机械工程材料教学课件第5章金属的塑形变形与再结晶
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综上所述，随着晶粒的减小，金属的强度、硬度、塑性和韧性都 得到了提升，所以工程上常通过细化晶粒的方法来提高金属的力学性 能指标，这种方法称为细晶强化。细晶强化是强化金属的重要手段之 一。
5.1金属的塑性变形
4. 多晶体塑性变形的过程
多晶体各晶粒变形存在不同时性，即在多晶体的塑性变形过程中， 并不是在所有晶粒中同时产生滑移现象的。在具有软趋向的晶粒中首 先发生滑移现象，此时，在这些晶粒内部位错沿着最有利的滑移面运 动，但因为晶粒位向不同滑移系不同，位错不能越过晶界发展到相邻 晶粒中去，晶界处积累的滑移随着位错的进行越来越多，并且在晶界 处受阻形成位错平面塞积群，产生应力集中。当应力集中达到一定的 程度后，相邻晶粒被动开始发生滑移，晶粒的变形便得到了协调配合， 此时形变会越过晶界。
第5章 金属的塑性变形与再结晶
5.1金属的塑性变形 5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响 5.3 冷塑性变形金属加热时组织和性能的变化 5.4 金属的热塑性变形
5.1金属的塑性变形
5.1金属的塑性变形 弹性变形：材料在外力作用下产生应力和应变（即变形）。当应
力未超过材料的弹性极限时，产生的变形在外力去除后全部消除，材 料恢复原状，这种变形是可逆的。
随着晶粒变形量的进一步增加，晶粒 被拉伸成很小的晶块，即亚晶粒，并且变 形量越大，亚晶粒的晶粒越细。有亚晶粒 所组成的结构称为亚结构。如5-5所示， 因亚结构的产生，晶体中产生了大量的亚 晶界，从而造成位错密度增大。
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.2.3形成变形织构
多晶体的晶粒排列无明显的规律可循，金属在塑性变形过程中， 因受到外界热与力的作用和内部各晶粒间的相互作用及变形发展的限 制，各晶粒要相对于外力轴发生转动，结果大多数晶粒聚集到某些取 向上来，从而形成变形织构。拉伸过程中，晶体的转动使滑移方向力 图转向平行于拉伸轴向；压缩变形时，晶体的转动使滑移面力图转向 垂直于压力轴向。变形织构又称“择优取向”。按照织构类型的不同， 变形织构分为丝织构、板织构，如图5-6所示。
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.3.3 晶粒长大
晶粒长大：再结晶过程完成以后，金属的晶粒全部是无畸变的等 轴系晶粒，此时如果延长保温时间或者升高温度，就会出现晶粒之间 相互吞并和长大的现象。
5.4 金属的热塑性变形
5.4.1 热塑性变形与冷塑形变形的区别
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.2.4 产生加工硬化
加工硬化：随着冷塑性变形程度的增加，金属材料强度和硬度指 标都有所提高，但塑性、韧性有所下降。
加工硬化在机械制造工业中的应用：
（1）零件受力后，某些部位局部应力常超过材料的屈服极限，引 起塑性变形，由于加工硬化限制了塑性变形的继续发展，可提高零件 和构件的安全度。
热加工：在金属的再结晶温度以上进行的加工。 冷加工：在金属的再结晶温度以下进行的加工。 5.4.2 热塑性变形对金属的组织和性能的影响
1. 消除铸态金属的某些缺陷 2. 形成热塑性变形纤维组织 3. 形成带状组织
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
（2）金属零件或构件在冲压时，其塑性变形处伴随着强化，使变 形转移到其周围未加工硬化部分。经过这样反复交替作用可得到截面 变形均匀且一致的冷冲压件。
（3）可以改进低碳钢的切削性能，使切屑易于分离。但加工硬化 也给金属件进一步加工带来困难。如冷拉钢丝由于加工硬化使进一步 拉拔耗能大，甚至被拉断，因此必须经中间退火，消除加工硬化后再 拉拔。又如在切削加工中为使工件表层脆而硬，再切削时增加切削力， 加速刀具磨损等。
