第二章金屬的塑性變形與再結(jié)晶

1、第第2 2章章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶 第第2 2章章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶 第一節(jié)第一節(jié) 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 第二節(jié)第二節(jié) 冷塑性變形對金屬組織與性能的影響冷塑性變形對金屬組織與性能的影響 第三節(jié)第三節(jié) 冷變形金屬在加熱時組織與性能的變化冷變形金屬在加熱時組織與性能的變化 第四節(jié)第四節(jié) 金屬的熱塑性變形加工金屬的熱塑性變形加工 第一節(jié)第一節(jié) 金屬的塑性變形金屬的塑性變形 a）軋制 b）擠壓 c）冷拔 d）鍛造 e）冷沖壓 塑性變形的特點是金屬材料在外力的作塑性變形的特點是金屬材料在外力的作 用下，按一定設(shè)計要求發(fā)生永久性變形用下，按一定

2、設(shè)計要求發(fā)生永久性變形 ，同時在外力的作用下，金屬的內(nèi)部組，同時在外力的作用下，金屬的內(nèi)部組 織和性能也得到一定的改善織和性能也得到一定的改善 。 一、單晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形 作用在晶體內(nèi)一定的晶面作用在晶體內(nèi)一定的晶面 上的外力上的外力F F可分解為可分解為正應(yīng)力正應(yīng)力 NN和和切應(yīng)力切應(yīng)力NN，正應(yīng)力的，正應(yīng)力的 作用只能使晶體產(chǎn)生彈性變作用只能使晶體產(chǎn)生彈性變 形，而不能產(chǎn)生塑性變形。形，而不能產(chǎn)生塑性變形。 只有在切應(yīng)力的作用下金屬只有在切應(yīng)力的作用下金屬 晶體才能產(chǎn)生塑性變形。晶體才能產(chǎn)生塑性變形。 正應(yīng)力作用下晶體變形示意圖正應(yīng)力作用下晶體變形示意圖 切應(yīng)力作用下晶體

3、變形示意圖切應(yīng)力作用下晶體變形示意圖 一、單晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形 一、單晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形 金屬塑性變形的主要方式是滑移。 單晶體在切應(yīng)力N的作用下，晶體的一部分沿一 定的晶面上的晶向，相對另一部分發(fā)生滑動，產(chǎn)生 滑動的現(xiàn)象稱為滑移。 能夠產(chǎn)生滑移的晶面稱為滑移面。 能夠產(chǎn)生滑移的晶向稱為滑移方向。 一、單晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形 a）拉伸 b）壓縮 鋅單晶體滑移變形示意圖鋅單晶體滑移變形示意圖 一、單晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形 二、多晶體的塑性變形二、多晶體的塑性變形 晶粒位向?qū)ψ冃蔚挠绊懀壕ЯＮ幌驅(qū)ψ冃蔚挠绊懀?晶界對變形的影響：晶界對變形的

4、影響： 晶粒大小的影響：晶粒大小的影響：晶粒的數(shù)目越多，晶粒就越細小。晶粒的數(shù)目越多，晶粒就越細小。 第二節(jié)第二節(jié) 冷塑性變形對金屬組織與性能的影響冷塑性變形對金屬組織與性能的影響 一、金屬組織和結(jié)構(gòu)的變化一、金屬組織和結(jié)構(gòu)的變化 晶粒變形：晶粒變形：金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，同時，內(nèi)金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，同時，內(nèi) 部晶粒的形狀也發(fā)生變化，通常是晶粒沿變形方向被拉部晶粒的形狀也發(fā)生變化，通常是晶粒沿變形方向被拉 長或壓扁。長或壓扁。 a）變形前 b）變形后 亞結(jié)構(gòu)的形成亞結(jié)構(gòu)的形成 ：在金屬少量變形時，位錯的分布尚均勻，在金屬少量變形時，位錯的分布尚均勻， 當變形量增大時，由于位錯

