第2章-金屬材料組織和性能的控制3

2.3

金屬的塑性加工

2.3.1金屬的塑性變形

概述金屬材料通過冶煉、鑄造，獲得鑄錠后，可通過塑性加工獲得型材、板材、管材或線材，以及零件毛坯或零件。

塑性加工:鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓塑性加工方法示意圖

塑性加工時(shí)，金屬產(chǎn)生塑性變形，對(duì)金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能會(huì)產(chǎn)生重要的影響。問題1：塑性變形對(duì)金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能有什么重要影響？問題2：塑性變形后的金屬再加熱時(shí)組織結(jié)構(gòu)和性能有什么變化？

一、單晶體的塑性變形

單晶體的塑性變形基本方式有2種：

滑移孿生

1.滑移

晶體在切應(yīng)力的作用下，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)叫滑移?；?/p>

（2）滑移是晶體內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果?；铺攸c(diǎn)

（1）滑移只能在切應(yīng)力作用下才會(huì)發(fā)生。滑移臨界切應(yīng)力產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力。鎢、鉬、鐵的滑移臨界切應(yīng)力比銅、鋁的要大。

（3）總變形量是滑移方向上的原子間距的整數(shù)倍。

滑移在表面形成滑移帶?；茙в^察

金屬三種常見晶格的滑移系1×3=34×3=126×2=12滑移系

3個(gè)

<110>

3個(gè)<111>

2個(gè)

每個(gè)滑移面上的滑移方向{0001}

1個(gè){111}

4個(gè){110}

6個(gè)滑移面密排六方晶格面心立方晶格體心立方晶格晶格滑移系：由一個(gè)滑移面與其上的一個(gè)滑移方向組成。

（4）滑移沿著晶體中密排面和其上密排方向進(jìn)行。

密排面、密排方向上原子排列緊密，結(jié)合力強(qiáng)。密排面是滑移面，密排方向是滑移方向。

老師提示

滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性就越好?；品较?qū)扑鸬淖饔帽然泼孀饔么?。面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的塑性更好。

（5）滑移時(shí)晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.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)生切變的變形過程叫孿生。

發(fā)生切變后位向改變的一部分晶體稱為孿晶。孿晶與未變形部分晶體原子分布對(duì)稱。

孿生所需的臨界切應(yīng)力比滑移的大得多。孿生只在滑移很難進(jìn)行的情況下才發(fā)生?；葡递^少的密排六方晶格金屬如鎂、鋅、鎘等,容易發(fā)生孿生。體心立方晶格金屬（如鐵）在低溫或受沖擊時(shí)才發(fā)生孿生。

二、多晶體的塑性變形

工程上使用的金屬絕大部分是多晶體。多晶體中每個(gè)晶粒的變形基本方式與單晶體相同。多晶體材料中，各個(gè)晶粒位向不同，存在許多晶界，變形要復(fù)雜得多。

多晶體的塑性變形1.晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

晶界上原子排列不很規(guī)則,阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),使變形抗力增大。金屬晶粒越細(xì)，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強(qiáng)度就越大。

2.晶粒分批逐步變形軟位向晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應(yīng)力方向。硬位向晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應(yīng)力方向相差較大。老師提示

細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種很重要的強(qiáng)韌化手段。

滑移時(shí)，軟位向晶粒先開始，硬位向晶粒后滑移。變形分散在材料各處。晶粒越細(xì)，變形越分散，減少了應(yīng)力集中，推遲裂紋形成和發(fā)展，金屬塑性提高。

晶粒細(xì)，金屬的強(qiáng)度高，塑性好，斷裂時(shí)需要消耗較大的功，因而韌性好。

三、塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響

☆老師提示：重點(diǎn)內(nèi)容

1.塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響

（1）晶粒發(fā)生變形

晶粒沿形變方向被拉長或壓扁。變形量很大時(shí),晶粒變成細(xì)條狀(拉伸時(shí)),金屬中的夾雜物也被拉長,形成纖維組織。變形前變形后

（2）亞晶粒形成

金屬經(jīng)大的塑性變形時(shí),位錯(cuò)密度增大,大量位錯(cuò)堆積在局部地區(qū),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,產(chǎn)生亞晶粒。

