第四章金屬的塑性變形與再結(jié)晶

第四章金屬的塑性變形與再結(jié)晶在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到對金屬材料進行塑性變形加工問題。例如：將鑄錠軋制成各種規(guī)格品種的成材；將鋼料鍛造成零件的毛坯；通過沖壓制造某些器具和零件等。這些都屬于對金屬材料的壓力加工。所謂壓力加工是指利用金屬的塑性，使其改變形狀，尺寸和改善性能，獲得型材、棒材、線材或鍛壓件的加工方法。它包括鍛壓、沖壓、擠壓、拉拔等。金屬材料的塑性變形，不僅改變了材料的外形和尺寸，也會使金屬的顯微組織和性能產(chǎn)生變化。因此，很有必要對金屬材料塑性變形的一些規(guī)律進行了解，以便更好的制定和實施壓力加工的工藝并充分發(fā)揮材料的性能潛力。第一節(jié)金屬塑性變形的微觀機制在第一章介紹拉伸試驗時，已經(jīng)提到過拉伸試樣再外力作用下，隨著拉力的不斷增加，試樣先產(chǎn)生彈性變形，然后過渡到塑性變形直至最后拉伸。這些直接可見的宏觀變化是靠怎樣的微觀機制來實現(xiàn)的呢？彈性變形的微觀機制是通過外力作用使金屬的晶格發(fā)生有限的拉長和扭曲。但外加應力較小不超過原子間的結(jié)合力，不破壞原子的平衡位置，僅是在有限距離內(nèi)偏離平衡位置。當外力一旦撤除，原子間的結(jié)合力使原子都回到原來的平衡位置。于是，宏觀上的彈性變形也隨之消除了，不留下剩余變形。塑性變形的微觀機制要比彈性變形復雜多了。

一、塑性變形的基本形式塑性變形的主要形式有兩種：滑移和孿生。（一）滑移在切應力作用下，單晶體（或晶粒）內(nèi)晶體的一部分相對另一部分沿著一定的晶面和晶向產(chǎn)生原子間距整數(shù)倍距離的移動，當應力除去后也不能恢復原位的這種相對移動稱滑移。在顯微鏡下可觀察到滑移后的晶體表面出現(xiàn)一些與外力方向成一定角度的細線。實際上這些細線是一條條的小臺階，成為滑移帶。每個滑移帶又是由一些更小的臺階組成。這些更小的小臺階稱為滑移線，見圖4-1。對于多晶體，在晶粒中也能看到滑移線。每條線所對應的臺階高度稱為該滑移面的滑移量（一般約為103原子間距）。兩條滑移線之間部分稱為滑移層，其厚度約為102原子間距。各滑移帶之間距離約為104原子間距。可見晶體的滑移不是均勻分布的。即使發(fā)生均勻的宏觀塑性變形，晶體內(nèi)也不僅是有限部分發(fā)生滑移。對于一個滑移系來說，也僅是部分晶面上的滑移。

1.滑移系:晶體中不是任何晶面都可以成為滑移面和滑移方向。只要那些原子排列最密的晶面和晶向才可能成為滑移系。隨晶格類型不同晶體中滑移的數(shù)量也不同，見圖4-2。體心立方體晶格原子排列最密的晶面族和晶向族是{110}和<111>。它們可以成為滑移面和滑移方向。因為每個滑移面上有兩個滑移方向，而{110}有六個面，所以，體心立方體晶格有6×2=12滑移系。對于面心立方晶格，晶面族{111}原子排列最密，共有四個晶面，每個晶面上有三個原子排列最密方向（如<110>），所以，也有4×3=12個滑移系。密排六方晶格情況較為復雜,其具體的滑移面和三個滑移方向常因具體金屬的晶格常數(shù)和所在溫度不同而發(fā)生變化。但總的來說只有一個滑移面和三個滑移方向。如圖4-2。密排六晶格有1×3=3個滑移系。當單晶體受到外力作用時，滑移系多的晶體比滑移系少的易產(chǎn)生滑移，對于滑移系的數(shù)目相同的晶體其滑移方向較多者更易產(chǎn)生滑移。這就是不同類型晶格的金屬屈服點不同原因之一2.引起滑移的臨界應力