5、運動和相互牽制作用，有的晶當變形量增大時，由于位錯運動和相互牽制作用，有的晶 粒內(nèi)部破碎成許多位向差小于粒內(nèi)部破碎成許多位向差小于1 1的小晶塊稱為亞晶粒，的小晶塊稱為亞晶粒， 這種結(jié)構(gòu)稱為亞結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)稱為亞結(jié)構(gòu)。 一、金屬組織和結(jié)構(gòu)的變化一、金屬組織和結(jié)構(gòu)的變化 產(chǎn)生形變織構(gòu)：產(chǎn)生形變織構(gòu)：在多晶體金屬變形量大于在多晶體金屬變形量大于70%70%時，原來位時，原來位 向不同的各個晶粒的取向會大致趨于一致，這種現(xiàn)象稱為向不同的各個晶粒的取向會大致趨于一致，這種現(xiàn)象稱為 擇優(yōu)取向，形成的有序化結(jié)構(gòu)稱為形變織構(gòu)擇優(yōu)取向，形成的有序化結(jié)構(gòu)稱為形變織構(gòu) 。 板織構(gòu)板織構(gòu) 絲織構(gòu)絲織構(gòu) 形變織構(gòu)示意

6、圖形變織構(gòu)示意圖 各向異性導(dǎo)致的銅板各向異性導(dǎo)致的銅板 “制耳制耳” 有有無無 一、金屬組織和結(jié)構(gòu)的變化一、金屬組織和結(jié)構(gòu)的變化 冷塑性變形量 屈服強度，MPa 1040鋼(0.4%C) 黃銅 銅 冷塑性變形量 伸長率，% 1040鋼 (0.4%C) 黃銅 銅 隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性 、韌性下降的現(xiàn)象稱、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。加工硬化。 一、金屬組織和結(jié)構(gòu)的變化一、金屬組織和結(jié)構(gòu)的變化 二、冷塑性變形引起的殘余內(nèi)應(yīng)力二、冷塑性變形引起的殘余內(nèi)應(yīng)力 宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）：宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）：金屬在塑性變形時，

7、金屬在塑性變形時， 由于各部分變形不均勻，使整個工件或在較大的宏由于各部分變形不均勻，使整個工件或在較大的宏 觀范圍內(nèi)（如表層或心部）產(chǎn)生的應(yīng)力稱宏觀內(nèi)應(yīng)力。觀范圍內(nèi)（如表層或心部）產(chǎn)生的應(yīng)力稱宏觀內(nèi)應(yīng)力。 引起工件開裂。 微觀內(nèi)應(yīng)力（第二類內(nèi)應(yīng)力）：微觀內(nèi)應(yīng)力（第二類內(nèi)應(yīng)力）：金屬在塑性變形后，金屬在塑性變形后， 由于晶粒間或晶粒內(nèi)各亞晶粒之間因變形不均勻而由于晶粒間或晶粒內(nèi)各亞晶粒之間因變形不均勻而 形成的微觀內(nèi)應(yīng)力。形成的微觀內(nèi)應(yīng)力。 使金屬產(chǎn)生晶間腐蝕，甚至?xí)构ぜ诓淮蟮耐饬κ菇饘佼a(chǎn)生晶間腐蝕，甚至?xí)构ぜ诓淮蟮耐饬?下產(chǎn)生微裂紋或斷裂。下產(chǎn)生微裂紋或斷裂。 二、冷塑性變形引起的殘

8、余內(nèi)應(yīng)力二、冷塑性變形引起的殘余內(nèi)應(yīng)力 晶格畸變應(yīng)力（第三類內(nèi)應(yīng)力）：晶格畸變應(yīng)力（第三類內(nèi)應(yīng)力）：冷塑性變形冷塑性變形 后，晶體內(nèi)產(chǎn)生大量的位錯和空位等晶體缺陷后，晶體內(nèi)產(chǎn)生大量的位錯和空位等晶體缺陷 ，使晶體中一部分原子偏離其平衡位置而產(chǎn)生，使晶體中一部分原子偏離其平衡位置而產(chǎn)生 晶格畸變，由晶格畸變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱晶格畸晶格畸變，由晶格畸變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱晶格畸 變應(yīng)力。變應(yīng)力。 使金屬的強度、硬度升高，塑性和抗腐蝕性能下使金屬的強度、硬度升高，塑性和抗腐蝕性能下 降降 。 二、冷塑性變形引起的殘余內(nèi)應(yīng)力二、冷塑性變形引起的殘余內(nèi)應(yīng)力 第三節(jié)第三節(jié) 冷變形金屬在加熱時組織與性能的變化冷變形金

