金屬的塑性變形和再結(jié)晶R

1、 工業(yè)上的金屬材料大多數(shù)要在澆注為鑄錠后經(jīng)過工業(yè)上的金屬材料大多數(shù)要在澆注為鑄錠后經(jīng)過冷熱壓力加工而發(fā)生塑性變形后再使用。冷熱壓力加工而發(fā)生塑性變形后再使用。 鑄態(tài)金屬：鑄態(tài)金屬： 鑄件鑄件 鑄錠（組織粗大、不均勻、鑄錠（組織粗大、不均勻、 不致密、偏析）不致密、偏析） 原因：原因： 改變外形改變外形焊合孔洞焊合孔洞晶粒細化晶粒細化 零件毛坯零件毛坯型材。型材。 可塑性可塑性壓力加工（水壓壓力加工（水壓機、鍛打、軋制）機、鍛打、軋制） 加熱加熱再結(jié)晶再結(jié)晶 改善晶粒的大小、改善晶粒的大小、形態(tài)、分布形態(tài)、分布 等等改善改善性能性能 1 、單晶拉伸試驗、單晶拉伸試驗一、一、 單晶體金屬的塑性變形

2、單晶體金屬的塑性變形單晶體拋光表面出現(xiàn)相互平行斜線。單晶體拋光表面出現(xiàn)相互平行斜線。說明晶面之間相對運動，說明晶面之間相對運動， 塑性變形是塑性變形是通過通過“滑移滑移”完成的。完成的。pp單晶體表面出現(xiàn)相互平行的斜線且與外力成單晶體表面出現(xiàn)相互平行的斜線且與外力成45。滑移滑移：晶體的一部分對于另一部分沿：晶體的一部分對于另一部分沿一定晶面發(fā)生相對滑動，滑移結(jié)果晶一定晶面發(fā)生相對滑動，滑移結(jié)果晶體發(fā)生塑性變形體發(fā)生塑性變形。2 、(1) 外力（外力（p）分解為正應(yīng)力（）分解為正應(yīng)力（ ）和切應(yīng)力（）和切應(yīng)力（ ）。）。正應(yīng)力引起彈性變形，而不能造成塑性變形。正應(yīng)力正應(yīng)力引起彈性變形，而不能造

3、成塑性變形。正應(yīng)力超過原子間結(jié)合力時晶體發(fā)生斷裂。超過原子間結(jié)合力時晶體發(fā)生斷裂。ppppp ： 載荷：正應(yīng)力：切應(yīng)力(2) 切應(yīng)力作切應(yīng)力作用下晶面相用下晶面相對位移，外對位移，外力去除后位力去除后位移不能恢復(fù)。移不能恢復(fù)。塑性變形只塑性變形只能在切應(yīng)力能在切應(yīng)力（ ）作用下作用下才能發(fā)生才能發(fā)生?；仆ǔＱ鼐w中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。滑移通常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。(4) 金屬晶體中的滑移總是沿著一定的晶面和晶向發(fā)生的金屬晶體中的滑移總是沿著一定的晶面和晶向發(fā)生的滑滑 移移 面：面： 發(fā)生滑移的晶面就是發(fā)生滑移的晶面就是“滑移面滑移面”；滑移方向：滑移方向： 發(fā)生滑移

4、的晶向就是發(fā)生滑移的晶向就是“滑移方向滑移方向”。( ) 滑移線200 “滑移線滑移線” “滑移帶滑移帶”（a）體心立方晶格滑移系：）體心立方晶格滑移系： 6 2 = 12 滑移面：滑移面： 110 6個個 滑移方向：滑移方向： 2個。個。(5) 滑移系：滑移系： 一個滑移面和其面上的一個滑移一個滑移面和其面上的一個滑移方向的組成稱為方向的組成稱為“滑移系滑移系”（b）面心立方晶格滑移系：）面心立方晶格滑移系： 4 3 = 12滑移面：滑移面： 111 4個個 滑移方向：滑移方向： 3個個1101113、三種典型金屬晶格的滑移系、三種典型金屬晶格的滑移系（c）密排六方晶格滑移系：）密排六方晶格

