第二章金屬的塑性變形與再結晶第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三金屬的塑性變形與再結晶§1金屬的塑性變形

§2回復與再結晶

第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三§1金屬的塑性變形

一、什么是塑性變形

二、金屬單晶體的塑性變形三、多晶體金屬的塑性變形

四、冷塑性變形對金屬組織和性能的影響

第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三一、塑性變形金屬或合金在外力作用下，都能或多或少地發(fā)生變形，去除外力后，永遠殘留的那部分變形叫塑性變形。生產(chǎn)中常利用塑性變形對金屬材料進行壓力加工。金屬的塑性變形可分為：冷塑性變形和熱塑性變形。在這章里我們主要講金屬的冷塑性變形。第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三一、塑性變形壓力加工方法示意圖圖2-1壓力加工方法第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三二、金屬單晶體的塑性變形金屬單晶體的塑性變形有“滑移”與“孿生”等不同方式，但一般大多數(shù)情況下都是以滑移方式進行的。下面我們具體看一下單晶體塑性變形的基本方式——滑移。1.滑移的表象2.滑移的機理3.晶體的滑移面、滑移方向及滑移系4.晶體在滑移過程中的轉動第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三1.滑移的表象

發(fā)生了滑移的金屬試樣表面狀態(tài)如圖2-2。圖2-2滑移第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三1.滑移的表象如果將一個單晶體金屬試樣表面拋光后，經(jīng)過伸長變形，再在金相顯微鏡下觀察，可以看到試樣表面出現(xiàn)許多條紋，這些條紋就是晶體在切應力的作用下，一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）滑移產(chǎn)生的臺階，這些條紋稱為“滑移線”。見圖2-3。在更高倍的電子顯微鏡下觀察，一個滑移臺階實際上是一束滑移線群的集合體，稱為“滑移帶”。同時還能看到滑移帶在晶體上的分布是不均勻的。單晶體變形時，滑移只在晶體內有限的晶面上進行，是不均勻的。因此單晶體金屬的塑性變形在表面上看出現(xiàn)了一系列的滑移帶，其塑性變形就是眾多大小不同的滑移帶的綜合效果在宏觀上的體現(xiàn)。第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三鋅單晶體拉伸試驗圖2-3鋅單晶體拉伸試驗示意圖

（a）變形前試樣（b）變形后試樣第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.滑移的機理晶體的塑性變形是晶體內相鄰部分滑移的綜合表現(xiàn)。但晶體內相鄰兩部分之間的相對滑移，不是滑移面兩側晶體之間的整體剛性滑動，而是由于晶體內存在位錯，因位錯線兩側的原子偏離了平衡位置，這些原子有力求達到平衡的趨勢。當晶體受外力作用時，位錯（刃型位錯）將垂直于受力方向，沿著一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐步移動到晶體的表面，形成一個原子間距的滑移量。一個滑移帶就是上百個或更多位錯移動到晶體表面所形成的臺階。第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.滑移的機理圖2-4滑移機理示意圖第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三3.晶體的滑移面、滑移方向及滑移系晶體上的滑移帶分布是不均勻的，即塑性變形時，位錯只沿一定的晶面和一定的晶向移動，并不是沿所有的晶面和晶向都能移動的，這些一定的晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向，并且這些晶面和晶面都是晶體中的密排面和密排方向。因為密排面之間和密排方向之間的原子間距最大，其原子之間的結合力最弱，所以在外力作用下最易引起相對的滑動。不同金屬的晶體結構不同，其滑移面和滑移方向的數(shù)目和位向不同，一個滑移面和在這個滑移面上的一個滑移方向組成一個“滑移系”。所以不同晶體結構的金屬，其滑移系的數(shù)目不同，如體心立方12個，面心立方12個，密排六方12，且滑移系的數(shù)目越多則金屬的塑性愈好，反之滑移系數(shù)愈少，塑性不好，且相同滑移系數(shù)目相同時，滑移方向數(shù)越多，越易滑移，塑性越好。第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三4.晶體在滑移過程中的轉動

