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1、 5 金属的塑性变形和再结晶材料在外力作用下会产生变形，首先产生弹性变形。当应力超过材料的弹性 极限时，金属将产生塑性变形。当外载荷在材料内部所产生的内应力超过了材料的屈服强度以后，即使去掉 外载荷，变形也不能完全消失的变形称为塑性变形。它不仅改金属的外形，而且 使内部组织和结构发生变化。经过塑性变形后的金属，在随后的加热过程中，内 部组织也发生一系列变化，这些都对性能有明显的影响。塑性变形和再结晶是金属材料 生产和研究中的一个重要问题，下 面依次介绍金属的塑性变形、合金 的塑性变形、塑性变形对组织和性 能的影响、回复与再结晶、金属的 热加工。 5.1 金属塑性变形的实质单晶体的塑性变形的主要
2、方式是滑移和孪生。其中滑移是最基本 、最普遍的塑性变形方式，孪生只是在滑移难以进行的情况下出现 。 一.滑移变形的概念1.滑移是晶体在切应力作用下，一部分晶体相对于另一部分沿一定晶 面和晶向产生的相对移动。滑移只能在切应力的作用下发生，产生滑移的最小切应力称为 临界切应力。观察产生滑移后的金属表面痕迹，滑移带和滑移线。5.1.1 单晶体的塑性变形2.滑移面与滑移方向滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生。 这一晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。 一个滑移面和其面上任一滑移方向组成一个滑 移系。表16列出了三种典型金属的滑移系。3.滑移与切应力滑移只能在切应力的作用下发生，产 生滑移的最小切应力称
3、为临界切应力。图中作用于滑移上滑移方向的切应力 分量C为：C=（ PA ）coscoscoscos取向因子。要产生滑移必需等于或大于材料的临界切应力k：k=s coscos 或 s= k（coscos）当、为90时， s ，处于硬位向。基本不产生变形。、为45时，s 最小。处于软位向。最容易产生变形。滑移的同时伴随着晶体的转动，转动有两种，一种是滑移面向 外力轴向的转动；另一种是滑移面上滑移方向向最大切应力方向转 动。 4.晶体的转动5.滑移与位错的运动 刚性滑移 位错运动（滑移机理）孪生晶体的一部分沿一定晶面的晶向 ，相对于加一部分所产生切变。 主要特点：孪生通过切变使晶格位向改变，使 变形
4、部分与未变形部分呈镜面对称。孪生时，相邻原子面的相对位移量 小于一个原子间距。孪生所需的切应力比滑移大得多， 变形速度极快。二.孪生所以孪生常在滑移系较少的密排六方晶格的金属中产生。体心立方晶格的金属只在低温或受到冲击时才发生孪生变形。面心立方晶格的金属一般不发生孪生变形 。对于多晶体的塑性变形，在塑性变形过程中，金属的晶粒内部 也是滑移为主要方式，晶粒间也产生了滑移并转动（多晶体的晶间 变形）。由于晶界和晶粒位向的影响，位错的运动阻力加大，致使 细晶粒的金属的强度增大，即细晶强化。晶粒越细、塑性越好。其原因在于：晶粒越细，则晶界越曲折，越不利于裂纹的传播； 晶粒越细，则晶界越曲折，越不利于裂
5、纹的传播；晶粒越细，变形 可以分散在更多的晶粒内进行，且变形均匀，减少应力集中，从而 可以在断裂之前承受更大的塑性变形。 5.1.2 多晶体的塑性变形1.不均匀（均一）的塑性变形多晶体中各晶粒位向不同，处于软位向的晶粒先 变形，处于硬位向的转动后再变形或不变，且晶粒内 部变形也不一致，所以多晶体的塑性变形不一致、不 等时的。 2.多晶体比单晶体有较高的塑性变形抗力1）晶粒间位向差阻碍滑移2）晶界阻碍位错运动一.多晶体的塑性变形特点：3.多晶体塑性变形时晶粒间相互协调和配合4.只有多个滑移系才能保证多晶体变形的连续性当合金的组织由多相混合物组成时,合金的塑性变形除与基体 性质有关外，还与第二相的
6、性质、形状、大小、数量和分布有关。 当其在晶界上呈网状分布时,对强度和塑性均不利；在晶内呈片状和层状分布时，可显著提高强度和硬度，但分会 降低塑性和韧性；在晶内呈弥散分布时，虽塑性、韧性稍会降低，但可显著提高 强度和硬度，而且质点越细、越多，合金的强度、硬度越高，这称 为合金的弥散强会或沉淀强化。 二.合金的塑性变形合金中由于含有合金元 素，使其晶格结构发生了 变化，有更高的塑性变形 抗力。单相固溶体合金由于溶质原子的存在，使其晶格发生畸变， 从而使固溶体的强度、硬度升高，而塑性、韧性下降，即产生了固 溶强化。5. 2 塑性变形对金属组织与性能的影响5.2.1塑性变形对内部组织结构的影响塑性变