5、滑移系： 1 3 = 3滑移面：滑移面： 六方底面六方底面 個個 滑移方向：底面對角線滑移方向：底面對角線 個個表格表格 2-12-1三種典型晶格的滑移系三種典型晶格的滑移系晶格類型晶格類型體心立方體心立方面心面心密排六方密排六方滑滑 移移 面面底面底面滑移方向滑移方向1 10 0底面對角線底面對角線滑滑 移移 系系6 面方向面方向=124 面面3 方向方向=121 面面3 方向方向=3臨界切應(yīng)力（臨界切應(yīng)力（ c）： 能夠發(fā)生滑移的最小切能夠發(fā)生滑移的最小切應(yīng)力叫做為應(yīng)力叫做為)。當切應(yīng)力（。當切應(yīng)力（ ）滿足）滿足 c時滑移時滑移才能發(fā)生。才能發(fā)生。4、滑移機理、滑移機理滑移是由于滑移面上

6、的位錯運動造成的。滑移是由于滑移面上的位錯運動造成的。多晶體和單晶體對比試驗多晶體和單晶體對比試驗兩個晶粒試樣拉伸兩個晶粒試樣拉伸（一）多晶體拉伸試驗（一）多晶體拉伸試驗（二）塑性變形影響因素（二）塑性變形影響因素1、 晶界對塑性變形的影響晶界對塑性變形的影響晶界處原子排列不規(guī)則晶格畸變嚴重晶界處原子排列不規(guī)則晶格畸變嚴重強度、硬度提高強度、硬度提高塑性、韌性好塑性、韌性好 晶粒越細，強度、硬度越高，塑性、韌性越好。晶粒越細，強度、硬度越高，塑性、韌性越好。2、 晶粒取向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊懢ЯＨ∠驅(qū)λ苄宰冃蔚挠绊?軟位向硬位向軟位向軟位向硬位向硬位向（一）機械性能的變化加工硬化（一）機械性能的變

7、化加工硬化 經(jīng)過冷態(tài)下塑性變形之后的金屬的機械性能發(fā)生很大經(jīng)過冷態(tài)下塑性變形之后的金屬的機械性能發(fā)生很大的變化，的變化， 。加工硬化：加工硬化：經(jīng)過冷態(tài)下塑性變形之后，金屬的強度和經(jīng)過冷態(tài)下塑性變形之后，金屬的強度和硬度隨變形量的增加而增加，同時塑性卻隨之降低，硬度隨變形量的增加而增加，同時塑性卻隨之降低，這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做“加工硬化加工硬化”或或“冷作硬化冷作硬化”。除了機械性能的變化，金屬材料的理化性能也除了機械性能的變化，金屬材料的理化性能也有所變化。有所變化。例：冷拉鋼絲及彈簧。例：冷拉鋼絲及彈簧。強度提高，塑性降低強度提高，塑性降低(二）物理性能變化二）物理性能變化例：金屬的電

8、阻有所增大例：金屬的電阻有所增大 ，抗蝕性降低，抗蝕性降低 。（三）（三） 顯微組織的變化顯微組織的變化 晶粒沿加工方向拉長。金屬性能晶粒沿加工方向拉長。金屬性能 強度和塑性縱向遠大于橫向。強度和塑性縱向遠大于橫向。1、晶粒形態(tài)變化、晶粒形態(tài)變化 位錯在晶界附近堆積并相互纏結(jié)，位錯在晶界附近堆積并相互纏結(jié)，使晶粒破碎轉(zhuǎn)變成亞晶粒結(jié)構(gòu)使晶粒破碎轉(zhuǎn)變成亞晶粒結(jié)構(gòu) 。2、亞結(jié)構(gòu)形成、亞結(jié)構(gòu)形成 當變形量非常大時，晶粒拉長嚴重變?yōu)槔w維狀。當變形量非常大時，晶粒拉長嚴重變?yōu)槔w維狀。這種纖維狀組織稱為織構(gòu)?？棙?gòu)產(chǎn)生各向異性，導(dǎo)致這種纖維狀組織稱為織構(gòu)。織構(gòu)產(chǎn)生各向異性，導(dǎo)致“制耳制耳”。 （但有時也可利用

9、：如變壓器芯）（但有時也可利用：如變壓器芯）3、產(chǎn)生織構(gòu)、產(chǎn)生織構(gòu)注意：注意：這種各向異性，是偽各向異性。是多晶粒的位這種各向異性，是偽各向異性。是多晶粒的位向趨同造成的。向趨同造成的。（四）（四） 出現(xiàn)殘余內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)殘余內(nèi)應(yīng)力塑性變形不均勻?qū)е庐a(chǎn)生平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。外力的變形塑性變形不均勻?qū)е庐a(chǎn)生平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。外力的變形功功90 熱，熱，10的功的功內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力。 有三種內(nèi)應(yīng)力。有三種內(nèi)應(yīng)力。 1、第一種殘余內(nèi)應(yīng)力、第一種殘余內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力 由而晶粒之間或晶粒內(nèi)部不同區(qū)域間的變形量由而晶粒之間或晶粒內(nèi)部不同區(qū)域間的變形量不同而產(chǎn)生。不同而產(chǎn)生。2、第二種殘余內(nèi)應(yīng)力、

