第二章 金属的塑性变形与再结晶
金属的塑性变形与再结晶
? § 1金属的塑性变形
? § 2回复与再结晶
§ 1 金属的塑性变形
? 一、什么是塑性变形
? 二、金属单晶体的塑性变形
? 三、多晶体金属的塑性变形
? 四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
一, 塑性变形
? 金属或合金在外力作用下,都能或多或少地
发生变形,去除外力后,永远残留的那部分
变形叫塑性变形。
? 生产中常利用塑性变形对金属材料进行压力
加工。
? 金属的塑性变形可分为,
冷塑性变形和热塑性变形。
? 在这章里我们主要讲金属的冷塑性变形。
一, 塑性变形
? 压力加工方法示意图
图 2-1 压力加工方法
二、金属单晶体的塑性变形
? 金属单晶体的塑性变形有, 滑移, 与, 孪生,
等不同方式,但一般大多数情况下都是以滑移
方式进行的。
? 下面我们具体看一下单晶体塑性变形的基本方
式 —— 滑移。
? 1.滑移的表象
? 2.滑移的机理
? 3,晶体的滑移面、滑移方向及滑移系
? 4,晶体在滑移过程中的转动
1.滑移的表象
? 发生了滑移的金属试样表面状态如图 2-2。
图 2-2 滑移
1.滑移的表象
? 如果将一个单晶体金属试样表面抛光后,经过伸长变形,
再在金相显微镜下观察,可以看到试样表面出现许多条纹,
这些条纹就是晶体在切应力的作用下,一部分相对于另一
部分沿着一定的晶面(滑移面)和一定的晶向(滑移方向)
滑移产生的台阶,这些条纹称为, 滑移线, 。见图 2-3。
? 在更高倍的电子显微镜下观察,一个滑移台阶实际上是一
束滑移线群的集合体,称为, 滑移带, 。同时还能看到滑
移带在晶体上的分布是不均匀的。
? 单晶体变形时,滑移只在晶体内有限的晶面上进行,是不
均匀的。因此单晶体金属的塑性变形在表面上看出现了一
系列的滑移带,其塑性变形就是众多大小不同的滑移带的
综合效果在宏观上的体现。
锌单晶体拉伸试验
图 2-3 锌单晶体拉伸试验示意图
( a)变形前试样 ( b)变形后试样
2.滑移的机理
? 晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表
现。但晶体内相邻两部分之间的相对滑移,不是
滑移面两侧晶体之间的整体刚性滑动,而是由于
晶体内存在位错,因位错线两侧的原子偏离了平
衡位置,这些原子有力求达到平衡的趋势。
? 当晶体受外力作用时,位错(刃型位错)将垂直
于受力方向,沿着一定的晶面和一定的晶向一格
一格地逐步移动到晶体的表面,形成一个原子间
距的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错
移动到晶体表面所形成的台阶。
2.滑移的机理
图 2-4 滑移机理示意图
3.晶体的滑移面、滑移方向及滑移系
? 晶体上的滑移带分布是不均匀的,即塑性变形时,位错只沿
一定的晶面和一定的晶向移动,并不是沿所有的晶面和晶向
都能移动的,这些一定的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移
方向,并且这些晶面和晶面都是晶体中的密排面和密排方向。
? 因为密排面之间和密排方向之间的原子间距最大,其原子之
间的结合力最弱,所以在外力作用下最易引起相对的滑动。
? 不同金属的晶体结构不同,其滑移面和滑移方向的数目和位
向不同,一个滑移面和在这个滑移面上的一个滑移方向组成
一个, 滑移系, 。
? 所以不同晶体结构的金属,其滑移系的数目不同,如体心立
方 12个,面心立方 12个,密排六方 12,且滑移系的数目越
多则金属的塑性愈好,反之滑移系数愈少,塑性不好,且相
同滑移系数目相同时,滑移方向数越多,越易滑移,塑性越
好。
4.晶体在滑移过程中的转动
? 单晶体试样在拉伸实验时(如图 2-3),除了沿滑
移面产生滑移外,晶体还会产生转动。因为晶体在
拉伸过程,当滑移面上、下两部分发生微小滑移时,
