第5章金属的塑性变形

晶粒长大趋势严 2%-10% 重、晶粒粗大 晶粒长大均匀、 30%-60% 细等轴晶 晶粒长大趋势严 大于90% 重、晶粒粗大
冷轧板的变形度严格控制在30%-60%内。
第三节 金属的热加工
一、定义 热加工：再结晶温度以上进行 的压力加工 冷加工：再结晶温度以下进行 的压力加工。
轧制
模锻
拉拔
晶粒越细，其强度和硬度越高。
属晶 强粒 度大 关小 系与 金
原因：晶界总
面积越大，位 错障碍越多； 需要协调的具 有不同位向的 晶粒越多，使 金属塑性变形 的抗力越高。

晶粒越细，其塑性和韧性也越高 原因：
① 晶粒越细，单位体积内晶粒数目越 多，参与变形的晶粒数目也越多， 变形越均匀，使在断裂前发生较大 的塑性变形。 ② 强度和塑性同时增加,金属在断裂 前消耗的功也大，因而其韧性也比 较好。
冷变形奥氏体不锈钢 加热时的再结晶形核
2）特点（与回复比较）
（1）加热温度较高： T再结晶 =（0.35~0.4）T熔点
（2）无畸变等轴晶粒取代有 畸变拉长晶粒 ，纤维状组 织消除；
（3）位错密度大大下降，亚 结构和织构消失；
（4）机械性能：
硬度、强度下降，加工硬
化消除；
塑性明显提高；
一些高合金钢中的莱氏体
和大块初生碳化物可被打 碎并使其分布均匀等。
3）力学性能提高
工业上凡是受复杂、较大
负荷作用的重要零件都需 经过热加工方式制成。
材料 状态
бb
MPa 490 519
бs
MPa 245 304
δ
/ % 15 20
aK
JБайду номын сангаасcm2 0.34 0.69
铸造
Q245
热 加 工
性。
2）产生加工硬化：

随着变形量的增加 ，位错密 度升高，导致位错缠结和定 轧，对位错的滑移产生巨大 的阻碍作用，可使金属的 变 形抗力显著升高。 应用

1040钢(0.4%C)
黄铜 黄铜
铜
1040钢 (0.4%C) 铜
冷塑性变形量，%
冷塑性变形量，%
冷塑性变形与性能关系
3）金属的导电性、电阻温 度系数和导热性下降。
Sn Pb
15 15
W
1200
例1、钨的再结晶温度约
为1200℃，因此，即使在 1000℃进行变形加工也属 于冷加工。
例2、锡在室温进行变形
加工也属于热加工。
二、热加工与冷加工比较 1）变形温度不同。
2）过程不同：
冷加工：只经历加工硬化
过程。
热加工：同时经历加工硬
化、回复和再结晶过程， 最后终止在再结晶状态。
冷变形(变形量为38%)黄铜580º C 保温15分后的的再结晶组织
冷变形黄铜组织性能随温度的变化
（5）内应力完全消除；
（6）电导率显著增大，应 力腐蚀抗力提高。
3）应用：中间退火
目的：
消除加工硬化，恢复 或提高塑性、韧性，以便 进一步压力加工和切削。
3、晶粒长大
再结晶退火温度对晶粒度的影响
4）耐腐蚀性下降。 5）产生大量残余应力：
晶界位错塞积所引起 的应力集中
第二节 变形金属在加热时 组织与性能的变化
冷变形金属受热后，其的 组织和性能将发生一系列的变
化，可分为回复、再结晶和晶
粒长大三个阶段。
强度
晶粒大小 电阻率
1、回复 1）定义
是指冷变形后的金属在加
热温度较低时，发生组织 和性能变化的过程。
正火组织
纤维组织的出现使金属呈
现各向异性，顺着纤维方
向强度高，而在垂直于纤 维的方向上强度较低。
材 料
纤维 方向
бb
MPa
бs
MPa
460
δ
/ %
17．5
aK
J/cm2
0.61
顺纤维 方向 45钢
横纤维 方向
900
700
430
10
0.29
在制订热加工工艺时，要
尽可能使纤维流线方向与
零件工作时所受的最大拉 应力的方向一致。
2）特点
① 加热温度较低： T回复 =（0.2 ~ 0.3）T熔点
② 低倍显微组织没有变化， 晶粒仍为纤维状；
③ 点缺陷的密度显著下降，而 位错密度重排(多边化)；
④ 机械性能：
硬度、强度变化不大，加
工硬化保留；
塑性略有提高；
（5）宏观内应力基本消除； （6）电导率增大； （7）应力腐蚀抗力提高。
小
中、大型零件 、毛坯 低/差
组织
力学性能
冷变形的组织
加工硬化
再结晶组织
不产生明显 加工硬化
三、热加工对金属组织与性 能的影响
1) 改善铸态组织缺陷
可使铸态组织中的气孔、
疏松及微裂纹焊合，提高 金属致密度。
2）细化晶粒
使铸态的粗大树枝晶通过
变形和再结晶的过程而变 成较细的晶粒；
锻 压
热加工动态再 结晶示意图

