章節(jié)4 金屬變形與再結(jié)晶(11機(jī)類(lèi))

金屬的塑性變形與再結(jié)晶塑性變形及隨后的加熱對(duì)金屬材料組織和性能有顯著的影響.了解塑性變形的本質(zhì),塑性變形及加熱時(shí)組織的變化，有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，正確確定加工工藝.

純金屬的塑性變形外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂。切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。4.1.1單晶體金屬的塑性變形外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片㈠滑移滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。塑性變形的形式：滑移和孿生。金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。

1、滑移變形的特點(diǎn)：⑴滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱(chēng)臨界切應(yīng)力.⑵滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。

一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三種典型金屬晶格的滑移系滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，。因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格,體心立方晶格好于密排六方晶格。⑶滑移時(shí)，晶體兩部分的相對(duì)位移量是原子間距的整數(shù)倍.滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱(chēng)滑移線(xiàn)，若干條滑移線(xiàn)組成一個(gè)滑移帶。

⑷滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)有兩種：滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移面上滑移方向向最大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。㈡孿生孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。與滑移相比：孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多,變形速度極快,接近聲速;孿生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距.4.1.2多晶體金屬的塑性變形單個(gè)晶粒變形與單晶體相似,多晶體變形比單晶體復(fù)雜。㈠晶界及晶粒位向差的影響1、晶界的影響當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來(lái),稱(chēng)位錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行,則必須增加外力,從而使金屬的變形抗力提高。1、晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，為了保持金屬的連續(xù)性，周?chē)木ЯＨ舨话l(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來(lái)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。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。

㈡多晶體金屬的塑性變形過(guò)程多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45°的晶粒。當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰晶粒中原來(lái)處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)，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)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。銅多晶試樣拉伸后形成的滑移帶σσ㈢晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。因?yàn)榻饘倬ЯＴ郊?xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。金屬的晶粒越細(xì)，其塑性和韌性也越高。因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加,金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。4.2.2合金的塑性變形與強(qiáng)化

合金可根據(jù)組織分為單相固溶體和多相混合物兩種.合金元素的存在，使合金的變形與純金屬顯著不同.珠光體奧氏體一、單相固溶體合金的塑性變形與固溶強(qiáng)化單相固溶體合金組織與純金屬相同，其塑性變形過(guò)程也與多晶體純金屬相似。但隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱(chēng)固溶強(qiáng)化。

二、多相合金的塑性變形與彌散強(qiáng)化當(dāng)合金的組織由多相混合物組成時(shí)，合金的塑性變

形除與合金基體的性質(zhì)有關(guān)外，還與第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物。

+鈦合金(固溶體第二相)當(dāng)在晶界呈網(wǎng)狀分布時(shí)，對(duì)合金的強(qiáng)度和塑性不利；當(dāng)在晶內(nèi)呈片狀分布時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度，但會(huì)降低塑性和韌性；珠光體4.3塑性變形對(duì)組織和性能的影響

一、塑性變形對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長(zhǎng)或壓扁。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀，晶界變

得模糊不清。塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化5%冷變形純鋁中的位錯(cuò)網(wǎng)(a)正火態(tài)(c)變形80%(b)變形40%由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱(chēng)織構(gòu)或擇優(yōu)取向。形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時(shí)，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。板織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖各向異性導(dǎo)致的銅板“制耳”有無(wú)二、加工硬化

隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱(chēng)加工硬化。冷塑性變形量，%屈服強(qiáng)度，MPa1040鋼(0.4%C)黃銅銅冷塑性變形量，%伸長(zhǎng)率，%1040鋼(0.4%C)黃銅銅產(chǎn)生加工硬化的原因是:1、隨變形量增加,位錯(cuò)密度增加，由于位錯(cuò)之間的交互作用(堆積、纏結(jié))，使變形抗力增加.