10、第二種殘余內(nèi)應(yīng)力顯微內(nèi)應(yīng)力顯微內(nèi)應(yīng)力 由位錯等晶格缺陷在塑性變形過程中的大量增由位錯等晶格缺陷在塑性變形過程中的大量增加引起缺陷附近晶格畸變會而產(chǎn)生（占總內(nèi)應(yīng)力的加引起缺陷附近晶格畸變會而產(chǎn)生（占總內(nèi)應(yīng)力的大部分）。大部分）。3、第三種殘余內(nèi)應(yīng)力、第三種殘余內(nèi)應(yīng)力晶格畸變應(yīng)力晶格畸變應(yīng)力 由表層與心部的變形量不同會而形成由表層與心部的變形量不同會而形成 。 殘余應(yīng)力的作用殘余應(yīng)力的作用：第一、第二內(nèi)應(yīng)力引起金屬宏觀變形或開：第一、第二內(nèi)應(yīng)力引起金屬宏觀變形或開裂；第三內(nèi)應(yīng)力使強度增加。都使脆性上升，理化性能下降。裂；第三內(nèi)應(yīng)力使強度增加。都使脆性上升，理化性能下降。 對于冷加工后的金屬，由于對

11、于冷加工后的金屬，由于10%的變形能儲存在的變形能儲存在金屬中，在加熱時，隨著溫度的升高，原子活動能力金屬中，在加熱時，隨著溫度的升高，原子活動能力提高，在變形能的作用下，就要發(fā)生組織和性能的變提高，在變形能的作用下，就要發(fā)生組織和性能的變化，其主要包括化，其主要包括三個階段：回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大三個階段：回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大。塑性變形塑性變形加工硬化加工硬化加 工 困 難加 工 困 難理化性能理化性能殘余內(nèi)應(yīng)力殘余內(nèi)應(yīng)力加熱退加熱退火軟化火軟化目的：目的：1.消除加工硬化消除加工硬化 使、使、hb %、 %、ak 2.消除內(nèi)應(yīng)力，但保留加工硬化，使理化性能消除內(nèi)應(yīng)力，但保留加工硬化，使理

12、化性能冷變形后的金屬在較低溫度加熱時，金屬中的一些冷變形后的金屬在較低溫度加熱時，金屬中的一些 而引起某些晶內(nèi)變化稱為回復(fù)。而引起某些晶內(nèi)變化稱為回復(fù)。（一）回復(fù)（一）回復(fù)1、回復(fù)：、回復(fù)：回復(fù)后強度和塑性無明顯變化，而內(nèi)應(yīng)力消除，脆性回復(fù)后強度和塑性無明顯變化，而內(nèi)應(yīng)力消除，脆性降低。理化性能降低。理化性能(耐蝕性、導(dǎo)電性耐蝕性、導(dǎo)電性) ) 2、性能變化：、性能變化：對那些需要保留產(chǎn)品的加工硬化性能，同時需要消除殘對那些需要保留產(chǎn)品的加工硬化性能，同時需要消除殘余內(nèi)應(yīng)力的工件，可以把熱處理加熱溫度選擇在使其內(nèi)余內(nèi)應(yīng)力的工件，可以把熱處理加熱溫度選擇在使其內(nèi)部發(fā)生回復(fù)的溫度，這種熱處理工藝稱

13、為部發(fā)生回復(fù)的溫度，這種熱處理工藝稱為“去應(yīng)力退去應(yīng)力退火火”。 3、實際應(yīng)用：、實際應(yīng)用：點缺陷和位錯的遷移點缺陷和位錯的遷移冷變形金屬加熱到某一更高的溫度時，生成新晶粒，冷變形金屬加熱到某一更高的溫度時，生成新晶粒，而晶格類型不變，這種現(xiàn)象叫而晶格類型不變，這種現(xiàn)象叫 。（二）（二） 再結(jié)晶再結(jié)晶 1、再結(jié)晶：、再結(jié)晶： 形核形核長大長大等軸晶粒。當加熱溫度繼續(xù)升等軸晶粒。當加熱溫度繼續(xù)升高時，金屬內(nèi)晶格畸變嚴重部位（有大量的位錯塞積）高時，金屬內(nèi)晶格畸變嚴重部位（有大量的位錯塞積）形核并長大，晶粒的外形開始發(fā)生變化，從破碎拉長形核并長大，晶粒的外形開始發(fā)生變化，從破碎拉長的晶粒變成新的等

