第三节金属的塑性变形与再结晶
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晶界起强化作用
（ B）晶粒位向的影响
轴向拉力P，试样横截面积A , 外力P作用在滑移面上，沿滑 移 方向的分切应力为:
F c o F s c o c s o s c o c s os A /c oA s
细晶强化 通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、
韧性提高，硬度提高的现象。
强化原理 ※ 晶界原子排列较不规则→缺陷多→滑
（1）塑性变形对金属组织的影响 ※ 形成纤维组织 ※ 形成亚结构 ※ 产生形变织构 （2）塑性变形对金属性能的影响
※ 产生加工硬化 金属发生塑性变形,随变性度的增 如：冷轧薄钢板 大，其强度和硬度显著提高，塑
冷拔钢丝等。 性和韧性明显下降的现象。
※ 由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。
力加大 → 变形抗力↑
加工硬化的意义： （1）具有一定抗偶然过载的能力，保证安全; （2）是冷变形工件成型的重要因素; （3）强化金属的重要工艺手段.
残余内应力
（1）宏观内应力 引起新的变形，降低精度。 （2）微观内应力 引起开裂，产生微裂纹。
（3）晶格畸变内应力 强化金属；耐蚀性降低。
二、塑性变形后的金属在加热时 组织和性能的变化
三、金属材料的热加工和冷加工
1．热加工对组织和性能的影响 2．冷加工对组织和性能的影响
1．热加工对组织和性能的影响
热加工 —— 在 T再 以上温度进行的变形加工， 如钢 材的热锻和热轧，但热加工后不产生加工硬化。
思考题：其原因是什么？
热加工时，塑性变形引起的加工硬化效应随即被再 结晶过程的软化作用所消除。
黄铜中的孪晶
锌中的孪晶
金属材料塑性变形的实质：
金属塑性变形实质上是以滑移和孪生 两种形式通过位错运动来进行的。
2、多晶体的塑性变形
多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许 多晶界，变形复杂。
2、多晶体的塑性变形
多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同， 且存在许多晶界，变形复杂。
（A）晶界的影响
2) 再结晶
变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力 增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新 的均匀、细小的等轴晶粒，晶格类型不变，该过程称 为再结晶 。
变化
再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低， 塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加 工硬化现象被消除。
应用
工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再 结晶退火来消除加工硬化现象，恢复金属的
第三节 金属的塑性变形与再结晶
压力加工方法示意图
一、 金作属业的：塑性变形 P1二6：、5、塑和10性性、变能12形的、后变16的化金属在加热时组织
三、 金属材料的热加工和冷加工
一、 金属的塑性变形
1．单晶体的塑性变形 2．多晶体的塑性变形 3．塑性变形对金属组织和性能的影响
1．单晶体的塑性变形
4、钢热锻和热轧后是否产生加工硬化？为什么？ 5、钢经冷轧等冷加工后是否产生加工硬化？加工硬化产生
的原因？ 6、为何面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性好？
7、热加工对金属组织和性能有何影响？
2021/7/6
思考题
1. 用下述三种方法制成齿轮，那一种方法较为理想？为 什么？ （1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮； （2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮； （3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。
塑性变形后的金属在低温加热时发生回复过程位错和点缺陷大大内应力显著强度硬度略有变形后金属在较高温度加热时由于原子扩散能力增大变形和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粒晶格类型不变该过程称为再结晶变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低塑性和韧性大大提高残余应力完全消除加工硬化现象被消除
4.加工硬化、细晶强化的概念。
一般要求
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。
—、名词解释
思考题
回复 再结晶 加工硬化 热加工 冷加工 滑移
二、简答题
1、金属塑性变形的主要方式和实质? 2、什么是细晶强化？其强化原理？
3、回复和再结晶对塑性变形后金属性能带来什么影响?在工业上如何应用？
滑移的实现 —— 借助于位错运动
滑移的特点：
※ 滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小 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。并非是晶 体两部分沿滑移面作整体的滑动。
※ 滑移造成的晶体总变性量是 原子间距的整数值，不引起晶格 位向的变化。
※ 滑移总是沿着晶体中原子密 度最大的晶面和其上密度最大 的晶向进行。（滑移系）
塑性和韧性，以利于后面的变形加工。