2.隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化3.隨變形量增加,空位密度增加4.幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)引起由于加工硬化,使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形,而未變形部分開(kāi)始變形。沒(méi)有加工硬化,金屬就不會(huì)發(fā)生均勻塑性變形。加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，對(duì)于不能熱處理強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。變形20%純鐵中的位錯(cuò)未變形純鐵三、殘余內(nèi)應(yīng)力

內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力分為三類(lèi)：第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間(宏觀(guān)內(nèi)應(yīng)力)。第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間,(微觀(guān)內(nèi)應(yīng)力)。第三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。

第三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力是形變金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力，也是金屬?gòu)?qiáng)化的主要原因。而第一、二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力都使金屬?gòu)?qiáng)度降低。內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火過(guò)程中的變形和開(kāi)裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。4.4回復(fù)與再結(jié)晶一、冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化

金屬經(jīng)冷變形后,組織處于不穩(wěn)定狀態(tài),有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。加熱溫度℃黃銅㈠回復(fù)回復(fù)是指在加熱溫度較低時(shí)，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等。由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使其由冷塑性變形時(shí)的無(wú)序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植?，形成亞晶界，這一過(guò)程稱(chēng)多邊形化。在回復(fù)階段，金屬組織變化不明顯，其強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降。工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法稱(chēng)去應(yīng)力退火。㈡再結(jié)晶當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，晶粒的形狀開(kāi)始發(fā)生變化，由破碎拉長(zhǎng)的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。這種冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的過(guò)程稱(chēng)再結(jié)晶。㈢再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，這是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。黃銅再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織黃銅再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大各個(gè)階段的金相照片冷變形量為38％的組織580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織4.2.2、再結(jié)晶溫度再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過(guò)程，它是自某一溫度開(kāi)始，在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過(guò)程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱(chēng)再結(jié)晶溫度。T再與ε的關(guān)系影響再結(jié)晶溫度的因素為：1、金屬的預(yù)先變形程度：金屬預(yù)先變形程度越大,再結(jié)晶溫度越低。當(dāng)變形度達(dá)到一定值后，再結(jié)晶溫度趨于某一最低值，稱(chēng)最低再結(jié)晶溫度。純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)之間的近似關(guān)系:T再≈0.4T熔其中T再、T熔為絕對(duì)溫度.金屬熔點(diǎn)越高,T再也越高.T再℃=(T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃2、金屬的純度金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點(diǎn)元素起阻礙擴(kuò)散和晶界遷移作用，使再結(jié)晶溫度顯著提高.3、再結(jié)晶加熱速度和加熱時(shí)間提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶推遲到較高溫度發(fā)生,延長(zhǎng)加熱時(shí)間,使原子擴(kuò)散充分,再結(jié)晶溫度降低。生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理稱(chēng)為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100~200℃。

4.4.3、影響再結(jié)晶退火后晶粒度的因素

1、加熱溫度和保溫時(shí)間加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。預(yù)先變形度的影響，實(shí)質(zhì)上是變形均勻程度的影響.當(dāng)變形度很小時(shí)，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶.當(dāng)變形達(dá)到2~10%時(shí)，只有部分晶粒變形，變形極預(yù)先變形度對(duì)再結(jié)晶晶粒度的影響2、預(yù)先變形度不均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長(zhǎng)大,再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個(gè)變形度稱(chēng)臨界變形度。4.5金屬的熱加工

一、冷加工與熱加工的區(qū)別在金屬學(xué)中，冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來(lái)劃分的。低于再結(jié)晶溫度的加工稱(chēng)為冷加工，而高于再結(jié)晶溫度的加工稱(chēng)為熱加工。軋制模鍛拉拔如Fe的再結(jié)晶溫度為451℃，其在400℃以下的加工仍為冷加工。而Sn的再結(jié)晶溫度為-71℃，則其在室溫下的加工為熱加工。熱加工時(shí)產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消，因而熱加工不會(huì)帶來(lái)加工硬化效果。巨型自由鍛件金屬的冷熱加工模鍛自由鍛軋制正擠壓反擠壓拉拔沖壓二、熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響

熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合，使粗大的樹(shù)枝晶或拄狀晶破碎，從而使組織致密、成分均勻、晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高。

熱加工使鑄態(tài)金屬中的非金屬夾雜沿變形方向拉