金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)-金屬的冷、熱加工及再結(jié)晶（航空材料）

變形金屬的組織與性能趨于穩(wěn)定變形金屬發(fā)生：回復(fù)→再結(jié)晶→晶粒長大冷變形內(nèi)能升高（處于不穩(wěn)定狀態(tài)）常溫時(shí)轉(zhuǎn)變不易實(shí)現(xiàn)（原子擴(kuò)散能力小）加熱（原子擴(kuò)散能力增加）加熱溫度升高向低能狀態(tài)轉(zhuǎn)變（1）定義是指加熱溫度較低，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)的近距離遷移而引起的某些晶內(nèi)的變化。（2）特點(diǎn)原子活動(dòng)能力不大；變形金屬的顯微組織不發(fā)生顯著變化；強(qiáng)度和硬度略有降低，塑性略有回升；殘余內(nèi)應(yīng)力基本消除1.回復(fù)：T回=（0.25-0.3)T熔2.再結(jié)晶：T再=0.4T熔

（1）定義

當(dāng)變形金屬加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，由拉長的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。這種冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的過程。（2）特點(diǎn)

再結(jié)晶也是晶核形成和長大的過程；再結(jié)晶前后晶粒晶格類型不變、化學(xué)成分不變，只改變晶粒形狀，因此再結(jié)晶不發(fā)生相變；再結(jié)晶不是在恒溫下進(jìn)行的，而是在一定的溫度范圍進(jìn)行；

經(jīng)過再結(jié)晶的金屬強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性上升，所有性能回復(fù)到變形前的水平。

（3）影響再結(jié)晶溫度的因素變形程度（主要因素）

變形程度越大，晶體中缺陷就越多，組織就越不穩(wěn)定，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力就大，再結(jié)晶溫度就越低。金屬的純度溶質(zhì)或雜質(zhì)原子與位錯(cuò)、晶界存在交互作用，對位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和晶界的遷移起到阻礙作用，再結(jié)晶的溫度就要升高原始晶粒尺寸原始晶粒越細(xì)，變形抗力越大，冷變形后儲(chǔ)存能就越多，再結(jié)晶溫度越低。3.晶粒長大隨溫度升高或保溫時(shí)間延長，晶粒會(huì)繼續(xù)長大，金屬晶界的總面積減少，金屬能量降低。（大晶粒吞并小晶粒、晶界遷移來實(shí)現(xiàn)的）晶粒長大對金屬的力學(xué)性能是不利的，它會(huì)使金屬的塑性、韌性明顯下降，所以要避免晶粒長大。4.影響再結(jié)晶后晶粒尺寸的主要因素（1）加熱溫度和保溫時(shí)間

加熱溫度越高，晶粒長大越快，保溫時(shí)間越長，晶粒越粗大。（2）變形程度對晶粒尺寸的影響

變形程度很小時(shí)不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶；當(dāng)達(dá)到2%-10%時(shí)，再結(jié)晶后的晶粒特別粗大，這個(gè)變形程度稱為臨界變形程度；超過臨界變形程度后，隨著變形量增大，再結(jié)晶后的晶粒越來越細(xì)；當(dāng)變形程度大于95%后，又會(huì)出現(xiàn)再結(jié)晶后晶粒粗大。回復(fù)階段：顯微組織仍為纖維狀、晶粒外形無變化；再結(jié)晶階段：變形晶粒通過形核與長大，拉長的晶粒逐漸變?yōu)樾碌臒o畸變的等軸晶粒；晶粒長大階段：晶界移動(dòng)、晶粒粗化，達(dá)到相對穩(wěn)定形狀和尺寸。5.小結(jié)（1）顯微組織的變化回復(fù)階段：強(qiáng)度硬度略有下降，塑性略有提高，內(nèi)應(yīng)力大幅降低。再結(jié)晶階段：強(qiáng)度硬度明顯下降，塑性明顯提高，內(nèi)應(yīng)力全部消除，基本恢復(fù)到變形前的水平。晶粒長大階段：強(qiáng)度硬度繼續(xù)下降，塑性、韌性降低。（2）性能的變化金屬冷熱加工的目的：獲得需要的形狀和尺寸金屬冷熱加工的方法：軋制、鍛造、擠壓、沖壓、拉拔壓力加工塑性變形組織和性能改變加熱、回復(fù)、再結(jié)晶模鍛自由鍛軋制正擠壓反擠壓拉拔沖壓1.單晶體的塑性變形方式單晶體的塑性變形方式：滑移和孿生。外力單晶體正應(yīng)力：晶格距離加大，彈性變形、斷裂切應(yīng)力：塑性變形最基本、最重要的變形方式滑移（1）滑移：

