第四章金屬的塑性變形與再結(jié)晶

1、壓力加工方法示意圖壓力加工方法示意圖一、一、金屬的塑性變形金屬的塑性變形二、二、塑性變形后的金屬在加熱時(shí)組織和塑性變形后的金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化性能的變化三、三、金屬材料的熱加工和冷加工金屬材料的熱加工和冷加工小結(jié)小結(jié) 金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、一、金屬的塑性變形金屬的塑性變形1 1單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形2 2多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形3 3塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響1 1單晶體的塑性變形單晶體的塑性變形單晶體變形的基本形式單晶體變形的基本形式 彈性變形、塑性變形（彈性變形、塑性變形（ 方式：滑移方式：滑移 和和 孿

2、生）孿生）正應(yīng)力使晶格發(fā)生彈性變形或斷裂正應(yīng)力使晶格發(fā)生彈性變形或斷裂切應(yīng)力使晶格發(fā)生彈性歪扭或塑性變形切應(yīng)力使晶格發(fā)生彈性歪扭或塑性變形塑性變形的實(shí)質(zhì)塑性變形的實(shí)質(zhì) 原子移動(dòng)到新的穩(wěn)定位置原子移動(dòng)到新的穩(wěn)定位置滑滑 移移 在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）發(fā)生滑動(dòng)。滑動(dòng)。滑移的實(shí)現(xiàn)滑移的實(shí)現(xiàn) 借助于借助于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 滑移是晶體內(nèi)部位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。并非是晶滑移是晶體內(nèi)部位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。并非是晶體兩部分沿滑移面作整體的滑動(dòng)。體

3、兩部分沿滑移面作整體的滑動(dòng)。 滑移只在切應(yīng)力作用下發(fā)生，不同金屬產(chǎn)生滑移的最小滑移只在切應(yīng)力作用下發(fā)生，不同金屬產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力大小不同。切應(yīng)力大小不同。滑移的特點(diǎn)：滑移的特點(diǎn)： 滑移造成的晶體總變形量是滑移造成的晶體總變形量是原子間距的整數(shù)值，不引起晶格原子間距的整數(shù)值，不引起晶格位向的變化。位向的變化。 滑移總是沿著晶體中原子密滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面和其上密度最大度最大的晶面和其上密度最大的晶向進(jìn)行。（的晶向進(jìn)行。（滑移系滑移系） 滑移時(shí)晶體伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng)?；茣r(shí)晶體伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng)。滑移系（滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向），滑移系數(shù)目滑移系（滑移面和該面上的一個(gè)滑移方向），滑移系數(shù)

4、目，材，材料塑性料塑性；滑移方向；滑移方向，材料塑性，材料塑性。如。如FCCFCC和和BCCBCC的滑移系為的滑移系為1212個(gè)，個(gè)，HCPHCP為為3 3個(gè)，個(gè)，F(xiàn)CCFCC的滑移方向多于的滑移方向多于BCCBCC，金屬塑性如金屬塑性如CuCu（FCCFCC）FeFe（BCCBCC）ZnZn（HCPHCP）。）。孿生孿生 在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變，產(chǎn)生塑性變形。（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變，產(chǎn)生塑性變形。金屬晶體中變形部分與金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生面兩未變形

