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1、第三章第三章金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶为了使金属材料形成所需要的形状和尺寸，工业生产中广泛采用冶炼、铸造，获得铸锭后，通过塑性变形方法,使金属材料的组织和性能得到一定的改善。塑性变形包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形压力加工方法示意图压力加工方法示意图第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形一一.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形的根本方式有两种：滑移和孪单晶体的塑性变形的根本方式有两种：滑移和孪生。生。1.滑移滑移滑移是晶体在切应力的作用下滑移是晶体在切应力的作用下,晶体的一局部沿晶体的一局部沿一定的晶面上的一
2、定方向相对于另一局部发生滑动。一定的晶面上的一定方向相对于另一局部发生滑动。第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形一一.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形滑移特点：滑移特点：滑移只能在切应力作用下才会发生,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。滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。位错运动实现滑移示意图位错运动实现滑移示意图第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形一一.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形滑移特点：滑移特点：由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量,因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距的整数倍。滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(
3、密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)进行,滑移面为该晶体的密排面，滑移方向为该面上的密排方向。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形一一.单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形的根本单晶体的塑性变形的根本方式有两种：滑移和孪生。方式有两种：滑移和孪生。2.孪生孪生在切应力作用下晶体的一局部在切应力作用下晶体的一局部相对于另一局部沿一定晶面相对于另一局部沿一定晶面(孪生面孪生面)和晶向和晶向(孪生方向孪生方向)发发生切变的变形过程称孪生。生切变的变形过程称孪生。孪生过程示意图孪生过程示意图第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形二
4、二.多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形工程上使用的金属绝大局部是多晶体。工程上使用的金属绝大局部是多晶体。1.多晶体中多晶体中,由于晶界上原子排列不很规那么由于晶界上原子排列不很规那么,阻阻碍位错的运动碍位错的运动,使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。2.多晶体中每个晶粒位向不一致。多晶体中每个晶粒位向不一致。多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形三三.塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响1.塑性变形对金属组织结构的影响塑性变形对
5、金属组织结构的影响变形前后晶粒形状变化示意图变形前后晶粒形状变化示意图第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形三三.塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响1.塑性变形对金属组织结构的影响塑性变形对金属组织结构的影响金属发生塑性变形后,晶粒发生变形,沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时,晶粒变成细条状(拉伸时),金属中的夹杂物也被拉长,形成纤维组织。亚结构形成形变织构产生金属经变形后的亚结构金属经变形后的亚结构第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形三三.塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响2.塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属性能的影响金
6、属发生塑性变形金属发生塑性变形,随变形度的增大随变形度的增大,金属的强度和金属的强度和硬度显著提高硬度显著提高,塑性和韧性明显下降。这种现象称为加塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化工硬化,也叫形变强化。也叫形变强化。由于纤维组织和形变织构的形成由于纤维组织和形变织构的形成,使金属的性能产生使金属的性能产生各向异性。各向异性。塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大增大,耐腐蚀性降低。耐腐蚀性降低。由于金属在发生塑性变形时由于金属在发生塑性变形时,金属内部变形不均匀金属内部变形不均匀,位错、空位等晶体缺陷增多，金属内部会产生剩余内位错、空
7、位等晶体缺陷增多，金属内部会产生剩余内应力。应力。第一节第一节 金属的塑性变形金属的塑性变形三三.塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响2.塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属性能的影响因形变织构造成深冲制品的制耳示意图因形变织构造成深冲制品的制耳示意图第二节第二节 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金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化。如果对变形后的金属进行加热，金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。变形金属加热时组织和性能变化示意图变形金属加热时组织和性能变化示意图