14、軸晶粒。的晶粒變成新的等軸晶粒。 2、再結(jié)晶過程：、再結(jié)晶過程：從拉長和纖維狀變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒。強度和硬度重新從拉長和纖維狀變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒。強度和硬度重新下降，塑性和韌性重新提高。加工硬化得以消除。下降，塑性和韌性重新提高。加工硬化得以消除。 3、組織和性能變化：、組織和性能變化：再結(jié)晶再結(jié)晶注意：注意：晶粒的晶格類型沒變，再結(jié)晶過程沒有發(fā)生相晶粒的晶格類型沒變，再結(jié)晶過程沒有發(fā)生相 變；沒發(fā)生塑性變形的金屬不會發(fā)生再結(jié)晶變；沒發(fā)生塑性變形的金屬不會發(fā)生再結(jié)晶。 再結(jié)晶完成后繼續(xù)升高溫度或延長保溫時間，晶再結(jié)晶完成后繼續(xù)升高溫度或延長保溫時間，晶粒會繼續(xù)長大粒會繼續(xù)長大 。（三）再結(jié)晶完

15、成后晶粒的長大（三）再結(jié)晶完成后晶粒的長大1、晶粒正常長大：、晶粒正常長大： 再結(jié)晶后的晶粒均勻、穩(wěn)速地長大的現(xiàn)象。發(fā)生再結(jié)晶后的晶粒均勻、穩(wěn)速地長大的現(xiàn)象。發(fā)生在再結(jié)晶晶粒細小且均勻。（希望的長大方式）在再結(jié)晶晶粒細小且均勻。（希望的長大方式） 2、晶粒異常長大：、晶粒異常長大： 再結(jié)晶后的晶粒不均勻，急劇長大的現(xiàn)象。在再結(jié)再結(jié)晶后的晶粒不均勻，急劇長大的現(xiàn)象。在再結(jié)晶粒大小不均時，大晶粒吞并小晶粒，將得到異常粗大晶粒大小不均時，大晶粒吞并小晶粒，將得到異常粗大的晶粒，也稱的晶粒，也稱“二次再結(jié)晶二次再結(jié)晶”。實質(zhì)實質(zhì)晶界遷移過程晶界遷移過程 d d晶晶 晶界面積晶界面積 能量能量晶粒長大是

16、晶粒長大是自發(fā)的過程自發(fā)的過程。因為粗晶是弱化，所以要避免晶粒長大，。因為粗晶是弱化，所以要避免晶粒長大，特別要避免晶粒的異常。特別要避免晶粒的異常。t t再再不是一個恒定的溫度，它與許多因素有關(guān)。不是一個恒定的溫度，它與許多因素有關(guān)。（一）金屬的再結(jié)晶溫度（一）金屬的再結(jié)晶溫度1、再結(jié)晶溫度、再結(jié)晶溫度(t再再)：冷變形金屬開始進行再結(jié)晶冷變形金屬開始進行再結(jié)晶的最低溫度。的最低溫度。a. 預(yù)先變形度的影響：預(yù)先變形度的影響：金屬的預(yù)先變形程度越大，再金屬的預(yù)先變形程度越大，再結(jié)晶開始溫度越低。變形度很大時，起始再結(jié)晶溫度趨結(jié)晶開始溫度越低。變形度很大時，起始再結(jié)晶溫度趨于某一個恒定值于某一

17、個恒定值“最低再結(jié)晶溫度最低再結(jié)晶溫度” ” （t再再） 。 2、影響再結(jié)晶溫度的因素：、影響再結(jié)晶溫度的因素： t再再 0.4t熔熔 (k)t t加加 晶粒尺寸晶粒尺寸,另外加另外加熱時間長，也會使晶粒長大熱時間長，也會使晶粒長大（二）再結(jié)晶退火后的晶粒大?。ǘ┰俳Y(jié)晶退火后的晶粒大小1、加熱溫度的影響：、加熱溫度的影響：b. 金屬的純度：金屬的純度：微量雜質(zhì)及少量合金元素會使再結(jié)晶微量雜質(zhì)及少量合金元素會使再結(jié)晶溫度升高。溫度升高。c. 加熱速度加熱速度快，快，保溫時間保溫時間短，會提高再結(jié)晶溫度。短，會提高再結(jié)晶溫度。 因此，綜合結(jié)果，在工業(yè)中制定再結(jié)晶退火因此，綜合結(jié)果，在工業(yè)中制定再