外加應力在滑移系中可分解為切應力和正應力。而分切應力是產(chǎn)生滑移的動力，正應力不能引起晶體滑移，但它能使滑移面發(fā)生轉(zhuǎn)動。拉伸時使滑移面朝與外力平行方向轉(zhuǎn)動；壓縮時使滑移面朝與外力垂直轉(zhuǎn)動，見圖4-3。下面以拉伸為例討論一下外力F在滑移系中的分應力的情況，見圖4-4。圖中N：滑移面的法線φ:法線N與外力方向夾角M:滑移面內(nèi)的一個滑移方向λ:M與外力的夾角；M、N、F不一定共面根據(jù)圖4-4中的幾何關(guān)系當F、M、N共面時，可推導出σＮ=σcos2φ；τ＝σcosφcosλ能使滑移系開始產(chǎn)生滑移的最小分切應力值稱為臨界切應力，用τc表示。τc的大小主要是由晶體本身的性質(zhì)所決定，通常與外力的大小方向無關(guān)。但是受晶體內(nèi)的雜質(zhì)含量、變形速度、晶體所處的溫度環(huán)境影響。通常是隨雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)增加、變形速度的增加，τc也增加。隨溫度升高τc值下降，并逐漸趨與一個穩(wěn)定值。當晶體中一個滑移系的分切應力τ大于τc時，晶體就在這個滑移系上開始滑移。這時所對應的外加應力就是屈服點σs。所以，τc在數(shù)值上應等于σscosφcosλ。3．滑移是怎樣進行的滑移是通過晶體中位錯運動來實現(xiàn)的。如圖4-5從圖中可見，在切應力作用下，一個刃型位錯一步一個原子間距的運動，最終造成一個原子間距的滑移量。多個位錯運動的結(jié)果就會產(chǎn)生宏觀的塑性變形。位錯運動雖然是一步一個原子間距，但其運動中并沒有一個原子真的移動了一個原子間距。而是位錯附近的原子都移動了一個不足于一個原子間距的短距離，到達一個新的平衡位置，見圖4—6。按這種位錯運動機制來實現(xiàn)滑移的理論，計算出的臨界切應力值與實測值相符。位錯運動引起的滑移是造成晶體宏觀塑性變形的主要微觀機制。

（二）孿生（孿晶）對于滑移系少的密排六方晶體及體心立方晶體受到?jīng)_擊力使變形速度較快時，產(chǎn)生的塑性變形的微觀機制主要是孿生，見圖4-7。孿生是指在切應力作用下，晶體中的一部分相對于另一部分發(fā)生以某晶面為面的對稱的沿一定方向的共格切變。二、實際金屬的塑性變形實際金屬的塑性變形，通常是多晶體的強度大于單晶體的強度，見圖4-8。1.晶界和晶粒的晶格位向?qū)谱冃蔚挠绊懚嗑w中的晶界和晶粒間的位向差都起到提高多晶體強度的作用，因此，隨著晶粒變細，晶界的總數(shù)量增加，多晶體強度愈高，由于晶粒愈小，多晶體的宏觀變形的總量就可以分散到更多的晶粒中進行，使每個晶粒所承擔的變形量相對減小，變形更均勻。另外晶界對裂紋的擴展有阻擋的作用。22.實際金屬滑移引起塑性變形的過程第二節(jié)塑性變形對金屬組織和性能影響

塑性變形使金屬的組織和性能發(fā)生一系列的重要變化。一、 產(chǎn)生纖維組織纖維組織的出現(xiàn)是金屬材料由原來的各向同性變形成各向異性。使沿著纖維方向的強度大于垂直纖維方向的。二、 產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象隨著金屬材料變形量的增加，材料的強度和硬度增加，塑性下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。見圖4-9。加工硬化還可以使零件在使增加安全性。加工硬化現(xiàn)象的存在有利于金屬塑性變形加工的變形均勻性。加工硬化在工業(yè)生產(chǎn)中不利的方面主要是：降低塑性三、 產(chǎn)生變形織構(gòu)當塑性變形量很大時，各晶粒位向都大體上趨于一致了，這種現(xiàn)象稱擇優(yōu)取向。這種由于塑性變形引起的各個晶粒的晶格位向趨于一致的晶粒結(jié)構(gòu)稱為變形織構(gòu)?？棙?gòu)的存在會使材料產(chǎn)生嚴重的各向異性。由于各方向上的塑性、強度不同會導致非均勻變形。使筒形零件的邊緣出現(xiàn)嚴重不齊的現(xiàn)象，稱為“制耳”，見圖4-11。有制耳的零件質(zhì)量是不合格的。織構(gòu)也有可利用的一面。變壓器所用的硅鋼片就是利用織構(gòu)帶來的各向異性，使變壓器鐵心增加磁導率、降低磁滯損耗，從而提高變壓器的效率。四、 產(chǎn)生殘余的內(nèi)應力殘余的內(nèi)應力就是指平衡于金屬內(nèi)部的應力，當外力去除后而仍然留下來的內(nèi)應力。根據(jù)殘余的內(nèi)應力的作用范圍分為三類。

