工程材料-第五章_金屬的塑性變形與再結(jié)晶

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l金屬的塑性變形l塑性變形對金屬組織和性能的影響l回復(fù)與再結(jié)晶l金屬的熱加工第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶兩個方面的問題：兩個方面的問題：l 塑性變形塑性變形（Plastic Deformation）各種壓力加工，如軋制、擠壓、拉拔、鍛壓、沖壓等，均能使金屬發(fā)各種壓力加工，如軋制、擠壓、拉拔、鍛壓、沖壓等，均能使金屬發(fā)生塑性變形。生塑性變形。一般來說，金屬在常溫下發(fā)生的塑性變形是一般來說，金屬在常溫下發(fā)生的塑性變形是冷塑性變形冷塑性變形。金屬發(fā)生冷塑性變形后，其內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)和性能均將發(fā)生變化，宏金屬發(fā)生冷塑性變形后，其內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)和性能均將發(fā)生變化，宏觀性能表現(xiàn)為強度和

2、硬度、電阻率升高，塑性和韌性、耐腐蝕性降低。觀性能表現(xiàn)為強度和硬度、電阻率升高，塑性和韌性、耐腐蝕性降低。l 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶（Recovery and Recrystallization） 經(jīng)過冷塑性變形的金屬被重新加熱后，其內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)和性能又將經(jīng)過冷塑性變形的金屬被重新加熱后，其內(nèi)部組織、結(jié)構(gòu)和性能又將發(fā)生變化，宏觀性能表現(xiàn)為強度和硬度降低，塑性和韌性升高。發(fā)生變化，宏觀性能表現(xiàn)為強度和硬度降低，塑性和韌性升高。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶軋制軋制（Rolling） 擠壓擠壓（Extruding） 拉拔拉拔（Drawing） 鍛壓鍛壓（Forging） 沖壓沖壓（Pressi

3、ng） 壓力加工方法示意圖壓力加工方法示意圖 未變形未變形滑移滑移 孿生孿生 第一節(jié)金屬的塑性變形第一節(jié)金屬的塑性變形一、單晶體金屬的塑性變形一、單晶體金屬的塑性變形變形方式：變形方式：滑移滑移（Slip） ：在切應(yīng)力作用下，晶體的在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶一部分沿一定的晶面和晶向，相對于另一部分發(fā)生向，相對于另一部分發(fā)生相對滑動位移的現(xiàn)象。相對滑動位移的現(xiàn)象。孿生孿生（Twinning） ：在切應(yīng)力作用下，晶體的在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶一部分沿一定的晶面和晶向，相對于另一部分發(fā)生向，相對于另一部分發(fā)生對稱切變的現(xiàn)象。對稱切變的現(xiàn)象。第五章 金屬的塑性變形

4、與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形1.1.滑移變形的特點滑移變形的特點l 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生 產(chǎn)生滑移所需的最小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力產(chǎn)生滑移所需的最小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力（Critical Shear Stress）。重要現(xiàn)象：重要現(xiàn)象：當(dāng)外力與滑移所發(fā)生當(dāng)外力與滑移所發(fā)生的晶面之間呈的晶面之間呈4545 時時, , 臨臨界切應(yīng)力最小界切應(yīng)力最小, ,即當(dāng)單晶即當(dāng)單晶體在外力作用下體在外力作用下, ,首先開首先開始滑移所在的晶面總是始滑移所在的晶面總是與該外力呈與該外力呈4545 角的面。角的面。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.

5、1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形鋅單晶體拉伸試驗示意圖鋅單晶體拉伸試驗示意圖鋁單晶的拉伸鋁單晶的拉伸變形照片變形照片 滑移面滑移面（Slip Plane）滑移方向滑移方向（Sip Direction）滑移系滑移系（Sip System）體心立方晶格體心立方晶格(bcc)面心立方晶格面心立方晶格(fcc)密排六方晶格密排六方晶格(hcp)110111第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形l 滑移沿原子密度最大的晶面和原子密度最大的晶向發(fā)生滑移沿原子密度最大的晶面和原子密度最大的晶向發(fā)生重要結(jié)論：重要結(jié)論： 滑移系越多，則金屬發(fā)生滑移的可能性越大，該金屬的塑性也

6、越好。滑移系越多，則金屬發(fā)生滑移的可能性越大，該金屬的塑性也越好。 如果滑移系數(shù)目相同，則滑移方向越多，塑性越好。如果滑移系數(shù)目相同，則滑移方向越多，塑性越好。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形體心立方晶格體心立方晶格(bcc)110面心立方晶格面心立方晶格(fcc)111密排六方晶格密排六方晶格(hcp)滑移系：滑移系：1212（62）有有6 6個個110110面，每個面，每個110110面上有面上有2 2個個方向。方向。 - -Fe,Cr,W,Mo,V,NbFe,Cr,W,Mo,V,Nb?；葡担夯葡担?212（43）有有4 4個個111111面，

