2.3

金屬的塑性加工

2.3.1金屬的塑性變形

概述金屬材料通過冶煉、鑄造，獲得鑄錠后，可通過塑性加工獲得型材、板材、管材或線材，以及零件毛坯或零件。

塑性加工:鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓塑性加工方法示意圖

塑性加工時，金屬產(chǎn)生塑性變形，對金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能會產(chǎn)生重要的影響。問題1：塑性變形對金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能有什么重要影響？問題2：塑性變形后的金屬再加熱時組織結(jié)構(gòu)和性能有什么變化？

一、單晶體的塑性變形

單晶體的塑性變形基本方式有2種：

滑移孿生

1.滑移

晶體在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發(fā)生滑動叫滑移?；?/p>

（2）滑移是晶體內(nèi)部位錯運動的結(jié)果?；铺攸c

（1）滑移只能在切應(yīng)力作用下才會發(fā)生?；婆R界切應(yīng)力產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力。鎢、鉬、鐵的滑移臨界切應(yīng)力比銅、鋁的要大。

（3）總變形量是滑移方向上的原子間距的整數(shù)倍。

滑移在表面形成滑移帶。滑移帶觀察

金屬三種常見晶格的滑移系1×3=34×3=126×2=12滑移系

3個

<110>

3個<111>

2個

每個滑移面上的滑移方向{0001}

1個{111}

4個{110}

6個滑移面密排六方晶格面心立方晶格體心立方晶格晶格滑移系：由一個滑移面與其上的一個滑移方向組成。

（4）滑移沿著晶體中密排面和其上密排方向進行。

密排面、密排方向上原子排列緊密，結(jié)合力強。密排面是滑移面，密排方向是滑移方向。

老師提示

滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好。滑移方向?qū)扑鸬淖饔帽然泼孀饔么?。面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的塑性更好。

（5）滑移時晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動。

2.孿生在切應(yīng)力作用下晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面(孿生面)和晶向(孿生方向)發(fā)生切變的變形過程叫孿生。

發(fā)生切變后位向改變的一部分晶體稱為孿晶。孿晶與未變形部分晶體原子分布對稱。

孿生所需的臨界切應(yīng)力比滑移的大得多。孿生只在滑移很難進行的情況下才發(fā)生?；葡递^少的密排六方晶格金屬如鎂、鋅、鎘等,容易發(fā)生孿生。體心立方晶格金屬（如鐵）在低溫或受沖擊時才發(fā)生孿生。

二、多晶體的塑性變形

工程上使用的金屬絕大部分是多晶體。多晶體中每個晶粒的變形基本方式與單晶體相同。多晶體材料中，各個晶粒位向不同，存在許多晶界，變形要復(fù)雜得多。

多晶體的塑性變形1.晶界阻礙位錯運動

晶界上原子排列不很規(guī)則,阻礙位錯的運動,使變形抗力增大。金屬晶粒越細，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強度就越大。

2.晶粒分批逐步變形軟位向晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應(yīng)力方向。硬位向晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應(yīng)力方向相差較大。老師提示

細晶強化是金屬的一種很重要的強韌化手段。

滑移時，軟位向晶粒先開始，硬位向晶粒后滑移。變形分散在材料各處。晶粒越細，變形越分散，減少了應(yīng)力集中，推遲裂紋形成和發(fā)展，金屬塑性提高。

晶粒細，金屬的強度高，塑性好，斷裂時需要消耗較大的功，因而韌性好。

三、塑性變形對金屬組織和性能的影響

☆老師提示：重點內(nèi)容

1.塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響

（1）晶粒發(fā)生變形

晶粒沿形變方向被拉長或壓扁。變形量很大時,晶粒變成細條狀(拉伸時),金屬中的夾雜物也被拉長,形成纖維組織。變形前變形后

（2）亞晶粒形成

金屬經(jīng)大的塑性變形時,位錯密度增大,大量位錯堆積在局部地區(qū),相互纏結(jié),形成不均勻的分布,使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊,產(chǎn)生亞晶粒。

