第三章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶

1、第三章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶 在機(jī)械制造業(yè)中，許多金屬制品都是通過對金屬鑄錠進(jìn)行壓力加工獲得的。壓力加工就是對金屬施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形，改變形狀和尺寸，用以制造毛坯、工件或機(jī)械零件的成形加工方法，在生產(chǎn)中稱為鍛壓，即鍛造與沖壓的總稱。常見的金屬壓力加工方法有鍛造、軋制、擠壓、拉拔、冷沖壓等，如圖31所示。 壓力加工不僅改變了金屬的外形和尺寸，而且其內(nèi)部的組織和性能也發(fā)生了變化。因此，研究金屬塑性變形的過程，了解金屬變形時(shí)組織與性能的變化規(guī)律，以及加熱對變形金屬的影響，對金屬的加工工藝、加工質(zhì)量和使用有很重要的意義。第一節(jié) 金屬的塑性變形第二節(jié) 冷塑性變形對金屬組織和性能的影響第三節(jié) 回

2、復(fù)與再結(jié)晶第四節(jié) 金屬的熱塑性變形第一節(jié) 金屬的塑性變形 金屬在外力作用下產(chǎn)生變形，其變形過程包括彈性變形和塑性變形兩個(gè)階段。彈性變形在外力去除后能夠完全恢復(fù)，所以不能用于成形加工。只有塑性變形才是永久變形，才能用于成形加工。 彈性變形是由于外力克服原子間的作用力，使原子之間的距離發(fā)生改變，原子偏離原來平衡位置而產(chǎn)生的。當(dāng)外力去除后，在原子間作用力的作用下，原子返回原來的平衡位置，金屬恢復(fù)原來的形狀。金屬產(chǎn)生彈性變形后，其組織和性能不發(fā)生改變。 金屬的塑性變形過程比彈性變形復(fù)雜，而且塑性變形后金屬的組織及性能發(fā)生了改變。一、單晶體的塑性變形 工業(yè)用金屬材料大多是由多晶體構(gòu)成的，要說明多晶體的塑

3、性變形，必須首先了解單晶體的塑性變形。 實(shí)驗(yàn)證明，晶體在正應(yīng)力作用下，只能產(chǎn)生彈性變形，并直接過渡到脆性斷裂，只有在切應(yīng)力作用下才會(huì)產(chǎn)生塑性變形。單晶體的塑性變形主要是以滑移的方式進(jìn)行的，即晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動(dòng)，如圖32所示。要使晶體產(chǎn)生滑移，作用在晶體上的切應(yīng)力必須達(dá)到一定的數(shù)值。當(dāng)原子移動(dòng)到新的平衡位置時(shí)，晶體就產(chǎn)生了微量的塑性變形，大量晶面上滑移的總和，就形成了宏觀上的塑性變形。 一般來說，滑移是沿原子排列最密集的晶面及原子排列最密集的方向進(jìn)行的，分別稱為滑移面和滑移方向。金屬因晶體結(jié)構(gòu)不同，其滑移面和滑移方向的數(shù)量是不同的，所以金屬的塑性存在著差異?；?/p>

4、面和滑移方向的數(shù)量越多，金屬的塑性就越好。 研究表明，晶體滑移時(shí)，并不是一部分相對于另一部分沿滑移面作整體移動(dòng)。如果是整體移動(dòng)，那么，需要克服的滑移阻力是十分巨大的。實(shí)際上滑移是借助于晶體中位錯(cuò)的移動(dòng)來進(jìn)行的，如圖33所示。在切應(yīng)力的作用下，通過一條位錯(cuò)線從滑移面的一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，便產(chǎn)生了一個(gè)原子間距的滑移，這只需要位錯(cuò)線附近少數(shù)原子作微量移動(dòng)，而且移動(dòng)的距離小于一個(gè)原子間距。大量的位錯(cuò)移出晶體表面，就產(chǎn)生了宏觀上的塑性變形。因此。通過位錯(cuò)移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)滑移，所需克服的滑移阻力很小，滑移容易進(jìn)行，這與實(shí)際測量的結(jié)果是一致的。 單晶體在滑移變形時(shí)還伴隨著晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖34所示。晶體受拉伸產(chǎn)生滑移

