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1、金属学及热处理,沈阳理工大学应用技术学院,第5章 金属的塑性变形、回复和再结晶,5.1 单晶体的塑性变形,5.2 多晶体的塑性变形,5.3塑性变形对金属组织和性能的影响,5.4回复和再结晶,5.5金属材料的热塑性变形,5.6金属材料的断裂,为什么探讨金属及合金的回复与再结晶?,引言,金属及合金塑性变形后-(强度也硬度提高,塑性和韧性下降)-加工硬化(轧制、拉拔、挤压等有利）-但对进一步的冷加工带来困难(深冲),为什么学习该部分内容？,金属材料经由铸造（铸锭）-压力加工（型材）,金属经冷塑性变形后，内部组织和各项性能均发生相应变化， 而且由于位错等结构缺陷密度的增加以及畸变能的升高，使其处于热力
2、学不稳定状态。 当变形金属加热时，通过原子扩散能力的增加，有助于促进向低能量状态的转变,目的: 一方面，可以揭示金属材料强度和塑性变化的实质以探索强化金属材料的方法和途径； 另一方面，为工程实际中各种有关塑性变形问题提供重要的参考，为生产实践中确定合适的压力加工工艺和退火工艺提供依据。,本章教学目的： 1、 揭示形变金属在加热过程中组织和性能变化的规律； 2、 揭示再结晶的实质 3、 说明热加工与冷加工的本质区别以及热加工的特点。,重点： （1）单晶体、多晶体的塑性变形； （2）塑性变形对金属组织结构和性能的影响； （3）回复与再结晶。再结晶晶粒度的控制； （4）热加工与冷加工的区别。,5.1
3、 单晶体的塑性变形,滑移,孪生,单晶体的塑性变形方式主要有两种：,一、显微组织的变化,滑移： 是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面 （滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部分发生相 对滑动位移。,（一）滑移的表象,一、显微组织的变化,滑移线和滑移带示意图,一、显微组织的变化,（二）滑移的特点,滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果，只能在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力(称滑移临界切应力)大小不同，取决于金属原子间的结合力。,2)滑移是通过位错的运动来实现的，滑移时晶体的一部分相对于 另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍。,一、显微组织的变化,位错运动引起的
4、滑移,一、显微组织的变化,3) 滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)、 和其上密度最大的晶向(密排方向)进行。,为什么滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)、 和其上密度最大的晶向(密排方向)进行？,一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。,一、显微组织的变化,一、显微组织的变化,滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。,金属塑性的好坏，不仅取决于滑移系的多少， 还与滑移面上的密排程度和滑移方向的数目等因素有关。,-Fe,体心立方晶格金属与面心立方晶格金属 （铜、铝、金、银等）的塑性比较？,4) 滑移变形时晶体伴随有转动。,残余应力,孪生,在切应力的作用下，晶
5、体的一部分沿一定的晶面(孪生面)和一定的方向（孪生方向）相对于另一部分作均匀地切变，称为孪生,孪生与滑移的区别是：,（1）孪生只在一个方向上产生切变，是一个突变过程，孪晶的位向将发生变化。孪生所产生的形变量很小，一般不一定是原子间距的整数倍。,（2）孪生发生的临界切应力远高于滑移所需的切应力。因为孪生萌发于局部应力集中的地方，且孪生变形较滑移变形一次移动的原子较多。例如镁的孪生临界切应力为5MPa35 MPa，而滑移临界切应力仅为0.5MPa。,（3）只有在滑移变形难以进行时，才会产生孪生变形。,一些具有密排六方结构的金属，塑性变形常以孪生变形的方式进行； 体心立方晶格的金属由于滑移系较多，只