5.3.1 回复
回复：回复是指在加热温度较低时， 由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而 引起的晶内某些变化（如位错重新排列， 晶格畸变减轻等），结果使金属的内应力 明显下降，晶粒大小和形状以及力学性能 都无明显变化，物理性能和化学性能基本 恢复至初始。
5.3.2 再结晶
再结晶：发生回复现象后，如果对金 属加热，此时金属原子便获得了一定的能 量，引起了晶粒形状的变化，将破碎的经 历拉长成等轴晶粒的过程。
只有当晶体受到切应力时才能发生滑移，不同的金属产生滑移所 需要的最小切应力（也称滑移临界切应力）不同，常见的金属中，铜、 铝的滑移临界切应力比钨、钼、铁的要小。
5.1金属的塑性变形
2. 孪生 孪生：晶体特定晶面（孪晶面）的原子沿一定方向（孪生方向）
协同位移（称为切变）的结果。
孪生的特点： （1）孪生变形所需要的切应力要比滑移变形大得多。 （2）发生孪生变形时，原子沿变形方向的相对位移是原子间
距的分数，而不是整数位。 （3）孪生变形的速度特别快，以至于接近于声速。
5.1金属的塑性变形
5.1.2 多晶体的塑性变形
1. 晶界的影响
在金属的塑性变形过程中，位错运动在晶界处受阻，滑移线停止 在晶界处，表现为晶界对滑移起阻碍作用，这个现象称为位错在晶界 塞积。如图所示的钛合金中位错在晶界塞积的纤维组织图。
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.2.5 产生残余内应力
残余应力：当消除因外力或不均匀的温度等作用后仍留在工件内 的自相平衡的内应力。照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为 宏观残余应力、微观残余应力和点阵畸变应力三种。
5.3 冷塑性变形金属加热时组织和性能的变化
按照加热温度由低到高，冷塑性变形金属的软化过程可以分为回 复、再结晶和晶粒长大三个部分。
塑性变形：当应力超过材料的弹性极限时，则产生的变形在外力 去除后不能全部恢复，而残留一部分变形，材料不能恢复到原来的形 状，这种残留的变形是不可逆的。
5.1.1单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形有滑移和孪生两种方式。
1. 滑移
滑移：某些晶面沿一定晶向发生的晶面间的相对平移。
5.1金属的塑性变形
滑移的特点：
晶界对滑移的阻碍作用的大小随晶体中滑移 系数目的减少而增加。
当晶粒越细时，晶界所占的面积就越大，所 造成的结果是对变形
2. 晶粒位向的影响
在多晶体中，各晶粒的位相以及滑移系与外力的取向等都不相同， 这就造成了当受力时，不同位向的晶粒或同一位向的晶粒的内部不同 滑移系所获得的应力的大小和方向不完全相同，引起了不同位向的晶 粒或同一位向的晶粒的内部不同部位的变形程度和变形时间的先后都 不一样。因相邻晶粒之间具有位向差，当某一个晶粒发生变形时，如 果其周围的晶粒不发生塑性变形，那么就必须发生弹性变形来协调晶 粒之间的平衡，这个弹性变形称为塑性变形的阻力，也就是说晶粒之 间能够相互约束，增加了金属的抗塑性变形的能力。科学研究表明， 晶粒越细，晶粒数目就越多，此时晶粒的为相对塑性变形的影响也就 越大。
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.2.1纤维组织形成 发生塑性变形后，金属的晶粒也发生变化，在变形方向上被拉伸
或挤压。以拉伸为例，当晶粒的变形程度很大时，就会变成细长的条 状，如图5-4所示，同时被拉伸的，还有金属中夹杂物，从而形成纤 维组织。
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.2.2 晶内产生亚结构
5.1金属的塑性变形
3. 晶粒尺寸对力学性能的影响
金属的晶粒越细，晶界的总面积就越大，位错阻力也就越大，不 同为相的晶粒也就越多，所以金属的强度、硬度和抗塑性变形能力都 得到了提升。