5、部分在孿生面兩側(cè)形成鏡面對(duì)稱(chēng)關(guān)系。側(cè)形成鏡面對(duì)稱(chēng)關(guān)系。發(fā)生孿生的部分（切發(fā)生孿生的部分（切變部分）稱(chēng)為孿生帶或變部分）稱(chēng)為孿生帶或?qū)\晶。孿晶。孿生借助于切變進(jìn)行，所需切應(yīng)力大，速度快，在滑移較難進(jìn)孿生借助于切變進(jìn)行，所需切應(yīng)力大，速度快，在滑移較難進(jìn)行時(shí)發(fā)生行時(shí)發(fā)生. . 特點(diǎn)：特點(diǎn)：孿生孿生原子移動(dòng)的相對(duì)位移是原子間距的分?jǐn)?shù)值原子移動(dòng)的相對(duì)位移是原子間距的分?jǐn)?shù)值. . FCCFCC金屬一般不發(fā)生孿生，少數(shù)在極低溫度下發(fā)生，金屬一般不發(fā)生孿生，少數(shù)在極低溫度下發(fā)生，BCCBCC金金屬僅在室溫或受沖擊時(shí)發(fā)生。屬僅在室溫或受沖擊時(shí)發(fā)生。HCPHCP金屬較容易發(fā)生孿生。金屬較容易發(fā)生孿生。 黃銅中的

6、孿晶黃銅中的孿晶鋅中的孿晶鋅中的孿晶金屬材料塑性變形的實(shí)質(zhì)：金屬材料塑性變形的實(shí)質(zhì)：金屬塑性變形實(shí)質(zhì)上是以金屬塑性變形實(shí)質(zhì)上是以滑移滑移和和孿生孿生兩種形式通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行的。兩種形式通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行的。 2 2、多晶體的塑性變形、多晶體的塑性變形多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復(fù)雜。多晶界，變形復(fù)雜。2 2、多晶體的塑性變形、多晶體的塑性變形（A A）晶界的影響晶界的影響 晶界起強(qiáng)化作用晶界起強(qiáng)化作用（ B B）晶粒位向的影響晶粒位向的影響 軟位向、硬位向。軟位向、硬位向。 多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同

7、，多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復(fù)雜。且存在許多晶界，變形復(fù)雜。細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化通過(guò)晶粒細(xì)化使強(qiáng)度、硬度、塑性、通過(guò)晶粒細(xì)化使強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性提高的現(xiàn)象。韌性提高的現(xiàn)象。強(qiáng)化原理強(qiáng)化原理晶界原子排列較不規(guī)則晶界原子排列較不規(guī)則缺陷多缺陷多滑滑移阻力大。晶粒越細(xì)小，則晶界越多，移阻力大。晶粒越細(xì)小，則晶界越多，變形抗力越大，則強(qiáng)度越大。變形抗力越大，則強(qiáng)度越大。晶粒越細(xì)小，單位體積晶粒多晶粒越細(xì)小，單位體積晶粒多變形分散變形分散減少減少應(yīng)力集中應(yīng)力集中 晶粒越細(xì)小，晶界越多且越曲折晶粒越細(xì)小，晶界越多且越曲折不利于裂紋的傳不利于裂紋的傳播播斷裂前承受較大的塑性

8、變形，則塑性越好。斷裂前承受較大的塑性變形，則塑性越好。 由于晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度越高，塑性越好，所以斷裂由于晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度越高，塑性越好，所以斷裂時(shí)需要消耗較大的功。因而韌性也較好。時(shí)需要消耗較大的功。因而韌性也較好。3 3、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響（1 1）塑性變形對(duì)金屬組織的影響）塑性變形對(duì)金屬組織的影響 形成形成纖維組織纖維組織 形成形成亞結(jié)構(gòu)亞結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生產(chǎn)生形變織構(gòu)形變織構(gòu)（2 2）塑性變形對(duì)金屬性能的影響）塑性變形對(duì)金屬性能的影響 產(chǎn)生產(chǎn)生加工硬化加工硬化金屬發(fā)生塑性變形金屬發(fā)生塑性變形, ,隨冷變形程度隨冷變形程度的增大，其強(qiáng)度和硬度顯著提高，