6、有在低温或冲击载荷下才发生孪生变形； 而具有面心立方晶格的金属则很少会发生孪生变形。,5.2 多晶体的塑性变形,三多晶体的塑性变形仍然以滑移或孪生等方式进行,但是，多晶体的塑性变形要比单晶体的复杂得多？,三、力学性能的变化,多晶体的塑性变形表现出如下特点,1. 塑性变形过程-不均匀,多晶体的塑性变形将会在不同晶粒中逐渐发生， 先发生于软位向晶粒，后发展到硬位向晶粒， 是一个不均匀的塑性变形过程。,四、其它性能的变化,2. 晶粒间位向差的影响-阻碍滑移,3. 晶界的影响-阻碍位错运动,多晶体中存在大量的晶界，当位错运动到晶界附近时， 将受到晶界的阻碍而堆积起来，即形成位错的塞积,多晶体各相邻晶粒
7、之间存在位向差，使变形不能同时进行,需要足够大的外力，才能使某晶粒发生滑移变形的同时带动或引起其他相邻晶粒发生相应的协调变形,若使变形继续进行，则必须增加外力，即晶界使多晶体的塑性变形抗力提高,金属的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力有关，而且与金属的晶粒度有关!,1)金属的晶粒越细，晶界越多，塑性变形的抗力便越大，强度也越高。(1分）,2)金属晶粒越细，金属的塑性和韧性越好，因为晶粒愈细，单位体积中的晶粒数便越多，在相同外力作用下，有利于滑移和参与滑移的晶粒数目也越多，一定的变形量会由更多的晶粒来承担，减少局部的应力集中，从而推迟了裂纹的产生，即使发生的塑性变形量很大也不致断裂，进而表现出
8、塑性的提高； (2分）,一、退火温度和时间对回复过程的影响,3)在强度和塑性同时提高的情况下，金属在断裂前要消耗大量的功，因而其韧性也较好。 (1分） 因此，工业上通过压力加工和或热处理使金属获得细而均匀的晶粒，是目前金属材料强韧化的一种很重要手段。 (1分）,回复的极限值,5.3塑性变形对金属组织和性能的影响,1、纤维组织的形成,2、晶粒内产生亚结构，产生加工硬化,加工硬化现象？,加工硬化现象 加工硬化产生原因 加工硬化后果及应用 强化金属的一个重要途径 某些冷加工工艺能够进行的重要因素 可提高构件在使用过程中的安全性 塑性变形时，可使进一步加工困难,3、形成形变织构，造成制耳现象,4、组织
9、不均匀、产生残余应力,在塑性变形过程中，金属内部会形成残余的内应力，这在一般情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定； 如冷轧钢板在轧制中就经常会因变形不均匀所残留的内应力使钢板发生翘曲现象； 此外，残余内应力还会使金属的耐腐蚀性能降低，所以金属在塑性变形之后，通常都要进行退火处理，以消除残余内应力。,四、回复退火的应用,主要用于去应力退火,5.4回复和再结晶,WHAT-什么是回复和再结晶？,WHY-为什么要使组织得到回复和再结晶？,HOW-如何使组织得到回复和再结晶？,WHY-为什么要使组织得到回复和再结晶？,金属材料在塑性变形后，组织结构和性能均发生了很大的变化; 金属的这种组织变化在热力学
10、上呈不稳定状态; 为了消除残余应力或恢复其某些性能(如提高塑性、韧性，降低硬度等)，一般要对冷塑性变形后的金属材料进行加热处理; 从而引起一系列的组织结构和性能的变化,通常将这种组织变化分为回复、再结晶、晶粒的长大三个阶段,冷变形金属加热时的变化,二、再结晶温度及其影响因素,WHAY-什么是回复和再结晶？,回复是指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(即再结晶晶粒形成前)所产生的某些亚结构和性能的变化过程。,回复,这时由于加热温度不高，原子扩散能力不大，金属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在晶粒内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变化,生产应用： 利用回复现象将冷变形金属进行
11、低温加热，既可消除内应力稳定组织又保留了加工硬化效果，该方法称为去应力退火。 例如，冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象使其产生高强度，但存在残余应力，不利于成形。若用冷拉钢丝卷制弹簧，在卷成之后必须要进行一次250300的退火处理，以消除内应力使其定形。,二、再结晶温度及其影响因素,再结晶,回复阶段组织仍处于不稳定的状态,当它被加热到较高的温度时，原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化。破碎及被拉长的晶粒重新形核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，和变形前晶粒的形状相似，晶格类型相同，这一阶段称为“再结晶”,再结晶过程并不是一个相变过程，再结晶前后 晶粒的晶格类型和成分完全相同。,再结晶是在一
