第四章 金属的塑性变形与再结晶
� fs24金属与合金的性能主要取决于显微组织
和晶体结构,轧制,挤压,冷拔,锻造等工艺
,
在塑性变形过程中,不仅金属的形状和尺寸改
变,而且组织和性能也要改变 。 塑性变形是强化
金属 （ 简称形变强化 ） 的重要手段之一 。
第一节 金属的塑性变形? 从拉伸试验中已知,当应力较小时,金属只产生弹性变
形；应力超过屈服点 σs以后,在产生弹性变形的同时,
金属将产生较大的塑性变形；应力达到 σb后,金属将断
裂 。
一,单晶体金属的塑性变形第一节 金属的塑性变形? 从拉伸试验中已知,当应力较小时,金属只产生弹性变
形；应力超过屈服点 σs以后,在产生弹性变形的同时,
金属将产生较大的塑性变形；应力达到 σb后,金属将断
裂 。
一,单晶体金属的塑性变形
1,应力和变形
正应力只能使单晶体产生弹性变形或脆性断裂；
切应力当很小时,晶格只产生弹性的剪切变形,
切应力增大到一定值后,晶体的一部分将会沿着某一晶面,相对于另一部分位移一个或若干个原子间距,在外力去除后,原子处于新的平衡位置,即晶体产生了永久变形 。
2,晶体的滑移
滑移：在切应力作用下,沿着一定的晶面,晶体的一部分
相对于另一部分发生一定距离位移的塑性变形 。
研究证明,滑移是金属在常温下塑性变形的主要方式 。
晶格中发生滑移的晶面,称为滑移面,滑移进行的方向,
称为滑移方向 。 通常滑移面是原子密度最大的晶面,渭移
方向是原子密度最大的晶向 。
二、多晶体金属的塑性变形
多晶体金属的塑性变形,就其每个晶粒来说与单晶体相似,
但因晶界和各晶粒位向不同的影响,多晶体的塑性变形要比单晶体复杂得多 。
实验证明,晶界对常温塑性变形有显著的阻碍作用 。 因为晶界是相邻晶粒的过渡层,原子排列比较紊乱,且杂质往往较多,因而使滑移阻力增大 。 金属的晶粒愈细,则总的晶界面积愈大,塑性变形的阻力就愈大 。
在多晶体金属中,由于各晶粒的晶格位向不同,在受外力作用时,各晶粒的滑移面和滑移方向上的切应力大小不同,
因而产生滑移的先后不一致 。
由以上分析可知,金属的晶粒愈细小,则单位体积中的晶粒数量愈多,其晶界和各晶粒位向不同对塑性变形的影响愈大,从而金属的强度和硬度便愈高 。 同时,晶粒愈细,
处于有利位向的晶粒愈多,滑移在更多的晶粒内开始,各晶粒的变形比较协调,内应力较小,金属在破裂前能产生较大的塑性变形,即塑性较好 。 因强度和塑性都提高,故细晶粒金属的韧性也较好 。 因此,在生产中,细化晶粒是提高金属强韧性的重要手段 。
第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响
一,金属的加工硬化
加工硬化 （ 冷作硬化 ）,金属冷加工塑性变形时,随着塑性变形程度的增加,金属的强度,硬度提高,而塑性,韧性下降的现象 。
除力学性能外,金属的某些物理,化学性能在冷加工塑性变形以后也会发生变化 。 例如,金属的电阻增加,
导磁性和耐蚀性降低等 。
金属的加工硬化在生产中是强化金属的重要手段 。 特别是热处理无法强化的金属材料,如纯金属,多数钢合金和镍铬不锈钢等 。
加工硬化由于塑性的降低,可能给金属材料进一步变形加工带来困难；某些物理,化学性能的变坏,也会影响一些零件的使用 。
二、塑性变形对金属组织结构的影响
冷加工塑性变形使金属性能发生变化,是由于塑性变形使金属的晶粒沿着变形方向伸长,晶粒伸长成纤维状的原因
纤维组织能使金属的力学性能具有明显的方向性,即造成各向异性 。
冷加工塑性变形除使金属晶粒形状发生变化外,还会使晶粒内部的亚晶粒细化,位错,空位等缺陷增加,晶格略变严重,从而使滑移的阻力增大,造成加工硬化 。
三、冷变形残余应力
残余应力 （ 或内应力 ）,残存在金属内部的内应力
由于金属各部分变形不均匀造成的
冷变形残余应力在多数情况下是有害的 。 当金属表层残余应力为拉应力时将使金属的力学性能下降；残余应力还使金属易产生腐蚀甚至开裂；还可能使金属零件的形状,尺寸逐渐发生变化等 。 所以,在生产中对冷加工后的零件常需采取措施 （ 如进行去应力退火 ） 消除残余应力 。