金屬經(jīng)變形后的亞晶粒

（3）形變織構(gòu)產(chǎn)生

金屬塑性變形到很大程度(70%以上)時,由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動,使各晶粒的位向趨近于一致，這種結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。形變織構(gòu)示意圖

●絲織構(gòu)

各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳鋼經(jīng)大變形量冷拔后,其<100>平行于拔絲方向;

●板織構(gòu)

各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向。低碳鋼的板織構(gòu)為{001}<110>。

2.塑性變形對金屬性能的影響

（1）加工硬化

金屬發(fā)生塑性變形,隨變形度增大,金屬的強度和硬度顯著升高,塑性和韌性明顯下降。這種現(xiàn)象稱為加工硬化，也叫形變強化。

工程應(yīng)用：在生產(chǎn)中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。

產(chǎn)生加工硬化的原因:

塑性變形時,位錯密度增加,位錯間的交互作用增強,相互纏結(jié),位錯運動阻力增大,塑性變形抗力提高。同時晶粒破碎細化,強度提高。加工硬化

（2）產(chǎn)生各向異性

纖維組織和形變織構(gòu)的形成,使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。沿纖維方向的強度和塑性高于垂直方向。

各向異性

有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時,由于各方向上塑性差別很大,零件的邊緣出現(xiàn)“制耳”。因形變織構(gòu)造成深沖制品的制耳示意圖

在某些情況下,織構(gòu)的各向異性有用。制造變壓器鐵芯的硅鋼片,沿<100>方向最易磁化,采用這種織構(gòu)可使鐵損減小,變壓器的效率大大提高。

（3）物理、化學性能變化

塑性變形可影響金屬的物理、化學性能。

電阻增大,耐腐性降低。

殘余內(nèi)應(yīng)力使金屬的耐蝕性降低，較大時使零件變形或開裂。

（4）產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力

殘余內(nèi)應(yīng)力

外力去除后，金屬內(nèi)部殘留下來的應(yīng)力。

塑性變形時，金屬內(nèi)部變形不均勻，位錯、空位等晶體缺陷增多，產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。

噴丸強化齒輪表面通過噴丸處理，產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，提高疲勞強度。噴丸強化

2.3.2塑性變形后的金屬在加熱時組織和性能的變化金屬經(jīng)塑性變形后，組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生很大的變化。對變形后的金屬進行加熱，金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能又會發(fā)生變化。隨著加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程。

一、回復(fù)

變形后的金屬在較低溫度進行加熱，會發(fā)生回復(fù)過程。

回復(fù)溫度：

T回復(fù)=(0.25～0.3)T熔點

T熔點為金屬熔點,單位為絕對溫度(K)。

晶粒內(nèi)部位錯等缺陷減少，晶粒仍保持變形后的形態(tài)，顯微組織不發(fā)生明顯變化。材料的強度和硬度略有降低，塑性有增高，殘余應(yīng)力大大降低。

工程應(yīng)用：對變形金屬進行去應(yīng)力退火、降低殘余內(nèi)應(yīng)力，保留加工硬化效果。

二、再結(jié)晶

1.再結(jié)晶對金屬組織、性能的影響

變形后的金屬在較高溫度加熱時，被拉長（或壓扁）、破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細小的等軸晶。這個過程稱為再結(jié)晶。

變形金屬再結(jié)晶后，強度、硬度明顯降低，塑性、韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象被消除，內(nèi)應(yīng)力全部消失。物理、化學性能基本上恢復(fù)到變形以前的水平。老師提示再結(jié)晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前、變形后的晶格類型均一樣。

2.再結(jié)晶溫度

發(fā)生再結(jié)晶的溫度是一個溫度范圍，并非一恒定溫度。再結(jié)晶溫度指的是最低再結(jié)晶溫度(T再)。用經(jīng)大變形量(70%以上)的冷塑性變形的金屬,經(jīng)1小時加熱后能完全再結(jié)晶的最低溫度來表示。最低再結(jié)晶溫度：

