金屬的塑性變形與再結(jié)晶課件

第五章金屬的塑性變形與再結(jié)晶

PlasticdeformationandRecrystallization壓力加工：塑性變形過程不可恢復的變形，如把鋼錠鍛造、擠壓、扎制、拉拔成各種型鋼，鋼板、鋼管、鋼絲或其他零件等。壓力加工的目的：1)使鋼材或零件獲得規(guī)定的形狀和尺寸。2）改變鋼的組織和性能。1一、金屬單晶體的塑性變形2塑性變形的基本方式：滑移滑移變形的特點：（1）滑移在切應力作用下產(chǎn)生（2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生（3）滑移時兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數(shù)倍（4）滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動3滑移帶和滑移線的示意圖：52.滑移的機理：剛性滑動：6刃型位錯移動產(chǎn)生滑移：7高溫合金中位錯線的TEM照片：9二、金屬多晶體的塑性變形與單晶體比較并無本質(zhì)上的區(qū)別，即每個晶粒的塑性變形仍然以滑移等方式進行。多晶體與單晶體的結(jié)構(gòu)差異：

晶界、每個晶粒中晶格位向不同。10（1）晶界和晶粒位向?qū)频挠绊懢Ы缡窍噜従Я５倪^渡區(qū);原子排列比較紊亂;常常有雜質(zhì)集中于此，位錯運動→位錯的塞積→使變形難以繼續(xù)進行，必須增加外力，導致塑性變形抗力提高。11（2）細晶強化多晶體金屬中存在的晶界和晶粒間的位向差，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。晶粒越細小，晶界越多，晶粒間相互約束也越大，其強度和硬度就越高。金屬的晶粒細化，不僅可以提高強度，而且可以改善其塑性和韌性。這是因為晶粒越細，單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目越多，在同樣的變形量下同時參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，而不易造成局部應力集中，推遲了裂紋的形成和發(fā)展。因而斷裂前可以承受較大的塑性變形量，并且具有較高的抗沖擊載荷的能力，這使得金屬的塑性和韌性都有所提高。通過細化晶粒來同時提高金屬的強度、硬度、塑性和韌性的方法叫做細晶強化。13三合金的塑性變形與強化合金中存在晶格畸變，使其性能顯著變化。根據(jù)合金的組織可將其分為單相固溶體和多相混合物兩大類。在這兩種不同情況下，合金元素對塑性變形的影響也不相同。14（1）單相固溶體的塑性變形與固溶強化單相固溶體合金的組織與純金屬比較相似，所以其塑性變形過程也與多晶體純金屬相似。固溶體中的溶質(zhì)原子，使其塑性變形抗力增加，強度和硬度提高，而塑性、韌性有所下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是提高金屬材料性能的一個重要途徑，如在碳鋼中加入能溶入鐵素體的Mn、Si等合金元素，即可使其機械性能明顯提高。15（2）多相合金的塑性變形與彌散強化多相合金也是多晶體。它們的差別在于：多相合金中有些晶粒是另一相，有些界面是相界面。多相合金的塑性變形除與固溶體基體密切相關(guān)以外，還與第二相的性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量及分布狀況等有關(guān)，在塑性變形時甚至起著決定性的作用。17當?shù)诙嘣诰Ы缟铣示W(wǎng)狀分布時，對強度和塑性都不利；在晶內(nèi)呈片狀和層狀分布時，可提高強度和硬度，但會降低塑性和韌性鎂合金中的網(wǎng)狀共晶體T8中的珠光體18在晶內(nèi)呈彌散質(zhì)點分布時，雖塑性、韌性稍會降低，但可顯著提高強度和硬度，而且質(zhì)點越細、越多，合金的強度、硬度越高。這種合金強化方法稱為彌散強化或沉淀強化，它也是合金的主要強化方法之一。19內(nèi)部的晶粒形狀被拉長或壓扁。當變形量很大時，晶粒將被拉長成纖維狀，晶界變得模糊不清。此時，金屬的性能將會有明顯的各向異性，如縱向的性能明顯優(yōu)于橫向。21使晶粒內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使晶粒破碎成亞晶粒。這是因為塑性變形會促使晶體內(nèi)部的位錯發(fā)生增殖和纏結(jié)，進而使各晶粒破碎成細碎的亞晶粒。222．形變織構(gòu)的產(chǎn)生當金屬的變形量很大時，由于晶體的轉(zhuǎn)動，使多晶體中原為任意取向的各個晶粒會逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致。這種由于塑性變形的結(jié)果而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫做“形變織構(gòu)”。233．塑性變形對金屬性能的影響在塑性變形的過程中，隨著金屬內(nèi)部組織的變化，金屬的性能也將產(chǎn)生變化。隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這一現(xiàn)象稱為“加工硬化”或“形變強化”。一般認為產(chǎn)生加工硬化的原因是晶體內(nèi)部位錯的增殖，造成位錯間相互纏結(jié)，使位錯運動困難，從而提高了強度。25加工硬化使金屬繼續(xù)變形更加困難，常常造成生產(chǎn)中生產(chǎn)工序的增加和能耗的提高，對材料的加工是不利的。但加工硬化促使金屬塑性變形更加均勻，還可提高金屬的強度，所以加工硬化也是金屬強化的重要手段之一。塑性變形還會使金屬的電阻增大，耐蝕性能下降。26五變形金屬在加熱過程中組織和性能的變化目的：消除殘余應力或恢復其某些性能（如提高塑性、韌性，降低硬度等）。過程：依次發(fā)生回復、再結(jié)晶和晶粒長大。本質(zhì)：加熱導致原子擴散。29301．回復冷變形金屬加熱時，在光學顯微組織發(fā)生改變前（即再結(jié)晶晶粒形成前）所產(chǎn)生的某些亞結(jié)構(gòu)和性能的變化過程。