18、結(jié)晶退火溫度為：溫度為：t t退火退火t t再再minmin+100+100200200 再結(jié)晶后的晶粒尺寸對金材的性能影響很大，再結(jié)晶后的晶粒尺寸對金材的性能影響很大，所以有必要了解影響它的各所以有必要了解影響它的各種因素影響因素：種因素影響因素：晶粒大小再結(jié)晶退火加熱溫度 2、變形變形(程程)度的影響度的影響：臨界變形度：臨界變形度： 變形越大，變形越均變形越大，變形越均勻，再結(jié)晶退火后晶粒越勻，再結(jié)晶退火后晶粒越細。一般選用細。一般選用30-60%30-60%的變的變形度。形度。晶粒大小 2%-10%臨界變形度臨界變形度要加以避免要加以避免預(yù)先變形度預(yù)先變形度能發(fā)生再結(jié)晶的最小變形量。能

19、發(fā)生再結(jié)晶的最小變形量。通常在通常在2%，與材，與材料的退火溫度有關(guān)料的退火溫度有關(guān))。此時再結(jié)晶后的晶粒特別粗大。此時再結(jié)晶后的晶粒特別粗大。當當%臨臨% % 不發(fā)生再結(jié)晶（動力不足）不發(fā)生再結(jié)晶（動力不足）當當%臨臨% % 則發(fā)生再結(jié)晶，且則發(fā)生再結(jié)晶，且%，則，則d d晶晶當當%大到一定量后，由于織構(gòu)形成，則大到一定量后，由于織構(gòu)形成，則d d晶晶又又制定制定工藝：工藝：選擇合適選擇合適t加加 避免在臨界變形變下變形避免在臨界變形變下變形 避開避開臨臨%從金屬學的角度來看：從金屬學的角度來看：再結(jié)晶溫度以下的加工稱為再結(jié)晶溫度以下的加工稱為 冷加工冷加工；再結(jié)晶溫度以上的加工稱為再結(jié)晶溫

20、度以上的加工稱為 熱加工熱加工。1 1、熱加工引發(fā)加工硬化和再結(jié)晶。由于加熱溫度高熱加工引發(fā)加工硬化和再結(jié)晶。由于加熱溫度高于再結(jié)晶溫度，所以因塑性變形引起的于再結(jié)晶溫度，所以因塑性變形引起的2 2、再結(jié)晶溫度以上變形加工，再結(jié)晶溫度以上變形加工，回復(fù)和再結(jié)晶是邊加回復(fù)和再結(jié)晶是邊加工邊發(fā)生工邊發(fā)生。因此是。因此是屬于動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶屬于動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶。實際。實際上是加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶相互制約，相互平衡的上是加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶相互制約，相互平衡的過程。過程。 硬化過程和回硬化過程和回復(fù)再結(jié)晶引起的軟化過程幾乎同時存在復(fù)再結(jié)晶引起的軟化過程幾乎同時存在。3 3、熱加工溫度低、熱

21、加工溫度低、( (或或) )變形量小、變形量小、( (或或) )變形速率高時，變形速率高時，加工硬化占主導(dǎo)。溫度高、加工硬化占主導(dǎo)。溫度高、( (或或) )變形量大、變形量大、( (或或) )變形變形速率低時，回復(fù)和在結(jié)晶占主導(dǎo)。速率低時，回復(fù)和在結(jié)晶占主導(dǎo)。650700750800850900真應(yīng)力真應(yīng)變當溫度恒定，當溫度恒定，改變應(yīng)變速改變應(yīng)變速率時，提高率時，提高應(yīng)變速率所應(yīng)變速率所起到的作用起到的作用與降低加工與降低加工溫度的作用溫度的作用相似。相似。 熱加工還可以改變鑄態(tài)金屬中的成分熱加工還可以改變鑄態(tài)金屬中的成分偏析和夾雜物的分布，使原來沿著樹枝晶分布的偏析偏析和夾雜物的分布，使原來沿著樹枝晶分布的偏析元素和夾雜物發(fā)生改變，而