金属的塑性变形与再结晶-返回

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1、第四章 金属的塑性变形与再结晶,在工业生产中经常遇到对金属材料进行塑性变形加工问题。例如：将铸锭轧制成各种规格品种的成材；将钢料锻造成零件的毛坯；通过冲压制造某些器具和零件等。这些都属于对金属材料的压力加工。所谓压力加工是指利用金属的塑性，使其改变形状，尺寸和改善性能，获得型材、棒材、线材或锻压件的加工方法。它包括锻压、冲压、挤压、拉拔等。 金属材料的塑性变形，不仅改变了材料的外形和尺寸，也会使金属的显微组织和性能产生变化。因此，很有必要对金属材料塑性变形的一些规律进行了解，以便更好的制定和实施压力加工的工艺并充分发挥材料的性能潜力。,第一节 金属塑性变形的微观机制,在第一章介绍拉伸试验时，已

2、经提到过拉伸试样再外力作用下，随着拉力的不断增加，试样先产生弹性变形，然后过渡到塑性变形直至最后拉伸。这些直接可见的宏观变化是靠怎样的微观机制来实现的呢？弹性变形的微观机制是通过外力作用使金属的晶格发生有限的拉长和扭曲。但外加应力较小不超过原子间的结合力，不 破坏原子的平衡位置，仅是在有限距离内偏离平衡位置。当外力一旦撤除，原子间的结合力使原子都回到原来的平衡位置。于是，宏观上的弹性变形也随之消除了，不留下剩余变形。塑性变形的微观机制要比弹性变形复杂多了。,一、塑性变形的基本形式,塑性变形的主要形式有两种：滑移和孪生。 （一）滑移 在切应力作用下，单晶体（或晶粒）内晶体的一部分相对另一部分沿着

3、一定的晶面和晶向产生原子间距整数倍距离的移动，当应力除去后也不能恢复原位的这种相对移动称滑移。在显微镜下可观察到滑移后的晶体表面出现一些与外力方向成一定角度的细线。实际上这些细线是一条条的小台阶，成为滑移带。每个滑移带又是由一些更小的台阶组成。这些更小的小台阶称为滑移线，见图4-1。对于多晶体，在晶粒中也能看到滑移线。每条线所对应的台阶高度称为该滑移面的滑移量（一般约为103原子间距）。 两条滑移线之间部分称为滑移层，其厚度约为102原子间距。各滑移带之间距离约为104原子间距。可见晶体的滑移不是均匀分布的。即使发生均匀的宏观塑性变形，晶体内也不仅是有限部分发生滑移。对于一个滑移系来说，也仅是

4、部分晶面上的滑移。,1. 滑移系:晶体中不是任何晶面都可以成为滑移面和滑移方向。只要那些原子排列最密的晶面和晶向才可能成为滑移系。随晶格类型不同晶体中滑移的数量也不同，见图4-2。体心立方体晶格原子排列最密的晶面族和晶向族是 110 和 。它们可以成为滑移面和滑移方向。因为每个滑移面上有两个滑移方向，而110有六个面，所以，体心立方体晶格有62=12滑移系。 对于面心立方晶格，晶面族111原子排列最密，共有四个晶面，每个晶面上有三个原子排列最密方向（如），所以，也有43=12个滑移系。 密排六方晶格情况较为复杂,其具体的滑移面和三个滑移方向常因具体金属的晶格常数和所在温度不同而发生变化。但总的

5、来说只有一个滑移面和三个滑移方向。如图4-2。密排六晶格有13=3个滑移系。 当单晶体受到外力作用时，滑移系多的晶体比滑移系少的易产生滑移，对于滑移系的数目相同的晶体其滑移方向较多者更易产生滑移。这就是不同类型晶格的金属屈服点不同原因之一,2. 引起滑移的临界应力 外加应力在滑移系中可分解为切应力和正应力。而分切应力是产生滑移的动力，正应力不能引起晶体滑移，但它能使滑移面发生转动。拉伸时使滑移面朝与外力平行方向转动；压缩时使滑移面朝与外力垂直转动，见图4-3。 下面以拉伸为例讨论一下外力F在滑移系中的分应力的情况，见图4-4。图中 N：滑移面的法线 :法线N与外力方向夹角 M:滑移面内的一个滑