12、个温度范围内发生的，不是恒温过程,T = 0.4 T熔,式中，N为形核率，G为长大线速度。,在再结晶过程中，随着温度升高，金属的组织和性能不断发生变化,显微组织恢复到变形前的状态,其强度、硬度逐渐降低，塑性、韧性不断升高,再结晶结束后，金属中内应力几乎全部消除， 消除了加工硬化。,二、再结晶温度及其影响因素,生产应用 再结晶退火主要用于金属变形后或变形过程中，使其强度、硬度降低，塑性提高，便于进一步加工,1）可以利用再结晶软化材料，经过拉拔的线材会产生加工硬化，难以达到最终尺寸，只有进行多次再结晶退火软化才能继续拉拔直到所需尺寸。 2）对于不能通过相变细化晶粒的材料，可以通过形变再结晶工艺使晶
13、粒得到细化。深冲钢和硅钢也可以通过形变再结晶获取合适的织构，达到改善深冲性能和磁性的目的。,晶粒长大,若再继续升高温度或延长加热时间， 金属的晶粒将会以互相吞并的方式继续长大， 这一阶段称为晶粒长大,晶粒长大对金属材料的力学性能极为不利,式中，N为形核率，G为长大线速度。,为了保证变形金属的再结晶退火质量，获得所需的晶粒组织，有必要了解影响再结晶晶粒长大的因素。,主要有：预先变形程度、加热温度和时间、杂质、 成分、原始晶粒度等。,式中温度为热力学温度，为一系数，在0.350.4之间。,二、再结晶温度及其影响因素,预先变形程度的影响,加热温度与保温时间的影响,再结晶加热温度越高，保温时间越长，
14、金属的晶粒就越大,某金属经大变形量(70)冷加工后，试样一端浸入冰水中， 一端加热至0.9Tm，过程持续1小时，然后将试样冷至室温。 假定再结晶温度为0.4Tm，试画出沿试样长度的组织与 性能变化示意图，并简要说明之。, 温度TT再，仅回复，晶粒纤维外形不变，硬度略有下降，塑性略微升高； II 随T ，再结晶，拉长的晶粒逐渐由等轴状晶粒取代，硬度大大，塑性大大升高。 且随T，再结晶的体积，HB； 随温度，晶粒长大，晶界对位错运动阻碍，故HB进步。,式中温度为热力学温度，为一系数，在0.350.4之间。,二、再结晶温度及其影响因素,5.5金属材料的热塑性变形,式中，N为形核率，G为长大线速度。,
15、5.5.1热加工与冷加工的区别,再结晶温度是热加工与冷加工的分界线,不同材料的冷热加工温度不同！ 钢、钨、锡等,在热加工中将同时发生什么？优缺点？,加工硬化和再结晶软化两个过程。,但在热变形时，工件表面易产生氧化、脱碳现象， 表面较粗糙，尺寸精度也较低,冷热加工的应用？,在一般情况下，压力加工主要采用热变形方式，如轧制、锻造等。而冷变形则多用于已经热变形后的再加工，如冷轧、冷拉和板料的冲压等。,生产中应尽量避免在临界变形度内进行塑性变形加工。,5.5.2热加工对金属组织和性能的影响,不仅引起金属的加工硬化，而且同时发生回 复和再结晶软化,（1）改善铸锭组织缺陷：热加工可使铸态金属中的 气孔、微
16、裂纹焊合，从而使其致密度提高，改善材 料的塑性和韧性。,一、金属的热加工与冷加工,（2）细化晶粒：热加工可使铸态金属中的枝晶 和柱状晶破碎，通过控制加工的变形度和加工终了 温度，可获得细小均匀、等轴的再结晶晶粒， 从而使金属的力学性能提高。,（3）形成锻造流线：使铸态金属中的枝晶偏析和非 金属夹杂分布发生改变，使它们沿着变形的方 向细碎拉长呈流线分布，形成 “纤维组织”。 流线使纵向的强度、塑性和韧性显著大于横向。,应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。,设计和制造零件时，最大正应力方向与流线方向平行，最大切应力方向与流线方向垂直，流线的分布应与零件外轮廓相符而不被切断。 例如，制造螺钉，两种方案： 1）用棒料直接用切削加工方法制造螺钉 2）用局部镦粗的方法制造的螺钉， 又如，曲轴采用全流线锻造方法和切削加工方法制造，哪一种更科学？,方法1）螺钉质量不好，寿命低； 方法2）质量好， 寿命长。,使流线沿曲轴外形连续分布， 提高了使用寿命，降低了材料消耗。,（4）形