7、每個面，每個111111面上有面上有3 3個個方向。方向。 - -Fe,Cu,Al,Ni,Au,AgFe,Cu,Al,Ni,Au,Ag?；葡担夯葡担? 3（31）有有1 1個底面，每個底面上個底面，每個底面上有有3 3個滑移方向。個滑移方向。Mg,Zn,Cd,Be,Mg,Zn,Cd,Be, - -TiTi。 滑移的結(jié)果會在金屬表面造成臺階?；频慕Y(jié)果會在金屬表面造成臺階。l 滑移時兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數(shù)倍滑移時兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數(shù)倍第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形滑移帶滑移帶（Slip Band）和滑移線和滑移線（Sl

8、ip Line）滑移帶滑移帶滑移線滑移線210-8ml 滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動單晶體拉伸變形過程單晶體拉伸變形過程a)原試樣；原試樣；b)自由滑移變形；自由滑移變形；c)受夾頭限制時的變形受夾頭限制時的變形第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形2 2、滑移的機理、滑移的機理歷史回顧：歷史回顧：19261926年，物理學(xué)家年，物理學(xué)家FrankFrank將滑移設(shè)想為晶體中相鄰上、下兩列原子將滑移設(shè)想為晶體中相鄰上、下兩列原子的剛性移動，并據(jù)此估算出晶體的理論剪切強度。的剛性移動，并據(jù)此估算出晶體的理論剪切強度。第五章 金屬的塑性變

9、形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形FrankFrank計算出的晶體的理論剪切強度：計算出的晶體的理論剪切強度：比較：比較：CuCu的理論剪切強度的理論剪切強度 m m1500MPa1500MPaCuCu的實際剪切強度的實際剪切強度 m m0.98MPa0.98MPa 兩者相差兩者相差15001500多倍。多倍。結(jié)論：結(jié)論： FrankFrank的滑移理論不正確，即滑移不是晶體原子作整體剛性滑動。的滑移理論不正確，即滑移不是晶體原子作整體剛性滑動。2Gm 19341934年，物理學(xué)家年，物理學(xué)家G.I.TaylorG.I.Taylor、M.PolanyiM.Polanyi和和

10、E.OrowanE.Orowan幾乎同時提出幾乎同時提出了晶體中位錯的概念，了晶體中位錯的概念，TaylorTaylor還將位錯與滑移變形聯(lián)系了起來，最終圓還將位錯與滑移變形聯(lián)系了起來，最終圓滿解釋了晶體的滑移機理。滿解釋了晶體的滑移機理。 滑移的機制：滑移的機制： 滑移是通過位錯在滑移面上的運動實現(xiàn)的。滑移是通過位錯在滑移面上的運動實現(xiàn)的。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形晶體通過位錯運動而發(fā)生滑移晶體通過位錯運動而發(fā)生滑移位錯運動導(dǎo)致滑移的特點：位錯運動導(dǎo)致滑移的特點：當(dāng)晶體通過位錯運動產(chǎn)生滑移時，只當(dāng)晶體通過位錯運動產(chǎn)生滑移時，只 在位錯中心的少數(shù)

11、原子發(fā)生移動，而且在位錯中心的少數(shù)原子發(fā)生移動，而且它們移動的距離遠(yuǎn)小于一個原子間距，它們移動的距離遠(yuǎn)小于一個原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小。因而所需臨界切應(yīng)力小。當(dāng)位錯線掃過滑移面到達(dá)金屬表面 時，便產(chǎn)生一個原子間距的滑移量，同一滑移面上若有大量位錯移出，則會在金屬表面形成一條滑移線。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 位錯運動越困難，則金屬的強度越高；反之則強度越低，塑性越好。位錯運動越困難，則金屬的強度越高；反之則強度越低，塑性越好。位錯運動時的原子位移位錯運動時的原子位移 二、多晶體金屬的塑性變形二、多晶體金屬的塑性變形多晶體金屬發(fā)生塑性變形的方