6、移方向 : M与外力的夹角；M、N、F不一定共面 根据图4-4中的几何关系当F、M、N 共面时，可推导出 =cos2；coscos 能使滑移系开始产生滑移的最小分切应力值称为临界切应力，用c表示。c的大小主要是由晶体本身的性质所决定，通常与外力的大小方向无关。但是受晶体内的杂质含量、变形速度、晶体所处的温度环境影响。通常是随杂质质量分数增加、变形速度的增加，c也增加。随温度升高c值下降，并逐渐趋与一个稳定值。当晶体中一个滑移系的分切应力大于c时，晶体就在这个滑移系上开始滑移。这时所对应的外加应力就是屈服点s 。所以，c在数值上应等于s coscos。,3滑移是怎样进行的 滑移是通过晶体中位错运

7、动来实现的。如图4-5从图中可见，在切应力作用下，一个刃型位错一步一个原子间距的运动，最终造成一个原子间距的滑移量。多个位错运动的结果就会产生宏观的塑性变形。位错运动虽然是一步一个原子间距，但其运动中并没有一个原子真的移动了一个原子间距。而是位错附近的原子都移动了一个不足于一个原子间距的短距离，到达一个新的平衡位置，见图46。 按这种位错运动机制来实现滑移的理论，计算出的临界切应力值与实测值相符。位错运动引起的滑移是造成晶体宏观塑性变形的主要微观机制。,（二）孪生（孪晶）,对于滑移系少的密排六方晶体及体心立方晶体受到冲击力使 变形速度较快时，产生的塑性变形的微观机制主要是孪生，见图4-7。 孪

8、生是指在切应力作用下，晶体中的一部分相对于另一部分发生以某晶面为面的对称的沿一定方向的共格切变。,二、实际金属的塑性变形,实际金属的塑性变形，通常是多晶体的强度大于单晶体的强度，见图4-8。 1. 晶界和晶粒的晶格位向对滑移变形的影响 多晶体中的晶界和晶粒间的位向差都起到提高多晶体强度的作用，因此，随着晶粒变细，晶界的总数量增加，多晶体强度愈高，由于晶粒愈小，多晶体的宏观变形的总量就可以分散到更多的晶粒中进行，使每个晶粒所承担的变形量相对减小，变形更均匀。另外晶界对裂纹的扩展有阻挡的作用。 2 2.实际金属滑移引起塑性变形的过程,第二节 塑性变形对金属组织和性能影响,塑性变形使金属的组织和性能

9、发生一系列的重要变化。 一、 产生纤维组织 纤维组织的出现是金属材料由原来的各向同性变形成各向异性。使沿着纤维方向的强度大于垂直纤维方向的。 二、 产生加工硬化现象 随着金属材料变形量的增加，材料的强度和硬度增加，塑性下降的现象称为加工硬化。见图4-9。 加工硬化还可以使零件在使增加安全性。 加工硬化现象的存在有利于金属塑性变形加工的变形均匀性。加工硬化在工业生产中不利的方面主要是：降低塑性,三、 产生变形织构 当塑性变形量很大时，各晶粒位向都大体上趋于一致了，这种现象称择优取向。这种由于塑性变形引起的各个晶粒的晶格位向趋于一致的晶粒结构称为变形织构。 织构的存在会使材料产生严重的各向异性。由

10、于各方向上的塑性、强度不同会导致非均匀变形。使筒形零件的边缘出现严重不齐的现象，称为“制耳”，见图4-11。有制耳的零件质量是不合格的。 织构也有可利用的一面。变压器所用的硅钢片就是利用织构带来的各向异性，使变压器铁心增加磁导率、降低磁滞损耗，从而提高变压器的效率。 四、 产生残余的内应力 残余的内应力就是指平衡于金属内部的应力，当外力去除后而仍然留下来的内应力。根据残余的内应力的作用范围分为三类。,第一类内应力是指由于金属表面与心部变形量不同而平衡于表面与心部之间的宏观内应力。（通常为0.1%）. 第二类内应力是指平衡于晶粒之间的内应力或亚晶粒之间的内应力。是由于晶粒之间的内应力或亚晶粒之间

11、变形不均匀引起的。（通常为1%2%）。 第三类内应力是指存在于晶格畸变中的内应力。它平衡于晶格畸变处的多个原子之间。（通常为90%以上）。这类内应力维持着晶格畸变，使变形金属材料的强度得到提高。 第一、二类内应力虽然占的比例不大，但是在一般情况下都会降低材料的性能，而且还会因应力松弛或重新分布而引起材料的变形。是有害的内应力。 另外，内应力的存在还会降低材料的抗腐蚀。即所谓的应力腐蚀。主要表现在处于应力状态的金属腐蚀速度快。变形的钢丝易生锈就是此理。,第三节 加热对冷变形金属的组织和性能的影响,冷变形金属材料随着宏观的变形增加其内能也增加，使组织处于不稳定状态，存在着趋于稳定的倾向。但是由于室

