第三章 金屬的塑性加工與再結(jié)晶

第三章金屬的塑性加工與再結(jié)晶

塑性加工（壓力加工）：利用金屬在外力下所產(chǎn)生的塑性變形，來獲得具有一定形狀、尺寸和機(jī)械性能的原材料、毛坯或零件的生產(chǎn)方法。塑性加工包括鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓等方法。研究意義：通過分析金屬在外力作用下的變形過程和機(jī)理：①了解金屬材料強(qiáng)度和塑性的實(shí)質(zhì)，探索金屬強(qiáng)化的途徑和方法；②為制定壓加工藝、分析、控制加工件的質(zhì)量打下基礎(chǔ)；第一節(jié)金屬的塑性變形塑性變形：物體的外形尺寸發(fā)生了永久變化的變形；一、單晶體的塑性變形塑性變形的方式：滑移、孿生、扭折等；

滑移（主要機(jī)理）；孿生（低溫或不易滑移的hcp結(jié)構(gòu)金屬中）；扭折；高溫下：晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散性蠕變。一）滑移定義：在切應(yīng)力作用下，晶體的兩部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)。通過滑移產(chǎn)生的變形叫滑移變形?；频奶攸c(diǎn)：不改變晶體的取向；不改變晶體的點(diǎn)陣類型；在晶體表面產(chǎn)生臺(tái)階。1、滑移帶與滑移線滑移帶：光學(xué)顯微鏡觀察到的塑變后單晶試樣表面形成的滑移條紋?；凭€：組成滑移帶的平行線條?；茙Ш突婆_(tái)階銅中的滑移帶500×可見：滑移只集中在一些晶面上，滑移變形是不均勻的?；茙У臄?shù)目、寬度、帶間距離以及每條帶中的滑移線的數(shù)目隨金屬和合金的不同、變形溫度、變形速度及晶體表面狀況的不同而不同。觀察滑移帶：試樣預(yù)先拋光（不腐蝕），進(jìn)行塑性變形。當(dāng)滑移至表面時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)個(gè)臺(tái)階，即滑移帶。2、滑移的晶體學(xué)特征滑移面：能夠發(fā)生滑移的晶面（原子密度最大或次大的晶面）?；品较颍涸诨泼嫔夏軌蜻M(jìn)行滑移的方向（原子密度最大的方向）。原因：原子面密度最大，其面間距a大，原子面間結(jié)合力小。位錯(cuò)滑移所需加的臨界切應(yīng)力小，位錯(cuò)易發(fā)生移動(dòng)；原子排列最密的晶向b小，原子列之間的距離最大，原子列間的結(jié)合力最弱。位錯(cuò)滑移所需加的臨界切應(yīng)力小，位錯(cuò)易發(fā)生移動(dòng)；滑移系：晶體中一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向的組合，稱為一個(gè)滑移系。典型晶體結(jié)構(gòu)的滑移系：面心立方：滑移面{111}4個(gè)，滑移方向<110>3個(gè)，滑移系4×3=12個(gè)體心立方：變形溫度為0.5—0.25Tm，滑移面為{110}（最可能的）；變形溫度為<0.25Tm，滑移面為{112}；變形溫度為0.8Tm，滑移面為{123}?；品较?yàn)?lt;111>。{110}有6個(gè)，每個(gè)面上有2個(gè)<111>方向，6×2=12{112}有12個(gè)，每個(gè)面上有1個(gè)<111>方向，12×1=12{123}有24個(gè)，每個(gè)面上有1個(gè)<111>方向，24×1=24可能潛在的滑移系共有：12+12+24=48，其中只有前12個(gè)滑移系較普遍。密排六方：c/a＞1.633：滑移面{0001}1個(gè)，滑移方向<1120>3個(gè)，滑移系1×3=3c/a≤1.633：滑移面{1010}和{1011}，滑移方向<1120>

（）每個(gè)滑移系表示：金屬晶體在進(jìn)行滑移時(shí)可能采取的一個(gè)空間取向，在其它條件相同時(shí)，滑移系越多，滑移時(shí)可能采取的空間取向越多，金屬的塑性越好?；品较?qū)λ苄宰饔么笥诨泼妗Ｃ芘帕浇饘偎苄宰畈?，面心立方金屬塑性最好，體心立方介于中間。室溫下：Zn、Cu、α-Fe的塑形為什么不同？3、滑移所需的臨界分切應(yīng)力盡管晶體中可能存在的滑移系很多，但并非所有滑移系同時(shí)參與滑移。滑移面的面積=A/cosφ外力在滑移方向上的分力為Pcosλ

