模塊七金屬的塑性變形與再結(jié)晶

模塊七金屬的塑性變形與再結(jié)晶（P155）

一、名詞解釋

滑移，加工硬化，纖維組織，變形織構(gòu)，回復(fù)，再結(jié)晶，熱變形加工，冷

變形加工，帶狀組織。

答：滑移：是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（即滑移面）發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)。

加工硬化：塑性變形過程中，隨著變形程度的增加，金屬強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象。

纖維組織：金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，隨著變形程度的增加，晶粒外形被拉長而形成的組織狀態(tài)。變形織構(gòu)：由于變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫作變形織構(gòu)。

回復(fù)：冷塑性變形金屬加熱時(shí)，當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，原子活動(dòng)能力較弱，只能回復(fù)到平衡位

置，冷變形金屬的顯微組織沒有明顯變化，力學(xué)性能變化也不大;但殘留應(yīng)力顯著降低，其物理和化學(xué)性能也基本恢復(fù)到變形前狀態(tài)，稱這一階段為回復(fù)或恢復(fù)。

再結(jié)晶：冷塑性變形金屬加熱時(shí)，當(dāng)加熱溫度較高時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，金屬的顯微

組織發(fā)生明顯的變化，破碎的、被拉長或被壓扁的晶粒變成均勻、細(xì)小的等軸晶粒，這一變

化過程也是通過形核和晶核長大方式進(jìn)行的，故稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶后金屬的強(qiáng)度、硬度顯著下降，塑性、韌性明顯提高，冷變形強(qiáng)化得以消除。

熱變形加工：在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的變形加工稱為熱變形加工;

冷變形加工：在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的變形加工稱為冷變形加工。

帶狀組織：在經(jīng)過熱變形加工的亞共析鋼的顯微組織中，出現(xiàn)鐵素體與珠光體呈條帶狀沿金

屬的熱變形方向大致平行、交替排列分布的組織。因?yàn)闊嶙冃螘r(shí)夾雜物排列成纖維狀，緩慢

冷卻后，鐵素體首先在夾雜物的周圍析出而排列成行，珠光體隨之析出，形成帶狀組織二、填空題

1.常溫下，金屬單晶體的塑性變形方式為

滑移

和孿生。

2.再結(jié)晶溫度是指

（0.35～0.40）T。

能夠進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度，其數(shù)值與熔點(diǎn)間的大致關(guān)系為T再≈

3.在金屬學(xué)中，冷變形加工和熱變形加工的界限是以再結(jié)晶溫度

來劃分的。因此，Cu（熔

點(diǎn)為1084℃）在室溫下的變形加工稱為

冷

加工，Sn（熔點(diǎn)為232℃）在室溫下的變形加

工稱為

熱

加工。

4.所謂熱變形加工，是指在

再結(jié)晶

溫度以上進(jìn)行的變形加工過程。

三、判斷題

熱變形加工是指在室溫以上進(jìn)行的塑性變形加工。（×）

熱變形加工過程實(shí)際上是加工硬化和再結(jié)晶的重疊過程。（√）

四、簡答題

1.金屬塑性變形的基本方式有哪些?

答：塑性變形的基本方式主要有滑移和孿生兩種。

2.試說明單晶體和多晶體塑性變形的原理。

答：單晶體塑性變形的原理是滑移和孿生，多晶體塑性變形的原理與單晶體一樣，不過，由

于多晶體晶界的存在和每個(gè)晶粒中晶格位向的不同，多晶體的塑性變形要比單晶體復(fù)雜得

多，導(dǎo)致塑性變形的不均勻、晶粒間位向差阻礙滑移、晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)出金屬的塑性變形抗力的增加。

3.分析多相合金塑性變形時(shí)，第二相的性質(zhì)、形狀、大小和分布對(duì)塑性變形的影響。

答：當(dāng)合金由多相混合物構(gòu)成時(shí)，塑性變形除了與基本相有關(guān)外，第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大

小、數(shù)量和分布等情況也常起決定性的作用。合金的第二相可以是純金屬，也可以是固溶體

或化合物。若第二相為金屬或固溶體，它們與基體的塑性變形能力相近，則合金的變形能力

為兩相的平均值。但是若第二相是化合物，對(duì)合金塑性變形的影響有以下幾種情況:

（1）第二相以粒狀彌散分布在基體晶粒內(nèi)

第二相質(zhì)點(diǎn)使合金強(qiáng)度顯著提高，對(duì)塑性及韌性的不利影響較小。這是因?yàn)橛泊嗟馁|(zhì)點(diǎn)在晶

粒內(nèi)彌散分布，導(dǎo)致異相界面顯著增多，并使其周圍晶格發(fā)生畸變，從而提高變形抗力;再

則第二相質(zhì)點(diǎn)本身成為位錯(cuò)移動(dòng)的障礙，這就是彌散強(qiáng)化的機(jī)理。至于對(duì)合金的塑性和韌性

的影響，粒狀分布比片狀分布時(shí)要小，這是因?yàn)檫@些細(xì)小、彌散分布的質(zhì)點(diǎn)不破壞基體相的連續(xù)性，塑性變形時(shí)第二相質(zhì)點(diǎn)可隨基體變形而“流動(dòng)”，不會(huì)造成明顯的應(yīng)力集中。

