工程材料课件第二章金属的塑性变形和再结晶

目的：1. 消除加工硬化 使、σ、HB↓ δ%、 %、ak↑ 2. 消除内应力，但保留加工硬化，使理化性能↑
对于冷加工后的金属，由于10%的变形能储存在 金属中，在加热时，随着温度的升高，原子活动能力 提高，在变形能的作用下，就要发生组织和性能的变 化，其主要包括三个阶段：回复、再结晶及晶粒长大。
一、回复与再结晶
1、加热温度的影响：
T加↑ 晶粒尺寸↑,另外加热 时间长，也会使晶粒长大
晶 粒 大 小
再结晶退火加热温度
2、变形(程)度的影响：
变形越大，变形越均匀，晶粒 再结晶退火后晶粒越细。 大 一般选用30-60%的变形度。小
临界变形度：
2%-10%
临界变形度 要加以避免
预先变形度
能发生再结晶的最小变形量。通常在2～１０%，与材
3、热加工温度低、(或)变形量小、(或)变形速率高时， 加工硬化占主导。温度高、(或)变形量大、(或)变形速 率低时，回复和在结晶占主导。
纯铁高温变形的应力与应变关系示意图
650℃
真 应 力
真应变
700℃
750℃
800℃ 850℃ 900℃
当温度恒定， 改变应变速 率时，提高 应变速率所 起到的作用 与降低加工 温度的作用 相似。
(2) 切应力作 用下晶面相 对位移，外 力去除后位 移不能恢复。 塑性变形只 能在切应力
（）作用下 才能发生。
P
P
P
P
P ： 载荷 ：正应力 ：切应力
(3) 塑性变形后的晶体， 在显微镜下观察时，就能
滑移带
发现在晶粒内部出现一些
线条，称为 “滑移带”，
用电子显微镜进一步观察，
就会发现这些滑移带都是 由许多密集的﹑更细的线
料的退火温度有关)。此时再结晶后的晶粒特别粗大。
当δ%＜δ临% 不发生再结晶（动力不足） 当δ%＞δ临% 则发生再结晶，且δ%↑，则d晶↓ 当δ%大到一定量后，由于织构形成，则d晶又↑
∴制定工艺：①选择合适T加 ②避免在临界变形变下变形 避开δ临%
§2-3 金属的热加工
一、热加工与冷加工的区别
从金属学的角度来看：
（3）热加工制品不如冷加工制品尺寸精确、表面粗 糙度低。 （4） 薄或细的加工制品，由于温降快，尺寸精度差， 不宜采用热加工。
第二章 结束
变；没发生塑性变形的金属不会发生再结晶。
3、组织和性能变化：
从拉长和纤维状变为均匀的等轴晶粒。强度和硬度重新 下降，塑性和韧性重新提高。加工硬化得以消除。
（三）再结晶完成后晶粒的长大
再结晶完成后继续升高温度或延长保温时间，晶粒 会继续长大 。
实质——晶界迁移过程晶
1、晶粒正常长大： 再结晶后的晶粒均匀、稳速地长大的现象。发生在
由位错等晶格缺陷在塑性变形过程中的大量增加 引起缺陷附近晶格畸变会而产生（占总内应力的大部 分）。
残余应力的作用：第一、第二内应力引起金属宏观变形或开 裂；第三内应力使强度增加。都使脆性上升，理化性能下降。
§2-2 冷加工金属在加热时的变化
塑性变形
加工硬化 残余内应力
加工困难 理化性能↓
加热退 火软化
再结晶晶粒细小且均匀时。（希望的长大方式）
2、晶粒异常长大： 再结晶后的晶粒不均匀，急剧长大的现象。在再结晶
粒大小不均时，大晶粒吞并小晶粒，将得到异常粗大的 晶粒，也称“二次再结晶”。
d晶↑ 晶界面积↓ 能量↓∴晶粒长大是自发的 过程。因为粗晶是弱化，所以要避免晶粒长大，特别要 避免晶粒的异常。
二、影响再结晶温度和晶粒大小的因素
强度和塑性纵向远大于横向。
2、亚结构形成 位错在晶界附近堆积并相互缠结，
使晶粒破碎转变成亚晶粒结构 。 3、产生织构
当变形量非常大时，晶粒拉长严重变为纤维状。 这种纤维状组织称为织构。织构产生各向异性，导致 “制耳”。 （但有时也可利用：如变压器芯）
注意：这种各向异性，是伪各向异性。是多晶粒的位 向趋同造成的。
（二） 再结晶 1、再结晶：
