第三章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶

第三章金屬的塑性變形與再結(jié)晶在機械制造業(yè)中，許多金屬制品都是通過對金屬鑄錠進行壓力加工獲得的。壓力加工就是對金屬施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形，改變形狀和尺寸，用以制造毛坯、工件或機械零件的成形加工方法，在生產(chǎn)中稱為鍛壓，即鍛造與沖壓的總稱。常見的金屬壓力加工方法有鍛造、沖壓、擠壓、軋制、拉拔等。鍛造沖壓拉拔軋制第一節(jié)金屬的塑性變形

金屬在外力作用下產(chǎn)生變形，其變形過程包括彈性變形和塑性變形兩個階段。彈性變形在外力去除后能夠完全恢復(fù)，所以不能用于成形加工。只有塑性變形才是永久變形，才能用于成形加工。金屬產(chǎn)生彈性變形后，其組織和性能不發(fā)生改變。金屬的塑性變形過程比彈性變形復(fù)雜，而且塑性變形后金屬的組織及性能發(fā)生了改變。一、單晶體的塑性變形工業(yè)用金屬材料大多是由多晶體構(gòu)成的，要說明多晶體的塑性變形，必須首先了解單晶體的塑性變形。實驗證明，晶體在正應(yīng)力作用下，只能產(chǎn)生彈性變形，并直接過渡到脆性斷裂，只有在切應(yīng)力作用下才會產(chǎn)生塑性變形。單晶體的塑性變形主要是以滑移的方式進行的，即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，如圖3–2所示。一般來說，滑移是沿原子排列最密集的晶面及原子排列最密集的方向進行的，分別稱為滑移面和滑移方向。金屬的晶體結(jié)構(gòu)不同，滑移面和滑移方向的數(shù)量不同，所以金屬的塑性存在著差異。研究表明，晶體滑移時，并不是一部分相對于另一部分沿滑移面作整體移動。實際上滑移是借助于晶體中位錯的移動來進行的，如圖3–3所示。(單擊圖片播放)單晶體在滑移變形時還伴隨著晶面的轉(zhuǎn)動，如圖3–4所示。材料力學(xué)證明，與拉力成45°角的截面上分切應(yīng)力數(shù)值最大，有利于滑移的進行。因此，與拉力成45°角的滑移面上最先產(chǎn)生滑移，隨著晶面的轉(zhuǎn)動，該滑移面上的滑移逐漸停止，原來處于其它位向的滑移面轉(zhuǎn)到了與拉力成45°角的方向上而參與滑移。這樣，晶體中的滑移有可能在更多的滑移面上進行，結(jié)果使晶體均勻地變形。單晶體的另一種塑性變形方式是孿生。孿生是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿一定的晶面（孿晶面）及晶向（孿生方向）產(chǎn)生剪切變形，如圖3–5所示。孿生變形與滑移變形的區(qū)別主要有：孿生變形使一部分晶體發(fā)生均勻的切應(yīng)變，滑移變形則集中在一些滑移面上；孿生使晶體變形部分的位向發(fā)生了改變，滑移變形后晶體各部分的位向不發(fā)生改變；孿生變形時原子沿孿生方向的位移量是原子間距的分數(shù)值，滑移變形時原子沿滑移方向的位移量則是原子間距的整數(shù)倍；孿生變形所需切應(yīng)力的數(shù)值比滑移變形的大，只有在滑移很難進行的情況下才發(fā)生孿生變形。二、多晶體的塑性變形多晶體塑性變形的過程比單晶體復(fù)雜，有如下特點：

1．晶粒位向的影響由于多晶體中各個晶粒的晶格位向不同，在外力作用下，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3–6所示。當處于有利滑移位置的晶粒要進行滑移時，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。(單擊圖片播放)

2．晶界的作用在多晶體中，晶界處原子排列混亂，晶格畸變程度大，位錯移動時的阻力增大，宏觀上表現(xiàn)為塑性變形抗力增大，強度提高。由于晶界的作用，多晶體往往表現(xiàn)出竹節(jié)狀變形，如圖3–7所示。(單擊圖片播放)