外力在滑移面上沿滑移方向的分切應(yīng)力：

τ=(Pcosλ)/(A/cosφ)τ=(P/A)cosλcosφ

式中：P/A為正應(yīng)力；

cosλcosφ為取向因子。臨界分切應(yīng)力定律：晶體滑移時(shí)，必須在某個(gè)滑移面上沿滑移方向上的分切應(yīng)力達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，才能開始滑移。臨界分切應(yīng)力（τK）：使滑移系開始啟動(dòng)所需的最小分切應(yīng)力。臨界分切應(yīng)力（τK）是表示晶體特性的物理量，不隨外力方向而變化，只和金屬材料的成分、形變溫度、形變速度有關(guān)。4、滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)晶體在單純切應(yīng)力作用下進(jìn)行滑移，當(dāng)滑移面上同時(shí)存在分正應(yīng)力時(shí)，原子面除做相對(duì)位移外，還有晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)，使φ角發(fā)生變化。拉伸時(shí)：φ’>φ原因：滑移前外力只作用在軸線上，當(dāng)發(fā)生滑移時(shí)，外力將作用在兩點(diǎn)上（相對(duì)于中間夾層）。將外力分解成滑移面法線方向的正應(yīng)力σ1和σ2以及最大切應(yīng)力方向的切應(yīng)力τ1和τ2。σ1和σ2組成力偶使滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)。最大切應(yīng)力方向的切應(yīng)力τ1和τ2又分解為滑移方向上的分切應(yīng)力τ’1和τ‘2以及垂直于滑移方向的τ’‘1和τ’‘2。τ’‘1和τ’‘2組成力偶使滑移方向向最大切應(yīng)力方向方向轉(zhuǎn)動(dòng)。晶體在滑動(dòng)的同時(shí)，由于正應(yīng)力組成的力偶的作用，會(huì)推動(dòng)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢姡涸诶鞎r(shí)，晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)力求使作用滑移面轉(zhuǎn)到與力軸平行的方向；使滑移方向轉(zhuǎn)到最大切應(yīng)力方向。二）孿生定義：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿特定的晶面、晶向發(fā)生一定角度的均勻切變。孿晶：經(jīng)孿生變形后，發(fā)生變形和未發(fā)生變形的兩部分以它們的界面為鏡面，形成的鏡象對(duì)稱的一對(duì)晶體。孿生特點(diǎn)：孿生變形也是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，孿生所需要的臨界分切應(yīng)力比滑移大；孿生對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)比滑移小；孿晶與未切變區(qū)的晶體形成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系；孿生是一種均勻切變，即切變區(qū)中每一層原子面相對(duì)于孿生面的切變量與離開孿生面的距離成正比；孿生的變形速度極大，常引起沖擊波、發(fā)出聲響。孿生與滑移的主要區(qū)別二、多晶體的塑性變形多晶體金屬的塑性變形與單晶體的本質(zhì)是一致的，即每個(gè)晶粒的塑性變形仍以滑移、孿生等方式進(jìn)行；但多晶體與單晶體相比有兩點(diǎn)不同：①相鄰的晶粒位向不同；②各晶粒之間存在晶界；所以，多晶體的塑變過程又比單晶體的相對(duì)復(fù)雜許多。首先：多晶體的塑變受到晶界的阻礙和位向不同的晶粒的影響；

其次：任一個(gè)晶粒的塑變都需周圍的晶粒同時(shí)發(fā)生相適應(yīng)的彈性變形來配合（否則形成空隙，最終導(dǎo)致斷裂），以保持晶粒之間的結(jié)合和整個(gè)物體的連續(xù)性。