12、温下原子活动能力极弱，这种不稳定状态能得以长期保存。可是若对变形金属加热、提高原子活动能力则变形材料就会以多种方式释放多余的内能，恢复到变形前的低内能的稳定状态。然而，随着加热温度的不同，恢复的程度也不同。变形金属在加热中一般经历三个过程，见图4-12。,一、回复,当加热温度较低时原子活动能力不高，只能进行短距离运动。首先发生空位运动。空位与其它晶体缺陷，降低了点缺陷所引起的晶格畸变。接着发生位错运动，使形晶粒中各种位错相互作用，这不仅可能降低位错密度而且使剩余的位错也会按一定的规律排列起来，使之处于一种低能量的状态。晶体的多边化见图4-13。 在回复阶段发生的微观变化，带来的宏观效果是变形残

13、余应力大幅度下降，物理化学性能基本恢复。力学性能没有太大的变化，仍保留着加工硬化的效果。 在工业生产中，使变形金属保持回复阶段，已多有应用。其方法是去应力退火。,二、再结晶,1变形金属的结晶 当变形金属被加工到一定高度，原子活动能力较强时，会在变形晶粒或晶粒内的亚晶界处以不同于一般结晶的特殊成核方式产生新晶核。随着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶粒中推进，使新晶核不断消耗原晶粒而长大。最终是一批新生的等轴晶粒取代了原来变形的晶粒，完成了一次新的结晶过程。这种变形金属的重新结晶称为再结晶。再结晶没发生晶格类型的变化，只是晶粒形态和大小的变化。也可以说只有显微组织变化而没有晶格结构变化

14、，故称为再结晶，以有别于各种相变的结晶（重结晶）。 变形金属再结晶后，显微组织由破碎拉长的晶粒变成新的细小等轴晶粒，残余内应力全部消除、加工硬化现象也全部消失。金属恢复到变形前的力学性能，物理化学等性能也恢复到变形前的水平。,2.再结晶温度 在金属学中通常把能够发生再结晶的最低温度称为金属的再结晶温度。但是，在工程上通常又在一小时之内能够完成再结晶过程的最低温度称为再结晶温度。 发生并完成再结晶的驱动力是塑性变形给金属内部所增加的内能。而这种驱动力发挥作用的热力学条件是变形金属内原子应具有的组够的迁移能力。迁移能力是靠足够的温度和时间来保证的。这个温度就是再结晶温度。它不象金属相变时那样有一个

15、固定的温度或一个固定的温度区间。再结晶不仅随金属的化学成分而变，而且即使化学成分一定也随其他诸因素的变化而变化。其中： （1）变形量的影响 见图4-14 （2）原始晶粒温度的影响 （3）化学成分的影响 （4）加热速度和保温时间的影响,3.再结晶退火 在对金属材料进行塑性变形加工（拉深、冷拔等）时为了消除加工硬化需要进行再结晶退火。再结晶退火是指：把变形金属加热到再结晶温度以上的温度保温，使变形金属完成再结晶过程的热处理工艺。为了尽量缩短退火周期并且不使晶粒粗大，一般情况下把退火工艺温度取为最低再结晶温度以上100 C 200C。,当变形金属再结晶完成之后，若继续加热保温，则新生晶粒之间还会大晶

16、粒吞并小晶粒，使晶粒长大，见图4-15。 晶粒长大会减少晶体中晶界的总面积，降低界面能。因此，只要有足够原子扩散的温度和时间条件，晶粒长大是自发的、不可避免的。 晶粒长大其实质是一种晶界的位移过程。在通常情况下，这种晶粒的长大是逐步的缓慢进行的，称为正常长大。但是，当某些因素（如：细小杂质粒子、变形织构等）阻碍晶粒正常长大，一旦这种阻碍失效常会出现晶粒突然长大，而且长大很大。对这种晶粒不均匀的现象称为二次结晶。对于机械工程结构材料是不希望出现二次结晶的。但是对硅钢片等电气材料常利用这个二次结晶得到粗晶来获得高的物理性能。,三、晶粒长大,四、影响再结晶后晶粒度的因素,加热温度的影响 对变形金属加热的温度愈高，再结晶晶粒也愈大，见图4-16。 变形度的影响 金属材料变形的程度对再结晶后的晶粒大小的影响较复杂，见图4-17。 当变形度很小（2%）或未变形的金属不发生再结晶。晶粒大小保持原样不变。这是因为晶格畸变能很小，再结晶驱动力不够，不能引发再结晶。 当变形度达到2%10%时，再结晶后其晶粒会出