新-第四章 金屬的塑性變形和再結(jié)晶

第四章金屬的塑性變形和再結(jié)晶金屬材料大多是多晶體，多晶體是由許多晶粒和晶界組成，塑性變形較復雜；晶粒近似于單晶體。塑性變形及隨后的加熱對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.4.1單晶體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。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㈠滑移滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動位移的現(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：⑴滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力.

⑵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。

（3）一個滑移面和其上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系。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系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I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。（4）滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍.滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。

銅拉伸試樣表面滑移帶（5）滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動有兩種：滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動和滑移面上滑移方向向最大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動。切應(yīng)力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉(zhuǎn)動多腳蟲的爬行2、滑移的機理滑移是通過滑移面上位錯的運動來實現(xiàn)的。晶體通過位錯運動產(chǎn)生滑移時，只在位錯中心的少數(shù)原子發(fā)生移動，它們移動的距離遠小于一個原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作位錯的易動性。刃位錯的運動㈡孿生孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的切變。發(fā)生切變的部分稱孿晶帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿晶面。孿生的結(jié)果使孿晶面兩側(cè)的晶體呈鏡面對稱。孿晶組織孿生示意圖與滑移相比：孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多;孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距.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發(fā)生錯排而產(chǎn)生的，稱退火孿晶。4.2多晶體金屬的塑性變形單個晶粒變形與單晶體相似,多晶體變形比單晶體復雜。原因：晶界、晶粒位向差等。特點：1.不同時；2.相互協(xié)調(diào)性，變形抗力比單晶體高；3.不均性，造成內(nèi)應(yīng)力。4.2多晶體金屬的塑性變形㈠晶界及晶粒位向差的影響1、晶界的影響當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來,稱位錯的塞積。要使變形繼續(xù)進行,則必須增加外力,從而使金屬的變形抗力提高。晶界對塑性變形的影響Cu-4.5Al合金晶界的位錯塞積2、晶粒位向的影響由于各相鄰晶粒位向不同，當一個晶粒發(fā)生塑性變形時，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。

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，其他位向的晶粒將逐步產(chǎn)生滑移變形，即晶?；谱冃卧诙嗑w中是逐次產(chǎn)生的。當有大量晶粒發(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晶粒大小對金屬力學性能的影響金屬的晶粒越細，其強度和硬度越高。因為金屬晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。細晶強化是工業(yè)生產(chǎn)中重要的強化方法。金屬的晶粒越細，其塑性和韌性也越高。因為晶粒越細，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強度和塑性同時增加,金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。應(yīng)變應(yīng)力塑性材料脆性材料通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、硬度、塑性和韌性的方法稱細晶強化。

4.3塑性變形對組織和性能的影響

2.3.1塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響(1)金屬發(fā)生塑性變形時，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長或壓扁，形成“纖維組織”。(2)當變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變得模糊不清。塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。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網(wǎng)(a)正火態(tài)(c)變形80%(b)變形40%（3）由于晶粒的轉(zhuǎn)動，當塑性變形達到一定程度時，會使絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。各向異性導致的銅板“制耳”有無軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象4.3加工硬化

隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。冷塑性變形量，%屈服強度，MPa1040鋼(0.4%C)黃銅銅冷塑性變形量，%伸長率，%1040鋼(0.4%C)黃銅銅產(chǎn)生加工硬化的原因是:1、隨變形量增加,位錯密度增加，由于位錯之間的交互作用(堆積、纏結(jié))，使變形抗力增加.位錯密度與強度關(guān)系2.隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細化3.隨變形量增加,空位密度增加4.幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動引起由于加工硬化,使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形,而未變形部分開始變形。沒有加工硬化,金屬就不會發(fā)生均勻塑性變形。加工硬化是強化金屬的重要手段之一，對于不能熱處理強化的金屬和合金尤為重要。變形20%純鐵中的位錯未變形純鐵三、殘余內(nèi)應(yīng)力

內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。是由于金屬受力時,內(nèi)部變形不均勻而引起的。金屬發(fā)生塑性變形時,外力所做的功只有10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中.內(nèi)應(yīng)力分為三類：第一類內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間(宏觀內(nèi)應(yīng)力)。第二類內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間,(微觀內(nèi)應(yīng)力)。第三類內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。第三類內(nèi)應(yīng)力是形變金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力，也是金屬強化的主要原因。而第一、二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬強度降低。內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，金屬在塑性變形后，通常要進行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。4.4回復與再結(jié)晶冷變形金屬在加熱時的組織和性能變化