在其它条件相同时，金属晶体中 滑移系愈多或滑移方向愈多，该 金属的塑性愈好。

因而金属的塑性，面心立方晶 格 > 体心立方晶格 > 密排六 方晶格。
3）滑移的条件
① 必要条件：
晶体的滑移
是在切应力作用
下进行。

充分条件：
τ大于临界分切应力τc。
4）滑移的同时伴随着晶体的转动

滑移面向外力轴方向转动;
第五章
金属的塑性变形
重点：塑性变形对 金属组织和性能的 影响。 难点：塑性变形的 机理。
5万吨水压机
塑性变形的目的：
1、制造零件毛坯、型材；
2、改善材料组织和性能。
第一节 金属的塑性变形
一、单晶体的塑性变形
外 力 在 晶 面 上 的 分 解 切 应 力 作 用 下 的 变 形 锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
结
束
1、金属塑性变形的方式
滑移：主导作用，占90%。 孪生：辅助作用，最多占10%。

2、滑移
1）定义 晶体中的一部 分沿着一定的 晶面和该面上 的一定晶向， 生产相对切向 移动的现象。
2）滑移系
一个滑移面（原子排列最密的晶 面）+ 此面上的一个滑移方向 （原子排列最密的晶向）。
滑移面示意图
丝织构 板织构
形变织构示意图
轧制铝板的“制耳”现象
3）晶粒碎化：
-2 晶粒尺寸10 -6 10 -4 下降到10
或
cm；
4）位错密度增加：
(6~8) 10 (11~12) 增加10 -2。 cm
未变形纯铁
变形20%纯铁中的位错
2、对金属性能的影响
1）呈现明显的各向异性：

由于形成了纤维组织和变形 织构导致金属性能具有方向
3）应用：去应力退火
目的：保持加工硬化状态
，降低内应力，以减轻变 形和翘曲。
例如、冷拉钢丝卷制弹簧
卷制成形； 在260℃左右进行退火； 目的：降低内应力并定型
，而硬度、强度基本保持 不变。
2、再结晶
1）定义：冷变形后的金属 在加热温度较高时，在变 形组织的基体上产生新的 无畸变的晶核，并迅速长 大形成等轴晶粒的过程。
刃位错的运动

孪生：是指晶体的一部分沿一定晶
面和晶向相对于另一部分所发生的 切变。
3、多晶体塑性变形的特点 1）各晶粒变形的不同时性和 不均匀性。
C A
B
（2）塑性变形的协调性；
（3）塑性变形由不均匀性到均匀； （4）细晶强化：
晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积


加热温度越高，保 温时间越长，金属 的晶粒越粗大，
晶粒大小与加热温度的关系
580º C保温8秒后的组织
580º C保温15分后的组织
黄 铜 再 结 晶 后 晶 粒 的 长 大
700º C保温10分后的组织
预先变形度对再结晶晶粒度的影响
变形度 （%）
晶粒长大趋势 （大小）
注备
第一次 异常长大 压力加工 采用 第二次 异常长大
铁素体变形80% 650℃加热 670℃加热

黄铜再结晶
冷变形量为38％的组织
580º C保温3秒后的组织
580º C保温4秒后的组织

再结晶也是一个晶核形 成和长大的过程，但不 是相变过程，再结晶前 后新旧晶粒的晶格类型 和成分完全相同。
SEM-再结晶晶粒在原 变形组织晶界上形核 TEM-再结晶晶粒形核 于高密度位错基体上
3）其它：

热加工能量消耗小， 但钢材表面易氧化。 一般用于截面尺寸大 、变形量大、在室温 下加工困难的工件。 而冷加工一般用于截

面尺寸小、塑性好、 尺寸精度及表面光洁 度要求高的工件。
蒸汽-空气 锤
内 容
能 量
冷加工
大
热加工
小
变形量
变形抗力
小
大
大
小
工具耗损
零件尺寸 精度/表面质量
大
中、小薄板 型材 高/好
4) 出现纤维组织
在热加工过程中铸态金属
的偏析、夹杂物、第二相 、晶界等逐渐沿变形方向 延展，在宏观工件上勾画 出一个个线条。
吊 钩 中 的 纤 维 组 织
滚压成型后螺纹内部的纤维分布

在加工亚共析 钢时，发现钢 中的F与P呈带 状分布，这种 组织称带状组 织。
带状组织

可通过多次正 火或扩散退火 消除。
三、塑性变形对金属组织与 性能的影响
1、对组织的影响 1) 形成纤维组织
晶粒被拉长或压扁。
工业纯铁在塑性变形前后的组织变化
(a) 正火态
(b) 变形40%
(c) 变形80%
5%冷变形纯铝中的位错网
2）形成形变织构：

在变形量很 大时，各晶 粒的取向趋 于一致的现 象。
无
有
各向异性导致的铜板 “制耳”

滑移方向向最大切应力方向转动。
切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动
3、滑移的机理 滑移是借助位错运动实现的。
多 脚 虫 的 爬 行

因此，金属塑性变形的实质是 位错运动。

晶体通过位错运动产生滑移
时，只在位错中心的少数原
子发生移动，它们移动的距
离远小于一个原子间距，因
而所需临界切应力小，这种 现象称作位错的易动性。