12、式仍然是滑移多晶體金屬發(fā)生塑性變形的方式仍然是滑移或?qū)\生?；?qū)\生。1.1.晶界和晶粒位向?qū)Χ嗑w塑性變形晶界和晶粒位向?qū)Χ嗑w塑性變形的影響的影響l 晶界的影響晶界的影響晶界阻礙位錯運動提高塑性變形抗力。晶界阻礙位錯運動提高塑性變形抗力。當(dāng)位錯運動到晶界附近時，晶界成為位錯當(dāng)位錯運動到晶界附近時，晶界成為位錯運動的障礙，于是位錯在晶界處堆積起來，運動的障礙，于是位錯在晶界處堆積起來，形成位錯塞積。如果要使變形繼續(xù)進行，必形成位錯塞積。如果要使變形繼續(xù)進行，必須增加外力。須增加外力。 第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形位錯的塞積位錯的塞積（Piling o

13、f Dislocation）晶界晶界位位錯錯塞塞積積群群l 晶粒位向的影響晶粒位向的影響 晶粒間的相互約束提高塑性變形抗力。晶粒間的相互約束提高塑性變形抗力。 因各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個晶粒發(fā)生塑性變形時，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。 多晶體中的晶界和晶粒間存在的位向差多晶體中的晶界和晶粒間存在的位向差提高多晶體金屬的提高多晶體金屬的塑性塑性變形抗力，將導(dǎo)致變形抗力，將導(dǎo)致多晶體金屬的強度和硬度增大。多晶體金屬的強度和硬度增大。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形雙

14、晶粒試樣拉伸時雙晶粒試樣拉伸時變形示意圖變形示意圖 多晶體金屬的塑性變形過程：多晶體金屬的塑性變形過程：多晶體中首先發(fā)生滑移的是那些滑移系與外力多晶體中首先發(fā)生滑移的是那些滑移系與外力夾角等于或接近于夾角等于或接近于 4545 的晶粒，使位錯在晶界附的晶粒，使位錯在晶界附近塞積，當(dāng)塞積位錯前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，近塞積，當(dāng)塞積位錯前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動，使相鄰晶粒中原來處于不加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯開動，從而使滑移由一批利位向滑移系上的位錯開動，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒

15、發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形多晶體拉伸多晶體拉伸變形示意圖變形示意圖2.2.晶粒大小對多晶體金屬力學(xué)性能的影響晶粒大小對多晶體金屬力學(xué)性能的影響l 對硬度和強度的影響對硬度和強度的影響晶粒越細(xì)小，強度和硬度越高。晶粒越細(xì)小，強度和硬度越高。 原理：原理：晶粒越細(xì)小，晶界總面積越大，位錯障礙越多，同時需要協(xié)晶粒越細(xì)小，晶界總面積越大，位錯障礙越多，同時需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，因此金屬的強度和硬度越高。調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，因此金屬的強度和硬度越高。l 對塑性和韌性

16、的影響對塑性和韌性的影響晶粒越細(xì)小，塑性和韌性越高。晶粒越細(xì)小，塑性和韌性越高。原理：原理：晶粒越細(xì)小，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，同時參與變形的晶晶粒越細(xì)小，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，同時參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，推遲了裂紋的形成和擴展，使在斷裂粒數(shù)目也越多，變形越均勻，推遲了裂紋的形成和擴展，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。在強度和塑性同時增加的情況下，金屬在前發(fā)生較大的塑性變形。在強度和塑性同時增加的情況下，金屬在斷裂前消耗的功也越大，因此其韌性也越好。斷裂前消耗的功也越大，因此其韌性也越好。 細(xì)晶強化細(xì)晶強化（Grain Refining Strengthening）： 通過細(xì)化晶

17、粒同時提高金屬的強度和硬度、塑性和韌性的方法。通過細(xì)化晶粒同時提高金屬的強度和硬度、塑性和韌性的方法。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形三、合金的塑性變形三、合金的塑性變形1.1.單相固溶體合金的塑性變形單相固溶體合金的塑性變形固溶體中存在溶質(zhì)原子，造成晶格畸變，從而對位錯的運動有阻礙固溶體中存在溶質(zhì)原子，造成晶格畸變，從而對位錯的運動有阻礙作用，使合金的強度和硬度升高。作用，使合金的強度和硬度升高。溶質(zhì)原子在位錯線上的偏聚，會對位錯起溶質(zhì)原子在位錯線上的偏聚，會對位錯起“釘扎釘扎”作用，使位錯運作用，使位錯運動困難，也使合金的強度和硬度升高。動困難，也

18、使合金的強度和硬度升高。 固溶強化固溶強化（Solution Strengthening）：通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬的強度和硬度提高、塑性和通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬的強度和硬度提高、塑性和韌性降低，這種金屬強化方式稱為固溶強化。韌性降低，這種金屬強化方式稱為固溶強化。 第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形2.2.多相合金的塑性變形多相合金的塑性變形多相合金的組織中通常有兩類不同的相，一是連續(xù)分布的基體相，多相合金的組織中通常有兩類不同的相，一是連續(xù)分布的基體相，二是以一定的形狀和數(shù)量分布在基體相中的分散相（又稱第二相）。二是以一定的形狀