8、第二节第二节 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一一.回复回复变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程。过程。T回复回复=(0.250.3)T熔点熔点工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火、以降低剩余内应力，保存加工硬化效果。火、以降低剩余内应力，保存加工硬化效果。第二节第二节 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二二.再结晶再结晶1.再结晶过程及其对金属组织、性能的影响再结晶过程及其对金属组织、性能的影响变形后的金属在较高温度加热时，由于原
9、子扩散能力增变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长或压扁、破碎的晶粒通过重新生核、长大变大，被拉长或压扁、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除。塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除。内应力全部消失，物理、化学性能根本上恢复到变形以前内应力全部消失，物理、化学性能根本上恢复到变形以前的水平。的水平。再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶再结晶
10、生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。格类型均一样。第二节第二节 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二二.再结晶再结晶2.再结晶温度再结晶温度变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围，并非某一变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围，并非某一恒定温度。一般所说的再结晶温度指的是最低再结晶温度恒定温度。一般所说的再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再再),通常用经大变形量通常用经大变形量(70%以上以上)的冷塑性变形的金属的冷塑性变形的金属,经一小时经一小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度与该加热后能完全再结晶的最低温度来表示
11、。最低再结晶温度与该金属的熔点有如下关系：金属的熔点有如下关系：T再再=(0.350.4)T熔点熔点式中的温度单位为式中的温度单位为绝对温度绝对温度(K)最低再结晶温度与以下因素有关：最低再结晶温度与以下因素有关：预先变形度预先变形度金属的熔点金属的熔点杂质和合金元素杂质和合金元素加热速度和保加热速度和保温时间温时间第二节第二节 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三三.晶粒长大晶粒长大再结晶完成后的晶粒是细小的再结晶完成后的晶粒是细小的,但如果继续加热但如果继续加热,加热温度过加热温度过高或保温时间过长时高或保温时间过长时,晶粒会明显长大晶粒会明显长大,最后得到粗
12、大晶粒的组最后得到粗大晶粒的组织织,使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。影响再结晶退火后晶粒度的主要因素是加热温度和预先变形度。影响再结晶退火后晶粒度的主要因素是加热温度和预先变形度。加热温度加热温度越高加热温度加热温度越高,原子扩散能力越强原子扩散能力越强,那么晶界越易迁那么晶界越易迁移移,晶粒长大也越快晶粒长大也越快预先变形度预先变形度第三节第三节 金属的热加工金属的热加工金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。热加工和冷加工不是根金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，
13、而是根据变形时的温度处于再结晶温度以上还是据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于再结晶温度以上还是以下来划分的。以下来划分的。一一.金属的热加工及其对组织、性能的影响金属的热加工及其对组织、性能的影响热加工在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工热加工对金属的组织和性能的影响:热加工能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹焊合，提高金属的致密度；减轻甚至消除树枝晶偏析和改善夹杂物、第二相的分布等；明显提高金属的机械性能，特别是韧性和塑性。第三节第三节 金属的热加工金属的热加工一一.金属的热加工及其对组织、性能的影响金属的热加工及其对组织、性能的影响热加工对金属的组织和性能的影响热加工对金属的组
14、织和性能的影响:热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒，而使金属的机械性能全面提高。结晶获得等轴细晶粒，而使金属的机械性能全面提高。热加工能使金属中残存的枝晶偏析、可变形夹杂物和第二相热加工能使金属中残存的枝晶偏析、可变形夹杂物和第二相沿金属流动方向被拉长，形成纤维组织沿金属流动方向被拉长，形成纤维组织(或称或称“流线流线)，使金，使金属的机械性能特别是塑性和韧性具有显的方向性，纵向上的性属的机械性能特别是塑性和韧性具有显的方向性，纵向上的性能显著大于横向上的。因此热加工时应力求工件流线分布合理。能显著大于横向
15、上的。因此热加工时应力求工件流线分布合理。 第三节第三节 金属的热加工金属的热加工二二.金属的冷加工及其对组织、性能的影响金属的冷加工及其对组织、性能的影响冷加工在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工。塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响变形类型工艺方法组织变化性能变化冷变形冷轧、拉拔、冷挤压、冷冲压、冷镦晶粒沿变形方向伸长，形成冷加工纤维组织；晶粒破碎，形成亚结构；位错密度增加；晶粒位向趋于一致，形成形变织构。趋于各向异性；强度提高，塑性下降，造成加工硬化。热变形自由锻、模锻、热轧、热挤压焊合铸造组织中存在的气孔，缩松等缺陷；击碎铸造柱状晶粒、粗大枝晶及碳化物，偏析减少，晶粒细化夹杂物沿变形方向伸长，形成流线组织，缓慢冷却可形成带状组织力学性能提高；密度提高；趋于各向异性，沿流线方向力学性能提高
