第4章金属的塑性变形与再结晶

第4章金属的塑性变形与再结晶
§4-1 金属的塑性变形
塑性变形是金属材料的一个重要性能，也是金属的一种加工方法。

大多数金属材料都具有良好的塑性变形能力，所以获得广泛应用。

塑性变形不仅可以改变金属的外型，而且能改变金属的内部组织和结构。

为了消除塑性变形带来的不利影响，在加工之后或加工过程中，通常对材料加热，使其内部组织发生回复和再结晶过程。

一、单晶体金属的塑性变形
弹性变形—晶格发生弹性伸长或歪扭
塑性变形—晶粒被拉长或压扁，变形不可恢复
塑性变形和断裂—随着应力的增大，当超过强度极限，试件开始不均匀塑性变形，出现“颈缩”到K点后发生断裂。

单晶体塑性变形的基本方式有两种：
1 滑移
金属中晶体的一部分相对另一部分，沿着一定的晶面发生相对的滑动位移现象。

⑴滑移带：滑移后滑移面产生高低不一的台阶，实际由滑移线组成。

滑移沿晶体中原子排列密度最大的晶面和晶向进行{体心立方晶格（110）晶面、[111]晶向}，因为它们之间的距离最大，原子结合力最弱，滑移阻力小。

⑵滑移系：一个滑移面和一个滑移方向组成一个滑移系。

体心、面心立方晶格有12个滑移系（6×2、4×3），密排六方有三个（1×3），面心比体心立方晶格的金属塑性变形更好，因为滑移方向对滑移起的作用比滑移面大。

⑶滑移临界切应力：滑移与正应力无关，与切应力有关，使
滑移开动的最小切应力为临界切应力。

⑷滑移时晶体的转动：滑移时晶体以滑移面的法线为转轴转动，滑移方向与最大切应力方向趋于一致。

⑸滑移机理：滑移是位错移动的结果，不等于刚性移动。

滑移是在切应力作用下位错沿滑移面的运动。

最初人们认为晶体的两部分做整体滑动，按刚性计算的切应力值比实际测到的大几个数量级。

2 孪生
金属晶体的一部分相对一定晶面（孪生面）沿一定方向（孪生方向）发生切变，切变部分叫孪生带简称孪晶。

孪晶面两侧晶体形成镜面对称。

孪生引起晶格变化，同样与切应力有关。

容易发生滑移的（体心、面心立方）晶格，不容易发生孪生。

孪生与滑移比较：
⑴孪生通过晶格切变改变晶格位向，滑移不改变晶格位向；
⑵孪生所需的切应力比滑移大的多；
⑶孪生时，相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距，滑移时滑移面两侧的相对位移量是原子间距的整数倍。

二、多晶体（实际金属）的塑性变形
1晶粒和晶界在变形中的作用
多晶体塑性变形是晶界和晶粒起作用
⑴晶界—附近有较高的塑性变形抗力，晶格排列紊乱，杂质原子较多，增大晶格畸变，滑移时位错阻力较大，能使变形抗力增大，强度硬度增大。

⑵晶粒—细晶粒金属不仅强度高，塑性、韧性也好。

这是因为单位体积中晶粒数多，金属的总变形量分布在更多的晶粒中，晶粒间变形不均匀性减小了；晶粒内部和晶界变形量差
减小，晶粒间变形会比较均匀，所以减小了应力集中，推迟了裂纹形成和扩展，使金属在断裂前发生较大的塑性变形。

断裂时需要消耗较大的功，因此韧性也较好。

2多晶体金属塑性变形的特点
多晶体的塑性变形是金属中每个晶粒的位向不同，变形在不同晶粒中逐批发生，相互协调，是不均匀塑性变形过程，只有多个滑移系才能保证变形的连续性。

滑移面和滑移方向与外力成45度夹角的晶粒先发生滑移变形。

软位向—加载时受最大切应力位向（滑移面和滑移方向与外力成45度夹角）的晶粒。

硬位向—加载时受最小切应力位向（滑移面和滑移方向与外力平行或垂直）的晶粒。

1.多晶体中, 由于晶界上原子排列不很规则, 阻碍位错的运动, 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。