單晶體試樣在拉伸實驗時（如圖2-3），除了沿滑移面產(chǎn)生滑移外，晶體還會產(chǎn)生轉動。因為晶體在拉伸過程，當滑移面上、下兩部分發(fā)生微小滑移時，試樣兩端的拉力不再處于同一直線上，于是在滑移面上形成一力偶，使滑移面產(chǎn)生以外力方向為轉向，趨向于與外力平行的轉動?？梢娫诨七^程中，由于晶體的轉動，晶體的位向會發(fā)生變化，原來處于軟取向滑移系，逐漸轉向硬取向，使滑移困難，這種現(xiàn)象“取向硬化”；相反，原來硬取向的滑移系，將逐步趨于軟位向，易于滑移，稱為“取向軟化”。可見在滑移過程中“取向軟化”和“取向硬化”是同時進行的。第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三三、多晶體的塑性變形工程上使用的金屬材料大多為位向、形狀、大小不同的晶粒組成的多晶體，因此多晶體的變形是許多單晶體變形的綜合作用的結果。多晶體內單晶體的變形仍是以滑移和孿生兩種方式進行的，但由于位向不同的晶粒是通過晶界結合在一起的，晶粒的位向和晶界對變形有很大的影響，所以多晶體的塑性變形較單晶體復雜。1.晶界和晶粒位向的影響2.多晶體金屬的變形過程第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三1.晶界和晶粒位向的影響晶界的存在會增大滑移抗力，而且因多晶體中各晶粒晶格位向的不同，也會增大其滑移抗力，因此多晶體金屬的變形抗力總是高于單晶體。金屬的晶粒愈細，金屬的強度便愈高，而且塑性與韌性也較高

第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三1.晶界和晶粒位向的影響圖2-5拉伸試樣變形示意圖第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.多晶體金屬的變形過程多晶體金屬在外力的作用下，處于軟取向的晶粒優(yōu)先產(chǎn)生滑移變形，處于硬取向的相鄰晶粒尚不能滑移變形，只能以彈性變形相平衡。由于晶界附近點陣畸變和相鄰晶粒位向的差異，使變形晶粒中位錯移動難以穿過晶界傳到相鄰晶粒，致使位錯在晶界處塞積。只有進一步增大外力變形才能繼續(xù)進行。隨著變形加大，晶界處塞積的位錯數(shù)目不斷增多，應力集中也逐漸提高。第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.多晶體金屬的變形過程當應力集中達到一定程度后，相鄰晶粒中的位錯源開始滑移，變形就從一批晶粒擴展到另一批晶粒。同時，一批晶粒在變形過程中逐步由軟取向轉動到硬取向，其變形愈來愈困難，另一批晶粒又從硬取向轉動到軟取向，參加滑移變形。多晶體的塑性變形，是在各晶粒互相影響，互相制約的條件下，從少量晶粒開始，分批進行，逐步擴大到其它晶粒，從不均勻的變形逐步發(fā)展到均勻的變形。第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.多晶體金屬的變形過程圖2-6多晶體的拉伸實驗示意圖第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三四、冷塑性變形對金屬組織和性能的影響

經(jīng)過塑性變形，可使金屬的組織和性能發(fā)生一系列重大的變化，這些變化大致可以分為如下四個方面。晶粒沿變形方向拉長，性能趨于各向異性

晶粒破碎，位錯密度增加，產(chǎn)生加工硬化

織構現(xiàn)象的產(chǎn)生

殘余內應力

第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三四、冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖2-7變形前后晶粒形狀變化示意圖第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三四、冷塑性變形對金屬組織和性能的影響圖2-8形變織構示意圖第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三§2回復與再結晶

一、冷變形金屬在加熱時的組織和性能的變化

二、影響再結晶粒大小的因素

三、熱加工對金屬組織和性能的影響

第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三一、冷變形金屬在加熱時的組織和性能的變化1.回復階段

2.再結晶

3.晶粒長大

第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三變形金屬加熱時組織和性能變化示意圖圖2-9第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三1.回復階段