a.黄铜变形量达38 ％后的组织 b.580℃保温3s c. .580℃保温4s d.580℃保温8s e.580℃保温15min f.700℃保温10min
最低再结晶温度 T再
纯金属 T再 =（0.4 ~ 0.35）T0 合金 T再 =（0.5 ~ 0.7）T0
※ 使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力。
变形、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度
工业纯铁不同变形度的显微组织
变形10% 100×
变形40% 100×
变形80% 纤维组织 100×
亚结构形成
• 位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位 向略有差异的亚晶粒。
（2）织构
绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致， 性能出现各向异性。
单晶体变形的基本形式 —— 弹性变形、塑性变形（ 方式：滑移 和 孪生） 正应力 使晶格发生 弹性变形 或 断裂 切应力 使晶格发生 弹性歪扭 或 塑性变形
塑性变形的实质 —— 原子移动到新的稳定位置
滑移
在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分 沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生 滑动。
冷加工时，无再结晶过程
思考题：其原因是什么？
冷加工对金属组织和性能的影响：
※ 能产生加工硬化，提高强度和硬度，塑性和韧性下降。 是重要的 强化手段，对不能热处理强化的合金尤其重 要。但增加继续塑性变形的抗力。
小结
重点要求
1. 单晶体塑性变形的两种方式
2.金属在冷加工时组织和性能的变化。
3.金属再结晶时组织和性能的变化。
晶粒拉长，但未出现织构。
2021/7/6
晶粒拉长，且出现织构。
变形织构
（1）丝织构 （2）板织构 变压器铁芯的硅钢片，沿〈100〉方向最易磁化，采用这种织 构的板材，铁损减小。
制耳现象
（3）加工硬化（形变强化—强化材料的手段之一 ）
加工硬化的原因 塑性变形 → 位错密度增加，相互缠结(亚晶界)，运动阻
热加工对组织和性能的影响
1）打碎柱状晶、树枝晶，形成等轴晶，机械性能改善。
2）压合铸件Βιβλιοθήκη 的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和 机械性能.
3）产生 流线 分布 —— 非金属夹杂物沿变形方向分布， 引起各向异性。
锻造曲轴
切削加工曲轴
２．冷加工对组织和性能的影响
冷加工 —— 在 T再 以下温度进行的变形加工， 如低碳钢的冷拔、冷冲。
移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多， 变形抗力越大，则强度越大。
※ 晶粒越细小，单位体积晶粒多→变形分散→减少 应力集中 晶粒越细小，晶界越多且越曲折→不利于裂纹的传 播→断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。
※由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂 时需要消耗较大的功。因而韧性也较好。
3、塑性变形对金属组织和性能的影响
1．回复 2．再结晶 3．晶粒长大
1) 回复
塑性变形后的金属在低温加热时，发生回复过程 位错和点缺陷大大↓，内应力显著↓ ，强度、硬度 略有↓ 。
T回复=（0.25~０.3）T熔点（单位：K）
变化
回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降， 塑性增高，但残余应力大大降低。
应用
工业上利用回复过程对变形金属进行去应力 退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。
2. 冷加工与热加工后的金属能否根据其显微组织加以区 别？为什么？
3. 铜只能通过冷加工并经随后加热才能细化晶粒，而铁 则不需要冷加工，只需加热到一定温度即可细化晶粒 ，分析两者差别的原因。
2021/7/6
温度单位：绝对温度( K ) 预变形度对T再的影响
再结晶后的晶粒度
加热温度 T ↑ → 晶粒直径 d↑ 预变形度的影响
3）晶粒长大
加热温度 T 和 加热时间 t ↑ → 晶界迁移、晶粒合并长大。
变形80%
变形80% 400℃退火8小时
工业纯铁 再结晶退火 显微照片 100×
变形80% 600℃退火8小时
※ 滑移时晶体伴随有转动。
滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目↑，材 料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。如FCC和BCC的滑移系为 12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC，
金属塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。
孪生
在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面 （孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。
金属晶体中变形部分与 未变形部分在孪生面两 侧形成镜面对称关系。 →发生孪生的部分（切 变部分）称为孪生带或 孪晶。
特点：
➢孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进 行时发生.
➢孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值.