金屬經(jīng)冷變形后,組織處于不穩(wěn)定狀態(tài),有自發(fā)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴散能力小,不穩(wěn)定狀態(tài)可長時間維持。加熱可使原子擴散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復、再結(jié)晶和晶粒長大。加熱溫度℃黃銅4.4.1回復回復是指在加熱溫度較低時，由于金屬中的點缺陷及位錯近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號位錯相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等。在回復階段，金屬組織變化不明顯，其強度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力、電阻率等顯著下降。工業(yè)上，常利用回復現(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，這種熱處理方法稱去應(yīng)力退火。4.4.2再結(jié)晶當變形金屬被加熱到較高溫度時，由于原子活動能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，由破碎拉長的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。這種冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程稱再結(jié)晶。鐵素體變形80%670℃加熱650℃加熱再結(jié)晶也是一個晶核形成和長大的過程，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。冷變形奧氏體不銹鋼加熱時的再結(jié)晶形核SEM-再結(jié)晶晶粒在原變形組織晶界上形核TEM-再結(jié)晶晶粒形核于高密度位錯基體上由于再結(jié)晶后組織的復原，因而金屬的強度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化冷變形(變形量為38%)黃銅580oC保溫15分后的的再結(jié)晶組織4.4.3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間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個自發(fā)的過程。黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織晶粒的長大是通過晶界遷移進行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會使金屬的強度，尤其是塑性和韌性降低。原子穿過晶界擴散晶界遷移方向黃銅再結(jié)晶和晶粒長大各個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分后的組織晶粒粗大會使金屬的強度、塑性、韌性降低，這是不希望發(fā)生的，因此實際生產(chǎn)中再結(jié)晶退火的溫度不能太高。再結(jié)晶是不可逆的過程，如果再結(jié)晶后晶粒粗大，必須經(jīng)過再次冷壓加工才能細化晶粒。4.4.4再結(jié)晶溫度再結(jié)晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)進行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。580oC保溫3秒后的組織580oC保溫4秒后的組織580oC保溫8秒后的組織冷變形(變形量為38%)黃銅的再結(jié)晶T再與ε的關(guān)系影響再結(jié)晶溫度的因素為：1、金屬的預(yù)先變形程度：金屬預(yù)先變形程度越大,再結(jié)晶溫度越低。當變形度達到一定值后，再結(jié)晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結(jié)晶溫度。純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點之間的近似關(guān)系:T再≈0.4T熔金屬熔點越高,T再也越高.2、金屬的純度金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點元素起阻礙擴散和晶界遷移作用，使再結(jié)晶溫度顯著提高.3、再結(jié)晶加熱速度和保溫時間提高加熱速度會使再結(jié)晶推遲到較高溫度發(fā)生,延長加熱時間,使原子擴散充分,再結(jié)晶溫度降低。生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100~200℃。

黃銅580oC保溫8秒后的組織黃銅580oC保溫15分后的組織三、影響再結(jié)晶退火后晶粒度的因素

1、加熱溫度和保溫時間加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響預(yù)先變形度的影響，實質(zhì)上是變形均勻程度的影響.當變形度很小時，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶.當變形達到2~10%時，只有部分晶粒變形，變形極預(yù)先變形度對再結(jié)晶晶粒度的影響2、預(yù)先變形度不均勻，再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長大,再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個變形度稱臨界變形度。當超過臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再結(jié)晶時形核量大而均勻，使再結(jié)晶后晶粒細而均勻，達到一定變形量之后，晶粒度基本不變。再結(jié)晶圖4.5金屬的熱加工

一、冷加工與熱加工的區(qū)別在金屬學中，冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃分的。低于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工，而高于再結(jié)晶溫度的加工稱為熱加工。軋制模鍛拉拔如Fe的再結(jié)晶溫度為451℃，其在400℃

以下的加工仍為冷加工。而Sn

的再結(jié)晶溫度為0℃以下，則其在室溫下的加工為熱加工。熱加工時產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消，因而熱加工不會帶來加工硬化效果。巨型自由鍛件二、熱加工對金屬組織和性能的影響

熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合，使粗大的樹枝晶或柱狀晶破碎，從而使組織致密、成分均勻、晶粒細化，力學性能提高。鍛壓熱加工動態(tài)再結(jié)晶示意圖熱加工使鑄態(tài)金屬中的非金屬夾雜沿變形方向拉長，形成彼此平行的宏觀條紋，稱作流線，由這種流線體現(xiàn)的組織