加熱溫度較低時，原子的活動能力不大，這時金屬的晶粒大小和形狀沒有明顯的變化，只是在晶內發(fā)生點缺陷的消失以及位錯的遷移等變化，因此，這時金屬的強度、硬度和塑性等機械性能變化不大，而只是使內應力及電阻率等性能顯著降低。因此對冷變形金屬進行的這種低溫加熱退火只能用在保留加工硬化而降低內應力改善其它的物理性能的場合。比如冷拔高強度鋼絲，利用加工硬化現(xiàn)象產(chǎn)生的高強度，此外，由于殘余內應力對其使用有不利的影響，所以采用低溫退火以消除殘余應力。

第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.再結晶

通過回復，雖然金屬中的點缺陷大為減少，晶格畸變有所降低，但整個變形金屬的晶粒破碎拉長的狀態(tài)仍未改變，組織仍處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。當它被加熱到較高的溫度時，原子也具有較大的活動能力，使晶粒的外形開始變化。從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒。和變形前的晶粒形狀相似，晶格類型相同，把這一階段稱為“再結晶”。第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.再結晶再結晶過程同樣是通過形核和長大兩個過程進行的。再結晶結束后，金屬中內應力全部消除，顯微組織恢復到變形前的狀態(tài)，其所有性能也恢復到變形前的數(shù)值，消除了加工硬化。所以再結晶退火主要用于金屬在變形之后或在變形的過程中，使其硬度降低，塑性長高，便于進一步加工。

第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三3.晶粒長大為了保證變形金屬的再結晶退火質量，獲得細晶粒，有必要了解影響再結晶晶粒大小的因素。再結晶結束后，若在繼續(xù)升高溫度或延長加熱時間，便會出現(xiàn)大晶粒吞并小晶粒的現(xiàn)象，即晶粒長大，晶粒長大對材料的機械性能極不利，強度、塑性、韌性下降。且塑性與韌性下降的更明顯。為了保證變形金屬的再結晶退火質量，獲得細晶粒，有必要了解影響再結晶晶粒大小的因素。第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三二、影響再結晶粒大小的因素

變形度影響

退火溫度的影響

第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三1.變形度影響當變形量很小時，由于晶格畸變很小，不足以引起再結晶，故加熱時無再結晶現(xiàn)象，晶粒度仍保持原來的大小，當變形度達到某一臨界值時，由于此時金屬中只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結晶晶核少，且晶粒極易相互吞并長大，因而再結晶后晶粒粗大，這種變形度即為臨界變形度，當變形度大于臨界變形度時，隨變形量的增加，越來越多的晶粒發(fā)生了變形，變形愈趨均勻，晶格畸變大，再結晶的晶核多，再結晶后晶粒愈來愈細。可見冷壓加工應注意避免在臨界變形度范圍內加工，以免再結晶后產(chǎn)生粗晶粒。第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三1.變形度影響圖2-10變形度對晶粒大小的影響

第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.退火溫度的影響再結晶是在一個溫度范圍內進行的，若溫度過低不能發(fā)生再結晶；若溫度過高，則會發(fā)生晶粒長大，因此要獲得細小的再結晶晶粒，必須在一個合適的溫度范圍內進行加熱。實驗表明，每種金屬都有一最低的再結晶溫度，即：T再，它和熔點之間存在如下大致關系：T再=0.4T熔T：熱力學溫度第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.退火溫度的影響再結晶退火溫度必須在T再以上，生產(chǎn)上實際使用的再結晶溫度通常是比T再高150~250℃，這樣就既可保證完全再結晶，又不致使晶粒粗化。

將這兩個影響因素畫在立體坐標中，得到一“再結晶全圖”，便可以根據(jù)它來確定再結晶退火的工藝參數(shù)。

第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三三、熱加工對金屬組織和性能的影響

熱加工相關概念熱加工對鋼的組織和性能的影響

第35頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三1.熱加工相關概念熱加工：將金屬加熱到再結晶溫度以上一定溫度進行壓力加工。在熱加工中將同時發(fā)生加工硬化和再結晶軟化兩個過程。再結晶溫度是熱加工與冷加工的分界線，高于再結晶溫度的壓力加工是熱加工，低于再結晶溫度的壓力加工是冷加工。

第36頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.熱加工對鋼的組織和性能影響有利影響：(1)通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的氣孔焊合，從