項(xiàng)目三金屬的塑性變形與再結(jié)晶項(xiàng)目三金屬的塑性變形與再結(jié)晶塑性變形及隨后的加熱對(duì)金屬材料組織和性能有顯著的影響。了解塑性變形的本質(zhì),塑性變形及加熱時(shí)組織的變化，有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，正確確定加工工藝。第一節(jié)純金屬的塑性變形

單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂。

只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。一、單晶體金屬的塑性變形外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片正應(yīng)力σ：僅使晶格產(chǎn)生彈性伸長(zhǎng)，當(dāng)超過原子間結(jié)合力時(shí)，使將晶體拉斷；切應(yīng)力τ

：使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，在超過滑移抗力時(shí)引起滑移面兩側(cè)的晶體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。㈠滑移滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。塑性變形的形式：滑移和孿生。金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。1、滑移變形的特點(diǎn)：（1）滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三種典型金屬晶格的滑移系一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。Ⅰ.滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好。Ⅱ.滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移面更大。因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格,體心立方晶格好于密排六方晶格。（2）滑移時(shí)，晶體兩部分的相對(duì)位移量是原子間距的整數(shù)倍?；频慕Y(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個(gè)滑移帶。

銅拉伸試樣表面滑移帶轉(zhuǎn)動(dòng)的原因：晶體滑移后使正應(yīng)力分量和切應(yīng)力分量組成了力偶。當(dāng)滑移面、滑移方向與外力方向都呈45°角時(shí)，滑移方向上切應(yīng)力最大，因而最容易發(fā)生滑移。有利的滑移位向稱為軟取向；遠(yuǎn)離45°的滑移系稱為硬取向。滑移后，滑移面兩側(cè)晶體的位向關(guān)系未發(fā)生變化。（3）滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)在滑移過程中，由于晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)，晶體的位向會(huì)發(fā)生變化，由原來處于軟取向的滑移系逐漸轉(zhuǎn)向硬取向，使滑移困難的現(xiàn)象稱為取向硬化。由原來的硬取向的滑移系逐步趨于軟取向，使滑移易于進(jìn)行的現(xiàn)象稱為取向軟化。在滑移過程中，取向硬化與取向軟化是同時(shí)進(jìn)行的。2、滑移的機(jī)理滑移是通過滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。2、滑移的機(jī)理滑移是通過滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。多腳蟲的爬行2、滑移的機(jī)理滑移是通過滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。㈡孿生孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多,變形速度極快,接近聲速;孿生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距。密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬，一般不發(fā)生孿生變形，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，這是由于相變過程中原子重新排列時(shí)發(fā)生錯(cuò)排而產(chǎn)生的，稱退火孿晶。奧氏體不銹鋼中退火孿晶鈦合金六方相中的形變孿晶孿晶是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面（即特定取向關(guān)系）構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱為"孿晶"，此公共晶面就稱孿晶面。1、晶粒位向的影響多晶體是由位向不同的許許多多的小晶粒所組成，由于各個(gè)晶粒的位向不同，則各滑移系的取向也不同。在外加拉伸力作用下，各滑移系上的分切應(yīng)力值相差很大，有的晶粒處于有利于滑移的位置，有的晶粒處于不利于滑移的位置，如圖3-11所示。二、多晶體金屬的塑性變形圖3-11位錯(cuò)的塞積當(dāng)處于有利滑移位置的晶粒要進(jìn)行滑移時(shí)，必然受到周圍不同位向晶粒的阻礙，使滑移阻力增加，金屬的塑性變形抗力增大。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來，稱位錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行，則必須增加外力，從而使金屬的變形抗力提高。由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高，如圖3-12所示。圖3-12多晶體塑性變形示意圖2、晶界的影響在多晶體中，晶界處原子排列混亂，晶格畸變程度大，位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)的阻力增大，宏觀上表現(xiàn)為塑性變形抗力增大，強(qiáng)度提高。由于晶界的作用，多晶體往往表現(xiàn)出竹節(jié)狀變形，如圖3-13所示。（a）變形前（b）變形后圖3-13拉伸試樣變形示意圖㈡多晶體金屬的塑性變形過程

多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45°的晶粒。當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開動(dòng)，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。

銅多晶試樣拉伸后形成的滑移帶σσ㈢晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。因?yàn)榻饘倬ЯＴ郊?xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多。塑性變形的晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度關(guān)系第二節(jié)

冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響一、冷塑性變形對(duì)金屬組織的影響金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長(zhǎng)或壓扁。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長(zhǎng)為纖維狀，晶界變得模糊不清。塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。a）未變形

b）變形程度小

c）變形程度大圖3-15冷塑性變形時(shí)晶粒形狀變化示意圖1.加工硬化

隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。產(chǎn)生加工硬化的原因是:隨變形量增加，晶粒破碎，位錯(cuò)密度增加，由于位錯(cuò)之間的交互作用(堆積、纏結(jié))，使變形抗力增加。即強(qiáng)度和硬度顯著提高，而塑性和韌性下降。沒有加工硬化,金屬就不會(huì)發(fā)生均勻塑性變形。加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，對(duì)于不能熱處強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。二、冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響2．使金屬性能具有方向性當(dāng)多晶體金屬在其變形量很大時(shí)，晶粒變成細(xì)條狀。此時(shí)金屬中的夾雜物也被拉長(zhǎng)、形成纖維組織，使金屬的力學(xué)性能具有明顯的方向性。例如縱向(沿纖維組織方向)的強(qiáng)度和塑性比橫向(垂直于纖維組織方向)高得多。冷塑性變形改變了金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，引起了金屬力學(xué)性能的變化。隨著冷塑性變形程度的增加，金屬材料的強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為冷變形強(qiáng)化。圖3-16所示為低碳鋼冷塑性變形時(shí)，其力學(xué)性能的變化規(guī)律。變形程度（%）圖3-16冷塑性變形對(duì)金屬力學(xué)性能的影響3．使金屬產(chǎn)生殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力是指作用于金屬上的外力除去后，仍存在于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。殘余應(yīng)力是由于金屬塑性變形不均勻造成的。根據(jù)殘余應(yīng)力的作用范圍，可分為宏觀殘余應(yīng)力、微觀殘余應(yīng)力、晶格畸變應(yīng)力三類。宏觀殘余應(yīng)力是指金屬各部分塑性變形不均勻所造成的殘余應(yīng)力。微觀殘余應(yīng)力是指晶體中各晶粒或亞晶粒塑性變形不均勻所造成的殘余應(yīng)力。晶格畸變應(yīng)力是指金屬塑性變形時(shí)，晶體中一部分原子偏離其平衡位置造成晶格畸變而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。4．使金屬產(chǎn)生某些物理和化學(xué)性能變化塑性變形除了影響力學(xué)性能外，還會(huì)使金屬的某些物理、化學(xué)性能發(fā)生變化，如電阻增加，導(dǎo)電性能和電阻溫度系數(shù)下降，導(dǎo)熱系數(shù)也略為下降。塑性變形還使導(dǎo)磁率、磁飽和度下降，但磁滯和矯頑力增加。同時(shí)塑性變形還提高金屬的內(nèi)能，使其化學(xué)活性提高，腐蝕速度增快等。

冷變形強(qiáng)化可以提高金屬的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，是強(qiáng)化金屬材料的一種工藝方法，特別是對(duì)那些不能用熱處理強(qiáng)化的金屬材料更為重要。

冷變形強(qiáng)化還可以使金屬材料具有瞬時(shí)抗超載能力，在一定程度上提高構(gòu)件的使用安全性。冷變形強(qiáng)化是工件使用壓力加工方法成形的必要條件。冷變形強(qiáng)化會(huì)使金屬材料的塑性降低，繼續(xù)變形困難，甚至出現(xiàn)破裂。為了使金屬材料能繼續(xù)進(jìn)行壓力加工，必須施行中間熱處理，以消除冷變形強(qiáng)化，這就增加了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)率。

冷塑性變形除了影響金屬的力學(xué)性能外，還會(huì)使金屬的某些物理、化學(xué)性能發(fā)生改變，如電阻增加、化學(xué)活性增大、耐腐蝕性下降等。三、冷變形強(qiáng)化在生產(chǎn)中的影響冷塑性變形后的金屬，其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，而且由于金屬各部分變形不均勻，在金屬內(nèi)部形成殘余應(yīng)力，使金屬處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有自發(fā)地恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)。常溫下，原子活動(dòng)能力比較弱，這種不穩(wěn)定狀態(tài)要經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間才能逐漸過渡到穩(wěn)定狀態(tài)。如果對(duì)冷塑性變形后的金屬加熱，由于原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，就會(huì)迅速發(fā)生一系列組織與性能的變化，使金屬恢復(fù)到變形前的穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3-17所示。任務(wù)3回復(fù)與再結(jié)晶圖3-17加熱溫度對(duì)冷塑性變形金屬組織和性能的影響一、冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化

