壓力加工方法示意圖第三章金屬的塑性變形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

金屬變形的三個(gè)階段彈性變形：應(yīng)力去掉后，變形完全恢復(fù)原狀。在彈性變形范圍內(nèi)，其應(yīng)力與應(yīng)變之間服從虎克定律。彈塑性變形：應(yīng)力去掉后，變形不能恢復(fù)原狀斷裂：韌性斷裂、脆性斷裂韌性斷口脆性解理斷口應(yīng)力形式任何外力都可以分解為：一個(gè)正應(yīng)力(

)

一個(gè)切應(yīng)力(

)正應(yīng)力___伸長、斷裂切應(yīng)力___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一、單晶體的塑性變形塑性變形主要方式：滑移、孿生滑移變形在晶體表面留下變形痕跡孿晶變形在晶體內(nèi)部留下變形痕跡

單晶體彈性變形滑移變形孿生變形滑移滑移是在切應(yīng)力作用下，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(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)?；剖疽鈭D滑移的特點(diǎn)機(jī)械工程材料滑移與位錯(cuò)滑移的實(shí)現(xiàn)是借助于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的。位錯(cuò)在外加切應(yīng)力的作用下移動(dòng)至晶體表面→一個(gè)原子間距的滑移臺(tái)階→塑性變形平面位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)3D位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的易動(dòng)性晶體通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，只在位錯(cuò)中心的少數(shù)原子發(fā)生移動(dòng)，它們移動(dòng)的距離遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作位錯(cuò)的易動(dòng)性。滑移帶和滑移線滑移線：晶體表面的滑移臺(tái)階滑移帶：大量的滑移線組成對(duì)滑移線的觀察也表明了晶體塑性變形的不均勻性，滑移只是集中發(fā)生在一些晶面上，而滑移帶或滑移線之間的晶體層片則未產(chǎn)生變形，只是彼此之間作相對(duì)位移而已?；泼婧突品较蚧泼妫壕w中能夠發(fā)生滑移的晶面滑移方向：晶體中能夠發(fā)生滑移的晶向滑移面和滑移方向往往是金屬晶體中原子排列最密的晶面和晶向?；葡祷葡担阂粋€(gè)滑移面和其上一個(gè)滑移方向的組合滑移系數(shù)目：晶體內(nèi)可能滑移的滑移面數(shù)和滑移方向數(shù)的乘積在其他條件相同時(shí)，晶體中的滑移系愈多，材料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明顯。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。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滑移的特點(diǎn)滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生（在滑移系中進(jìn)行）滑移量是滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，滑移結(jié)果在晶體的表面上造成臺(tái)階?；频耐瑫r(shí)必然伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)。孿生孿生：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（孿生面）和晶向（孿生方向）發(fā)生切變的變形過程。孿生的特點(diǎn)金屬晶體中變形部分與未變形部分在孿生面兩側(cè)形成鏡面對(duì)稱關(guān)系。發(fā)生孿生的部分（切變部分）稱為孿生帶或?qū)\晶。孿生帶的晶格位向發(fā)生變化，發(fā)生孿生時(shí)各原子移動(dòng)的距離是不相等的。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黃銅中的孿晶鋅中的孿晶二、多晶體的塑性變形多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復(fù)雜。2、多晶體的塑性變形（A）晶界的影響晶界起強(qiáng)化作用（

B）晶粒位向的影響

軸向拉力F，試樣橫截面積A,

外力F作用在滑移面上，沿滑移方向的分切應(yīng)力為:

多晶體由許多晶粒組成，各個(gè)晶粒位向不同，且存在許多晶界，變形復(fù)雜。晶界的影響晶界特點(diǎn)：是相鄰晶粒的過渡區(qū)，原子排列較紊亂，常有雜質(zhì)。晶界作用：阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，造成位錯(cuò)塞積，提高變形抗力。晶界的影響細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化：通過細(xì)化晶粒來同時(shí)提高強(qiáng)度、塑性、韌性的方法原理：金屬的晶粒越細(xì)小，①晶界越多，其變形抗力越高；②晶粒數(shù)目較多，每個(gè)晶粒所分擔(dān)的外力較?。虎劬Ы缈偭枯^長且曲折，裂紋擴(kuò)展困難。3.2塑性變形對(duì)組織和性能的影響