19、和數(shù)量分布在基體相中的分散相（又稱第二相）。在工業(yè)合金中，基體相一般是固溶體，第二相多數(shù)是金屬化合物。在工業(yè)合金中，基體相一般是固溶體，第二相多數(shù)是金屬化合物。多相合金的塑性變形和力學(xué)性能除與基體相的性質(zhì)有關(guān)外，還與第多相合金的塑性變形和力學(xué)性能除與基體相的性質(zhì)有關(guān)外，還與第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量及分布有關(guān)。二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量及分布有關(guān)。多相合金組織中兩類相的常見組合形式：多相合金組織中兩類相的常見組合形式：固溶體為基體相，金屬化合物呈層片狀與固溶體相間分布；固溶體為基體相，金屬化合物呈層片狀與固溶體相間分布；固溶體為基體相，金屬化合物呈網(wǎng)狀分布在固溶體的晶界上；固溶體為基體相

20、，金屬化合物呈網(wǎng)狀分布在固溶體的晶界上；固溶體為基體相，金屬化合物以顆粒狀均勻分布在固溶體中。固溶體為基體相，金屬化合物以顆粒狀均勻分布在固溶體中。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形l 第二相以層片狀分布在基體相中第二相以層片狀分布在基體相中 當(dāng)?shù)诙嘁詫悠瑺钕嚅g地分布在基體相中時，合金的強度和硬度提當(dāng)?shù)诙嘁詫悠瑺钕嚅g地分布在基體相中時，合金的強度和硬度提 高，塑性和韌性降低。高，塑性和韌性降低。 如共析鋼平衡組織中的Fe3C。 具有層片狀組織的合金，其力學(xué)具有層片狀組織的合金，其力學(xué) 性能決定于層片的粗細(xì)程度，如果性能決定于層片的粗細(xì)程度，如果 層片

21、越細(xì)，則強度和硬度越高，同層片越細(xì)，則強度和硬度越高，同 時塑性和韌性也越好。時塑性和韌性也越好。 一般來說，組織越細(xì)密，總是可一般來說，組織越細(xì)密，總是可 以同時提高強度、硬度、塑性、韌以同時提高強度、硬度、塑性、韌 性，這類強化方式可以統(tǒng)稱為性，這類強化方式可以統(tǒng)稱為細(xì)化細(xì)化 組織強化組織強化。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形共析鋼平衡組織，共析鋼平衡組織，Pl 第二相以網(wǎng)狀分布在晶界上第二相以網(wǎng)狀分布在晶界上 當(dāng)?shù)诙嘁跃W(wǎng)狀分布在基體相的晶界上時，合金的強度和韌性同時當(dāng)?shù)诙嘁跃W(wǎng)狀分布在基體相的晶界上時，合金的強度和韌性同時 降低。降低。 如過共

22、析鋼平衡組織中的Fe3C。 原理：原理：FeFe3 3C C硬度高，硬度高，P P硬度低，當(dāng)硬度低，當(dāng) 受到外力作用時，受到外力作用時，P P部分容易變形，部分容易變形， 但但FeFe3 3C C部分卻變形困難，因此在晶部分卻變形困難，因此在晶 界處因應(yīng)力集中而易萌生裂紋，使界處因應(yīng)力集中而易萌生裂紋，使 強度降低，同時也使韌性下降。強度降低，同時也使韌性下降。 一般來說，在一般來說，在“軟軟”基體的晶界上基體的晶界上 分布著連續(xù)的分布著連續(xù)的“硬硬”相，均嚴(yán)重降低相，均嚴(yán)重降低 強度和韌性。強度和韌性。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形過共析鋼的平衡組

23、織過共析鋼的平衡組織P Fe3Cl 第二相以顆粒狀分布在基體相中第二相以顆粒狀分布在基體相中 當(dāng)?shù)诙囝w粒狀均勻彌散地分布在基體中時，合金的強度和硬度顯當(dāng)?shù)诙囝w粒狀均勻彌散地分布在基體中時，合金的強度和硬度顯 著提高，而塑性和韌性略有降低。著提高，而塑性和韌性略有降低。 如鋼中的顆粒狀合金碳化物。 原理：原理：基體中均勻彌散分布的第基體中均勻彌散分布的第 二相對位錯的運動會產(chǎn)生很大的阻二相對位錯的運動會產(chǎn)生很大的阻 力，從而提高合金的變形抗力。力，從而提高合金的變形抗力。 一般來說，第二相顆粒越細(xì)小，一般來說，第二相顆粒越細(xì)小， 數(shù)量越多，分布越均勻，則合金的數(shù)量越多，分布越均勻，則合金的

