第五章 金属的塑性变形与再结晶

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加工硬化使金属继续变形更加困难，常常 造成生产中生产工序的增加和能耗的提高， 对材料的加工是不利的。 但加工硬化促使金属塑性变形更加均 匀，还可提高金属的强度，所以加工硬化 也是金属强化的重要手段之一。 塑性变形还会使金属的电阻增大，耐蚀性 能下降。
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4．残余内应力
金属在塑性变形时，外力所作的功大部分转化为热能，但尚 有小部分（约10%）保留在金属内部，形成残余内应力。 内应力分为三类： 第一类内应力又叫宏观内应力，是由于金属表层与心 部变形不一致造成的，所以存在于表层与心部之间； 第二类内应力又叫微观内应力，是由于晶粒之间变形 不均匀造成的，所以存在于晶粒与晶粒之间； 第三类内应力又叫点阵畸变，是由于晶体缺陷增加引 起点阵畸变增大而造成的内应力，所以存在于晶体缺陷中。
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3．塑性变形对金属性能的影响
在塑性变形的过程中，随着金属内部组织的变化， 金属的性能也将产生变化。随着变形程度的增加， 金属的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这一 现象称为“加工硬化”或“形变强化”。
一般认为产生加工硬化的原因是晶体内部位错的增 殖，造成位错间相互缠结，使位错运动困难，从而 提高了强度。
晶界是相邻晶粒的过渡区; 原子排列比较紊乱; 常常有杂质集中于此， 位错运动→位错的塞积→使变形 难以继续进行，必须增加外力，导致塑性变 形抗力提高。
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各个晶粒的位向不同，导致： 在外力作用下，存在： 软位向晶粒 硬位向晶粒。 软位向晶粒的滑移，必然受到周围的硬 位向晶粒的约束，造成变形不协调。 晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金 属的塑性变形抗力提高。
第五章 金属的塑性变形与再结晶
Plastic deformation and Recrystallization
压力加工：塑性变形过程不可恢复的变形， 如把钢锭锻造、挤压、扎制、拉拔成各种型 钢，钢板、钢管、钢丝或其他零件等。 压力加工的目的： 1)使钢材或零件获得规定的形状和尺寸。 2）改变钢的组织和性能。
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四 塑性变形对组织和性能的影响
1．塑性变形对金属显微组织的影响 外形发生变化
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内部的晶粒形状被拉长或压扁。 当变形量很大时，晶粒将被拉长成 纤维状，晶界变得模糊不清。此时，金属 的性能将会有明显的各向异性，如纵向的 性能明显优于横向。
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使晶粒内部的亚结构发生变化，使晶粒破 碎成亚晶粒。 这是因为塑性变形会促使晶体内部 的位错发生增殖和缠结，进而使各晶粒破 碎成细碎的亚晶粒。
（1）改善铸锭组织 使铸态组织缺陷得到改善。 使气泡、疏松大部分得到焊合， 材料的致密度增大， 改善夹杂物与脆性相的形态、大小及分布； 可以部分地消除枝晶偏析； 还可将粗大的柱状晶和树枝晶砸碎而成细小均匀 的晶粒。
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50m
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（2）热加工流线
在热加工过程中，铸锭中的粗大枝晶和各种夹杂 物都要沿变形方向伸长，这样就使枝晶间富集的杂 质和非金属夹杂物的走向逐渐与变形方向一致。 脆性夹杂物破碎成链状， 塑性夹杂物变成条带状、线状或片层状，宏观上， 存在着沿变形方向的一条条细线，这就是热加工中 的流线。由一条条流线沟划出来的组织，叫做纤维 组织。
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4．影响再结晶后晶粒度的因素
影响再结晶后晶粒度的因素很多，最主要的是退火温度、 保温时间和预先变形程度。 （1）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，金属的晶粒越大， 其中加热温度的影响尤为显著。
晶粒 大小
T再
加热温度
图5-5 加热温度对晶粒度的影响
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（2）预先变形程度的影响
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动态再结晶：
热加工是在高于再结晶温度以上的塑性变形过 程，因塑性变形引起的硬化过程和回复再结晶引起 的软化过程同时存在。 由此，在热加工过程中，金属内部同时进行着 加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程，塑性 变形所产生的加工硬化将很快被再结晶产生的软化 所抵消。
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2．热加工对金属组织和性能的影响
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一、金属单晶体的塑性变形
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下产生 （2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生 （3）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数 倍 （4）滑移的同时伴随着晶体的转动
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1.单晶体拉伸时的塑性变形：
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滑移带和滑移线的示意图：
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固溶强化的主要原因： 一是溶质原子的溶入使固溶体的晶格 发生畸变，对在滑移面上运动的位错有阻 碍作用； 二是在位错线上偏聚的溶质原子对位 错的钉扎作用，使运动位错受阻，因而提 高了固溶体的变形抗力。
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（2）多相合金的塑性变形与弥散强化 多相合金也是多晶体。它们的差别在于：多 相合金中有些晶粒是另一相，有些界面是相 界面。 多相合金的塑性变形除与固溶体基体密切相 关以外，还与第二相的性质、形状、大小、 数量及分布状况等有关，在塑性变形时甚至 起着决定性的作用。