綜上所述，多晶體的塑性變形抗力不僅與金屬的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與晶粒大小有關(guān)。在一定體積的晶體內(nèi)，晶粒的數(shù)目越多，晶界的數(shù)量也越多，晶粒越細小，位錯移動時的阻力越大，金屬的塑性變形抗力越大，因此，金屬的強度越高。在同樣的變形條件下，晶粒越細小，變形可分散到更多的晶粒內(nèi)進行，不易產(chǎn)生集中變形。另外，晶界多，裂紋不易擴展，從而使金屬在斷裂前能產(chǎn)生較大的塑性變形，表現(xiàn)出金屬具有較高的塑性和韌性。第二節(jié)冷塑性變形對金屬組織和性能的影響冷塑性變形不但改變了金屬的形狀和尺寸，而且還使其組織與性能發(fā)生了重大變化。一、冷塑性變形對金屬組織的影響金屬發(fā)生塑性變形時，隨著外形的改變，其內(nèi)部晶粒的形狀也發(fā)生了變化。當變形程度很大時，晶粒會沿變形方向伸長，形成細條狀，這種呈纖維狀的組織稱為冷加工纖維組織，如圖3–8所示。

形成纖維組織后，金屬的性能會具有明顯的方向性，其縱向（沿纖維方向）的力學(xué)性能高于橫向（垂直于纖維方向）的性能。同時，由于各個晶粒的變形不均勻，使金屬在冷塑性變形后其內(nèi)部存在著殘余應(yīng)力。

冷塑性變形除了使晶粒的形狀發(fā)生變化外，還會使晶粒內(nèi)部的亞晶粒細化，亞晶界數(shù)量增多，位錯密度增加。由于塑性變形時晶格畸變加劇以及位錯間的相互干擾，會阻止位錯的運動，增加了金屬的塑性變形抗力，使金屬的力學(xué)性能發(fā)生了改變。二、冷塑性變形對金屬性能的影響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，金屬材料的強度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為冷變形強化。圖3–9所示為低碳鋼冷塑性變形時，其力學(xué)性能的變化規(guī)律。

三、冷塑性變形使金屬產(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?；騺喚ЯＫ苄宰冃尾痪鶆蛩斐傻臍堄鄳?yīng)力；晶格畸變應(yīng)力是指金屬塑性變形時，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。

一般，殘余應(yīng)力的存在對金屬將產(chǎn)生一些影響，例如降低工件的承載能力、使工件的形狀和尺寸發(fā)生改變、降低工件的耐腐蝕性等，但殘余壓應(yīng)力可使金屬的疲勞強度提高。熱處理可以消除冷塑性變形后金屬內(nèi)部的殘余應(yīng)力。四、冷變形強化在生產(chǎn)中的影響冷變形強化可以提高金屬的強度、硬度和耐磨性，是強化金屬材料的一種工藝方法，特別是對那些不能用熱處理強化的金屬材料更為重要。冷變形強化還可以使金屬材料具有瞬時抗超載能力，在一定程度上提高構(gòu)件的使用安全性。冷變形強化是工件使用壓力加工方法成形的必要條件。如圖3–10所示。冷變形強化會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)進行壓力加工，必須施行中間熱處理，以消除冷變形強化，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。第三節(jié)回復(fù)與再結(jié)晶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。常溫下，原子活動能力比較弱，這種不穩(wěn)定狀態(tài)要經(jīng)過很長時間才能逐漸過渡到穩(wěn)定狀態(tài)。如果對冷塑性變形后的金屬加熱，由于原子活動能力增強，就會迅速發(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3–11所示。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、晶粒長大三個階段的變化。一、回復(fù)當加熱溫度較低時，金屬中的原子有一定的活動能力。通過原子短距離的移動，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)。工業(yè)生產(chǎn)中，常常利用回復(fù)現(xiàn)象對冷塑性變形金屬進行低溫退火處理（又稱為去應(yīng)力退火），目的是在保持冷變形強化的情況下，消除殘余應(yīng)力，提高塑性。例如用冷拉彈簧鋼絲制成的彈簧，在卷制后要進行一次250~300℃的低溫退火處理，以消除殘余應(yīng)力并使彈簧定形；冷拉黃銅制件，為了消除殘余應(yīng)力，避免應(yīng)力腐蝕破壞，也需要進行280℃的低溫退火處理。二、再結(jié)晶隨著加熱溫度的升高，原子的活動能力增強，當加熱到一定溫度（如純鐵加熱到450℃以上）時，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)晶也是通過晶核形成和長大的方式進行的。新晶粒的核心首先在金屬中晶粒變形最嚴重的區(qū)域形成，然后晶核吞并舊晶粒，向周圍長大形成新的等軸晶粒。當變形晶粒全部轉(zhuǎn)化為新的等軸晶粒時，再結(jié)晶過程就完成了。再結(jié)晶前后的晶格類型完全相同，因此，再結(jié)晶過程不是相變過程，只是改變了晶粒的形狀和消除了因變形而產(chǎn)生的某些晶體缺陷，如位錯密度下降、晶格畸變消失等。結(jié)果使冷塑性變形金屬的組織與性能基本上恢復(fù)到了變形前的狀態(tài)，金屬的強度、硬度下降，塑性升高，冷變形強化現(xiàn)象完全消失。再結(jié)晶不是在恒定溫度下發(fā)生的，而是在一個溫度范圍內(nèi)進行的過程。能進行再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度，用符號T再表示。實驗證明，再結(jié)晶溫度與金屬的冷塑性變形程度有關(guān)，如圖3–12所示。金屬的塑性變形程度越大，再結(jié)晶溫度越低。這主要是因為變形程度越大，晶格畸變程度越大，位錯密度越高，金屬的組織越不穩(wěn)定，開始再結(jié)晶的溫度越低。純金屬的再結(jié)晶溫度可根據(jù)其熔點按下式進行計算：