宏觀層面：顯微組織無變化，機械性能無明顯變化，但內(nèi)應力顯著降低。

微觀層面：點缺陷及位錯的近距離遷移，引起的晶內(nèi)某些變化。31回復的機理：加熱溫度不太高，原子擴散能力較低，原子只能作短距離擴散，使某些晶體缺陷相互抵消，導致缺陷數(shù)量減少，晶格畸變程度減輕。如空位與其它缺陷（如間隙原子）合并，同一滑移面上的異號位錯的相互抵消，這些結(jié)構(gòu)的變化導致了內(nèi)應力的降低。回復的應用：在較低溫度下加熱，使加工硬化金屬的內(nèi)應力基本消除，同時又保持其機械性能。這叫做去應力退火。如冷拔鋼絲，在250℃～300℃低溫加熱，以消除內(nèi)應力使其定型。322．再結(jié)晶冷變形金屬在一定溫度保溫后，變形組織中重新產(chǎn)生無畸變的新晶粒，性能也發(fā)生明顯變化，并完全軟化，這個過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶的驅(qū)動力是冷變形所產(chǎn)生的儲存能，隨著儲存能的釋放，應變能也逐漸降低。新的無畸變等軸晶粒的形成及長大，使之在熱力學上變得更加穩(wěn)定。33

再結(jié)晶的過程也是一個形核和長大的過程，它是以破碎晶粒中無畸變的小晶塊為核心并進行長大的。

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，不同的只是再結(jié)晶后因塑性變形而造成的各種晶體缺陷減少了，內(nèi)應力消失。34再結(jié)晶溫度：沒有恒定的轉(zhuǎn)變溫度，而是自某一溫度開始，隨著溫度的升高而進行的過程。通常的再結(jié)晶溫度是指再結(jié)晶開始溫度，也就是能夠進行再結(jié)晶的最低溫度。一般定義：經(jīng)過嚴重冷變形（變形度在70%以上）的金屬，保溫一小時能夠完成再結(jié)晶（>95%轉(zhuǎn)變量）的溫度。與熔點之間存在： T再≈0.4T熔35再結(jié)晶的應用：再結(jié)晶退火：把冷變形金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，使其發(fā)生再結(jié)晶的處理過程。生產(chǎn)中，采用再結(jié)晶退火來消除經(jīng)冷變形加工產(chǎn)品的加工硬化和各向異性，提高其塑性。在冷變形加工過程中間，進行再結(jié)晶退火，可恢復塑性，便于繼續(xù)加工。