（2）第二相以層片狀分布在基體晶粒內(nèi)

第二相對(duì)塑性變形的阻礙作用較大，對(duì)塑性的不利影響比粒狀質(zhì)點(diǎn)要大。隨著層片間

距的

減小（即彌散度增加），合金的強(qiáng)度、硬度提高，塑性降低。

（3）第二相以連續(xù)網(wǎng)狀分布在基體晶粒的邊界上

滑移變形只限于基體晶粒內(nèi)部，基體晶粒邊界上呈網(wǎng)狀分布的硬脆第二相幾乎不能塑性變

形，而且嚴(yán)重阻礙基體晶粒內(nèi)的滑移變形。當(dāng)基體晶粒變形稍大時(shí)，晶界處將產(chǎn)生裂紋，引

起合金斷裂，大大降低了合金的塑性。隨著第二相數(shù)量的增加，網(wǎng)狀組織也增加（增厚），

致使合金的硬度提高，而強(qiáng)度卻有所下降，這就是過共析鋼在冷加工前要清除網(wǎng)狀滲碳體的主要原因。

4.塑性變形時(shí)，金屬組織有何變化?

答：（1）晶粒被拉長

金屬和合金在冷塑性變形時(shí)，隨著變形量的增加，金屬的晶粒將沿著變形方向被拉長，

變

形量越大，晶粒伸長的程度也越大。晶粒逐漸由等軸的多邊形變成長方形、扁平形、條形，（2）形成亞結(jié)構(gòu)

金屬經(jīng)變形后的亞結(jié)構(gòu)，經(jīng)強(qiáng)烈冷變形的金屬，在破碎和拉長了的晶粒內(nèi)部，將出現(xiàn)許多魚

鱗狀的小晶塊，這就是亞結(jié)構(gòu)。亞結(jié)構(gòu)的增多阻礙了滑移面的進(jìn)一步滑移，因而提高了金屬的強(qiáng)度、硬度。有時(shí)亞結(jié)構(gòu)對(duì)金屬晶體的強(qiáng)化作用甚至比固溶強(qiáng)化還要大。

（3）形成變形織構(gòu)（擇優(yōu)取向）

在塑性變形過程中，隨著變形程度的增加，由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，各晶粒的取向?qū)⒋笾纶呌谝恢拢?/p>

這種由于變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫作變形織構(gòu)。在大多數(shù)情況下，織構(gòu)對(duì)金屬材

料是有害的。在冷變形時(shí)，它使變形分布不均勻，因而造成沖壓件的厚度不均、制耳、性能不一致等缺陷。

5.什么叫作加工硬化?加工硬化有何利弊?

答：加工硬化是指在塑性變形過程中，隨著變形程度的增加，金屬強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象。

加工硬化有利有弊，

其利是可利用冷變形強(qiáng)化來強(qiáng)化金屬，提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性。這對(duì)于不能經(jīng)過熱處理

強(qiáng)化的金屬更為重要。冷變形強(qiáng)化有利于金屬進(jìn)行均勻變形，金屬變形部分產(chǎn)生了冷變形強(qiáng)

化，使繼續(xù)變形主要在金屬未變形或變形較小的部分中進(jìn)行，所以使金屬變形趨于均勻。另

外，冷變形強(qiáng)化可提高構(gòu)件在使用過程中的安全性。若構(gòu)件在工作過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中或過

載現(xiàn)象，由于產(chǎn)生冷變形強(qiáng)化，使過載部位在發(fā)生少量塑性變形后提高了屈服點(diǎn)，并與所承受的應(yīng)力達(dá)到平衡，變形就不會(huì)繼續(xù)發(fā)展，從而提高了構(gòu)件的安全性。

其弊是冷變形強(qiáng)化使金屬塑性降低，給金屬進(jìn)一步的塑性變形帶來困難。為了使金屬材料能

夠繼續(xù)變形，必須在加工過程中安排中間退火，以消除冷變形強(qiáng)化，增加了工序，增加了生產(chǎn)成本。

6.殘余應(yīng)力有哪幾種?作用范圍如何?