5、變形時(shí)，拉伸軸線將逐漸偏移。由于實(shí)際拉伸時(shí)夾頭的限制，拉伸軸線方向不能改變，造成晶體中的晶面不得不作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果使滑移面逐漸趨向與拉伸軸線平行的方向。材料力學(xué)證明，與拉力成45°角的截面上分切應(yīng)力數(shù)值最大，有利于滑移的進(jìn)行。因此，與拉力成45°角的滑移面上最先產(chǎn)生滑移，隨著晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)，該滑移面上的滑移逐漸停止，原來處于其他位向的滑移面轉(zhuǎn)到了與拉力成45°角的方向上而參與滑移。這樣，晶體中的滑移有可能在更多的滑移面上進(jìn)行，結(jié)果使晶體均勻地變形。 單晶體的另一種塑性變形方式是孿生。孿生是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面(孿晶面)及晶向(孿生

6、方向)產(chǎn)生剪切變形，如圖35所示。孿生變形與滑移變形的區(qū)別主要有：孿生變形使一部分晶體發(fā)生均勻的切應(yīng)變，滑移變形則集中在一些滑移面上；孿生使晶體變形部分的位向發(fā)生了改變，滑移變形后晶體各部分的位向不發(fā)生改變；孿生變形時(shí)原子沿孿生方向的位移量是原子間距的分?jǐn)?shù)值，滑移變形時(shí)原子沿滑移方向的位移量則是原子間距的整數(shù)倍；孿生變形所需切應(yīng)力的數(shù)值比滑移變形的大，只有在滑移很難進(jìn)行的情況下才發(fā)生孿生變形。二、多晶體的塑性變形 常用金屬都是多晶體，多晶體是由許許多多的晶粒組成的。由于各個(gè)晶粒的晶格位向不同，又有晶界存在，各個(gè)晶粒的塑性變形互相影響，因此，多晶體塑性變形的過程比單晶體復(fù)雜，有如下特點(diǎn)：1晶粒位

7、向的影響 由于多晶體中各個(gè)晶粒的晶格位向不同，在外力作用下，有的晶粒處于有利于滑移的位置，有的晶粒處于不利于滑移的位置，如圖36所示。當(dāng)處于有利滑移位置的晶粒要進(jìn)行滑移時(shí)，必然受到周圍不同位向晶粒的阻礙，使滑移阻力增加，金屬的塑性變形抗力增大。 2晶界的作用 在多晶體中，晶界處原子排列混亂，晶格畸變程度大，位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)的阻力增大，宏觀上表現(xiàn)為塑性變形抗力增大，強(qiáng)度提高。由于晶界的作用，多晶體往往表現(xiàn)出竹節(jié)狀變形，如圖37所示。 綜上所述，多晶體的塑性變形抗力不僅與金屬的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與晶粒大小有關(guān)。在一定體積的晶體內(nèi)，晶粒的數(shù)目越多，晶界的數(shù)量也越多，晶粒越細(xì)小，位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)的阻力越大，金屬的

8、塑性變形抗力越大，因此，金屬的強(qiáng)度越高。在同樣的變形條件下，晶粒越細(xì)小，變形可分散到更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，不易產(chǎn)生集中變形。另外，晶界多，裂紋不易擴(kuò)展，從而使金屬在斷裂前能產(chǎn)生較大的塑性變形，表現(xiàn)出金屬具有較高的塑性和韌性。第二節(jié) 冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形不但改變了金屬的形狀和尺寸，而且還使其組織與性能發(fā)生了重大變化。一、冷塑性變形對金屬組織的影響 金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，隨著外形的改變，其內(nèi)部晶粒的形狀也發(fā)生了變化。當(dāng)變形程度很大時(shí)，晶粒會(huì)沿變形方向伸長，形成細(xì)條狀，這種呈纖維狀的組織稱為冷加工纖維組織，如圖38所示。 形成纖維組織后，金屬的性能會(huì)具有明顯的方向性，其縱向（沿纖維方