冷变形金属加热到某一更高的温度时，生成新晶粒，
而晶格类型不变，这种现象叫 再结。晶
2、再结晶过程： 形核长大等轴晶粒。当加热温度继续升高 时，金属内晶格畸变严重部位（有大量的位错塞积） 形核并长大，晶粒的外形开始发生变化，从破碎拉长 的晶粒变成新的等轴晶粒。
注意：晶粒的晶格类型没变，再结晶过程没有发生相
（四） 出现残余内应力
塑性变形不均匀导致产生平衡于金属内部的应力。外力的变形 功〉90％ →热，〈10％的功→内应力。 有三种内应力。
1、第一种残余内应力——宏观内应力 由表层与心部的变形量不同会而形成 。
2、第二种残余内应力——显微内应力 由而晶粒之间或晶粒内部不同区域间的变形量不
同而产生。 3、第三种残余内应力——晶格畸变应力
三、热加工后的组织和性能
1、细化经晶过粒热：加工后，可以把铸态金属中粗大的枝 晶、枝状晶以及夹杂物破碎为细小的晶粒，从而使晶 粒细化。提高强度和韧性。
2、提高致通密过度热：加工，可使铸态金属中的气孔焊 合，提高致密度。提高强度和韧性。
3、形成热流加线工：还可以改变铸态金属中的成分偏析和 夹杂物的分布，使原来沿着树枝晶分布的偏析元素和 夹杂物发生改变，而使它们沿变形方向线形分布，形 成在宏观检测时通常所称的“流线”。流线使金属的 机械性能出现明显的各向异性，与流线平行方向的强 度、塑性和韧性明显地大于垂直方向的相应性能。
多晶体的塑性变形总是 逐批滑移，从不均匀变形逐 步发展到比较均匀的变形。
接接
近近 0 45
度度
硬 位
与的 90 位
向 度向
的为
软 位
位软 向位
向 为向
硬
位 向
三、 冷塑性变形对金属组织和性能的影响
（一）机械性能的变化－加工硬化
经过冷态下塑性变形之后的金属的机械性能发生很大 的变化，强度提高，塑性降低 。
滑移线
200Å
条组成，这种线条称
为“滑移线”。
(4) 金属晶体中的滑移总是沿着一定的晶面和晶向发生的
滑移通常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。
滑 移 面： 发生滑移的晶面就是“滑移面”； 滑移方向： 发生滑移的晶向就是“滑移方向”。
(5) 滑移系： 一个滑移面和其面上的一个滑移 方向的组成称为“滑移系”
应力叫做为)。当切应力（）满足 c时滑移 才能发生。
铜的滑移临界切应力：理论计算 1500 Mpa 实际测试 1 MPa
滑移是由于滑移面上的位错运动造成的。
位错运动造成滑移示意图
二、 多晶体金属的塑性变形
（一）多晶体拉伸试验
1、多晶体和单晶体对比试验 2、 两个晶粒试样拉伸
（二）塑性变形影响因素 1、 晶界对塑性变形的影响
（一）回复
1、回复： 冷变形后的金属在较低温度加热时，金属中的一些 点缺陷和位错而的引迁起移某些晶内变化称为回复。
2、性能变化： 回复后强度和塑性无明显变化，而内应力消除，脆性 降低。理化性能↑(耐蚀性、导电性)
3、实际应用：
对那些需要保留产品的加工硬化性能，同时需要消除残 余内应力的工件，可以把热处理加热温度选择在使其内 部发生回复的温度，这种热处理工艺称为“去应力退
T再 ≈ 0.4T熔 (K)
B. 金属的纯度：微量杂质及少量合金元素会使再结晶 温度升高。 C. 加热速度快，保温时间短，会提高再结晶温度。
因此，综合结果，在工业中制定再结晶退火温 度为： T退火＝T再+100～200℃
（二）再结晶退火后的晶粒大小
再结晶后的晶粒尺寸对金材的性能影响很大，所 以有必要了解影响它的各 种因素影响因素：
滑移面： 六方底面 １个 滑移方向：底面对角线 ３个
表格 2-1三种典型晶格的滑移系
晶格类型 体心立方
面心
滑 移 面 ｛１１０｝ ｛１１１｝
滑移方向 〈１１1〉 〈１１0〉
滑 移 系 6 面×２方向=12 4 面×3 方向=12
密排六方 底面
底面对角线
1 面×3 方向=3