24、強度、硬度越高。強度、硬度越高。 第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形鋼中的顆粒狀合金碳化物鋼中的顆粒狀合金碳化物 黃銅中圍繞著黃銅中圍繞著Al2O3顆粒的位錯環(huán)顆粒的位錯環(huán)Al2O3位位錯錯環(huán)環(huán)位位錯錯線線位錯線切過留下的痕跡位錯線切過留下的痕跡Ni3Al粒子粒子在在Ni-Cr-Al合金中位錯切過合金中位錯切過Ni3Al粒子粒子第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.1 5.1 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 彌散強化彌散強化（Dispersion Strengthening）：通過第二相以顆粒狀細(xì)小、均勻、彌散地分布在基體相中，以通過第二相以顆粒狀細(xì)小、均勻、

25、彌散地分布在基體相中，以顯著提顯著提高合金強度和硬度的高合金強度和硬度的方法。又稱為分散強化、第二相強化、沉淀強化方法。又稱為分散強化、第二相強化、沉淀強化（Precipitation Strengthening）。第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能的影響一、塑性變形對金屬組織和結(jié)構(gòu)的影響一、塑性變形對金屬組織和結(jié)構(gòu)的影響 1.1.晶粒形狀發(fā)生變化晶粒形狀發(fā)生變化 晶粒被拉長或壓扁，直至纖維狀，晶界模糊不清。晶粒被拉長或壓扁，直至纖維狀，晶界模糊不清。等軸狀等軸狀晶粒伸長晶粒伸長纖維狀纖維狀第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.2 5.2 塑性變形對金屬組織和性能的

26、影響塑性變形對金屬組織和性能的影響第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.2 5.2 塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響2.2.晶粒破碎成亞晶粒晶粒破碎成亞晶粒 隨著變形量的增加，位錯密度不斷增大，晶粒內(nèi)形成許多亞晶粒。隨著變形量的增加，位錯密度不斷增大，晶粒內(nèi)形成許多亞晶粒。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.2 5.2 塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響變形變形1%變形變形3.5%變形變形9%變形變形20%3.3.產(chǎn)生形變織構(gòu)產(chǎn)生形變織構(gòu) 形變織構(gòu)形變織構(gòu)（Deformation Texture）：在塑性變形過程中，當(dāng)變形達(dá)到一定程度（在塑性變形

27、過程中，當(dāng)變形達(dá)到一定程度（70%70%以上）時，會使絕以上）時，會使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱為大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱為形變織構(gòu)形變織構(gòu)或或擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向（Preferred Orientation）。形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，有利也有弊。形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，有利也有弊。利：利：可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率?？商岣吖桎撈膶?dǎo)磁率。弊：弊：在深沖零件時，使厚薄不勻，邊緣不齊，即產(chǎn)生在深沖零件時，使厚薄不勻，邊緣不齊，即產(chǎn)生“制耳制耳”現(xiàn)象。現(xiàn)象。 第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.2 5.2 塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬

28、組織和性能的影響絲織構(gòu)示意圖絲織構(gòu)示意圖板織構(gòu)示意圖板織構(gòu)示意圖深沖件的制耳深沖件的制耳第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.2 5.2 塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響二、塑性變形對金屬性能的影響二、塑性變形對金屬性能的影響1.1.產(chǎn)生加工硬化產(chǎn)生加工硬化 加工硬化加工硬化（Work Hardening）：金屬在冷變形過程中，隨變形量增加，強度和硬度升高，塑性和韌性金屬在冷變形過程中，隨變形量增加，強度和硬度升高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象稱為下降的現(xiàn)象稱為加工硬化加工硬化或或形變強化形變強化（Deformation Strengthening）。原理：原理：冷變形使位錯密

29、度增大，甚至形成位錯纏結(jié)，同時，亞晶粒越冷變形使位錯密度增大，甚至形成位錯纏結(jié)，同時，亞晶粒越 加細(xì)小，對位錯運動產(chǎn)生阻礙，從而使變形抗力增大，塑性降低。加細(xì)小，對位錯運動產(chǎn)生阻礙，從而使變形抗力增大，塑性降低。 由于加工硬化的存在，使已變形部由于加工硬化的存在，使已變形部 分發(fā)生硬化而停止變形，而未變形部分發(fā)生硬化而停止變形，而未變形部 分開始變形，因此，沒有加工硬化，分開始變形，因此，沒有加工硬化， 金屬就不會發(fā)生均勻塑性變形。金屬就不會發(fā)生均勻塑性變形。 加工硬化是強化金屬的重要手段之加工硬化是強化金屬的重要手段之 一，尤其對于那些不能通過熱處理強一，尤其對于那些不能通過熱處理強 化的金