9、屬在加熱時組織與性能的變化 金屬冷塑性變形后，產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象，為了恢復(fù)和改善金屬冷塑性變形后，產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象，為了恢復(fù)和改善 金屬的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，對金屬進行加熱，隨著加熱金屬的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，對金屬進行加熱，隨著加熱 溫度的提高，金屬原子活動能力的增強就會發(fā)生一系列組織溫度的提高，金屬原子活動能力的增強就會發(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)，這種變化與性能的變化，使金屬恢復(fù)到變形前的穩(wěn)定狀態(tài)，這種變化 可分為可分為回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大三個階段三個階段 。 一、回復(fù)一、回復(fù) 在回復(fù)階段，金屬組織變化在回復(fù)階段，金屬組織變化 不

10、明顯，其強度、硬度略有不明顯，其強度、硬度略有 下降，塑性略有提高，但內(nèi)下降，塑性略有提高，但內(nèi) 應(yīng)力、電阻率等顯著下降。應(yīng)力、電阻率等顯著下降。 工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將 冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn) 定組織又保留加工硬化，這定組織又保留加工硬化，這 種熱處理方法稱去應(yīng)力退火。種熱處理方法稱去應(yīng)力退火。 一、再結(jié)晶一、再結(jié)晶 當冷塑性變形后的金屬當冷塑性變形后的金屬 加熱到比回復(fù)階段更高加熱到比回復(fù)階段更高 的溫度后，由于原子活的溫度后，由于原子活 動能力的增強，使被拉動能力的增強，使被拉 長成纖維狀或破碎的晶長成纖維狀或破碎的晶 粒全部轉(zhuǎn)變成均勻

11、而細粒全部轉(zhuǎn)變成均勻而細 小的等軸晶粒，這個過小的等軸晶粒，這個過 程稱為程稱為再結(jié)晶再結(jié)晶。 鐵素體變形80% 670加熱 650加熱 一、再結(jié)晶一、再結(jié)晶 再結(jié)晶溫度為冷塑性變形金再結(jié)晶溫度為冷塑性變形金 屬開始產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象的最低屬開始產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象的最低 溫度，用溫度，用T T再再表示。表示。 變形度愈大，金屬畸變能愈 高，再結(jié)晶溫度就越低。 當變形量達到一定值后，再 結(jié)晶溫度就趨于某一恒定值， 稱為最低再結(jié)晶溫度。 金屬再結(jié)晶溫度與變形量的關(guān)系 三、晶粒長大三、晶粒長大 再結(jié)晶過程完成后，得到的是無畸變、細小的等 軸晶粒，如果再繼續(xù)升高溫度或延長保溫時間， 晶粒之間就會相互吞并而長大

12、。 晶粒長大是一個自發(fā)進行的過程。 晶粒長大示意圖晶粒長大示意圖 四、影響再結(jié)晶退火后晶粒大小的因素四、影響再結(jié)晶退火后晶粒大小的因素 晶粒大小直接影響金屬的力學(xué)性能，晶粒越小，晶粒大小直接影響金屬的力學(xué)性能，晶粒越小， 金屬材料的強度、塑性和韌性越好。因此生產(chǎn)金屬材料的強度、塑性和韌性越好。因此生產(chǎn) 上要嚴格控制再結(jié)晶后的晶粒度。上要嚴格控制再結(jié)晶后的晶粒度。 加熱溫度的影響：加熱溫度的影響：加熱溫度越高，保溫時間越長，加熱溫度越高，保溫時間越長， 原子擴散能力愈強，則晶界愈易遷移，晶粒長大原子擴散能力愈強，則晶界愈易遷移，晶粒長大 也愈快，尤其是加熱溫度的影響更為明顯。也愈快，尤其是加熱溫