➢FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCC金 属仅在室温或受冲击时发生。HCP金属较容易发生孪生。
（ B）晶粒位向的影响
轴向拉力P，试样横截面积A , 外力P作用在滑移面上，沿滑 移 方向的分切应力为:
F c o F s c o c s o s c o c s os A /c oA s
细晶强化 通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、
韧性提高，硬度提高的现象。
强化原理 ※ 晶界原子排列较不规则→缺陷多→滑
（1）塑性变形对金属组织的影响 ※ 形成纤维组织 ※ 形成亚结构 ※ 产生形变织构 （2）塑性变形对金属性能的影响
※ 产生加工硬化 金属发生塑性变形,随变性度的增 如：冷轧薄钢板 大，其强度和硬度显著提高，塑
冷拔钢丝等。 性和韧性明显下降的现象。
※ 由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。
力加大 → 变形抗力↑
加工硬化的意义： （1）具有一定抗偶然过载的能力，保证安全; （2）是冷变形工件成型的重要因素; （3）强化金属的重要工艺手段.
残余内应力
（1）宏观内应力 引起新的变形，降低精度。 （2）微观内应力 引起开裂，产生微裂纹。
（3）晶格畸变内应力 强化金属；耐蚀性降低。
二、塑性变形后的金属在加热时 组织和性能的变化
三、金属材料的热加工和冷加工
1．热加工对组织和性能的影响 2．冷加工对组织和性能的影响
1．热加工对组织和性能的影响
热加工 —— 在 T再 以上温度进行的变形加工， 如钢 材的热锻和热轧，但热加工后不产生加工硬化。
思考题：其原因是什么？
热加工时，塑性变形引起的加工硬化效应随即被再 结晶过程的软化作用所消除。
黄铜中的孪晶
锌中的孪晶
金属材料塑性变形的实质：
金属塑性变形实质上是以滑移和孪生 两种形式通过位错运动来进行的。
2、多晶体的塑性变形
多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许 多晶界，变形复杂。
2、多晶体的塑性变形
多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同， 且存在许多晶界，变形复杂。
（A）晶界的影响
2) 再结晶
变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力 增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新 的均匀、细小的等轴晶粒，晶格类型不变，该过程称 为再结晶 。
变化
再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低， 塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加 工硬化现象被消除。
应用
工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再 结晶退火来消除加工硬化现象，恢复金属的
第三节 金属的塑性变形与再结晶
压力加工方法示意图
一、 金作属业的：塑性变形 P1二6：、5、塑和10性性、变能12形的、后变16的化金属在加热时组织
三、 金属材料的热加工和冷加工
一、 金属的塑性变形
1．单晶体的塑性变形 2．多晶体的塑性变形 3．塑性变形对金属组织和性能的影响
1．单晶体的塑性变形
4、钢热锻和热轧后是否产生加工硬化？为什么？ 5、钢经冷轧等冷加工后是否产生加工硬化？加工硬化产生
的原因？ 6、为何面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性好？
7、热加工对金属组织和性能有何影响？
2021/7/6
思考题
1. 用下述三种方法制成齿轮，那一种方法较为理想？为 什么？ （1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮； （2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮； （3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。
塑性变形后的金属在低温加热时发生回复过程位错和点缺陷大大内应力显著强度硬度略有变形后金属在较高温度加热时由于原子扩散能力增大变形和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粒晶格类型不变该过程称为再结晶变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低塑性和韧性大大提高残余应力完全消除加工硬化现象被消除
4.加工硬化、细晶强化的概念。
一般要求
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。
—、名词解释
思考题
回复 再结晶 加工硬化 热加工 冷加工 滑移
二、简答题
1、金属塑性变形的主要方式和实质? 2、什么是细晶强化？其强化原理？
3、回复和再结晶对塑性变形后金属性能带来什么影响?在工业上如何应用？
滑移的实现 —— 借助于位错运动
滑移的特点：
※ 滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小 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。并非是晶 体两部分沿滑移面作整体的滑动。
※ 滑移造成的晶体总变性量是 原子间距的整数值，不引起晶格 位向的变化。
※ 滑移总是沿着晶体中原子密 度最大的晶面和其上密度最大 的晶向进行。（滑移系）
塑性和韧性，以利于后面的变形加工。
a.黄铜变形量达38 ％后的组织 b.580℃保温3s c. .580℃保温4s d.580℃保温8s e.580℃保温15min f.700℃保温10min