363．晶粒長大冷變形金屬剛剛結(jié)束再結(jié)晶時的晶粒是比較細小均勻的等軸晶粒，如果再結(jié)晶后不控制其加熱溫度或時間，繼續(xù)升溫或保溫，晶粒之間便會相互吞并而長大，這一階段稱為晶粒長大。晶粒長大是自發(fā)過程。晶粒長大分為兩種：正常長大；反常長大或二次再結(jié)晶。

37384．影響再結(jié)晶后晶粒度的因素影響再結(jié)晶后晶粒度的因素很多，最主要的是退火溫度、保溫時間和預先變形程度。（1）加熱溫度與保溫時間的影響再結(jié)晶加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越大，其中加熱溫度的影響尤為顯著。T再加熱溫度圖5-5加熱溫度對晶粒度的影響晶粒大小39（2）預先變形程度的影響預先變形程度的影響實質(zhì)：變形均勻程度的影響。當變形程度很小時，由于金屬的畸變能也很小，不足以引起再結(jié)晶，因而晶粒仍保持原來的形狀。臨界變形度：得到特別粗大晶粒的變形度。晶粒大小

臨界變形度預先變形程度圖5-6預先變形程度對晶粒度的影響40六、金屬的熱加工1．熱加工與冷加工的區(qū)別生產(chǎn)上：熱加工通常是指將金屬材料加熱至高溫進行鍛造、熱軋等的壓力加工過程。學術(shù)上：熱加工是指在再結(jié)晶溫度以上的加工過程；在再結(jié)晶溫度以下的加工過程稱為冷加工。例如鉛的再結(jié)晶溫度低于室溫，因此在室溫下對鉛進行塑性加工屬于熱加工。而鎢的再結(jié)晶溫度約為1200℃，所以即使在1000℃拉制鎢絲也屬于冷加工。41動態(tài)再結(jié)晶：熱加工是在高于再結(jié)晶溫度以上的塑性變形過程，因塑性變形引起的硬化過程和回復再結(jié)晶引起的軟化過程同時存在。由此，在熱加工過程中，金屬內(nèi)部同時進行著加工硬化與回復再結(jié)晶軟化兩個相反的過程，塑性變形所產(chǎn)生的加工硬化將很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消。

422．熱加工對金屬組織和性能的影響（1）改善鑄錠組織使鑄態(tài)組織缺陷得到改善。使氣泡、疏松大部分得到焊合，材料的致密度增大，改善夾雜物與脆性相的形態(tài)、大小及分布；可以部分地消除枝晶偏析；還可將粗大的柱狀晶和樹枝晶砸碎而成細小均勻的晶粒。

4350m44（2）熱加工流線在熱加工過程中，鑄錠中的粗大枝晶和各種夾雜物都要沿變形方向伸長，這樣就使枝晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向逐漸與變形方向一致。脆性夾雜物破碎成鏈狀，塑性夾雜物變成條帶狀、線狀或片層狀，宏觀上，存在著沿變形方向的一條條細線，這就是熱加工中的流線。由一條條流線溝劃出來的組織，叫做纖維組織。

45纖維組織對性能的影響：

使金屬的性能呈現(xiàn)各向異性。順纖維方向具有較高的機械性能，而垂直于流線方向的性能則較低，特別是塑性和韌性表現(xiàn)得更加明顯。在制定熱加工工藝時，應盡量使流線與工件所受的最大拉應力方向一致，而與外剪切應力或沖擊應力的方向垂直。（a）