T再≈0.4T熔式中T再——金屬的再結(jié)晶溫度，單位為K；

T熔——金屬的熔點，單位為K。例如工業(yè)純鐵的T再約為723K，即450℃。在生產(chǎn)中，為了消除冷變形強化，恢復(fù)塑性以便繼續(xù)進行壓力加工，必須對冷塑性變形金屬進行中間退火處理。將冷塑性變形金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保持適當時間，使變形晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，以消除冷變形強化和殘余應(yīng)力，這種熱處理方法稱為再結(jié)晶退火。實際生產(chǎn)中的再結(jié)晶退火溫度，通常為金屬再結(jié)晶溫度以上100~200℃。表3–1為常見金屬的去應(yīng)力退火與再結(jié)晶退火的溫度。表3–1常見金屬的去應(yīng)力退火與再結(jié)晶退火溫度金屬材料去應(yīng)力退火溫度/℃再結(jié)晶退火溫度/℃結(jié)構(gòu)鋼500~650680~720碳素彈簧鋼280~300—工業(yè)純鋁95~105350~420硬鋁95~105350~370黃銅270~300600~700三、晶粒長大冷塑性變形金屬經(jīng)再結(jié)晶后，一般都得到細小均勻的等軸晶粒。如果繼續(xù)升高溫度或延長保溫時間，則再結(jié)晶后形成的新晶粒會逐漸長大，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大。如圖3–13所示。影響晶粒長大的因素主要有加熱溫度、保溫時間及冷塑性變形的程度。一般，加熱溫度越高，保溫時間越長，再結(jié)晶后的晶粒越粗大；冷塑性變形的程度越大，再結(jié)晶后的晶粒越細小。但冷塑性變形程度在2%~10%范圍內(nèi)時，再結(jié)晶后的晶粒會異常粗大，這主要是由于變形程度不大，變形僅在一部分晶粒中發(fā)生，再結(jié)晶時形核數(shù)量少造成的。第四節(jié)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。凡是在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性變形加工，稱為熱加工；而在再結(jié)晶溫度以下進行的塑性變形加工則稱為冷加工。冷加工時，不能發(fā)生再結(jié)晶過程，必然產(chǎn)生冷變形強化現(xiàn)象。熱加工時，金屬的塑性變形與再結(jié)晶過程同時發(fā)生，所產(chǎn)生的變形強化被隨時的再結(jié)晶消除，因此，熱加工后并不保留塑性變形帶來的強化效果。例如鎢的再結(jié)晶溫度為1200℃，故鎢在1000℃時進行塑性變形加工，仍屬于冷加工；錫的再結(jié)晶溫度為-7℃，在室溫下對錫進行的塑性變形加工就已經(jīng)屬于熱加工了。一般情況下，截面尺寸較小、材料塑性較好、加工精度和表面質(zhì)量要求較高的金屬制品用冷加工的方法來獲得；而截面尺寸較大、變形量較大、材料在室溫下硬脆性較高的金屬制品用熱加工的方法來獲得。二、熱加工對金屬組織和性能的影響

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3–2為wc=0.3%的碳鋼在鑄態(tài)和鍛態(tài)時的力學(xué)性能比較?？梢姡?jīng)熱加工后，鋼的強度、塑性、沖擊韌度均比鑄態(tài)高，所以工程上受力較大的工件（如齒輪、軸、刃具、模具等）大多數(shù)要通過熱加工來制造。表3–2碳鋼（wc=0.3%）鑄態(tài)和鍛態(tài)時的力學(xué)性能比較狀態(tài)抗拉強度/MPa屈服點/MPa伸長率（%）斷面收縮率（%）沖擊韌度/（J?cm-2）鑄態(tài)500280152735鍛態(tài)530310204668

2．形成熱加工纖維組織熱加工時，鑄態(tài)金屬毛坯中的粗大枝晶偏析和各種夾雜物，都要