塑性變形能夠使材料在變形的同時(shí)，伴隨著變性。變形結(jié)果：⑴晶粒破碎：位錯(cuò)密度增加、產(chǎn)生加工硬化⑵晶粒伸長：各向異性、產(chǎn)生形變織構(gòu)⑶夾雜物伸長：形成纖維組織⑷應(yīng)力狀態(tài)：產(chǎn)生殘余應(yīng)力組織變化—晶粒形狀的變化金屬發(fā)生塑性變形后，沿形變方向，晶粒被拉長或壓扁,金屬中的夾雜物也被拉長,形成纖維組織→各向異性。大變形量(70%～90%以上)定向變形時(shí)，出現(xiàn)形變織構(gòu)現(xiàn)象，或稱“擇優(yōu)取向”工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化5%冷變形純鋁中的位錯(cuò)網(wǎng)(a)正火態(tài)(c)變形80%(b)變形40%變形10%100×變形40%100×變形80%纖維組織100×工業(yè)純鐵不同變形度的顯微組織組織變化—亞結(jié)構(gòu)的形成金屬經(jīng)大的塑性變形時(shí),由于位錯(cuò)的密度增大和發(fā)生交互作用,大量位錯(cuò)堆積在局部地區(qū),并相互纏結(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,而在晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)。性能變化—加工硬化加工硬化：發(fā)生塑性變形時(shí),隨變形度的增大,金屬的強(qiáng)度和硬度顯著提高,塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象,也叫形變強(qiáng)化。（利、弊）產(chǎn)生原因：①金屬發(fā)生塑性變形時(shí),位錯(cuò)密度增加,位錯(cuò)間的交互作用增強(qiáng),相互纏結(jié),造成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力的增大,引起塑性變形抗力提高。②晶粒破碎細(xì)化,使強(qiáng)度得以提高。冷塑性變形與性能關(guān)系加工硬化（形變強(qiáng)化—強(qiáng)化材料的手段之一）

加工硬化的意義：

（1）具有一定抗偶然過載的能力，保證安全；

（2）是冷變形工件成型的重要因素；

（3）強(qiáng)化金屬的重要工藝手段。

（2）織構(gòu)絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致，性能出現(xiàn)各向異性。晶粒拉長，但未出現(xiàn)織構(gòu)。晶粒拉長，且出現(xiàn)織構(gòu)。變形織構(gòu)（1）絲織構(gòu)（2）板織構(gòu)變壓器鐵芯的硅鋼片，沿〈100〉方向最易磁化，采用這種織構(gòu)的板材，鐵損減小。制耳現(xiàn)象性能變化—其它性能變化

經(jīng)塑性變形后的金屬材料，發(fā)生點(diǎn)陣畸變，各種結(jié)構(gòu)缺陷密度增加，導(dǎo)致：金屬的電阻率增高，電阻溫度系數(shù)下降，磁導(dǎo)率下降，熱導(dǎo)率也有所降低，鐵磁材料的磁滯損耗及矯頑力增大。能量狀態(tài)升高，導(dǎo)致金屬中的擴(kuò)散過程加速，金屬的化學(xué)活性增大，腐蝕速度加快。性能變化—產(chǎn)生各向異性由于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。各向異性導(dǎo)致的銅板“制耳”有無殘余內(nèi)應(yīng)力的形成儲(chǔ)存能：外力去除后，仍殘存在材料內(nèi)部的畸變能。儲(chǔ)存能的具體表現(xiàn)方式為：宏觀殘余應(yīng)力、微觀殘余應(yīng)力及點(diǎn)陣畸變。按照殘余應(yīng)力平衡范圍的不同，通?？蓪⑵浞譃槿N：殘余內(nèi)應(yīng)力的種類第一類內(nèi)應(yīng)力：因金屬表面和心部塑性變形不均勻造成，存在于宏觀范圍內(nèi)，又稱宏觀內(nèi)應(yīng)力。第二類內(nèi)應(yīng)力：由于晶粒之間變形不均勻造成，存在于晶粒間，故稱微觀內(nèi)應(yīng)力或晶間內(nèi)應(yīng)力。第三類內(nèi)應(yīng)力：由于晶格畸變，原子偏離平衡位置造成，存在于原子之間，又稱晶格畸變應(yīng)力。第三類內(nèi)應(yīng)力是使金屬強(qiáng)化的主要原因，也是變形金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力。第三節(jié)