冷塑性變形后的金屬在加熱過程中，隨加熱溫度的升高，要經(jīng)歷回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大三個(gè)階段的變化，如圖3-18所示。圖3-18冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化㈠回復(fù)當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，金屬中的原子有一定的活動(dòng)能力。通過原子短距離的移動(dòng)，使變形金屬內(nèi)部晶體缺陷的數(shù)量減少，晶格畸變程度減輕，殘余應(yīng)力降低，但造成冷變形強(qiáng)化的主要原因尚未消除，因而，冷加工纖維組織無明顯變化，金屬的力學(xué)性能也無明顯變化，這一階段稱為回復(fù)。在回復(fù)階段，金屬的一些物理、化學(xué)性能部分地恢復(fù)到了變形前的狀態(tài)。㈡再結(jié)晶隨著加熱溫度的升高，原子的活動(dòng)能力增強(qiáng)，當(dāng)加熱到一定溫度（如純鐵加熱到450℃以上）時(shí)，變形金屬中的纖維狀晶粒將重新變?yōu)榈容S晶粒，這一階段稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶也是一個(gè)晶核形成和長(zhǎng)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。由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而金屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。㈢晶粒長(zhǎng)大冷塑性變形金屬經(jīng)再結(jié)晶后，一般都得到細(xì)小均勻的等軸晶粒。如果繼續(xù)升高溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，則再結(jié)晶后形成的新晶粒會(huì)逐漸長(zhǎng)大，導(dǎo)致晶粒變粗，金屬的力學(xué)性能下降，這一階段稱為晶粒長(zhǎng)大，如圖3-21所示。

影響再結(jié)晶退火后晶粒度的主要因素是加熱溫度和預(yù)變形度。圖3-21晶粒長(zhǎng)大示意圖1．加熱溫度和保溫時(shí)間由于晶界遷移的過程就是原子的擴(kuò)散過程，所以加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，原子擴(kuò)散能力愈強(qiáng)，則晶界愈易遷移，晶粒長(zhǎng)大也愈快。2．臨界變形度理論上，沒有變形就沒有再結(jié)晶，當(dāng)變形程度很小時(shí)，金屬材料的晶粒仍保持原狀，這是由于變形度小，畸變能很小，不足以引起再結(jié)晶，所以晶粒大小沒有變化。學(xué)習(xí)任務(wù)四金屬的熱塑性變形一、熱加工與冷加工的區(qū)別金屬的熱塑性變形加工與冷塑性變形加工是以金屬的再結(jié)晶溫度來劃分的。在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形稱為冷塑性變形或冷加工，在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形稱為熱塑性變形或熱加工。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加工。例如純鐵的再結(jié)晶溫度大約為600℃，在此溫度以上的加工即屬于熱加工；鎢的最低再結(jié)晶溫度為1200℃，對(duì)鎢來說，在低于1200℃的高溫下加工仍屬于冷加工；錫的最低再結(jié)晶溫度約為-70℃，在室溫下進(jìn)行的加工已屬于熱加工。熱加工時(shí)，由于金屬原子的結(jié)合力減小，而且形變強(qiáng)化過程隨時(shí)被再結(jié)晶過程所消除，從而使金屬的強(qiáng)度、硬度降低，塑性增強(qiáng)，因此其塑性變形要比冷加工時(shí)容易得多。金屬材料的熱加工和冷加工在生產(chǎn)中都有一定的適用范圍。冷加工可以達(dá)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，一次變形量有限因此宜用于截面尺寸較小、對(duì)加工尺寸和表面粗糙度要求較高的金屬制品或需要加工硬化的零件進(jìn)行加工。而熱加工與此相反。熱加工可用較小的變形能量獲得較大的變形量，但是，由于加工過程在高溫下進(jìn)行，金屬表面易受到氧化，產(chǎn)品的表面粗糙度和尺寸精度較低，因此熱加工主要用于截面尺寸較大、變形度較大或材料在室溫下硬度較高、脆性較大的金屬制品或零件毛坯加工。二、熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響由于熱加工在變形的同時(shí)伴隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，變形停止后在冷到室溫過程中繼續(xù)有再結(jié)晶發(fā)生，所以熱加工基本沒有加工硬化現(xiàn)象。1．消除鑄態(tài)金屬的某些缺陷通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬毛坯中的氣孔和疏松焊合；消除部分偏析；細(xì)化晶粒；改善夾雜物和碳化物的形態(tài)、大小與分布。結(jié)果使金屬的致密度和力學(xué)性能提高。表3.3為wc=0.3%的碳鋼在鑄態(tài)和鍛態(tài)時(shí)的力學(xué)性能比較?？梢?，經(jīng)熱加工后，鋼的強(qiáng)度、塑性、沖擊韌度均比