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（2）细晶强化
多晶体金属中存在的晶界和晶粒间的位向差，使得多晶体金属的塑性变 形抗力提高。 晶粒越细小，晶界越多，晶粒间相互约束也越大，其强度和硬度就越高。 金属的晶粒细化，不仅可以提高强度，而且可以改善其塑性和韧性。 这是因为晶粒越细，单位体积内晶粒的数目越多，在同样的变形 量下同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，而不易造成局部应 力集中，推迟了裂纹的形成和发展。因而断裂前可以承受较大的塑性变 形量，并且具有较高的抗冲击载荷的能力，这使得金属的塑性和韧性都 有所提高。 通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法叫做 细晶强化。
（b）
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（3）带状组织
复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地 呈带状分布，这种组织称为带状组织。 带状组织不仅降低金属的强度，而且还降低塑性和冲击韧 性，对性能极为不利。
图5-8 低碳钢中的带状组织
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思考题
能否用冷拉钢丝对刚出炉的高温工件进 行吊装，为什么？
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再结晶的应用：
再结晶退火： 把冷变形金属加热到再结晶温度以上， 使其发生再结晶的处理过程。 生产中，采用再结晶退火来消除经冷变 形加工产品的加工硬化和各向异性，提高 其塑性。 在冷变形加工过程中间，进行再结晶退 火，可恢复塑性，便于继续加工。
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3．晶粒长大
冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比 较细小均匀的等轴晶粒，如果再结晶后不控 制其加热温度或时间，继续升温或保温，晶 粒之间便会相互吞并而长大，这一阶段称为 晶粒长大。 晶粒长大是自发过程。 晶粒长大分为两种： 正常长大；反常长大或二次再结晶。
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纤维组织对性能的影响：
使金属的性能呈现各向异性。顺纤维方向具有较高的机械 性能，而垂直于流线方向的性能则较低，特别是塑性和韧性表 现得更加明显。在制定热加工工艺时，应尽量使流线与工件所 受的最大拉应力方向一致，而与外剪切应力或冲击应力的方向 垂直。
（a ） 图5-7 曲轴中的流线分布
（a）锻造变形； （b）切削加工。
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2．形变织构的产生
当金属的变形量很大时，由于晶体的 转动，使多晶体中原为任意取向的各个晶粒 会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。 这种由于塑性变形的结果而使晶粒具 有择优取向的组织叫做“形变织构”。
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当出现织构以后，多晶体金属就表现 出一定程度的各向异性，这对材料的性能 和加工工艺有很大的影响。 例如当用有织构的板材冲压杯状的薄 壁零件时，容易产生所谓的“制耳”现象， 使边缘不齐，厚薄不均。 但织构有时也有有利的一面，比如用 有织构的硅钢片制作变压器铁芯具有更高 的导磁率。
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当第二相在晶界上呈网状分布时，对强度 和塑性都不利； 在晶内呈片状和层状分布时，可提高强度 和硬度，但会降低塑性和韧性
镁合金中的网状共晶体
T8中的珠光体
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在晶内呈弥散质点分布时，虽塑性、韧性稍会降 低，但可显著提高强度和硬度，而且质点越细、 越多，合金的强度、硬度越高。这种合金强化方 法称为弥散强化或沉淀强化，它也是合金的主要 强化方法之一。
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2．再结晶
冷变形金属在一定温度保温后，变形组织 中重新产生无畸变的新晶粒，性能也发生明 显变化，并完全软化，这个过程称为再结晶。 再结晶的驱动力是冷变形所产生的储存 能，随着储存能的释放，应变能也逐渐降低。 新的无畸变等轴晶粒的形成及长大，使之在 热力学上变得更加稳定。
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再结晶的过程也是一个形核和长大的过程， 它是以破碎晶粒中无畸变的小晶块为核心并进行 长大的。 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，不同的只是再结晶后因塑 性变形而造成的各种晶体缺陷减少了，内应力消 失。
2.滑移的机理：
刚性滑动：
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刃型位错移动产生滑移：
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高温合金中位错线的TEM照片：
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二、金属多晶体的塑性变形
与单晶体比较并无本质上的区别，即每个晶 粒的塑性变形仍然以滑移等方式进行。 多晶体与单晶体的结构差异： 晶界、每个晶粒中晶格位向不同。
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（1）晶界和晶粒位向对滑移的影响
预先变形程度的影响实质： 变形均匀程度的影响。当变形程度很小时，由于金属的畸 变能也很小，不足以引起再结晶，因而晶粒仍保持原来的形 状。 临界变形度： 得到特别粗大晶粒的变形度。
晶粒 大小
临界变形度
预先变形程度
图5-6 预先变形程度对晶粒度的影响 42
六、金属的热加工
1．热加工与冷加工的区别 生产上：热加工通常是指将金属材料加热至高 温进行锻造、热轧等的压力加工过程。 学术上：热加工是指在再结晶温度以上的加工 过程；在再结晶温度以下的加工过程称为冷加工。 例如铅的再结晶温度低于室温，因此在室温下 对铅进行塑性加工属于热加工。而钨的再结晶温 度约为1200℃，所以即使在1000℃拉制钨丝也 属于冷加工。