1、多晶體的塑性變形特點(diǎn)：1.1各晶粒變形不同時(shí)發(fā)生：各晶粒位向不同受到的外力不一致，處于有利位向的晶粒先滑移?；泼嫔虾突品较蛏吓c外力成45°，最易滑移。把這樣的位向稱為“軟取向”?；泼嫔虾突品较蛏吓c外力成0、90°，不易滑移，把這樣的位向稱為“硬取向”。1.2晶界阻礙滑移進(jìn)行：位錯(cuò)在晶界處受阻（原子排列不規(guī)則，點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重），形成位錯(cuò)的平面塞積群，造成很大的應(yīng)力集中；1.3晶粒之間要相互協(xié)調(diào)變形：相鄰的晶粒必須是多系滑移；所以，fcc、bcc的滑移系多，各個(gè)晶粒變形協(xié)調(diào)性好，所以它們的多晶體金屬表現(xiàn)出良好的塑性；hcp的滑移系少，所以塑性差；1.4多晶體變形的不均勻性：由于晶界及相鄰晶粒位向的影響：①有的晶粒變形大，有的晶粒變形?。虎谝粋€(gè)晶粒內(nèi)部變形也不均勻，呈現(xiàn)“竹節(jié)形”變形，如圖所示；晶界（滑移受阻）處變形量小，晶內(nèi)變形量大第二節(jié)塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響

塑性變形不僅使材料的外形和尺寸得到改變，而且材料的內(nèi)部組織和性能也發(fā)生變化。1、組織、結(jié)構(gòu)、性能的變化：1.1組織、結(jié)構(gòu)上：1.1.1晶粒變形①晶粒外形變化：沿變形方向伸長、纖維組織（晶界模糊、晶粒難以分辨）、帶狀組織纖維組織：性能呈現(xiàn)各向異性（晶體的力學(xué)、物理、化學(xué)性能在各個(gè)方向是不同的，如纖維方向的強(qiáng)度和塑性明顯高于垂直于纖維方向的）；②出現(xiàn)滑移帶、孿晶；1.1.2亞結(jié)構(gòu)的變化①位錯(cuò)密度增加：②亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化：③胞狀亞結(jié)構(gòu)：形變量越大，胞塊數(shù)量越多，尺寸越小，胞塊的位向差越大；胞狀亞結(jié)構(gòu)對(duì)滑移過程的進(jìn)行有巨大的阻礙作用，可使金屬的變形抗力顯著增高；晶體的塑變是由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和增殖進(jìn)行的大量位錯(cuò)聚集發(fā)生交互作用，使原來晶粒碎化成許多位向略有差異的小晶塊。1.1.3形成形變織構(gòu)（組織狀態(tài)）形變擇優(yōu)取向：在塑性變形量很大時(shí)，伴隨著晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)晶粒的滑移面和滑移方向與變形方向趨于一致，從而使原來取向不相同的晶粒在空間位向上呈現(xiàn)一定的一致性。擇優(yōu)取向后的晶體結(jié)構(gòu)，稱為織構(gòu)，由于它是在形變過程中產(chǎn)生的，故稱為“變形織構(gòu)”；依據(jù)加工方式分類：①絲織構(gòu)：在拉拔時(shí)形成，其特征是各晶粒的某一晶向與拉拔方向平行或接近平行；②板織構(gòu)：在軋制時(shí)形成，其特征是各晶粒的某一晶面平行于軋制平面，而某一晶向平行于軋制方向；當(dāng)出現(xiàn)織構(gòu)后，多晶體金屬就不再表現(xiàn)為等向性，而顯示出各向異性。這對(duì)材料的性能和加工工藝會(huì)產(chǎn)生很大影響。例如當(dāng)用有織構(gòu)的板材沖壓杯狀零件時(shí)，因各個(gè)方向的變形能力不同，產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象；1.2性能上的變化：1.2.1加工硬化：定義：隨著變形程度的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性下降的現(xiàn)象；原因：①位錯(cuò)密度的增加；②位錯(cuò)之間交互作用，產(chǎn)生割階，纏結(jié)等；③晶粒破碎細(xì)化，使強(qiáng)度得以提高。使位錯(cuò)進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)阻力增大優(yōu)點(diǎn)：提高材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性：Ａ、對(duì)不能通過熱處理提高強(qiáng)度的材料，可利用此方法；Ｂ、提高零件在使用中的安全性；1.2.2性能上出現(xiàn)各向異性由于組織上的方向性（晶粒沿變形方向伸長）和結(jié)構(gòu)上的方向性（形變織構(gòu)），導(dǎo)致性能上的方向性。各向異性對(duì)材料成型和使用性能的影響：（1）深沖板材出現(xiàn)“制耳”:各方向上變形不一致。（2）利用織構(gòu)：變壓器硅鋼片獲得<100>織構(gòu)，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，鐵損最小。通過冷軋獲得（110）[001]織構(gòu)的硅鋼片，可提高變壓器的效率，減少自重，節(jié)約鋼材。1.2.3物理、化學(xué)性能的變化：電阻升高；金屬化學(xué)活性增加，耐腐蝕性能下降。1.2.4出現(xiàn)殘余內(nèi)應(yīng)力：金屬材料發(fā)生塑性變形時(shí)，外力所做的功除大部分轉(zhuǎn)化成熱以外，還有一部分（10%）以畸變能的形式儲(chǔ)存于變形材料的內(nèi)部，稱為殘余內(nèi)應(yīng)力。1）宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）：由于金屬工件或材料各部分的宏觀變形不均勻而引起的，其平衡范圍是物體的整個(gè)體積；2）微觀內(nèi)應(yīng)力（第二類內(nèi)應(yīng)力）：由于個(gè)晶?；蚋鱽喚ЯＶg的變形不均勻而產(chǎn)生的，其平衡范圍為幾個(gè)晶?；驇讉€(gè)亞晶粒；3）點(diǎn)陣畸變（第三類內(nèi)應(yīng)力）：由于塑變使點(diǎn)陣發(fā)生畸變，產(chǎn)生位錯(cuò)、空位，其作用范圍在幾十至幾百納米范圍；內(nèi)應(yīng)力的功與過：Ⅰ、表面殘存拉應(yīng)力，與外加應(yīng)力疊加，易使工件斷裂或變形；Ⅱ、表面殘存壓應(yīng)力，可提高零件的使用壽命。如：表面化學(xué)熱處理，疲勞壽命提高。Ⅲ、促使金屬易腐蝕。如深沖后的黃銅彈殼應(yīng)力腐蝕開裂。第三節(jié)回復(fù)和再結(jié)晶一.冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化二.回復(fù)三.再結(jié)晶四.晶粒長大金屬及合金在塑性變形后，強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，這對(duì)某些應(yīng)用是重要的，但卻給進(jìn)一步的冷成型加工（如深沖）帶來困難，因此常要將金屬加熱進(jìn)行退火，使其性能向塑性變形前的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。1冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化顯微組織變化隨加熱溫度的提高,冷變形金屬發(fā)生變化為：回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大。t1～t2回復(fù)階段,保持原來形狀(纖維狀)t2～t3再結(jié)晶階段,變形晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒t3～t4晶粒長大階段,晶粒尺寸發(fā)生變化二.性能變化