金屬經(jīng)變形后的亞晶粒

（3）形變織構(gòu)產(chǎn)生

金屬塑性變形到很大程度(70%以上)時(shí),由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),使各晶粒的位向趨近于一致，這種結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。形變織構(gòu)示意圖

●絲織構(gòu)

各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳鋼經(jīng)大變形量冷拔后,其<100>平行于拔絲方向;

●板織構(gòu)

各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向。低碳鋼的板織構(gòu)為{001}<110>。

2.塑性變形對(duì)金屬性能的影響

（1）加工硬化

金屬發(fā)生塑性變形,隨變形度增大,金屬的強(qiáng)度和硬度顯著升高,塑性和韌性明顯下降。這種現(xiàn)象稱為加工硬化，也叫形變強(qiáng)化。

工程應(yīng)用：在生產(chǎn)中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強(qiáng)度。

產(chǎn)生加工硬化的原因:

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),位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大,塑性變形抗力提高。同時(shí)晶粒破碎細(xì)化,強(qiáng)度提高。加工硬化

（2）產(chǎn)生各向異性

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。沿纖維方向的強(qiáng)度和塑性高于垂直方向。

各向異性

有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時(shí),由于各方向上塑性差別很大,零件的邊緣出現(xiàn)“制耳”。因形變織構(gòu)造成深沖制品的制耳示意圖

在某些情況下,織構(gòu)的各向異性有用。制造變壓器鐵芯的硅鋼片,沿<100>方向最易磁化,采用這種織構(gòu)可使鐵損減小,變壓器的效率大大提高。

（3）物理、化學(xué)性能變化

塑性變形可影響金屬的物理、化學(xué)性能。

電阻增大,耐腐性降低。

殘余內(nèi)應(yīng)力使金屬的耐蝕性降低，較大時(shí)使零件變形或開裂。

（4）產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力

殘余內(nèi)應(yīng)力

外力去除后，金屬內(nèi)部殘留下來的應(yīng)力。

塑性變形時(shí)，金屬內(nèi)部變形不均勻，位錯(cuò)、空位等晶體缺陷增多，產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。

噴丸強(qiáng)化齒輪表面通過噴丸處理，產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度。噴丸強(qiáng)化

2.3.2塑性變形后的金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化金屬經(jīng)塑性變形后，組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生很大的變化。對(duì)變形后的金屬進(jìn)行加熱，金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能又會(huì)發(fā)生變化。隨著加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程。

一、回復(fù)

變形后的金屬在較低溫度進(jìn)行加熱，會(huì)發(fā)生回復(fù)過程。

回復(fù)溫度：

T回復(fù)=(0.25～0.3)T熔點(diǎn)

T熔點(diǎn)為金屬熔點(diǎn),單位為絕對(duì)溫度(K)。

晶粒內(nèi)部位錯(cuò)等缺陷減少，晶粒仍保持變形后的形態(tài)，顯微組織不發(fā)生明顯變化。材料的強(qiáng)度和硬度略有降低，塑性有增高，殘余應(yīng)力大大降低。

工程應(yīng)用：對(duì)變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火、降低殘余內(nèi)應(yīng)力，保留加工硬化效果。

二、再結(jié)晶

1.再結(jié)晶對(duì)金屬組織、性能的影響

變形后的金屬在較高溫度加熱時(shí)，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。這個(gè)過程稱為再結(jié)晶。

變形金屬再結(jié)晶后，強(qiáng)度、硬度明顯降低，塑性、韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象被消除，內(nèi)應(yīng)力全部消失。物理、化學(xué)性能基本上恢復(fù)到變形以前的水平。老師提示再結(jié)晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前、變形后的晶格類型均一樣。

2.再結(jié)晶溫度

發(fā)生再結(jié)晶的溫度是一個(gè)溫度范圍，并非一恒定溫度。再結(jié)晶溫度指的是最低再結(jié)晶溫度(T再)。用經(jīng)大變形量(70%以上)的冷塑性變形的金屬,經(jīng)1小時(shí)加熱后能完全再結(jié)晶的最低溫度來表示。最低再結(jié)晶溫度：