塑性變形金屬加熱時(shí)的組織與性能變化1.回復(fù)回復(fù)：較低溫度加熱，由于原子運(yùn)動(dòng)，使變形金屬中的缺陷密度降低，造成內(nèi)應(yīng)力下降的過程。特點(diǎn)：原子活動(dòng)能力較小，金屬的晶粒大小和形狀無明顯變化，故金屬的機(jī)械性能變化不大，而內(nèi)應(yīng)力和電阻等理化性能顯著變化。應(yīng)用：生產(chǎn)中要求保留加工硬化性能，但需要降低內(nèi)應(yīng)力或改善某些理化性能。2.再結(jié)晶再結(jié)晶：變形金屬在較高溫度加熱，原子活動(dòng)能力增大，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(xì)小的等軸晶。特點(diǎn)：①晶粒外形發(fā)生了變化(消除了變形金屬的一切組織特征)，而晶格類型無任何變化；②加工硬化和內(nèi)應(yīng)力完全消除，各種性能完全恢復(fù)到變形前的狀態(tài)。應(yīng)用：常作為金屬進(jìn)一步加工時(shí)的中間退火工序

鐵素體變形80%670℃加熱650℃加熱再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度：變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：材料在1小時(shí)內(nèi)退火（大變形度），發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度（T再）。影響再結(jié)晶溫度的主要因素為：預(yù)先變形程度；原始晶粒的大小；金屬的純度及成分；加熱速度和保溫時(shí)間。最低再結(jié)晶溫度T再純金屬T再=0.4T熔合金T再=（0.5~0.7）T熔溫度單位：絕對(duì)溫度(K)預(yù)變形度對(duì)T再的影響⑴預(yù)先變形程度的影響變形程度愈大，金屬畸變能愈高，向低能狀態(tài)變化的傾向也愈大，因此再結(jié)晶溫度愈低。⑵原始晶粒尺寸的影響在其他條件相同的情況下，金屬的原始晶粒越細(xì)小，則變形的抗力越大，冷變形后儲(chǔ)存的能量較高，再結(jié)晶溫度則較低。⑶金屬的純度及成分的影響由于雜質(zhì)和合金元素特別是高熔點(diǎn)元素,阻礙原子擴(kuò)散和晶界遷移,可顯著提高最低再結(jié)晶溫度。如高純度鋁(99.999%)的最低再結(jié)晶溫度為80℃,而工業(yè)純鋁（99.0%）的最低再結(jié)晶溫度提高到了290℃。⑷加熱速度和保溫時(shí)間的影響再結(jié)晶是一個(gè)擴(kuò)散過程,需要一定時(shí)間才能完成。提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶推遲到較高溫度才發(fā)生；而保溫時(shí)間越長,原子擴(kuò)散越充分，可使再結(jié)晶過程在較低溫度下完成。常見工業(yè)金屬材料的

再結(jié)晶退火和去應(yīng)力退火溫度金屬材料去應(yīng)力退火溫度（℃）再結(jié)晶退火溫度（℃）鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼500～650680～720碳素彈簧鋼280～300鋁及其合金工業(yè)純鋁≈100350～420普通硬鋁合金≈100350～370銅及其合金（黃銅）270～300600～7003.晶粒長大晶粒長大：再結(jié)晶后，隨溫度升高或保溫時(shí)間延長，金屬晶粒之間相互吞并長大的現(xiàn)象。r

r

R

由于表面能的降低

小晶粒向大晶粒聚集是一個(gè)自發(fā)的過程影響再結(jié)晶后晶粒大小的因素加熱溫度和保溫時(shí)間：原子擴(kuò)散→晶界遷移→晶粒長大變形度→畸變能→變形的均勻性