T再=(0.35～0.4)T熔點

式中的溫度單位為絕對溫度(K)。

最低再結(jié)晶溫度影響因素：

（1）預(yù)先變形度

預(yù)先變形度金屬再結(jié)晶前塑性變形的相對變形量。預(yù)先變形度越大,金屬的晶體缺陷就越多,組織越不穩(wěn)定,最低再結(jié)晶溫度也就越低。當預(yù)先變形度達到一定大小后,最低再結(jié)晶溫度趨于某一穩(wěn)定值。

（2）金屬的熔點

熔點越高,最低再結(jié)晶溫度也就越高。

（3）雜質(zhì)和合金元素

雜質(zhì)和合金元素（高熔點元素）阻礙原子擴散和晶界遷移,可顯著提高最低再結(jié)晶溫度。

高純度鋁(99.999%)的最低再結(jié)晶溫度為80℃；

工業(yè)純鋁(99.0%)的最低再結(jié)晶溫度提高到290℃。

（4）加熱速度和保溫時間

再結(jié)晶是一個擴散過程,需要一定時間才能完成。提高加熱速度會使再結(jié)晶在較高溫度下發(fā)生。保溫時間越長,再結(jié)晶溫度越低。

3.再結(jié)晶后晶粒的晶粒度

（1）加熱溫度

加熱溫度越高,原子擴散能力越強,則晶界越易遷移,晶粒長大也越快。加熱溫度對再結(jié)晶后晶粒大小的影響

（2）預(yù)先變形度

變形度的影響主要與金屬變形的均勻度有關(guān)。變形越不均勻,再結(jié)晶退火后的晶粒越大。

預(yù)先變形度對再結(jié)晶后晶粒大小的影響●變形度很小時，不足以引起再結(jié)晶，晶粒不變?！褡冃味冗_到2～10%時，少數(shù)晶粒變形，變形不均勻，再結(jié)晶時生成的晶核少，得到極粗大的晶粒。

塑性變形后的金屬再結(jié)晶時，晶粒發(fā)生異常長大的變形度稱作臨界變形度。

●變形度繼續(xù)增大，晶粒變形厲害、均勻，再結(jié)晶核心越多，再結(jié)晶后的晶粒越細小。

●當變形度過大（約≥90%)時,晶粒可能再次出現(xiàn)異常長大,由形變織構(gòu)造成。

再結(jié)晶的工程應(yīng)用

再結(jié)晶退火消除塑性變形產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)金屬塑性變形的能力，以便繼續(xù)進行形變加工。如生產(chǎn)鐵鉻鋁電阻絲時，在冷拔到一定的變形度后，要進行氫氣保護再結(jié)晶退火，以便繼續(xù)冷拔獲得更細的絲材。

為了縮短處理時間，實際采用的再結(jié)晶退火溫度比該金屬的最低再結(jié)晶溫度要高。

再結(jié)晶退火溫度=T再+（100℃～200℃）

三、晶粒長大

加熱溫度過高或保溫時間過長，晶粒會長大，得到粗大晶粒，使金屬的強度、硬度、塑性、韌性等機械性能顯著降低。

這種不均勻的長大過程稱為二次再結(jié)晶,一般情況下應(yīng)當避免。

變形金屬加熱時組織和性能變化

2.3.3金屬材料的熱加工與冷加工

金屬塑性變形加工方法：

熱加工：熱鍛、熱軋、熱擠壓、熱拔冷加工：冷鐓、冷軋、冷擠壓、冷沖、切削熱加工和冷加工不是根據(jù)變形時是否加熱來區(qū)分，而是根據(jù)變形時的溫度處于金屬的再結(jié)晶溫度以上還是以下來劃分的。

熱加工：在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工。

冷加工：在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形加工。

一、金屬的熱加工及其對組織、性能影響

鋼材的熱鍛和熱軋，溫度處于再結(jié)晶溫度以上，金屬塑性變形后，隨即發(fā)生再結(jié)