在切應(yīng)力的作用下，晶體的兩個(gè)部分之間沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）發(fā)生的相對移動(dòng)。滑移原理圖1晶體在切應(yīng)力作用下的變形a.未變形b.彈性變形c.彈塑性變形d.塑性變形單晶體未受到外力時(shí)，原子處于平衡位置（圖a）；切應(yīng)力τ較小時(shí)，晶格發(fā)生彈性歪扭（圖b），此時(shí)去除外力，切應(yīng)力消失，晶格彈性歪扭也隨之消失，晶體恢復(fù)到原始狀態(tài)；當(dāng)τ增大到超過原子間結(jié)合力時(shí)，則某個(gè)晶面兩側(cè)的原子將發(fā)生相對滑移，滑移距離為原子間距的整數(shù)倍（圖c)此時(shí)如除去外力，晶格彈性歪扭隨之消失，而滑移到新位置的原子已不能回到原來位置，在新的位置上處于平衡狀態(tài)（圖d），即塑性變形。以上原因使得晶體產(chǎn)生微量的塑性變形，許多晶面滑移的總和，就產(chǎn)生了宏觀的塑性變形。圖2通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)滑移的示意圖滑移由滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刃型位錯(cuò)在切應(yīng)力的作用下由滑移面的一端運(yùn)動(dòng)到另一端，從而造成的一個(gè)原子間距的滑移過程。晶體在外力作用下不斷增殖新的位錯(cuò)，大量的位錯(cuò)移出晶體表面就產(chǎn)生了宏觀的塑性變形。圖3通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)滑移的動(dòng)畫演示圖圖4單晶體的滑移動(dòng)畫示意圖滑移特點(diǎn)滑移只能在切應(yīng)力下產(chǎn)生。滑移總是沿著晶體中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向進(jìn)行。滑移是通過滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。滑移時(shí)，兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數(shù)倍。滑移時(shí)不引起晶格類型的變化。（2）孿生：

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（孿生面）和晶向（孿生方向）進(jìn)行剪切變形的現(xiàn)象。

孿生帶：剪切變形的部分圖5孿生過程示意圖孿生特點(diǎn)：孿生帶的晶體位向與原來不一致孿生所需的剪切應(yīng)力要比滑移大得多，一般只有在滑移很難進(jìn)行的場合才發(fā)生孿生變形。孿生帶中相鄰原子面的相對位移量小于一個(gè)原子。hcp：常以孿生方式變形；（對稱性低，滑移系少）bcc：只有在低溫拉伸或受到?jīng)_擊載荷時(shí)才發(fā)生孿生變形；fcc：容易滑移變形，一般不發(fā)生孿生變形。hcp：常以孿生方式變形；（對稱性低，滑移系少）bcc：只有在低溫拉伸或受到?jīng)_擊載荷時(shí)才發(fā)生孿生變形；fcc：容易滑移變形，一般不發(fā)生孿生變形。金屬冷熱加工的目的：獲得需要的形狀和尺寸金屬冷熱加工的方法：軋制、鍛造、擠壓、沖壓、拉拔壓力加工塑性變形組織和性能改變加熱、回復(fù)、再結(jié)晶模鍛自由鍛軋制正擠壓反擠壓拉拔沖壓多晶體的塑性變形多晶體的塑性變形晶內(nèi)變形：許多個(gè)單晶塑性變形的總和晶間變形：晶粒間的滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)晶粒越細(xì)

變形分散在更多的晶粒內(nèi)

不產(chǎn)生過分的應(yīng)力集中現(xiàn)象變形更均勻晶界越多越曲折

斷裂前發(fā)生較大的塑性變形不利于裂紋傳播晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高、塑性韌性越好加工硬化（冷作硬化）：金屬在變形后強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。產(chǎn)生加工硬化原因：隨變形量增加，位錯(cuò)密度增加，由于位錯(cuò)之間的交互作用，變形抗力增加。加工硬化的意義：重要的強(qiáng)化手段，特別是不能用熱處理來強(qiáng)化的金屬。有利于金屬進(jìn)行均勻變形。3.塑性變形后金屬的組織與性能（1）位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生加工硬化纖維組織：金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，金屬的晶粒形狀和沿晶界分布的雜質(zhì)沿著變形方向被拉長呈纖維形狀，這種結(jié)構(gòu)稱纖維組織。（2）冷塑性變形引起的各向異性平行于纖維方向：塑性、韌性提高，抗拉強(qiáng)度增加；垂直于纖維方向：塑性、韌性下降，抗剪能力提高。變形織構(gòu)：晶粒位向有序化結(jié)構(gòu)。在塑性變形過程中，由于晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致。變形織構(gòu)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致材料呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時(shí)，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象。各向異性導(dǎo)致的銅板“制耳”有無殘余內(nèi)應(yīng)力：平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力，由金屬內(nèi)部不均勻變形引起。分類宏觀內(nèi)應(yīng)力－金屬表層和心部變形不均勻；微觀內(nèi)應(yīng)力－相鄰晶粒變形不均勻；晶格畸變應(yīng)力－位錯(cuò)等缺陷的增加造成，變形強(qiáng)化原因。殘余內(nèi)應(yīng)力的危害

引起零件加工過程變形、開裂。

降低耐蝕性殘余內(nèi)應(yīng)力的消除或降低

——去應(yīng)力退火（3）產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力1.冷、熱加工的概念及特征熱加工冷加工概念在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形（熱變形）在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形（冷變形）特征金屬材料產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象被消除，且變形抗力小，加熱可提高材料塑性材料有加工硬化現(xiàn)象、變形抗力大、低塑性材料變形困難一、金屬的冷、熱變形加工2.金屬熱加工時(shí)組織和性能的變化（1）可改變金屬材料內(nèi)部夾雜物的形狀及分布情況，形成“流線”（2）細(xì)化晶粒（3）焊合氣孔、疏松，消除成分不均勻（4）熱加工時(shí)金屬塑性好（5）熱加工時(shí)金屬表面有氧化塑性變形后金屬的組織與性能（一）位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生加工硬化加工硬化（冷作硬化）：金屬在變形后強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)