第一類內(nèi)應力是指由于金屬表面與心部變形量不同而平衡于表面與心部之間的宏觀內(nèi)應力。（通常為0.1%）.第二類內(nèi)應力是指平衡于晶粒之間的內(nèi)應力或亞晶粒之間的內(nèi)應力。是由于晶粒之間的內(nèi)應力或亞晶粒之間變形不均勻引起的。（通常為1%~2%）。第三類內(nèi)應力是指存在于晶格畸變中的內(nèi)應力。它平衡于晶格畸變處的多個原子之間。（通常為90%以上）。這類內(nèi)應力維持著晶格畸變，使變形金屬材料的強度得到提高。第一、二類內(nèi)應力雖然占的比例不大，但是在一般情況下都會降低材料的性能，而且還會因應力松弛或重新分布而引起材料的變形。是有害的內(nèi)應力。另外，內(nèi)應力的存在還會降低材料的抗腐蝕。即所謂的應力腐蝕。主要表現(xiàn)在處于應力狀態(tài)的金屬腐蝕速度快。變形的鋼絲易生銹就是此理。第三節(jié)

加熱對冷變形金屬的組織和性能的影響

冷變形金屬材料隨著宏觀的變形增加其內(nèi)能也增加，使組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，存在著趨于穩(wěn)定的傾向。但是由于室溫下原子活動能力極弱，這種不穩(wěn)定狀態(tài)能得以長期保存?？墒侨魧ψ冃谓饘偌訜帷⑻岣咴踊顒幽芰t變形材料就會以多種方式釋放多余的內(nèi)能，恢復到變形前的低內(nèi)能的穩(wěn)定狀態(tài)。然而，隨著加熱溫度的不同，恢復的程度也不同。變形金屬在加熱中一般經(jīng)歷三個過程，見圖4-12。

一、回復當加熱溫度較低時原子活動能力不高，只能進行短距離運動。首先發(fā)生空位運動。空位與其它晶體缺陷，降低了點缺陷所引起的晶格畸變。接著發(fā)生位錯運動，使形晶粒中各種位錯相互作用，這不僅可能降低位錯密度而且使剩余的位錯也會按一定的規(guī)律排列起來，使之處于一種低能量的狀態(tài)。晶體的多邊化見圖4-13。在回復階段發(fā)生的微觀變化，帶來的宏觀效果是變形殘余應力大幅度下降，物理化學性能基本恢復。力學性能沒有太大的變化，仍保留著加工硬化的效果。在工業(yè)生產(chǎn)中，使變形金屬保持回復階段，已多有應用。其方法是去應力退火。二、再結(jié)晶1．變形金屬的結(jié)晶當變形金屬被加工到一定高度，原子活動能力較強時，會在變形晶?；蚓Я?nèi)的亞晶界處以不同于一般結(jié)晶的特殊成核方式產(chǎn)生新晶核。隨著原子的擴散移動新晶核的邊界面不斷向變形的原晶粒中推進，使新晶核不斷消耗原晶粒而長大。最終是一批新生的等軸晶粒取代了原來變形的晶粒，完成了一次新的結(jié)晶過程。這種變形金屬的重新結(jié)晶稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶沒發(fā)生晶格類型的變化，只是晶粒形態(tài)和大小的變化。也可以說只有顯微組織變化而沒有晶格結(jié)構(gòu)變化，故稱為再結(jié)晶，以有別于各種相變的結(jié)晶（重結(jié)晶）。變形金屬再結(jié)晶后，顯微組織由破碎拉長的晶粒變成新的細小等軸晶粒，殘余內(nèi)應力全部消除、加工硬化現(xiàn)象也全部消失。金屬恢復到變形前的力學性能，物理化學等性能也恢復到變形前的水平。