2.多晶体中每个晶粒位向不一致。

一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向), 另一些晶粒的滑移面和滑
移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。

在发生滑移时，软位向晶粒先开始。

当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其它晶粒发生滑移。

因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。

晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，因此使金属的塑性提高。

由于细晶粒金属的强度较高，塑性较好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。

因此细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。

§4-2 合金的塑性变形
工业上广泛应用的金属材料多数为合金，按组成相的不同可分为单相固溶体和多相固溶体，它们变形各有不同的特点。

一、单相固溶体塑性变形与固溶强化
单相固溶体的组织与纯金属基本相同，塑性变形与多晶体纯金属相似，具有相同的变形方式和特点，不同的是溶质原子使溶剂晶格发生畸变，强度、硬度提高，塑性韧性下降（即固溶强化）。

二、多相合金的塑性变形和弥散强化
两个组成相以上的合金发生塑性变形时，变形能力除取决于基本相的性质外，还取决于第二相的性质、数量、大小、形状、分布等，第二相大多是硬而脆的化合物，例如Fe3C。

第二相（弥散分布）的存在使合金的强度、硬度提高，塑性韧性下降（即弥散强化）
§4-3 塑性变形对金属组织和性能的影响
一、塑性变形对组织结构的影响
1 晶粒变形
金属在外力的作用下，内部组织的变化和金属外形变化大致相同。

晶粒沿变形方向被拉长、拔细或压扁，形成纤维组织，使金属性能产生各向异性，沿纤维方向的强度和塑性高于沿垂直方向的。

外形变形程度越大，晶粒形状改变也越大。

2 亚结构的形成
金属大量变形之后，晶粒碎化形成位向略有差异的亚晶粒，亚晶粒越多，亚晶界也越多，位错密度就越大，增加了金属塑性变形抗力，是加工硬化的主要原因。

3 变形织构的产生
金属中的晶粒一般无规则排列，宏观性能表现各向同性；当经受一定方向大量变形之后，如拔丝、轧制等单向变形时，晶体会发生转动，造成晶粒位向趋于一致表现出各向异性，这种变形后的有序化结构（择优取向）叫变形织构。

拔丝产生的织构叫丝织构，轧制产生的织构叫板织构。

织构不利处：对存在板织构的板材冲压时，使器皿壁厚不均匀和产生“制耳”现象。

织构组织有利处：变压器铁芯硅钢，晶格为体心立方沿〈100〉晶向最易磁化。

因此采用〈100〉织构的硅钢片制作，并使其〈100〉晶向平行于磁场方向，变压器铁心磁导率明显增加，磁滞损耗降低，提高了变压器的效率，减轻了设备的重量。

二、塑性变形对性能的影响
1 加工硬化
金属塑性变形之后，位错密度明显增大。

强度、硬度明显提高；塑性、韧性不断下降，这种现象称为加工硬化。

金属塑性变形之后，强度、硬度、耐磨性明显提高。

不能用热处理强化的材料如铜、铝、不锈钢等单相合金，可以用加工硬化提高强度称形变强化。

加工硬化是工程结构瞬间过载的安全保证，能防止短时超载引起的突然断裂。

2 对物理、化学性能的影响
金属经过塑性变形后，晶格发生畸变、空位和位错密度增加，使电阻率增大、导磁率下降；变形提高了内能，原子活力增大，容易扩散，耐腐蚀下降，造成应力腐蚀。