9、向)的力學(xué)性能高于橫向(垂直于纖維方向)的性能。同時(shí)，由于各個(gè)晶粒的變形不均勻，使金屬在冷塑性變形后其內(nèi)部存在著殘留應(yīng)力。 冷塑性變形除了使晶粒的形狀發(fā)生變化外，還會(huì)使晶粒內(nèi)部的亞晶粒細(xì)化，亞晶界數(shù)量增多，位錯(cuò)密度增加。由于塑性變形時(shí)晶格畸變加劇以及位錯(cuò)間的相互干擾，會(huì)阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，增加了金屬的塑性變形抗力，使金屬的力學(xué)性能發(fā)生了改變。二、冷塑性變形對金屬性能的影響 冷塑性變形改變了金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，引起了金屬力學(xué)性能的變化。隨著冷塑性變形程度的增加，金屬材料的強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為冷變形強(qiáng)化。圖39所示為低碳鋼冷塑性變形時(shí)，其力學(xué)性能的變化規(guī)律。三、冷塑性變形使金

10、屬產(chǎn)生殘留應(yīng)力 殘留應(yīng)力是指作用于金屬上的外力除去后，仍存在于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。殘留應(yīng)力是由于金屬塑性變形不均勻造成的。根據(jù)殘留應(yīng)力的作用范圍，可分為宏觀殘留應(yīng)力、微觀殘留應(yīng)力、晶格畸變應(yīng)力三類。宏觀殘留應(yīng)力是指金屬各部分塑性變形不均勻所造成的殘留應(yīng)力；微觀殘留應(yīng)力是指晶體中各晶?；騺喚ЯＫ苄宰冃尾痪鶆蛩斐傻臍埩魬?yīng)力；晶格畸變應(yīng)力是指金屬塑性變形時(shí)，晶體中一部分原子偏離其平衡位置造成晶格畸變而產(chǎn)生的殘留應(yīng)力。 一般地，殘留應(yīng)力的存在對金屬將產(chǎn)生一些影響，例如降低工件的承載能力、使工件的形狀和尺寸發(fā)生改變、降低工件的耐蝕性等，但殘留壓應(yīng)力可使金屬的疲勞強(qiáng)度提高。熱處理可以消除冷塑性變形后金屬內(nèi)部

11、的殘留應(yīng)力。四、冷變形強(qiáng)化在生產(chǎn)中的影響 冷變形強(qiáng)化可以提高金屬的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，是強(qiáng)化金屬材料的一種工藝方法，特別是對那些不能用熱處理強(qiáng)化的金屬材料更為重要。例如純金屬、多數(shù)銅合金、奧氏體不銹鋼等，在出廠前，都要經(jīng)過冷軋或冷拉加工，以冷變形強(qiáng)化的狀態(tài)供應(yīng)給用戶使用。另外，冷變形強(qiáng)化還可以使金屬材料具有瞬時(shí)抗超載能力。在構(gòu)件使用過程中，不可避免地會(huì)在某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中或偶然過載的現(xiàn)象，過載部位出現(xiàn)微量朔性變形，引起冷變形強(qiáng)化，使變形自行終止，從而在一定程度上提高構(gòu)件的使用安全性。 冷變形強(qiáng)化是工件使用壓力加工方法成形的必要條件。如圖310所示，金屬材料在沖壓過程中。由于圓角r處變形量最大

12、，當(dāng)圓角處的金屬變形到一定程度時(shí)，產(chǎn)生冷變形強(qiáng)化，強(qiáng)度和硬度提高，而其他部位的金屬未產(chǎn)生冷變形強(qiáng)化，強(qiáng)度和硬度較低，所以隨后的塑性變形發(fā)生轉(zhuǎn)移，這樣既避免了已發(fā)生塑性變形的部位繼續(xù)變形導(dǎo)致破裂，又可以得到壁厚均勻的沖壓件。 冷變形強(qiáng)化雖然使金屬材料的強(qiáng)度、硬度提高，但會(huì)使金屬材料的塑性降低，繼續(xù)變形困難，甚至出現(xiàn)破裂。為了使金屬材料能繼續(xù)進(jìn)行壓力加工，必須施行中間熱處理，以消除冷變形強(qiáng)化，這就增加了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)率。冷塑性變形除了影響金屬的力學(xué)性能外，還會(huì)使金屬的某些物理、化學(xué)性能發(fā)生改變，如電阻增加、化學(xué)活性增大、耐蝕性下降等。第三節(jié) 回復(fù)與再結(jié)晶冷塑性變形后的金屬，其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了改