在金屬學中通常把能夠發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱為金屬的再結(jié)晶溫度。但是，在工程上通常又在一小時之內(nèi)能夠完成再結(jié)晶過程的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度。發(fā)生并完成再結(jié)晶的驅(qū)動力是塑性變形給金屬內(nèi)部所增加的內(nèi)能。而這種驅(qū)動力發(fā)揮作用的熱力學條件是變形金屬內(nèi)原子應具有的組夠的遷移能力。遷移能力是靠足夠的溫度和時間來保證的。這個溫度就是再結(jié)晶溫度。它不象金屬相變時那樣有一個固定的溫度或一個固定的溫度區(qū)間。再結(jié)晶不僅隨金屬的化學成分而變，而且即使化學成分一定也隨其他諸因素的變化而變化。其中：（1）變形量的影響見圖4-14（2）原始晶粒溫度的影響（3）化學成分的影響（4）加熱速度和保溫時間的影響在對金屬材料進行塑性變形加工（拉深、冷拔等）時為了消除加工硬化需要進行再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火是指：把變形金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上的溫度保溫，使變形金屬完成再結(jié)晶過程的熱處理工藝。為了盡量縮短退火周期并且不使晶粒粗大，一般情況下把退火工藝溫度取為最低再結(jié)晶溫度以上100C～200C。當變形金屬再結(jié)晶完成之后，若繼續(xù)加熱保溫，則新生晶粒之間還會大晶粒吞并小晶粒，使晶粒長大，見圖4-15。晶粒長大會減少晶體中晶界的總面積，降低界面能。因此，只要有足夠原子擴散的溫度和時間條件，晶粒長大是自發(fā)的、不可避免的。晶粒長大其實質(zhì)是一種晶界的位移過程。在通常情況下，這種晶粒的長大是逐步的緩慢進行的，稱為正常長大。但是，當某些因素（如：細小雜質(zhì)粒子、變形織構(gòu)等）阻礙晶粒正常長大，一旦這種阻礙失效常會出現(xiàn)晶粒突然長大，而且長大很大。對這種晶粒不均勻的現(xiàn)象稱為二次結(jié)晶。對于機械工程結(jié)構(gòu)材料是不希望出現(xiàn)二次結(jié)晶的。但是對硅鋼片等電氣材料常利用這個二次結(jié)晶得到粗晶來獲得高的物理性能。三、晶粒長大四、影響再結(jié)晶后晶粒度的因素㈠加熱溫度的影響對變形金屬加熱的溫度愈高，再結(jié)晶晶粒也愈大，見圖4-16。㈡變形度的影響金屬材料變形的程度對再結(jié)晶后的晶粒大小的影響較復雜，見圖4-17。當變形度很?。?lt;2%）或未變形的金屬不發(fā)生再結(jié)晶。晶粒大小保持原樣不變。這是因為晶格畸變能很小，再結(jié)晶驅(qū)動力不夠，不能引發(fā)再結(jié)晶。當變形度達到2%~10%時，再結(jié)晶后其晶粒會出現(xiàn)異常的大晶粒，稱這個變形度為臨界變形度。不同的金屬具體的臨界變形度數(shù)值有所不同。在臨界變形度下金屬內(nèi)部的變形極不均勻，僅有少量晶粒發(fā)生變形。因而再結(jié)晶時也僅能產(chǎn)生少量晶核。這可能就是在臨界變形度下出現(xiàn)異常大晶粒的原因，在金屬塑性變形加工時，一般避開這個變形度，但是出于特殊需要，這也是一種獲得大晶粒，甚至單晶體的工藝方法。當變形度大于臨界變形度后，隨著變形度的增加再結(jié)晶后的晶粒度減小，可獲得均勻的細晶組織，這是因為隨著變形度的增加，金屬變形的均勻性也增加。在結(jié)晶時，會均勻地產(chǎn)生許多晶核。當然晶粒就均勻減小。當變形量很大（>=90%）時，某些金屬再結(jié)晶后又會出現(xiàn)晶粒異常長大現(xiàn)象。一般認為是與織構(gòu)的產(chǎn)生有關(guān)。將變形度和加熱溫度與再結(jié)晶晶粒度的關(guān)系繪制成一張三維立體圖，可以更直觀的了解再結(jié)晶晶粒度的問題。此圖稱為再結(jié)晶全圖，見圖4-18。除了加熱溫度和變形度對.再結(jié)晶晶粒度有影響外，金屬中的雜質(zhì)、合金元素、變形前的原始晶粒度、再結(jié)晶加熱保溫的時間等也都對再結(jié)晶晶粒度有一定影響。第三節(jié)

金屬的熱變形加工一、熱變形加工與冷變形加工的區(qū)別這兩種變形加工的分界線是再結(jié)晶溫度。在再結(jié)晶溫度之下進行的變形加工，變形的同時沒有再結(jié)晶發(fā)生，這種變形加工稱為冷變形加工。在變形的同時也進行著動態(tài)的再結(jié)晶，在變形后的冷卻過程中，也繼續(xù)發(fā)生再結(jié)晶，這種變形加工稱為熱變形加工。這兩種變形加工各有所長。冷變形加工可以達到較高精度和較低的表面粗糙度。并有加工硬化的效果。但是，變形抗力大，一次變形量有限。而熱變形加工與此相反。熱變形加工多用于形狀較復雜的零件毛坯及大件毛坯