30、屬和合金更為重要?；慕饘俸秃辖鸶鼮橹匾?第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.2 5.2 塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響金屬拉拔示意圖金屬拉拔示意圖2.2.產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力（Residual Inner Stress）：存在于材料內(nèi)部、不依賴于外加載荷的應(yīng)力。存在于材料內(nèi)部、不依賴于外加載荷的應(yīng)力。 殘余內(nèi)應(yīng)力通常是由于材料在外力作用下內(nèi)部變形不均勻而引起的。殘余內(nèi)應(yīng)力通常是由于材料在外力作用下內(nèi)部變形不均勻而引起的。 殘余內(nèi)應(yīng)力的類別：殘余內(nèi)應(yīng)力的類別：l 第一類內(nèi)應(yīng)力第一類內(nèi)應(yīng)力 存在于金屬表層與心部之間的內(nèi)應(yīng)力，又稱為存在于金

31、屬表層與心部之間的內(nèi)應(yīng)力，又稱為宏觀內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力。 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：表層與心部變形不一致。表層與心部變形不一致。l 第二類內(nèi)應(yīng)力第二類內(nèi)應(yīng)力 存在于晶粒之間或晶粒內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力，又稱為存在于晶粒之間或晶粒內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力，又稱為微觀內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力。 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：晶粒之間的變形不均勻。晶粒之間的變形不均勻。l 第三類內(nèi)應(yīng)力第三類內(nèi)應(yīng)力 存在于晶體缺陷中的內(nèi)應(yīng)力，又稱為存在于晶體缺陷中的內(nèi)應(yīng)力，又稱為點陣畸變點陣畸變。 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：晶體缺陷增加引起畸變增大。晶體缺陷增加引起畸變增大。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.2 5.2 塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和

32、性能的影響第三類內(nèi)應(yīng)力，即點陣畸變是冷變形金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力。金屬在冷第三類內(nèi)應(yīng)力，即點陣畸變是冷變形金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力。金屬在冷變形過程中吸收的能量，約變形過程中吸收的能量，約80%80%90%90%消耗于點陣畸變。消耗于點陣畸變。點陣畸變不僅是金屬強化的主要原因，同時還是冷變形金屬在重新加點陣畸變不僅是金屬強化的主要原因，同時還是冷變形金屬在重新加熱時發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動力。熱時發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶的驅(qū)動力。殘余內(nèi)應(yīng)力的危害：殘余內(nèi)應(yīng)力的危害：引起壓力加工、熱處理過程中零件的變形和開裂。引起壓力加工、熱處理過程中零件的變形和開裂。降低金屬的強度（第一、二類內(nèi)應(yīng)力）。降低金屬的強度（第一、二類

33、內(nèi)應(yīng)力）。降低金屬的耐腐蝕性。降低金屬的耐腐蝕性。殘余內(nèi)應(yīng)力的消除：殘余內(nèi)應(yīng)力的消除：去應(yīng)力退火或低溫回火。去應(yīng)力退火或低溫回火。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.2 5.2 塑性變形對金屬組織和性能的影響塑性變形對金屬組織和性能的影響冷變形金屬在不同加熱溫度時冷變形金屬在不同加熱溫度時組織和性能的變化組織和性能的變化第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.3 5.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶第三節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶第三節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶 一、冷變形金屬在加熱時一、冷變形金屬在加熱時 的組織和性能變化的組織和性能變化金屬經(jīng)冷變形后，組織處于亞金屬經(jīng)冷變形后，組織處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，有自發(fā)恢復(fù)到變形前穩(wěn)定狀態(tài)，有自

34、發(fā)恢復(fù)到變形前狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴散能力小，亞穩(wěn)定狀態(tài)可以維擴散能力小，亞穩(wěn)定狀態(tài)可以維持相當(dāng)長時間。加熱可以增加原持相當(dāng)長時間。加熱可以增加原子擴散能力，金屬將依次發(fā)生回子擴散能力，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。與此同復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。與此同時，變形金屬的組織與性能也發(fā)時，變形金屬的組織與性能也發(fā)生相應(yīng)的變化。生相應(yīng)的變化。一、回復(fù)一、回復(fù)（Recovery）冷變形金屬在較低溫度加熱時，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前所產(chǎn)生的冷變形金屬在較低溫度加熱時，在光學(xué)顯微組織發(fā)生改變前所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過程稱為回復(fù)。某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過程稱為