试样两端的拉力不再处于同一直线上,于是在滑移
面上形成一力偶,使滑移面产生以外力方向为转向,
趋向于与外力平行的转动。
? 可见在滑移过程中,由于晶体的转动,晶体的位向
会发生变化,原来处于软取向滑移系,逐渐转向硬
取向,使滑移困难,这种现象, 取向硬化, ;
? 相反,原来硬取向的滑移系,将逐步趋于软位向,
易于滑移,称为, 取向软化, 。
? 可见在滑移过程中, 取向软化, 和, 取向硬化, 是
同时进行的。
三,多晶体的塑性变形
? 工程上使用的金属材料大多为位向、形状、大小
不同的晶粒组成的多晶体,因此多晶体的变形是
许多单晶体变形的综合作用的结果。多晶体内单
晶体的变形仍是以滑移和孪生两种方式进行的,
但由于位向不同的晶粒是通过晶界结合在一起的,
晶粒的位向和晶界对变形有很大的影响,所以多
晶体的塑性变形较单晶体复杂。
? 1,晶界和晶粒位向的影响
? 2,多晶体金属的变形过程
1,晶界和晶粒位向的影响
? 晶界的存在会增大滑移抗力,而且因多晶体中
各晶粒晶格位向的不同,也会增大其滑移抗力,
因此多晶体金属的变形抗力总是高于单晶体 。
? 金属的晶粒愈细,金属的强度便愈高,而且塑
性与韧性也较高
1.晶界和晶粒位向的影响
图 2-5 拉伸试样变形示意图
2,多晶体金属的变形过程
? 多晶体金属在外力的作用下,处于软取向的晶粒
优先产生滑移变形,处于硬取向的相邻晶粒尚不
能滑移变形,只能以弹性变形相平衡。
? 由于晶界附近点阵畸变和相邻晶粒位向的差异,
使变形晶粒中位错移动难以穿过晶界传到相邻晶
粒,致使位错在晶界处塞积。
? 只有进一步增大外力变形才能继续进行。随着变
形加大,晶界处塞积的位错数目不断增多,应力
集中也逐渐提高。
2,多晶体金属的变形过程
? 当应力集中达到一定程度后,相邻晶粒中的位错
源开始滑移,变形就从一批晶粒扩展到另一批晶
粒。同时,一批晶粒在变形过程中逐步由软取向
转动到硬取向,其变形愈来愈困难,另一批晶粒
又从硬取向转动到软取向,参加滑移变形。
? 多晶体的塑性变形,是在各晶粒互相影响,互相
制约的条件下,从少量晶粒开始,分批进行,逐
步扩大到其它晶粒,从不均匀的变形逐步发展到
均匀的变形。
2,多晶体金属的变形过程
图 2-6 多晶体的拉伸实验示意图
四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
? 经过塑性变形,可使金属的组织和性能发生一系
列重大的变化,这些变化大致可以分为如下四个
方面。
? 晶粒沿变形方向拉长,性能趋于各向异性
? 晶粒破碎,位错密度增加,产生加工硬化
? 织构现象的产生
? 残余内应力
四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
图 2-7 变形前后晶粒形状变化示意图
四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响
图 2-8 形变织构示意图
§ 2回复与再结晶
一、冷变形金属在加热时的组织和性
能的变化
二、影响再结晶粒大小的因素
三、热加工对金属组织和性能的影响
一、冷变形金属在加热时的组织和性能的变

? 1,回复阶段
? 2,再结晶
? 3,晶粒长大
变形金属加热时组织和性能变化示意图
图 2-9
1,回复阶段
? 加热温度较低时,原子的活动能力不大,这时金属的
晶粒大小和形状没有明显的变化,只是在晶内发生点
缺陷的消失以及位错的迁移等变化,因此,这时金属
的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大,而只是使
内应力及电阻率等性能显著降低。
? 因此对冷变形金属进行的这种低温加热退火只能用在
保留加工硬化而降低内应力改善其它的物理性能的场
合。
? 比如冷拔高强度钢丝,利用加工硬化现象产生的高强
度,此外,由于残余内应力对其使用有不利的影响,
所以采用低温退火以消除残余应力。
2,再结晶