答：經(jīng)冷塑性變形的零件在外力消除后仍保留在金屬內(nèi)部的應(yīng)力，稱為殘余應(yīng)力或形變內(nèi)應(yīng)

力，簡稱內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力一般分為下列三類:

（1）宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）

由于金屬表層和心部之間變形不均勻而形成平衡于表層和心部之間的內(nèi)應(yīng)力，稱為宏觀內(nèi)應(yīng)力。幾乎所有機(jī)械制造工藝都會(huì)由于不均勻的塑性變形而引起殘余內(nèi)應(yīng)力。

（2）晶間內(nèi)應(yīng)力（第二類內(nèi)應(yīng)力）

由于相鄰晶粒之間或晶粒內(nèi)部不同部位之間變形不均勻而形成保持平衡的微觀應(yīng)力，稱為晶

間內(nèi)應(yīng)力。工件存在這類內(nèi)應(yīng)力又承受外力作用時(shí)，常因有很大的應(yīng)力集中而產(chǎn)生顯微裂紋甚至斷裂。

（3）晶格畸變內(nèi)應(yīng)力（第三類內(nèi)應(yīng)力）

由于位錯(cuò)等晶體缺陷的增加而形成的內(nèi)應(yīng)力，稱為晶格畸變內(nèi)應(yīng)力。金屬塑性變形時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力主要表現(xiàn)為第三類內(nèi)應(yīng)力。

7.什么叫作回復(fù)?有何特點(diǎn)?

答：冷塑性變形金屬加熱時(shí)，當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，原子活動(dòng)能力較弱，只能回復(fù)到平衡位置，

其特點(diǎn)是：冷變形金屬的顯微組織沒有明顯變化，力學(xué)性能變化也不大;但殘留應(yīng)力顯著降低，其物理和化學(xué)性能也基本恢復(fù)到變形前狀態(tài)。

8.什么叫作再結(jié)晶?有何特點(diǎn)?影響再結(jié)晶后晶粒大小的因素有哪些?

答：冷塑性變形金屬加熱時(shí)，當(dāng)加熱溫度較高時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，金屬的顯微組織

發(fā)生明顯的變化，破碎的、被拉長或被壓扁的晶粒變成均勻、細(xì)小的等軸晶粒，這一變化過

程也是通過形核和晶核長大方式進(jìn)行的，故稱為再結(jié)晶。其特點(diǎn)是再結(jié)晶后金屬的強(qiáng)度、硬度顯著下降，塑性、韌性明顯提高，冷變形強(qiáng)化得以消除。

影響再結(jié)晶后晶粒大小的因素主要有加熱溫度、保溫時(shí)間、金屬晶粒的均勻程度、雜質(zhì)的分布情況及冷變形程度等。

9.用冷拉鋼絲繩向電爐內(nèi)吊裝一大型工件，并隨工件一起加熱。在加熱完畢后向爐外吊運(yùn)時(shí)鋼絲繩發(fā)生斷裂，為什么?

答：因?yàn)槔淅摻z繩的狀態(tài)是加工硬化狀態(tài)，強(qiáng)度高，可以承受足夠大的力，但是當(dāng)隨工件

一起加熱時(shí)，發(fā)生再結(jié)晶退火，導(dǎo)致加工硬化消除，強(qiáng)度下降，因此不能夠承受較大的力，原來工件的重力已經(jīng)超過了其抗拉強(qiáng)度，因此而發(fā)生斷裂。

10.從金屬學(xué)觀點(diǎn)分析熱變形加工和冷變形加工，并說明熱變形加工有何優(yōu)缺點(diǎn)。

答：冷變形加工是在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的，因此，具有加工硬化現(xiàn)象，熱變形加工是在再

結(jié)晶能夠充分進(jìn)行的條件下進(jìn)行的。因此，產(chǎn)生加工硬化和消除加工硬化是同時(shí)進(jìn)行的，這

樣就使得熱塑性變形加工具有一系列優(yōu)點(diǎn)。熱變形加工與冷變形加工比較，具有以下優(yōu)點(diǎn):（1）金屬變形抗力小，消耗能量少。

金屬塑性提高，產(chǎn)生斷裂的傾向減小。

相對(duì)于冷變形加工不易產(chǎn)生織構(gòu)。

在生產(chǎn)過程中，不需要像冷變形加工那樣的中間退火，從而可使生產(chǎn)工序簡化，生產(chǎn)效益提高。

熱變形加工的缺點(diǎn)是：

對(duì)薄或細(xì)的軋件保溫困難。

加工工件的表面不如冷變形加工時(shí)光潔，尺寸也不夠精確。

加工后金屬材料的強(qiáng)度、硬度不及冷變形加工。

對(duì)有些金屬不宜進(jìn)行熱變形加工。

11.熱變形加工時(shí)組織有何變化?

答：（1）使金屬組織致密

具有樹枝晶組織的鑄錠，其內(nèi)部有大量微小的縮孔、疏松、氣泡等缺陷。熱變形加工時(shí)，

在

三向壓應(yīng)力狀態(tài)下可使這些縮孔、疏松、氣泡等壓實(shí)或焊合，使金屬致密度增加。金屬在變形中由于加工硬化所造成的不致密現(xiàn)象，也隨著再結(jié)晶的充分進(jìn)行而消失。

（2）使晶粒細(xì)化，夾雜物破碎

經(jīng)過鍛造或軋制等熱變形加工后，常使晶粒拉長或破碎，這時(shí)由于再結(jié)晶作用，可使拉長的

晶粒變成細(xì)小的等軸晶粒，力學(xué)性能顯著提高。此外，還會(huì)使夾雜物和第二相破碎。這一作用對(duì)改善夾雜物和第二相的大小和分布，提高金屬的性