金属的晶粒越细，单位体积内的晶粒数目就越多，单位时间内产 生变形的晶粒也就越多，所带来的结果是产生的变形更加均匀，可以 有效地阻止裂纹的产生和扩展，在金属断裂前能够获得较大的塑性变 形，所以金属的塑性和韧性都得到了提升。
5.1金属的塑性变形
4. 多晶体塑性变形的过程
多晶体各晶粒变形存在不同时性，即在多晶体的塑性变形过程中， 并不是在所有晶粒中同时产生滑移现象的。在具有软趋向的晶粒中首 先发生滑移现象，此时，在这些晶粒内部位错沿着最有利的滑移面运 动，但因为晶粒位向不同滑移系不同，位错不能越过晶界发展到相邻 晶粒中去，晶界处积累的滑移随着位错的进行越来越多，并且在晶界 处受阻形成位错平面塞积群，产生应力集中。当应力集中达到一定的 程度后，相邻晶粒被动开始发生滑移，晶粒的变形便得到了协调配合， 此时形变会越过晶界。
第5章 金属的塑性变形与再结晶
5.1金属的塑性变形 5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响 5.3 冷塑性变形金属加热时组织和性能的变化 5.4 金属的热塑性变形
5.1金属的塑性变形
5.1金属的塑性变形 弹性变形：材料在外力作用下产生应力和应变（即变形）。当应
力未超过材料的弹性极限时，产生的变形在外力去除后全部消除，材 料恢复原状，这种变形是可逆的。
随着晶粒变形量的进一步增加，晶粒 被拉伸成很小的晶块，即亚晶粒，并且变 形量越大，亚晶粒的晶粒越细。有亚晶粒 所组成的结构称为亚结构。如5-5所示， 因亚结构的产生，晶体中产生了大量的亚 晶界，从而造成位错密度增大。
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.2.3形成变形织构
多晶体的晶粒排列无明显的规律可循，金属在塑性变形过程中， 因受到外界热与力的作用和内部各晶粒间的相互作用及变形发展的限 制，各晶粒要相对于外力轴发生转动，结果大多数晶粒聚集到某些取 向上来，从而形成变形织构。拉伸过程中，晶体的转动使滑移方向力 图转向平行于拉伸轴向；压缩变形时，晶体的转动使滑移面力图转向 垂直于压力轴向。变形织构又称“择优取向”。按照织构类型的不同， 变形织构分为丝织构、板织构，如图5-6所示。
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.3.3 晶粒长大
晶粒长大：再结晶过程完成以后，金属的晶粒全部是无畸变的等 轴系晶粒，此时如果延长保温时间或者升高温度，就会出现晶粒之间 相互吞并和长大的现象。
5.4 金属的热塑性变形
5.4.1 热塑性变形与冷塑形变形的区别
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.2.4 产生加工硬化
加工硬化：随着冷塑性变形程度的增加，金属材料强度和硬度指 标都有所提高，但塑性、韧性有所下降。
加工硬化在机械制造工业中的应用：
（1）零件受力后，某些部位局部应力常超过材料的屈服极限，引 起塑性变形，由于加工硬化限制了塑性变形的继续发展，可提高零件 和构件的安全度。
热加工：在金属的再结晶温度以上进行的加工。 冷加工：在金属的再结晶温度以下进行的加工。 5.4.2 热塑性变形对金属的组织和性能的影响
1. 消除铸态金属的某些缺陷 2. 形成热塑性变形纤维组织 3. 形成带状组织
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
（2）金属零件或构件在冲压时，其塑性变形处伴随着强化，使变 形转移到其周围未加工硬化部分。经过这样反复交替作用可得到截面 变形均匀且一致的冷冲压件。
（3）可以改进低碳钢的切削性能，使切屑易于分离。但加工硬化 也给金属件进一步加工带来困难。如冷拉钢丝由于加工硬化使进一步 拉拔耗能大，甚至被拉断，因此必须经中间退火，消除加工硬化后再 拉拔。又如在切削加工中为使工件表层脆而硬，再切削时增加切削力， 加速刀具磨损等。
5.3.1 回复