35、回復(fù)。1.1.組織、結(jié)構(gòu)方面組織、結(jié)構(gòu)方面顯微組織沒有明顯變化。顯微組織沒有明顯變化。亞結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，表現(xiàn)為晶體缺陷數(shù)量減少。亞結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，表現(xiàn)為晶體缺陷數(shù)量減少?？瘴慌c間隙原子的合并、同一滑移面上的異號位錯相互抵消。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.3 5.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶空位與間隙原子的合并空位與間隙原子的合并同一滑移面上的異號位錯相互抵消同一滑移面上的異號位錯相互抵消2.2.性能方面性能方面力學(xué)性能沒有明顯變化。力學(xué)性能沒有明顯變化。強度和硬度略有下降，塑性和韌性略有升高。內(nèi)應(yīng)力和電阻率明顯降低。內(nèi)應(yīng)力和電阻率明顯降低。3.3.工業(yè)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用 去應(yīng)力退火去應(yīng)力

36、退火（Stress-relief Annealing）： 將已經(jīng)加工硬化的金屬在較低的溫度下加熱，使其內(nèi)應(yīng)力基本消將已經(jīng)加工硬化的金屬在較低的溫度下加熱，使其內(nèi)應(yīng)力基本消 除，同時保持加工硬化的工藝方法。除，同時保持加工硬化的工藝方法。 冷卷彈簧制品，在成型后進行一次冷卷彈簧制品，在成型后進行一次250250300300 C C的低溫加熱，充分消的低溫加熱，充分消 除殘余內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，改善性能。除殘余內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，改善性能。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.3 5.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶二、再結(jié)晶二、再結(jié)晶（Recrystallization）冷變形金屬在加熱到一定溫度后，在已變

37、形組織中重新產(chǎn)生無畸變冷變形金屬在加熱到一定溫度后，在已變形組織中重新產(chǎn)生無畸變的新晶粒，性能發(fā)生明顯的變化，并恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)的過程稱為的新晶粒，性能發(fā)生明顯的變化，并恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)的過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶。1.1.組織、結(jié)構(gòu)方面組織、結(jié)構(gòu)方面變形的晶粒完全恢復(fù)為等軸狀晶粒。變形的晶粒完全恢復(fù)為等軸狀晶粒。晶體缺陷數(shù)量明顯減少。晶體缺陷數(shù)量明顯減少。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.3 5.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶加熱前加熱前 625加熱加熱（不完全再結(jié)晶）（不完全再結(jié)晶） 670加熱加熱（完全再結(jié)晶）（完全再結(jié)晶） 2.2.性能方面性能方面強度和硬度顯著下降，塑性和韌性顯著升高。

38、強度和硬度顯著下降，塑性和韌性顯著升高。冷變形時的加工硬化完全消失，金屬恢復(fù)到變形前的性能。冷變形時的加工硬化完全消失，金屬恢復(fù)到變形前的性能。內(nèi)應(yīng)力基本被消除。內(nèi)應(yīng)力基本被消除。 3.3.工業(yè)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用 再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火（Recrystallization Annealing）：將已經(jīng)加工硬化的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，使其發(fā)生再結(jié)晶，以將已經(jīng)加工硬化的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，使其發(fā)生再結(jié)晶，以消除加工硬化的工藝方法。消除加工硬化的工藝方法。 冷拉鋼絲時，每拉拔一次，中間均進行再結(jié)晶退火，消除加工硬化，冷拉鋼絲時，每拉拔一次，中間均進行再結(jié)晶退火，消除加工硬化，以便于下一次拉拔。以便

39、于下一次拉拔。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.3 5.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶4.4.再結(jié)晶的驅(qū)動力再結(jié)晶的驅(qū)動力 再結(jié)晶的驅(qū)動力來自冷變形所產(chǎn)生的儲存能，即點陣畸變能。再結(jié)晶的驅(qū)動力來自冷變形所產(chǎn)生的儲存能，即點陣畸變能。再結(jié)晶過程也是一個形核和長大的過程。在溫度作用下，再結(jié)晶的核心(晶核)在變形造成的最大畸變處形成，隨后進一步長大，最終全面替換畸變的晶粒，金屬組織重新恢復(fù)成無畸變的等軸晶。5.5.再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度冷變形金屬發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度。冷變形金屬發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度。再結(jié)晶不是一個恒溫過程，沒有恒定的轉(zhuǎn)變溫度。因此，再結(jié)晶溫度的意義是開始發(fā)生再結(jié)晶的溫度，即在畸變的晶粒中