13、變，而且由于金屬各部分變形不均勻，在金屬內(nèi)部形成殘留應(yīng)力，使金屬處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有自發(fā)地恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢。常溫下，原子活動(dòng)能力比較弱，這種不穩(wěn)定狀態(tài)要經(jīng)過很長時(shí)間才能逐漸過渡到穩(wěn)定狀態(tài)。如果對冷塑性變形后的金屬加熱，由于原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，就會(huì)迅速發(fā)生一系列組織與性能的變化，使金屬恢復(fù)到變形前的穩(wěn)定狀態(tài)，如圖311所示。 冷塑性變形后的金屬在加熱過程中，隨加熱溫度的升高，要經(jīng)歷回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大三個(gè)階段的變化。一、回復(fù) 當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，金屬中的原子有一定的活動(dòng)能力。通過原子短距離的移動(dòng)，使變形金屬內(nèi)部晶體缺陷的數(shù)量減少，晶格畸變程度減輕，殘留應(yīng)力降低，但造成冷變形強(qiáng)化的主要原因尚

14、未消除，因而，冷加工纖維組織無明顯變化，金屬的力學(xué)性能也無明顯變化，這一階段稱為回復(fù)。在回復(fù)階段，金屬的一些物理、化學(xué)性能部分地恢復(fù)到了變形前的狀態(tài)。 工業(yè)生產(chǎn)中，常常利用回復(fù)現(xiàn)象對冷塑性變形金屬進(jìn)行低溫退火處理(又稱為去應(yīng)力退火)，目的是在保持冷變形強(qiáng)化的情況下，消除殘留應(yīng)力，提高塑性。例如，用冷拉彈簧鋼絲制成的彈簧，在卷制后要進(jìn)行一次250300的低溫退火處理，以消除殘留應(yīng)力并使彈簧定形；冷拉黃銅制件，為了消除殘留應(yīng)力，避免應(yīng)力腐蝕破壞，也需要進(jìn)行280的低溫退火處理。二、再結(jié)晶 隨著加熱溫度的升高，原子的活動(dòng)能力增強(qiáng)，當(dāng)加熱到一定溫度(如純鐵加熱到450以上)時(shí)，變形金屬中的纖維狀晶粒將

15、重新變?yōu)榈容S晶粒，這一階段稱為再結(jié)晶。 再結(jié)晶也是通過晶核形成和長大的方式進(jìn)行的。新晶粒的核心首先在金屬中晶粒變形最嚴(yán)重的區(qū)域形成，然后晶核吞并舊晶粒，向周圍長大形成新的等軸晶粒。當(dāng)變形晶粒全部轉(zhuǎn)化為新的等軸晶粒時(shí)，再結(jié)晶過程就完成了。再結(jié)晶前后的晶格類型完全相同，因此，再結(jié)晶過程不是相變過程，只是改變了晶粒的形狀和消除了因變形而產(chǎn)生的某些晶體缺陷，如位錯(cuò)密度下降、晶格畸變消失等。結(jié)果使冷塑性變形金屬的組織與性能基本上恢復(fù)到了變形前的狀態(tài)，金屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性升高，冷變形強(qiáng)化現(xiàn)象完全消失。 再結(jié)晶不是在恒定溫度下發(fā)生的，而是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的過程。能進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度

16、，用符號T再表示。 實(shí)驗(yàn)證明，再結(jié)晶溫度與金屬的冷塑性變形程度有關(guān)，如圖312所示。金屬的塑性變形程度越大，再結(jié)晶溫度就越低。這主要是因?yàn)樽冃纬潭仍酱?，則晶格畸變程度越大，位錯(cuò)密度越高，金屬的組織越不穩(wěn)定，開始再結(jié)晶的溫度越低。純金屬的再結(jié)晶溫度可根據(jù)其熔點(diǎn)按下式進(jìn)行計(jì)算： 例如，工業(yè)純鐵的T再約為723K，即450。在生產(chǎn)中，為了消除冷變形強(qiáng)化，恢復(fù)塑性以便繼續(xù)進(jìn)行壓力加工，必須對冷塑性變形金屬進(jìn)行中間退火處理。將冷塑性變形金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保持適當(dāng)時(shí)間，使變形晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，以消除冷變形強(qiáng)化和殘留應(yīng)力，這種熱處理方法稱為再結(jié)晶退火。實(shí)際生產(chǎn)中的再結(jié)晶退火溫度，通常為金