回复：回复是指在加热温度较低时， 由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而 引起的晶内某些变化（如位错重新排列， 晶格畸变减轻等），结果使金属的内应力 明显下降，晶粒大小和形状以及力学性能 都无明显变化，物理性能和化学性能基本 恢复至初始。
5.3.2 再结晶
再结晶：发生回复现象后，如果对金 属加热，此时金属原子便获得了一定的能 量，引起了晶粒形状的变化，将破碎的经 历拉长成等轴晶粒的过程。
只有当晶体受到切应力时才能发生滑移，不同的金属产生滑移所 需要的最小切应力（也称滑移临界切应力）不同，常见的金属中，铜、 铝的滑移临界切应力比钨、钼、铁的要小。
5.1金属的塑性变形
2. 孪生 孪生：晶体特定晶面（孪晶面）的原子沿一定方向（孪生方向）
协同位移（称为切变）的结果。
孪生的特点： （1）孪生变形所需要的切应力要比滑移变形大得多。 （2）发生孪生变形时，原子沿变形方向的相对位移是原子间
距的分数，而不是整数位。 （3）孪生变形的速度特别快，以至于接近于声速。
5.1金属的塑性变形
5.1.2 多晶体的塑性变形
1. 晶界的影响
在金属的塑性变形过程中，位错运动在晶界处受阻，滑移线停止 在晶界处，表现为晶界对滑移起阻碍作用，这个现象称为位错在晶界 塞积。如图所示的钛合金中位错在晶界塞积的纤维组织图。
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.2.5 产生残余内应力
残余应力：当消除因外力或不均匀的温度等作用后仍留在工件内 的自相平衡的内应力。照残余应力平衡范围的不同，通常可将其分为 宏观残余应力、微观残余应力和点阵畸变应力三种。
5.3 冷塑性变形金属加热时组织和性能的变化
按照加热温度由低到高，冷塑性变形金属的软化过程可以分为回 复、再结晶和晶粒长大三个部分。
塑性变形：当应力超过材料的弹性极限时，则产生的变形在外力 去除后不能全部恢复，而残留一部分变形，材料不能恢复到原来的形 状，这种残留的变形是不可逆的。
5.1.1单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形有滑移和孪生两种方式。
1. 滑移
滑移：某些晶面沿一定晶向发生的晶面间的相对平移。
5.1金属的塑性变形
滑移的特点：
晶界对滑移的阻碍作用的大小随晶体中滑移 系数目的减少而增加。
当晶粒越细时，晶界所占的面积就越大，所 造成的结果是对变形
2. 晶粒位向的影响
在多晶体中，各晶粒的位相以及滑移系与外力的取向等都不相同， 这就造成了当受力时，不同位向的晶粒或同一位向的晶粒的内部不同 滑移系所获得的应力的大小和方向不完全相同，引起了不同位向的晶 粒或同一位向的晶粒的内部不同部位的变形程度和变形时间的先后都 不一样。因相邻晶粒之间具有位向差，当某一个晶粒发生变形时，如 果其周围的晶粒不发生塑性变形，那么就必须发生弹性变形来协调晶 粒之间的平衡，这个弹性变形称为塑性变形的阻力，也就是说晶粒之 间能够相互约束，增加了金属的抗塑性变形的能力。科学研究表明， 晶粒越细，晶粒数目就越多，此时晶粒的为相对塑性变形的影响也就 越大。
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.2.1纤维组织形成 发生塑性变形后，金属的晶粒也发生变化，在变形方向上被拉伸
或挤压。以拉伸为例，当晶粒的变形程度很大时，就会变成细长的条 状，如图5-4所示，同时被拉伸的，还有金属中夹杂物，从而形成纤 维组织。
5.2 金属塑性变形对组织和性能的影响
5.2.2 晶内产生亚结构
5.1金属的塑性变形
3. 晶粒尺寸对力学性能的影响
金属的晶粒越细，晶界的总面积就越大，位错阻力也就越大，不 同为相的晶粒也就越多，所以金属的强度、硬度和抗塑性变形能力都 得到了提升。
金属的晶粒越细，单位体积内的晶粒数目就越多，单位时间内产 生变形的晶粒也就越多，所带来的结果是产生的变形更加均匀，可以 有效地阻止裂纹的产生和扩展，在金属断裂前能够获得较大的塑性变 形，所以金属的塑性和韧性都得到了提升。