力學(xué)性能

(1)硬度（hardness）和強(qiáng)度（strength）:回復(fù)階段,變化不大,再結(jié)晶下降。

(2)塑性:回復(fù)階段,變化不大;再結(jié)晶階段上升；粗化后下降。2.物理性能

(1)電阻（resistance）:溫度升高，電阻率下降。

(2)密度（density）:回復(fù)階段變化不大，再結(jié)晶階段上升。3.內(nèi)應(yīng)力:回復(fù)階段基本消除完畢宏觀應(yīng)力,而微觀應(yīng)力消除需再結(jié)晶后才能完成4.亞晶粒(sub-grain)尺寸（沿垂直于滑移面方向排列并具一定取向差的位錯(cuò)墻，即小角度亞晶界＿亞晶）:回復(fù)前期,尺寸變化不太;接近再結(jié)晶時(shí),尺寸顯著增大.5.儲(chǔ)存能釋放（releaseofstoredenergy）:當(dāng)冷變形金屬加熱到足以引起應(yīng)力松馳的溫度,儲(chǔ)能釋放.回復(fù)階段,釋放小,再結(jié)晶時(shí),釋放高峰.冷變形金屬退火時(shí)性能變化2回復(fù)

經(jīng)過冷塑性變形的金屬在加熱時(shí)，在顯微組織發(fā)生改變前，即在再結(jié)晶形核前，所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能變化的過程。