7、形改变了材料的外形， 对组织和性能也带来了影响。金属在外力作用下产生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其 内部的晶粒形状也相应地被拉长或压偏。当变形量很大时，晶粒将 被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。二）组织内的亚晶粒增多塑性变形使晶粒碎化内部形成位向 略有差异的亚晶粒（亚结构），在其 边界上聚集着大量位错。一）显微组织呈现纤维状三）产生变织构由于塑性变形过程中晶粒 的转动，当变形量达到一定程 度（7090）以上时，会 使绝大部分晶粒的某一位向与 外力方向趋于一致，形成织构 。 一）出现加工硬化现象金属的塑性变形，使位错密度增加，亚结构细化等引起金属的 强度、硬度增加，塑性、韧性下降，即引起加
8、工硬化。图5-7二） 金属内部形成残余内应力由于金属材料塑性变形的不等时性和不均匀性，使外力取消后 ，金属内部有残存内应力。可分为三类：第一类内应力是金属表面与心部变形不均匀造成的宏观应力。第二类内应力是由于相邻晶粒之间或晶粒内部变形不均匀造成的 。第三类内应力是由于晶格畸变、位错密度增加引起的，又称晶格 畸变内应力。是变形中的主要内应力（占90%以上），是金属强化 的主要原因。加工硬化和残余应力的存在，使金属的物理和化学性能发生了显 著变化。如电阻增加、耐蚀性下降。 残余拉应力会降低承载能力， 尤其是降低疲劳强度。5. 2.2 塑性变形对性能的影响5.3 塑性变形后金属在加热时组织和性能的变
9、化金属经冷塑性变形后，组织处于稳定状态，有自发恢复到变形 前组织状态的倾向。但在常温下，原子的扩散能力小，这种不稳定 状态可维持相当长的时间。而加热则使原子扩散能力增加，金属将 依发生回复、再结晶和晶粒长大，如图。 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 晶内产生某些变化。随着温度的升高，已 产生加工硬化的金属其晶格的扭曲程度减 小，但金属组织还没有显著变化的现象。 T回=（0.250.3）T熔 （ K ）5.3.1 回复回复使金属的内能降低。金属在回复阶段强度、硬度略有下降 、塑性略有上升，内应力和电阻显著降低，但组织变化不明显。 如 ：经冷拉的钢丝卷成弹簧后
10、的低温回火（加热到250300）, 青铜丝弹簧加工后的回火处理(加热到120125)。随着温度的进一步升高，已发生回复的金属开始以某些碎晶或 杂质为核心通过新晶核的形成和长大，形成新的晶粒。从而消除了 加工硬化的现象。由畸变的晶粒变为等轴晶粒的过程称为再结晶。再结晶温度指冷塑性变形金属发生再结晶的最低温度。影响再 结晶度的因素金属的预变形度，预变形度越大，再结晶温度越低。金属的熔点，金属的熔点越高，它的再结晶温度越高。纯金属的 再结晶温度T再熔点T再下列近似关系：T再=0.4T熔 （K）金属的纯度，一般就来，杂质或合金元素均会阻碍原子扩散和 晶界迁移，使再结晶湿度升高。加热条件，加热速度越慢，
11、保温时间越长，原子扩散越充分， 再结晶温度越低。生产中金属的再结晶退火温度比其再结晶温度高100200。5. 3.2 再结晶再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，金属晶 粒将继续长大是通过晶界的迁移进行的，是大晶粒吞食小晶粒的过 程。晶粒粗大会使金属的强度，特别是塑性和冲击韧性降低。 5.3.3 晶粒长大一. 预变形度的影响对一般金属，当变形度为2%10% 时，由于变形很不均匀，会造成晶粒异常 长大，应予避免。变形度过大（90%） ，因织构，晶粒也会粗大。通常变形度为 30%60%。二. 加热温度和保温时间的影响加热温度越高，保温时间越长，金属晶粒越粗大。 5.3.4影响再结晶晶粒度
12、大小的因素三. 原始晶粒大小的影响图5-15金属的冷加工和热加工是以再结晶温度来划分的。凡是在金属再结晶温度以上进行的加工称为热加工，而在再结 晶温度以下进行的工称为冷加工。金属热加工的特点是：不显示加工硬化现象，变形后获行再结 晶组织。并且用较小的能量消耗得较大的变形量。热加工对金属组织和性能有很大的影响。 5.4 金属的热加工5.4.1 热加工和冷加工的区别5.4.2 热加工对金属组织和性能的影响一）消除铸态组织缺陷 通过热加工 可使气孔、缩孔大部分焊合，铸态疏 松被消除，使其力学性能得到提高。二）改变组织分布钢锭中分布在晶界上的杂质，在金 属变形时，塑性杂质（如FeS等）沿晶 粒变形方向
13、伸长，呈带状分布；而碎 性杂质（如氧化物等）则被击碎，呈 链状分布。再结晶时，晶粒的形状改 变，而杂质依然沿被拉长的方向（呈 流线状）保留下来，形成纤维组织。 金属的机械性能呈现各向异性。纤维组织很稳定，只有用锻压的方法才能改变纤维组织的方向 和形状。在设计和制造零件时，应使零件工作时的最大正应力方向与纤 维方向重合，最大剪应力方向与纤维方向垂直，并使纤维能与零件 轮廓相符合而不被切断。小结 重点要求 一般要求 1. 金属在冷加工时组织和性能的变化。 2. 金属再结晶时组织和性能的变化。3. 加工硬化、细晶强化的概念。 1. 塑性变形的本质和滑移机理。2. 热加工对金属组织和性能的影响。复习题:P93：5-3、5-5、5-8、5-10