但是,在某些特定条件下,残余应力的存在也是有利的 。
例如,对在交变应力条件下工作的零件,当表面预先存在残余压应力时,能使其疲劳寿命成倍提高 。 因此,生产中常采用表面滚压或喷丸处理使零件表层强化并产生残余压应力,以提高零件的使用寿命 。
第三节 冷变形金属在加热时组织和性能的变化
一,回复和再结晶
1,回复
当加热温度不高时,冷变形金属的显微组织无变化,
加工硬化仍基本保留,但内应力大为减小,导电性和耐蚀性显著提高 。
2、再结晶
将冷变形金属继续加热至较高温度时,在变形的组织内,
逐渐形成一些内部缺陷较少,晶格比较规则的等轴小晶粒,
它们不断向周围的变形晶粒中长大,直到冷变形组织完全消失为止,这种通过成核和长大使变形晶粒完全转变为等轴晶粒的过程称为再结晶 。
再结晶后内应力完全消除,强度,硬度显著下降,塑性和韧性大为提高,即加工硬化现象消除
3、晶粒长大随着加热温度的升高，金属的晶粒会长大。若加热温度过高或保温时间过长，晶粒将显著粗化。
二、冷变形金属的退火
1,再结晶温度
再结晶没有一个随成分而固定的临界点,而是在加热过程中,从某一温度开始,随着温度的升高或时间的延长,进行生核及长大的过程 。
通过大量的实验,发现工业纯金属的最低再结晶温度：
T再 ≈（ 0.35～ 0.4） T熔
T熔：工业纯金属熔点
2、去应力退火和再结晶退
去应力退火：将冷变形金属加热到再结晶温度以下的回复阶段,基本上消除内应力而保留加工硬化的热处理方法 。
再结晶退火：将冷变形金属加热到再结晶温度以上,完成再结晶的过程,完全消除加工硬化的热处理方法 。
三、金属热加工与冷加工的区别
把金属加热到再结晶温度以上,进行塑性变形加工时,
发生两个过程 。 由于塑性变形,使金属产生加工硬化；
另一方面进行再结晶,而消除加工硬化 。
热加工 （ 热塑性变形 ）,如果后一过程有条件充分进行,加工后便没有加工硬化现象的加工 。
冷加工 （ 冷塑性变形 ）,而在再结晶温度以下加工,
只有加工硬化而无再结晶过程,加工后必然留下加工硬化现象的加工 。
从金属学观点来讲,冷,热加工是以再结晶温度来划分的 。
� fs24金属与合金的性能主要取决于显微组织
和晶体结构,轧制,挤压,冷拔,锻造等工艺
,
在塑性变形过程中,不仅金属的形状和尺寸改
变,而且组织和性能也要改变 。 塑性变形是强化
金属 （ 简称形变强化 ） 的重要手段之一 。
第一节 金属的塑性变形? 从拉伸试验中已知,当应力较小时,金属只产生弹性变
形；应力超过屈服点 σs以后,在产生弹性变形的同时,
金属将产生较大的塑性变形；应力达到 σb后,金属将断
裂 。
一,单晶体金属的塑性变形第一节 金属的塑性变形? 从拉伸试验中已知,当应力较小时,金属只产生弹性变
形；应力超过屈服点 σs以后,在产生弹性变形的同时,
金属将产生较大的塑性变形；应力达到 σb后,金属将断
裂 。
一,单晶体金属的塑性变形
1,应力和变形
正应力只能使单晶体产生弹性变形或脆性断裂；
切应力当很小时,晶格只产生弹性的剪切变形,
切应力增大到一定值后,晶体的一部分将会沿着某一晶面,相对于另一部分位移一个或若干个原子间距,在外力去除后,原子处于新的平衡位置,即晶体产生了永久变形 。
2,晶体的滑移
滑移：在切应力作用下,沿着一定的晶面,晶体的一部分
相对于另一部分发生一定距离位移的塑性变形 。
研究证明,滑移是金属在常温下塑性变形的主要方式 。
晶格中发生滑移的晶面,称为滑移面,滑移进行的方向,
称为滑移方向 。 通常滑移面是原子密度最大的晶面,渭移
方向是原子密度最大的晶向 。
二、多晶体金属的塑性变形
多晶体金属的塑性变形,就其每个晶粒来说与单晶体相似,
但因晶界和各晶粒位向不同的影响,多晶体的塑性变形要比单晶体复杂得多 。
实验证明,晶界对常温塑性变形有显著的阻碍作用 。 因为晶界是相邻晶粒的过渡层,原子排列比较紊乱,且杂质往往较多,因而使滑移阻力增大 。 金属的晶粒愈细,则总的晶界面积愈大,塑性变形的阻力就愈大 。
在多晶体金属中,由于各晶粒的晶格位向不同,在受外力作用时,各晶粒的滑移面和滑移方向上的切应力大小不同,