40、產(chǎn)生無畸變等軸晶粒的最低溫度。再結(jié)晶溫度可定義為：再結(jié)晶溫度可定義為：經(jīng)過嚴(yán)重冷變形經(jīng)過嚴(yán)重冷變形( (變形度變形度70%70%以上以上) )的金屬，保溫的金屬，保溫1h1h能夠完成再結(jié)晶能夠完成再結(jié)晶( (轉(zhuǎn)變量轉(zhuǎn)變量95%)95%)的溫度。的溫度。純金屬的再結(jié)晶溫度：純金屬的再結(jié)晶溫度：T T再再0.40.4T Tm m（K K）6.6.再結(jié)晶與重結(jié)晶（相變）的區(qū)別再結(jié)晶與重結(jié)晶（相變）的區(qū)別 本質(zhì)區(qū)別在于是否發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的變化。本質(zhì)區(qū)別在于是否發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的變化。 再結(jié)晶過程沒有，重結(jié)晶（相變）過程有。再結(jié)晶過程沒有，重結(jié)晶（相變）過程有。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)

41、晶5.3 5.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶三、晶粒長大三、晶粒長大（Grain Growth）冷變形金屬在再結(jié)晶結(jié)束后，繼續(xù)升高溫度或延長保溫時間，晶粒就冷變形金屬在再結(jié)晶結(jié)束后，繼續(xù)升高溫度或延長保溫時間，晶粒就會不斷長大，這一過程即稱為晶粒長大。會不斷長大，這一過程即稱為晶粒長大。晶粒的長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒的長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會使金屬的強度，尤其是塑性和韌性降低。晶粒粗大會使金屬的強度，尤其是塑性和韌性降低。 晶粒長大的類型：晶粒長大的類型：正常長大正常長大隨溫度升高或保溫時間延長，晶粒均勻連續(xù)地長大。反常長大（

42、二次反常長大（二次再結(jié)晶）再結(jié)晶）晶粒不均勻不連續(xù)地迅速長大。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.3 5.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶硅鐵二次再結(jié)晶的反常晶粒硅鐵二次再結(jié)晶的反常晶粒四、影響再結(jié)晶后晶粒度的因素四、影響再結(jié)晶后晶粒度的因素1.1.加熱溫度和保溫時間加熱溫度和保溫時間 加熱溫度越高、保溫時間越長，晶粒越加熱溫度越高、保溫時間越長，晶粒越粗大。粗大。 其中溫度的影響尤其顯著。其中溫度的影響尤其顯著。2.2.變形程度變形程度變形量較小變形量較小不發(fā)生再結(jié)晶，晶粒保持原狀、大小。變形量達(dá)到變形量達(dá)到2 210%10%再結(jié)晶后的晶粒異常粗大。2 210%10%的變形量稱為臨界變形度。的變形

43、量稱為臨界變形度。變形量超過臨界變形度變形量超過臨界變形度隨變形程度的增加，晶粒細(xì)小而均勻。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.3 5.3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶加熱溫度對晶粒度的影響加熱溫度對晶粒度的影響預(yù)先變形程度對預(yù)先變形程度對晶粒度的影響晶粒度的影響第三節(jié)金屬的熱加工第三節(jié)金屬的熱加工一、熱加工與冷加工一、熱加工與冷加工 工業(yè)生產(chǎn)中，熱加工通常指將金屬材料加熱至高溫進行鍛造、軋制工業(yè)生產(chǎn)中，熱加工通常指將金屬材料加熱至高溫進行鍛造、軋制等壓力加工過程。等壓力加工過程。 金屬學(xué)角度的冷、熱加工：金屬學(xué)角度的冷、熱加工： 熱加工熱加工（Hot Working）：指在再結(jié)晶溫度以上的加工過程。指在再結(jié)晶溫度以上的加工過程。 冷加工冷加工（Cold Working）：指在再結(jié)晶溫度以下的加工過程。指在再結(jié)晶溫度以下的加工過程。 FeFe的再結(jié)晶溫度的再結(jié)晶溫度T T再再450450 C C，在，在400400 C C對其加工，則為冷加工。對其加工，則為冷加工。 PbPb的再結(jié)晶溫度的再結(jié)晶溫度T T再再-33-33 C C，在，在2525 C(C(常溫常溫) )對其加工，則為熱加工。對其加工，則為熱加工。第五章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶5.4 5.4 金屬的熱加工金屬的熱加工二、動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶二、動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶動態(tài)回復(fù)動態(tài)回復(fù)（Dyn