? 通过回复,虽然金属中的点缺陷大为减少,
晶格畸变有所降低,但整个变形金属的晶粒
破碎拉长的状态仍未改变,组织仍处于不稳
定的状态。
? 当它被加热到较高的温度时,原子也具有较
大的活动能力,使晶粒的外形开始变化。从
破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形
前的晶粒形状相似,晶格类型相同,把这一
阶段称为, 再结晶, 。
2,再结晶
? 再结晶过程同样是通过形核和长大两个过
程进行的。
? 再结晶结束后,金属中内应力全部消除,
显微组织恢复到变形前的状态,其所有性
能也恢复到变形前的数值,消除了加工硬
化。
? 所以再结晶退火主要用于金属在变形之后
或在变形的过程中,使其硬度降低,塑性
长高,便于进一步加工。
3,晶粒长大
? 为了保证变形金属的再结晶退火质量,获得细晶粒,
有必要了解影响再结晶晶粒大小的因素。再结晶结
束后,若在继续升高温度或延长加热时间,便会出
现大晶粒吞并小晶粒的现象,即晶粒长大,晶粒长
大对材料的机械性能极不利,强度、塑性、韧性下
降。且塑性与韧性下降的更明显。
? 为了保证变形金属的再结晶退火质量,获得细晶粒,
有必要了解影响再结晶晶粒大小的因素。
二、影响再结晶粒大小的因素
?变形度影响
?退火温度的影响
1.变形度影响
? 当变形量很小时,由于晶格畸变很小,不足以引
起再结晶,故加热时无再结晶现象,晶粒度仍保
持原来的大小,当变形度达到某一临界值时,由
于此时金属中只有部分晶粒变形,变形极不均匀,
再结晶晶核少,且晶粒极易相互吞并长大,因而
再结晶后晶粒粗大,这种变形度即为临界变形度,
? 当变形度大于临界变形度时,随变形量的增加,
越来越多的晶粒发生了变形,变形愈趋均匀,晶
格畸变大,再结晶的晶核多,再结晶后晶粒愈来
愈细。
? 可见冷压加工应注意避免在临界变形度范围内加
工,以免再结晶后产生粗晶粒。
1.变形度影响
图 2-10 变形度对晶粒大小的影响
2.退火温度的影响
? 再结晶是在一个温度范围内进行的,若温度
过低不能发生再结晶;若温度过高,则会发
生晶粒长大,因此要获得细小的再结晶晶粒,
必须在一个合适的温度范围内进行加热。
? 实验表明,每种金属都有一最低的再结晶温
度,即,T再,它和熔点之间存在如下大致关
系,
T再 =0.4T熔 T:热力学温度
2.退火温度的影响
? 再结晶退火温度必须在 T再 以上,生产上实际使用的再
结晶温度通常是比 T再 高 150~250℃,这样就既可保证
完全再结晶,又不致使晶粒粗化。
将这两个影响因素画在立体坐标中,得到一, 再结晶全
图,,便可以根据它来确定再结晶退火的工艺参数。
三,热加工对金属组织和性能的影响
? 热加工相关概念
? 热加工 对 钢的组织和性能 的影响
1.热加工相关概念
? 热加工:将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行
压力加工。
? 在热加工中将同时发生加工硬化和再结晶软化两个过
程。
? 再结晶温度是热加工与冷加工的分界线,高于再结晶
温度的压力加工是热加工,
低于再结晶温度的压力加工是冷加工 。
2.热加工 对 钢的组织和性能 影响
? 有利影响,
? (1)通过热加工,可使铸态金属中的气孔焊合,从而使其致密度得
以提高;
? (2)通过热加工,可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎,从而使晶
粒细化,机械性能提高;
? (3)通过热加工,可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发
生改变,形成流线组织,如图 2-11,可提高零件使用寿命。
图 2-11 曲轴中的流线分布( a)锻造变形; ( b)切削加工
2.热加工 对 钢的组织和性能 影响
? 不利影响
? 加工的温度过高,晶粒粗大;
? 若温度过低,引起加工硬化、残余内应力等;
? 形成带状组织使性能变坏。