9、的增大，其強(qiáng)度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象。塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象。如：冷軋薄鋼板如：冷軋薄鋼板 冷拔鋼絲等。冷拔鋼絲等。 由于纖維組織和形變織構(gòu)的產(chǎn)生，使金屬性能產(chǎn)生各向異性。由于纖維組織和形變織構(gòu)的產(chǎn)生，使金屬性能產(chǎn)生各向異性。 使金屬晶體缺陷增多，并產(chǎn)生使金屬晶體缺陷增多，并產(chǎn)生殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力。變形、開(kāi)裂、耐蝕性下降。利用好可提高表面疲勞強(qiáng)度變形、開(kāi)裂、耐蝕性下降。利用好可提高表面疲勞強(qiáng)度變形變形10% 10010% 100變形變形40% 10040% 100 變形變形80%80%纖維組織纖維組織100100 工業(yè)純鐵不同變形度的顯微組織工業(yè)純鐵不同變形度的顯微組織亞結(jié)構(gòu)

10、形成亞結(jié)構(gòu)形成l位錯(cuò)不均勻分布，并使晶粒碎化成許多位位錯(cuò)不均勻分布，并使晶粒碎化成許多位向略有差異的亞晶粒。向略有差異的亞晶粒。（2 2）織構(gòu)）織構(gòu)絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，性能出現(xiàn)各向異性。性能出現(xiàn)各向異性。晶粒拉長(zhǎng)，但未出現(xiàn)織構(gòu)。晶粒拉長(zhǎng)，但未出現(xiàn)織構(gòu)。晶粒拉長(zhǎng)，且出現(xiàn)晶粒拉長(zhǎng)，且出現(xiàn)織構(gòu)織構(gòu)。n（1 1）絲織構(gòu)）絲織構(gòu) （2 2）板織構(gòu)）板織構(gòu)制耳現(xiàn)象制耳現(xiàn)象（3）加工硬化）加工硬化（形變強(qiáng)化（形變強(qiáng)化強(qiáng)化材料的手段之一）強(qiáng)化材料的手段之一）加工硬化的原因加工硬化的原因塑性變形塑性變形 位錯(cuò)密度增加，相互纏結(jié)位錯(cuò)密度增加，相互纏結(jié)

11、( (亞晶界亞晶界) )，運(yùn)動(dòng)阻，運(yùn)動(dòng)阻力加大力加大 變形抗力變形抗力 加工硬化的意義：加工硬化的意義：（1 1）具有一定抗偶然過(guò)載的能力，保證安全）具有一定抗偶然過(guò)載的能力，保證安全; ;（2 2）是冷變形工件成型的重要因素）是冷變形工件成型的重要因素; ;（3 3）強(qiáng)化金屬的重要工藝手段）強(qiáng)化金屬的重要工藝手段. .殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力（1 1）宏觀內(nèi)應(yīng)力）宏觀內(nèi)應(yīng)力引起新的變形，降低精度。引起新的變形，降低精度。（2 2）微觀內(nèi)應(yīng)力）微觀內(nèi)應(yīng)力引起開(kāi)裂，產(chǎn)生微裂紋。引起開(kāi)裂，產(chǎn)生微裂紋。（3 3）晶格畸變內(nèi)應(yīng)力）晶格畸變內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)化金屬；耐蝕性降低。強(qiáng)化金屬；耐蝕性降低。二、塑性變形后的金

12、屬在加熱時(shí)二、塑性變形后的金屬在加熱時(shí) 組織和性能的變化組織和性能的變化1 1回復(fù)回復(fù)2 2再結(jié)晶再結(jié)晶3 3晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大 T T回復(fù)回復(fù)=（0.250.25.3.3）T T熔點(diǎn)熔點(diǎn)（單位：（單位：K）回復(fù)使塑變后金屬的強(qiáng)度和硬度略有下降，塑性略有增高，但殘余應(yīng)力大大降低。變化應(yīng)用工業(yè)上利用回復(fù)過(guò)程對(duì)變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火來(lái)降低殘余應(yīng)力，保留加工硬化效果。1) 1) 回復(fù)回復(fù) 塑性變形后的金屬在低溫加熱時(shí)，發(fā)生塑性變形后的金屬在低溫加熱時(shí)，發(fā)生回復(fù)過(guò)程回復(fù)過(guò)程 點(diǎn)缺陷大大點(diǎn)缺陷大大，內(nèi)應(yīng)力顯著，內(nèi)應(yīng)力顯著 ，強(qiáng)度、硬度略，強(qiáng)度、硬度略有有 。 2) 2) 再結(jié)晶再結(jié)晶 變形后金屬在較高溫度