最低再结晶温度 T再
纯金属 T再 =（0.4 ~ 0.35）T0 合金 T再 =（0.5 ~ 0.7）T0
※ 使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力。
变形、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度
工业纯铁不同变形度的显微组织
变形10% 100×
变形40% 100×
变形80% 纤维组织 100×
亚结构形成
• 位错不均匀分布，并使晶粒碎化成许多位 向略有差异的亚晶粒。
（2）织构
绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致， 性能出现各向异性。
单晶体变形的基本形式 —— 弹性变形、塑性变形（ 方式：滑移 和 孪生） 正应力 使晶格发生 弹性变形 或 断裂 切应力 使晶格发生 弹性歪扭 或 塑性变形
塑性变形的实质 —— 原子移动到新的稳定位置
滑移
在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分 沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生 滑动。
冷加工时，无再结晶过程
思考题：其原因是什么？
冷加工对金属组织和性能的影响：
※ 能产生加工硬化，提高强度和硬度，塑性和韧性下降。 是重要的 强化手段，对不能热处理强化的合金尤其重 要。但增加继续塑性变形的抗力。
小结
重点要求
1. 单晶体塑性变形的两种方式
2.金属在冷加工时组织和性能的变化。
3.金属再结晶时组织和性能的变化。
晶粒拉长，但未出现织构。
2021/7/6
晶粒拉长，且出现织构。
变形织构
（1）丝织构 （2）板织构 变压器铁芯的硅钢片，沿〈100〉方向最易磁化，采用这种织 构的板材，铁损减小。
制耳现象
（3）加工硬化（形变强化—强化材料的手段之一 ）
加工硬化的原因 塑性变形 → 位错密度增加，相互缠结(亚晶界)，运动阻
热加工对组织和性能的影响
1）打碎柱状晶、树枝晶，形成等轴晶，机械性能改善。
2）压合铸件Βιβλιοθήκη 的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和 机械性能.
3）产生 流线 分布 —— 非金属夹杂物沿变形方向分布， 引起各向异性。
锻造曲轴
切削加工曲轴
２．冷加工对组织和性能的影响
冷加工 —— 在 T再 以下温度进行的变形加工， 如低碳钢的冷拔、冷冲。
移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多， 变形抗力越大，则强度越大。
※ 晶粒越细小，单位体积晶粒多→变形分散→减少 应力集中 晶粒越细小，晶界越多且越曲折→不利于裂纹的传 播→断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。
※由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂 时需要消耗较大的功。因而韧性也较好。
3、塑性变形对金属组织和性能的影响
1．回复 2．再结晶 3．晶粒长大
1) 回复
塑性变形后的金属在低温加热时，发生回复过程 位错和点缺陷大大↓，内应力显著↓ ，强度、硬度 略有↓ 。
T回复=（0.25~０.3）T熔点（单位：K）
变化
回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降， 塑性增高，但残余应力大大降低。
应用
工业上利用回复过程对变形金属进行去应力 退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。
2. 冷加工与热加工后的金属能否根据其显微组织加以区 别？为什么？
3. 铜只能通过冷加工并经随后加热才能细化晶粒，而铁 则不需要冷加工，只需加热到一定温度即可细化晶粒 ，分析两者差别的原因。
2021/7/6
温度单位：绝对温度( K ) 预变形度对T再的影响
再结晶后的晶粒度
加热温度 T ↑ → 晶粒直径 d↑ 预变形度的影响
3）晶粒长大
加热温度 T 和 加热时间 t ↑ → 晶界迁移、晶粒合并长大。
变形80%
变形80% 400℃退火8小时
工业纯铁 再结晶退火 显微照片 100×
变形80% 600℃退火8小时
※ 滑移时晶体伴随有转动。
滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目↑，材 料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。如FCC和BCC的滑移系为 12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC，
金属塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。
孪生
在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面 （孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变，产生塑性变形。
金属晶体中变形部分与 未变形部分在孪生面两 侧形成镜面对称关系。 →发生孪生的部分（切 变部分）称为孪生带或 孪晶。
特点：
➢孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进 行时发生.
➢孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值.
➢FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCC金 属仅在室温或受冲击时发生。HCP金属较容易发生孪生。