由于金屬中的原子、點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)近距離遷移而引起的晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)與和性能變化。

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。

回復(fù)驅(qū)動(dòng)力為形變儲(chǔ)存能

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，電阻率顯著下降。

回復(fù)的應(yīng)用：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，因此，這種熱處理方法稱為去應(yīng)力退火。通過退火，使工件的殘余內(nèi)應(yīng)力降低，避免工件變形開裂，改善耐蝕性，降低電阻率，改善塑、韌性，為下一步變形做準(zhǔn)備。通過去應(yīng)力退火既具有降低金屬殘余內(nèi)應(yīng)力又有保持加工硬化性能的作用。

3

再結(jié)晶

再結(jié)晶--經(jīng)冷塑性變形的金屬在加熱到一定溫度時(shí)，在原來變形金屬或合金的顯微組織中，產(chǎn)生無畸變的新晶粒（等軸晶），新晶粒不斷長大，直至原來的變形組織完全消失,金屬或合金的性能也發(fā)生顯著變化。驅(qū)動(dòng)力為回復(fù)后未被釋放的變形儲(chǔ)存能。再結(jié)晶也是形核與核長大的過程。但不是相變過程，再結(jié)晶前后新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同。

3再結(jié)晶特點(diǎn)：

1）與回復(fù)不同，再結(jié)晶后變形組織不再存在；

2）加工硬化現(xiàn)象消除，變形儲(chǔ)存能充分釋放，強(qiáng)度、硬度降低、塑性、韌性提高，最終回到冷變形前的狀態(tài)。

再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過程：自某一溫度開始，在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過程。

再結(jié)晶溫度(TR)：冷變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶最低溫度。T再≈（0.35～0.45）Tm（或T再≈0.4Tm）

(1)影響再結(jié)晶溫度的因素

1.變形程度越大，再結(jié)晶溫度越低：變形度增大,儲(chǔ)存能大,再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力大,TR低。2.原始晶粒尺寸越小，再結(jié)晶溫度越低：其它條件相同時(shí)，金屬原始晶粒細(xì)小，冷變形抗力增加，變形后儲(chǔ)存能高，則TR越低。3.再結(jié)晶加熱速度和時(shí)間的影響：提高加熱速度使再結(jié)晶推遲到較高溫度發(fā)生；延長加熱時(shí)間，原子充分?jǐn)U散，TR降低。4.金屬的純度越高，再結(jié)晶溫度越低：溶質(zhì)原子偏聚于位錯(cuò)和晶界處，對(duì)位錯(cuò)的滑移和攀移及晶界的遷移起阻礙作用,從而提高了再結(jié)晶溫度TR。3

再結(jié)晶

再結(jié)晶的應(yīng)用：將冷變形金屬加熱到規(guī)定溫度，并保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻到室溫的熱處理工藝叫再結(jié)晶退火。通過再結(jié)晶退火：（1）消除冷變形加工硬化，利于繼續(xù)加工，軟化金屬；（2）消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，提高塑性。(2)再結(jié)晶后晶粒大小

1.變形程度的影響變形度很小時(shí)，不發(fā)生再結(jié)晶，晶粒尺寸為原始晶粒尺寸；

臨界變形度時(shí)，再結(jié)晶晶粒特別粗大，一般金屬εc=2～10%;影響再結(jié)晶后晶粒大小的因素：

變形度大于εc時(shí)，驅(qū)動(dòng)形核與長大的儲(chǔ)存能增大,且形核率增加更快,再結(jié)晶后晶粒細(xì)化,變形度越大，晶粒越細(xì)。變形度>90%以上時(shí)，某些金屬還會(huì)出現(xiàn)晶粒的異常長大，即二次再結(jié)晶。加熱溫度與晶粒尺寸2.退火溫度和時(shí)間

T升高，晶粒粗化。3.原始晶粒尺寸當(dāng)變形度一定時(shí)，原始晶粒越細(xì)，再結(jié)晶晶粒越小。4.微量溶質(zhì)原子和雜質(zhì)元素一般都能起細(xì)化再結(jié)晶晶粒的作用。4再結(jié)晶后的晶粒長大再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個(gè)自發(fā)的過程。晶粒的長大是通過