因而产生滑移的先后不一致 。
由以上分析可知,金属的晶粒愈细小,则单位体积中的晶粒数量愈多,其晶界和各晶粒位向不同对塑性变形的影响愈大,从而金属的强度和硬度便愈高 。 同时,晶粒愈细,
处于有利位向的晶粒愈多,滑移在更多的晶粒内开始,各晶粒的变形比较协调,内应力较小,金属在破裂前能产生较大的塑性变形,即塑性较好 。 因强度和塑性都提高,故细晶粒金属的韧性也较好 。 因此,在生产中,细化晶粒是提高金属强韧性的重要手段 。
第二节 塑性变形对金属组织和性能的影响
一,金属的加工硬化
加工硬化 （ 冷作硬化 ）,金属冷加工塑性变形时,随着塑性变形程度的增加,金属的强度,硬度提高,而塑性,韧性下降的现象 。
除力学性能外,金属的某些物理,化学性能在冷加工塑性变形以后也会发生变化 。 例如,金属的电阻增加,
导磁性和耐蚀性降低等 。
金属的加工硬化在生产中是强化金属的重要手段 。 特别是热处理无法强化的金属材料,如纯金属,多数钢合金和镍铬不锈钢等 。
加工硬化由于塑性的降低,可能给金属材料进一步变形加工带来困难；某些物理,化学性能的变坏,也会影响一些零件的使用 。
二、塑性变形对金属组织结构的影响
冷加工塑性变形使金属性能发生变化,是由于塑性变形使金属的晶粒沿着变形方向伸长,晶粒伸长成纤维状的原因
纤维组织能使金属的力学性能具有明显的方向性,即造成各向异性 。
冷加工塑性变形除使金属晶粒形状发生变化外,还会使晶粒内部的亚晶粒细化,位错,空位等缺陷增加,晶格略变严重,从而使滑移的阻力增大,造成加工硬化 。
三、冷变形残余应力
残余应力 （ 或内应力 ）,残存在金属内部的内应力
由于金属各部分变形不均匀造成的
冷变形残余应力在多数情况下是有害的 。 当金属表层残余应力为拉应力时将使金属的力学性能下降；残余应力还使金属易产生腐蚀甚至开裂；还可能使金属零件的形状,尺寸逐渐发生变化等 。 所以,在生产中对冷加工后的零件常需采取措施 （ 如进行去应力退火 ） 消除残余应力 。
但是,在某些特定条件下,残余应力的存在也是有利的 。
例如,对在交变应力条件下工作的零件,当表面预先存在残余压应力时,能使其疲劳寿命成倍提高 。 因此,生产中常采用表面滚压或喷丸处理使零件表层强化并产生残余压应力,以提高零件的使用寿命 。
第三节 冷变形金属在加热时组织和性能的变化
一,回复和再结晶
1,回复
当加热温度不高时,冷变形金属的显微组织无变化,
加工硬化仍基本保留,但内应力大为减小,导电性和耐蚀性显著提高 。
2、再结晶
将冷变形金属继续加热至较高温度时,在变形的组织内,
逐渐形成一些内部缺陷较少,晶格比较规则的等轴小晶粒,
它们不断向周围的变形晶粒中长大,直到冷变形组织完全消失为止,这种通过成核和长大使变形晶粒完全转变为等轴晶粒的过程称为再结晶 。
再结晶后内应力完全消除,强度,硬度显著下降,塑性和韧性大为提高,即加工硬化现象消除
3、晶粒长大随着加热温度的升高，金属的晶粒会长大。若加热温度过高或保温时间过长，晶粒将显著粗化。
二、冷变形金属的退火
1,再结晶温度
再结晶没有一个随成分而固定的临界点,而是在加热过程中,从某一温度开始,随着温度的升高或时间的延长,进行生核及长大的过程 。
通过大量的实验,发现工业纯金属的最低再结晶温度：
T再 ≈（ 0.35～ 0.4） T熔
T熔：工业纯金属熔点
2、去应力退火和再结晶退
去应力退火：将冷变形金属加热到再结晶温度以下的回复阶段,基本上消除内应力而保留加工硬化的热处理方法 。
再结晶退火：将冷变形金属加热到再结晶温度以上,完成再结晶的过程,完全消除加工硬化的热处理方法 。
三、金属热加工与冷加工的区别
把金属加热到再结晶温度以上,进行塑性变形加工时,
发生两个过程 。 由于塑性变形,使金属产生加工硬化；
另一方面进行再结晶,而消除加工硬化 。
热加工 （ 热塑性变形 ）,如果后一过程有条件充分进行,加工后便没有加工硬化现象的加工 。
冷加工 （ 冷塑性变形 ）,而在再结晶温度以下加工,
只有加工硬化而无再结晶过程,加工后必然留下加工硬化现象的加工 。
从金属学观点来讲,冷,热加工是以再结晶温度来划分的 。