13、加熱時(shí)，由于原子擴(kuò)散能變形后金屬在較高溫度加熱時(shí)，由于原子擴(kuò)散能力增大，變形和破碎的晶粒通過(guò)重新生核、長(zhǎng)大變成力增大，變形和破碎的晶粒通過(guò)重新生核、長(zhǎng)大變成新的均勻、細(xì)小的等軸晶粒，晶格類(lèi)型不變，該過(guò)程新的均勻、細(xì)小的等軸晶粒，晶格類(lèi)型不變，該過(guò)程稱(chēng)為再結(jié)晶稱(chēng)為再結(jié)晶 。變化變化再結(jié)晶使塑變后金屬的強(qiáng)度和硬度明顯降低，再結(jié)晶使塑變后金屬的強(qiáng)度和硬度明顯降低，塑性和韌性大大提高，殘余應(yīng)力完全消除，加塑性和韌性大大提高，殘余應(yīng)力完全消除，加工硬化現(xiàn)象被消除。工硬化現(xiàn)象被消除。應(yīng)用應(yīng)用工業(yè)上利用再結(jié)晶過(guò)程對(duì)變形后金屬進(jìn)行工業(yè)上利用再結(jié)晶過(guò)程對(duì)變形后金屬進(jìn)行再再結(jié)晶退火結(jié)晶退火來(lái)消除加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)

14、金屬的來(lái)消除加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)金屬的塑性和韌性，以利于后面的變形加工。塑性和韌性，以利于后面的變形加工。a.黃銅變形量達(dá)黃銅變形量達(dá)38后的組織后的組織b.580保溫保溫3sc. .580保溫保溫4sd.580保溫保溫8se.580保溫保溫15minf.700保溫保溫10min最低再結(jié)晶溫度最低再結(jié)晶溫度 T T再再純金屬純金屬T T再再 =0.4 T=0.4 T熔熔合金合金T T再再 = =（0.5 0.70.5 0.7）T T熔熔溫度單位：絕對(duì)溫度溫度單位：絕對(duì)溫度( K )( K )預(yù)變形度對(duì)預(yù)變形度對(duì)T T再再的影響的影響再結(jié)晶后的晶粒度再結(jié)晶后的晶粒度加熱溫度加熱溫度 T T 晶粒直

15、徑晶粒直徑 dd預(yù)變形度的影響預(yù)變形度的影響3 3）晶粒長(zhǎng)大）晶粒長(zhǎng)大變形變形80%工業(yè)純鐵再結(jié)晶退火工業(yè)純鐵再結(jié)晶退火 顯微照片顯微照片 100100 變形變形80% 400退火退火8小時(shí)小時(shí)加熱溫度加熱溫度 T T 和和 加熱時(shí)間加熱時(shí)間 t t 晶界遷移、晶粒合并長(zhǎng)大。晶界遷移、晶粒合并長(zhǎng)大。變形變形80% 600退火退火8小時(shí)小時(shí)三、金屬材料的熱加工和冷加工三、金屬材料的熱加工和冷加工1 1熱加工對(duì)組織和性能的影響熱加工對(duì)組織和性能的影響 2 2冷加工對(duì)組織和性能的影響冷加工對(duì)組織和性能的影響1 1熱加工對(duì)組織和性能的影響熱加工對(duì)組織和性能的影響熱加工熱加工 在在 T T再再 以上溫度

