只闻到我的香水，却没看到我的汗水。你只闻到我的香水，却没看到我的汗水。 你否定我的现在，我决定我的未来！你否定我的现在，我决定我的未来！ 你嘲笑我一无所有，不配去爱，我可怜你总你嘲笑我一无所有，不配去爱，我可怜你总 是等待。是等待。 你可以轻视我们的年轻，我们会证明这是谁你可以轻视我们的年轻，我们会证明这是谁 的时代。的时代。 梦想是注定孤独的旅行，路上少不了质疑和梦想是注定孤独的旅行，路上少不了质疑和 嘲笑，嘲笑， 但那又怎样？但那又怎样？ 哪怕遍体鳞伤，也要活得漂亮！哪怕遍体鳞伤，也要活得漂亮！