臨界變形度：再結(jié)晶時(shí)，使晶粒異常粗大的變形度預(yù)先變形度：鋁板彈孔經(jīng)再結(jié)晶退火后的組織黃銅再結(jié)晶和晶粒長大各個(gè)階段的金相照片冷變形量為38％的組織580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織冷塑性變形金屬的熱處理去應(yīng)力退火：加熱到回復(fù)階段，去除內(nèi)應(yīng)力，保持加工硬化的強(qiáng)化效果。再結(jié)晶退火：消除加工硬化，提高材料塑性，完全消除殘余應(yīng)力。第四節(jié)金屬的熱加工熱加工：在金屬的再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形加工。特點(diǎn)：塑性變形的同時(shí)伴隨著再結(jié)晶過程的進(jìn)行，因而塑性變形引起的加工硬化效應(yīng)隨即被再結(jié)晶過程的軟化作用所消除，使材料保持良好的塑性狀態(tài)。金屬在熱軋時(shí)變形和再結(jié)晶的示意圖熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響⑴①改善鑄錠組織，表現(xiàn)在：可使鋼中的氣孔焊合，分散縮孔壓實(shí)，從而使材料的致密度增加；可使鋼中的粗大枝晶和柱狀晶破碎，晶粒細(xì)化，且再結(jié)晶后形成等軸晶，機(jī)械性能提高。熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響⑵②產(chǎn)生熱加工流線：可使鋼中的各種夾雜物沿變形方向伸長，形成“纖維組織”，造成各向異性。沿著纖維的方向上(縱向)具有較高的機(jī)械性能，而在垂直方向上(橫行)性能較低。熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響⑶③帶狀組織：復(fù)相合金中的各個(gè)相，在熱加工時(shí)沿著變形方向交替地呈帶狀分布，稱為帶狀組織。帶狀組織不僅降低金屬的強(qiáng)度，還降低塑性和沖擊韌性，對(duì)性能極為不利。輕微的帶狀組織可以通過正火來消除。冷、熱加工的主要應(yīng)用冷加工：適用于截面尺寸較小，加工精度和表面光潔度要求較高的金屬制品。熱加工：主要用于截面尺寸較大、變形量較大的金屬制品及半成品，以及硬脆性較大的金屬材料的變形加工。第五節(jié)超塑性超塑性：很小變形應(yīng)力下拉伸變形時(shí)，δ≥100％的現(xiàn)象。前提：合金的顯微組織和變形時(shí)的溫度、變形速度得到恰當(dāng)配合。主要工藝：微細(xì)晶粒超塑性、相變超塑性小結(jié)1.認(rèn)識(shí)單晶體金屬塑性變形的主要方式－滑移的主要特點(diǎn)；2.認(rèn)識(shí)多晶體金屬塑性變形的特點(diǎn)和晶界與晶粒位向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊懀?.掌握金屬在塑性變形過程中，結(jié)構(gòu)、組織與性能的變化規(guī)律，加工硬化產(chǎn)生的原因和實(shí)際意義；4.建立再結(jié)晶溫度的概念，認(rèn)識(shí)再結(jié)晶的實(shí)質(zhì)；5.了解金屬熱加工和冷加工的區(qū)別。課后思考1.用一根冷拉鋼絲繩吊裝一大型工件入爐，并隨工件一起加熱至1000℃，當(dāng)出爐后再次吊裝工件時(shí)，鋼絲繩斷裂，為什么？2.鎢在1000℃變形加工，錫在室溫下變形加工，請(qǐng)說明它們是熱加工還是冷加工？（鎢熔點(diǎn)是3410℃，