17、屬再結(jié)晶溫度以上100200C。表31為常見金屬的去應(yīng)力退火與再結(jié)晶退火的溫度。三、晶粒長大冷塑性變形金屬經(jīng)再結(jié)晶后，一般都得到細(xì)小均勻的等軸晶粒。如果繼續(xù)升高溫度或延長保溫時(shí)間，則再結(jié)晶后形成的新晶粒會(huì)逐漸長大，導(dǎo)致晶粒變粗，金屬的力學(xué)性能下降，這一階段稱為晶粒長大。 晶粒長大可以使金屬內(nèi)部的晶界數(shù)量減少，組織處于更穩(wěn)定的狀態(tài)，因此，晶粒長大是一個(gè)自發(fā)的過程。晶粒長大的實(shí)質(zhì)是一個(gè)晶粒的邊界向另一個(gè)晶粒中遷移，把另一個(gè)晶粒的晶格位向逐步改變成與這個(gè)晶粒相同的位向，小晶粒變小直至消失(“吞并”)。大晶粒長大，如圖313所示。影響晶粒長大的因素主要有加熱溫度、保溫時(shí)間及冷塑性變形的程度。一般地，加

18、熱溫度越高，保溫時(shí)間越長，再結(jié)晶后的晶粒就越粗大；冷塑性變形的程度越大，再結(jié)晶后的晶粒就越細(xì)小。但冷塑性變形程度在210范圍內(nèi)時(shí)，再結(jié)晶后的晶粒會(huì)異常粗大，這主要是由于變形程度不大，變形僅在一部分晶粒中發(fā)生，再結(jié)晶時(shí)形核數(shù)量少造成的。第四節(jié) 金屬的熱塑性變形一、熱加工與冷加工的區(qū)別 金屬的熱塑性變形加工與冷塑性變形加工是以金屬的再結(jié)晶溫度來劃分的。凡是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形加工，稱為熱加工，而在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形加工則稱為冷加工。冷加工時(shí)，不能發(fā)生再結(jié)晶過程，必然產(chǎn)生冷變形強(qiáng)化現(xiàn)象。熱加工時(shí)，金屬的塑性變形與再結(jié)晶過程同時(shí)發(fā)生，所產(chǎn)生的變形強(qiáng)化被隨時(shí)的再結(jié)晶消除，因此，熱加工

19、后并不保留塑性變形帶來的強(qiáng)化效果。例如，鎢的再結(jié)晶溫度為1200，故鎢在1000時(shí)進(jìn)行塑性變形加工，仍屬于冷加工；錫的再結(jié)晶溫度為7，在室溫下對錫進(jìn)行的塑性變形加工就已經(jīng)屬于熱加工了。 金屬在冷加工時(shí)，由于產(chǎn)生冷變形強(qiáng)化，使變形抗力增大，因此，對于那些要求變形量較大和截面尺寸較大的工件，冷加工將是十分困難的。熱加工時(shí)，隨金屬溫度的升高，原子問結(jié)合力減小，冷變形強(qiáng)化被隨時(shí)消除，金屬的強(qiáng)度、硬度降低，塑性、韌性增加，所以，熱加工可用較小的能量消耗，來獲得較大的變形量。一般情況下，截面尺寸較小、材料塑性較好、加工精度和表面質(zhì)量要求較高的金屬制品用冷加工的方法來獲得；而截面尺寸較大、變形量較大、材料在室溫下硬脆性較高的金屬制品用熱加工的方法來獲得。二、熱加工對金屬組織和性能的影響1消除鑄態(tài)金屬的某些缺陷 通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬毛坯中的氣孔和疏松焊合，消除部分偏析，細(xì)化晶粒，改善夾雜物和碳化物的形態(tài)、大小與分布，結(jié)果使金屬的致密度和力學(xué)性能提高。表32為c=0.3的碳鋼在鑄態(tài)和鍛態(tài)時(shí)的力學(xué)性能比較。可見，經(jīng)熱加工后，鋼的強(qiáng)度、