16、進(jìn)行的變形加工，以上溫度進(jìn)行的變形加工， 如鋼如鋼材的熱鍛和熱軋，但熱加工后不產(chǎn)生加工硬化。材的熱鍛和熱軋，但熱加工后不產(chǎn)生加工硬化。熱加工時(shí)，塑性變形引起的加工硬化效應(yīng)隨即被再熱加工時(shí)，塑性變形引起的加工硬化效應(yīng)隨即被再結(jié)晶過(guò)程的軟化作用所消除。結(jié)晶過(guò)程的軟化作用所消除。思考題：其原因是什么？思考題：其原因是什么？熱加工對(duì)組織和性能的影響熱加工對(duì)組織和性能的影響1 1）打碎柱狀晶、樹(shù)枝晶，形成等軸晶，機(jī)械性能改善。）打碎柱狀晶、樹(shù)枝晶，形成等軸晶，機(jī)械性能改善。2 2）壓合鑄件中的疏松、氣孔等缺陷，提高組織致密度和）壓合鑄件中的疏松、氣孔等缺陷，提高組織致密度和 機(jī)械性能機(jī)械性能. .3 3

17、）產(chǎn)生）產(chǎn)生 流線流線 分布分布 非金屬夾雜物沿變形方向分布，非金屬夾雜物沿變形方向分布，引起各向異性。引起各向異性。鍛造曲軸鍛造曲軸切削加工曲軸切削加工曲軸冷加工冷加工 在在 T T再再 以下溫度進(jìn)行的變形加工，以下溫度進(jìn)行的變形加工，如低碳鋼的冷拔、冷沖。如低碳鋼的冷拔、冷沖。 冷加工時(shí)，無(wú)再結(jié)晶過(guò)程冷加工時(shí)，無(wú)再結(jié)晶過(guò)程 思考題：其原因是什么？思考題：其原因是什么？ 能產(chǎn)生加工硬化，提高強(qiáng)度和硬度，塑性和韌性下降。能產(chǎn)生加工硬化，提高強(qiáng)度和硬度，塑性和韌性下降。 是重要的是重要的 強(qiáng)化手段，對(duì)不能熱處理強(qiáng)化的合金尤其重強(qiáng)化手段，對(duì)不能熱處理強(qiáng)化的合金尤其重 要。但增加繼續(xù)塑性變形的抗力。

18、要。但增加繼續(xù)塑性變形的抗力。冷加工對(duì)金屬組織和性能的影響：冷加工對(duì)金屬組織和性能的影響：小結(jié)小結(jié)重點(diǎn)要求重點(diǎn)要求 一般要求一般要求 1. 1. 單晶體塑性變形的兩種方式單晶體塑性變形的兩種方式2. 2.金屬在冷加工時(shí)組織和性能的變化。金屬在冷加工時(shí)組織和性能的變化。 3. 3.金屬再結(jié)晶時(shí)組織和性能的變化。金屬再結(jié)晶時(shí)組織和性能的變化。4. 4.加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化的概念。加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化的概念。 1. 1. 塑性變形的本質(zhì)和滑移機(jī)理。塑性變形的本質(zhì)和滑移機(jī)理。2. 2. 熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響。熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響。、名詞解釋、名詞解釋二二、簡(jiǎn)答題、簡(jiǎn)答題1 1、金屬塑性變形的主要方式和實(shí)質(zhì)、金屬塑性變形的主要方式和實(shí)質(zhì)? ?回復(fù)回復(fù) 再結(jié)晶再結(jié)晶加工硬化加工硬化熱加工熱加工 冷加工冷加工滑移滑移2 2、什么是細(xì)晶強(qiáng)化？其強(qiáng)化原理？、什么是細(xì)晶強(qiáng)化？其強(qiáng)化原理？3 3、回復(fù)和再結(jié)晶對(duì)塑性變形后金屬性能帶來(lái)什么影