T再=(0.35～0.4)T熔點(diǎn)

式中的溫度單位為絕對(duì)溫度(K)。

最低再結(jié)晶溫度影響因素：

（1）預(yù)先變形度

預(yù)先變形度金屬再結(jié)晶前塑性變形的相對(duì)變形量。預(yù)先變形度越大,金屬的晶體缺陷就越多,組織越不穩(wěn)定,最低再結(jié)晶溫度也就越低。當(dāng)預(yù)先變形度達(dá)到一定大小后,最低再結(jié)晶溫度趨于某一穩(wěn)定值。

（2）金屬的熔點(diǎn)

熔點(diǎn)越高,最低再結(jié)晶溫度也就越高。

（3）雜質(zhì)和合金元素

雜質(zhì)和合金元素（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。

高純度鋁(99.999%)的最低再結(jié)晶溫度為80℃；

工業(yè)純鋁(99.0%)的最低再結(jié)晶溫度提高到290℃。

（4）加熱速度和保溫時(shí)間

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)晶在較高溫度下發(fā)生。保溫時(shí)間越長,再結(jié)晶溫度越低。

3.再結(jié)晶后晶粒的晶粒度

（1）加熱溫度

加熱溫度越高,原子擴(kuò)散能力越強(qiáng),則晶界越易遷移,晶粒長大也越快。加熱溫度對(duì)再結(jié)晶后晶粒大小的影響

（2）預(yù)先變形度

變形度的影響主要與金屬變形的均勻度有關(guān)。變形越不均勻,再結(jié)晶退火后的晶粒越大。

預(yù)先變形度對(duì)再結(jié)晶后晶粒大小的影響●變形度很小時(shí)，不足以引起再結(jié)晶，晶粒不變?！褡冃味冗_(dá)到2～10%時(shí)，少數(shù)晶粒變形，變形不均勻，再結(jié)晶時(shí)生成的晶核少，得到極粗大的晶粒。

塑性變形后的金屬再結(jié)晶時(shí)，晶粒發(fā)生異常長大的變形度稱作臨界變形度。

●變形度繼續(xù)增大，晶粒變形厲害、均勻，再結(jié)晶核心越多，再結(jié)晶后的晶粒越細(xì)小。

●當(dāng)變形度過大（約≥90%)時(shí),晶?？赡茉俅纬霈F(xiàn)異常長大,由形變織構(gòu)造成。

再結(jié)晶的工程應(yīng)用

再結(jié)晶退火消除塑性變形產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象，恢復(fù)金屬塑性變形的能力，以便繼續(xù)進(jìn)行形變加工。如生產(chǎn)鐵鉻鋁電阻絲時(shí)，在冷拔到一定的變形度后，要進(jìn)行氫氣保護(hù)再結(jié)晶退火，以便繼續(xù)冷拔獲得更細(xì)的絲材。

為了縮短處理時(shí)間，實(shí)際采用的再結(jié)晶退火溫度比該金屬的最低再結(jié)晶溫度要高。

再結(jié)晶退火溫度=T再+（100℃～200℃）

三、晶粒長大

加熱溫度過高或保溫時(shí)間過長，晶粒會(huì)長大，得到粗大晶粒，使金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等機(jī)械性能顯著降低。

這種不均勻的長大過程稱為二次再結(jié)晶,一般情況下應(yīng)當(dāng)避免。

變形金屬加熱時(shí)組織和性能變化

2.3.3金屬材料的熱加工與冷加工

金屬塑性變形加工方法：

熱加工：熱鍛、熱軋、熱擠壓、熱拔冷加工：冷鐓、冷軋、冷擠壓、冷沖、切削熱加工和冷加工不是根據(jù)變形時(shí)是否加熱來區(qū)分，而是根據(jù)變形時(shí)的溫度處于金屬的再結(jié)晶溫度以上還是以下來劃分的。

熱加工：在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工。

冷加工：在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形加工。

一、金屬的熱加工及其對(duì)組織、性能影響

鋼材的熱鍛和熱軋，溫度處于再結(jié)晶溫度以上，金屬塑性變形后，隨即發(fā)生再結(jié)