4、滑移机理
临界切应力（c）： 能够发生滑移的最小切
3、三种典型金属晶格的滑移系
（A）体心立方晶格滑移系： 6 ×2 = 12
滑移面： {110} 6个 滑移方向：<111> 2个。
{110} <111>
（B）面心立方晶格滑移系： 4 ×3 = 12
滑移面： {111} 4个 滑移方向：<110> 3个
<110>
{111}
（C）密排六方晶格滑移系： 1 ×3 = 3
表2－3 0.45%C钢热轧后机械性能 与流线方向的关系
方向 σb(MPa) σ0.2(MPa)
δ(%) ψ(%) αk(KJ/M2)
平行 701 垂直 659
460
17．5 62．8
608
431
10．0 31．0
294
四 、热加工的不足
在实际生产中，热加工与冷加工相比也有不足处
（1）热加工需要加热，不如冷加工简单易行。 （2）热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和易 于控制。
晶界处原子排列不规则晶格畸变严重，位错运动 受到阻——强度、硬度提高；
晶粒细，变形均匀，减少应力集中，推迟裂纹发 生和发展——塑性、韧性好。
∴ 晶粒越细，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。 通过压力加工和热处理细化晶粒，是工业上重要金属 强化手段。——“细晶强化”。
2、 晶粒取向对塑性变形的影响
某些取向何时的晶粒， 其分切应力有可能先满足的 临界切应力条件而产生滑移。 这些晶粒的取向称为“软位 向” 反之谓“硬位向”。
加工硬化：经过冷态下塑性变形之后，金属的强度和
硬度随变形量的增加而增加，同时塑性却随之降低， 这种现象叫做“加工硬化”或“冷作硬化”。
例：冷拉钢丝及弹簧。
(二）物理性能变化
除了机械性能的变化，金属材料的理化性能也有 所变化。
例：金属的电阻有所增大 ，抗蚀性降低 。
（三） 显微组织的变化
1、晶粒形态变化 晶粒沿加工方向拉长。金属性能
再结晶温度以下的加工称为 冷加工； 再结晶温度以上的加工称为 热加工。
二、热加工过程中的加工硬化与再结晶
1、热加工引发加工硬化和再结晶。由于加热温度高 于再结晶温度，所以因硬塑化性过变程形和引回起复的再结晶引起的 软化过程几乎同时存在。 2、再结晶温度以上变形加工，回复和再结晶是边加 工边发生。因此是属于动态回复和动态再结晶。实际 上是加工硬化与回复、再结晶相互制约，相互平衡的 过程。
（一）金属的再结晶温度
1、再结晶温度(T再)：冷变形金属开始进行再结晶
的最低温度。 T再不是一个恒定的温度，它与许多因素有关。
2、影响再结晶温度的因素： A. 预先变形度的影响：金属的预先变形程度越大，再 wenku.baidu.com晶开始温度越低。变形度很大时，起始再结晶温度趋 于某一个恒定值——“最低再结晶温度” （T再） 。
P
一、 单晶体金属的塑性变形
1 、单晶拉伸试验
单晶体表面出现相互平行的斜线且与外力成45°。
单晶体抛光表面出现相互平行斜线。 说明晶面之间相对运动， 塑性变形是
通过“滑移”完成的。
滑移：晶体的一部分对于另一部分沿
一定晶面发生相对滑动，滑移结果晶
P
体发生塑性变形。
2 、滑移过程分析
(1) 外力（P）分解为正应力（）和切应力（）。 正应力引起弹性变形，而不能造成塑性变形。正应力 超过原子间结合力时晶体发生断裂。
第二章 金属的塑性变形和再结晶
铸态金属：
铸锭（组织粗大、不均匀、 不致密、偏析）
铸件
工业上的金属材料大多数要在浇注为铸锭后经过
冷热压力加工而发生塑性变形后再使用。
改变外形
原因：可塑性
压力加工（水压 机、锻打、轧制）
焊合孔洞 晶粒细化
零型件材毛。坯加再热结晶─→改形善态晶、粒分布的大等小、
改善 性能
§2-1 金属的塑性变形