金属强度与位错密度关系
金属的位错密度在退火状态下，106～108/cm2，强度最低，
提高和降低位错密度强度都能提高。

降低位错密度增加金属强度不是主要方向（现在只能制出“金属须”）；增大位错密度特别是加工硬化提高金属强度是主要方向。

3 残余内应力
残余内应力是金属在外力的作用下，内部变形不均匀产生的。

经过塑性变形，外力对金属做的功90%以上变成热随温度升高散发了。

只有10%残存在金属内部，转变成应力使金属内能增加。

第一种宏观内应力；金属表面与心部、这部分与那部分变形不均匀。

（不超过1%）使工件尺寸不稳定引起工件开裂。

第二种微观内应力；相邻晶粒或晶粒内不同部位变形不均匀。

使金属产生晶间腐蚀。

以上是由于变形不均匀，零件在切削加工后发生的变形
第三种：畸变内应力；由于位错等缺陷造成。

占残余内应力的90%。

这种应力产生加工硬化的主要原因，有时内应力是有益的，如对齿轮表面淬火、喷丸处理。

§4-4 回复与再结晶
塑性变形后组织处于不稳定状态，有自发回复到变形前的组织状态的倾向，这种转变一般不易进行。

但加热后，发生回复、再结晶、晶粒长。

一、回复
加热温度较低时，变形金属发生回复过程。

回复过程，金属的显微组织不发生明显变化，加工硬化后强度、硬度基本不变（保持加工硬化），塑性略有回升，内应力、电阻明显下降，因为晶格畸变消除了（去应力退火）。

例如钨在400度退火1小时强度、硬度不变，残余内应力消
除70%。

T回=0.25T熔
二、再结晶
1 再结晶
当加热至较高温度时（原子活动能力增强了），变形金属破碎拉长的晶粒变成均匀细小的等轴晶粒。

新晶粒（晶格形式不变）重新生核成长。

再结晶的金属，显微组织发生了彻底的改变，强度、硬度显著下降，塑性、韧性重新提高，加工硬化现象消除了，便于进一步加工，但温度不能太高，否则晶粒进一步长大，强度、硬度重新下降。

2 再结晶温度及其影响因素
只有经过冷加工和塑性变形的金属才会有再结晶，再结晶有一个初始温度称再结晶温度（指开始再结晶温度），生产上规定1小时内能完成再结晶的最低温度。

T再结晶=0.4T熔点
金属预先变形程度越大再结晶温度低越；加少量合金元素再结晶温度升高。

最低再结晶温度—当变形度达到一定大小后，金属的再结晶温度趋于某一稳定值。

再结晶退火温度比最低再结晶温度高100-200℃
3 再结晶后的晶粒大小
在变形晶粒恢复后如果再加热或延长加热时间晶粒发生明显长大，实际上是经过晶界迁移晶粒互相吞并实现的。

晶界迁移晶粒异常粗大塑性、韧性下降，这是焊接不希望看到的。

晶粒长大是降低能量的自发过程。

只要温度够，就不可避免。

晶粒长大也称第二次再结晶，对力学性能不利。

再结晶退火（加热）时的温度越高，退火后的晶粒就越大。

变形度越大，变形越均匀，再结晶后的晶粒越细。

§4-5 金属的热加工
一、热加工和冷加工的区别
热加工和冷加工不是以金属的加工温度划分，而是以再结晶温度划界。

1热加工：再结晶温度以上的加工叫热加工，可使铸态金属中气孔焊合提高精密度；可使晶粒细化提高力学性能；可形成所谓热加工“纤维组织”（流线），力学性能各向异性。

不引起加工硬化。

2冷加工：再结晶温度以下的加工叫冷加工。

如低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲等。

铁的再结晶温度450度，400度以下就叫冷加工；铅锡是低熔点金属，铅的最低再结晶温度-7℃，低于室温。

它们在室温下的加工属于热加工，是所谓“不硬化金属”。

由于加工温度处于再结晶温度以下, 金属材料发生塑性变形时不会伴随再结晶过程。

因此冷加工对金属组织和性能的影响即是前面的所述塑性变形的影响规律。

二、热加工对金属组织和性能的影响
1 消除铸态组织缺陷
使钢锭中气孔、缩孔焊合，消除铸态的疏松、晶内偏析、粗大柱状晶；使晶粒破碎促进扩散和再结晶晶核形成。

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。

2 细化晶粒
晶粒数目增多、尺寸减小，提高材料的力学性能。

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。

3 形成锻造流线
锻造曲轴的合理流线分布，可保证曲轴工作时所受的最大拉应力与流线一致，而外加剪切应力或冲击力与流线垂直，使曲轴不易断裂。

切削加工制成的曲轴，其流线分布不合理，易沿轴肩发生断裂。

4 形成带状组织
热扎低碳钢时，钢中P和F沿轧制方向呈带状或层状分布，形成带状组织，破坏钢的力学性能。

通过正火处理可以消除。

钢中含磷较高，磷偏析引起的带状组织高温扩散退火消除。