13、度的影響更為明顯。 再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響 四、影響再結(jié)晶退火后晶粒大小的因素四、影響再結(jié)晶退火后晶粒大小的因素 四、影響再結(jié)晶退火后晶粒大小的因素四、影響再結(jié)晶退火后晶粒大小的因素 變形程度的影響變形程度的影響：當變形度很小時，晶格畸變很少，不當變形度很小時，晶格畸變很少，不 足以引發(fā)再結(jié)晶，所以晶粒形狀數(shù)量不變。足以引發(fā)再結(jié)晶，所以晶粒形狀數(shù)量不變。 當變形度超過臨界變形度后，當變形度超過臨界變形度后， 隨著變形度的增加，晶格畸隨著變形度的增加，晶格畸 變愈加嚴重，再結(jié)晶晶核數(shù)變愈加嚴重，再結(jié)晶晶核數(shù) 量逐漸增多，因此再結(jié)晶后量逐漸增多，因此再結(jié)晶后 的晶

14、粒細而均勻。的晶粒細而均勻。 第四節(jié)第四節(jié) 金屬的熱塑性變形加工金屬的熱塑性變形加工 一、熱加工的概念一、熱加工的概念 金屬在再結(jié)晶溫度以下的塑性變形加工稱為冷加工。 金屬在再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工稱為熱加工。 模鍛模鍛自由鍛自由鍛軋制軋制 正擠壓正擠壓反擠壓反擠壓拉拔拉拔沖壓沖壓 鎢的最低再結(jié)晶溫度為鎢的最低再結(jié)晶溫度為12001200，所以鎢在，所以鎢在11001100的的 塑性變形加工為塑性變形加工為冷加工冷加工。 鐵的最低再結(jié)晶溫度為鐵的最低再結(jié)晶溫度為450450，所以鐵在，所以鐵在400400以下的以下的 加工變形屬于加工變形屬于冷加工冷加工。 錫的最低再結(jié)晶溫度為錫的最低再結(jié)

15、晶溫度為-7-7，因此錫在室溫進行的加，因此錫在室溫進行的加 工屬于工屬于熱加工熱加工。 冷、熱加工是依據(jù)金屬冷、熱加工是依據(jù)金屬再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度來區(qū)分的。來區(qū)分的。 一、熱加工的概念一、熱加工的概念 二、熱加工對金屬組織與性能的影響二、熱加工對金屬組織與性能的影響 消除鑄態(tài)金屬的組織缺陷：消除鑄態(tài)金屬的組織缺陷： 可使金屬毛坯中的大部分氣孔、縮松和微裂紋焊合， 提高了金屬的致密度；將粗大的柱狀晶粒與枝晶變成 細小均勻的等軸晶粒；消除成分偏析及粗大碳化物； 使金屬的力學(xué)性能得到提高。 細化晶粒：細化晶粒：熱加工的金屬經(jīng)過塑性變形和再結(jié)晶的熱加工的金屬經(jīng)過塑性變形和再結(jié)晶的 反復(fù)交替作用，使

16、晶核數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致晶粒細化。反復(fù)交替作用，使晶核數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致晶粒細化。 二、熱加工對金屬組織與性能的影響二、熱加工對金屬組織與性能的影響 形成纖維組織：金屬內(nèi)部的粗大枝晶和鑄態(tài)組織中的各形成纖維組織：金屬內(nèi)部的粗大枝晶和鑄態(tài)組織中的各 種夾雜物，在高溫下具有一定的塑性，在熱變形過程中種夾雜物，在高溫下具有一定的塑性，在熱變形過程中 ，粗大枝晶和各種夾雜物均沿變形方向伸長，使之變成，粗大枝晶和各種夾雜物均沿變形方向伸長，使之變成 條帶狀、線狀或片層狀，形成纖維組織。條帶狀、線狀或片層狀，形成纖維組織。 曲軸的流線分布曲軸的流線分布 二、熱加工對金屬組織與性能的影響二、熱加工對金屬組織與性能的影響 形成帶狀組織：形成帶狀組織：當?shù)吞间撛阼T態(tài)下存在嚴重的夾雜物偏當?shù)吞间撛阼T態(tài)下存在嚴重的夾雜物偏 析或熱變形加工的溫度過低，鋼內(nèi)則出現(xiàn)與熱變形加工析或熱變形加工的溫度過低，鋼內(nèi)則出現(xiàn)與熱變形加工 方向大致平行的條帶所組成的偏析組織，這種組織稱為方向大致平行的條帶所組成的偏析組織，這種組織稱為 帶狀組織。帶狀組織。 鋼中的帶狀組織鋼中的帶狀