第八章金屬的塑性變形與再結(jié)晶

1、第八章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、概述（一）加工硬化現(xiàn)象當(dāng)金屬與合金在外力作用下，應(yīng)力超過彈性極限以后，將發(fā)生塑性形變，金屬在塑性形變過程中，組織與性能也將發(fā)生變化。隨著形變程度的增加， 金屬的強(qiáng)度、硬度提高而塑性下降， 金屬因塑性形變而導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度的增加現(xiàn)象稱為加工硬化。生產(chǎn)中常利用冷加工硬化現(xiàn)象來提高材料的強(qiáng)度、 硬度達(dá)到增大零件承擔(dān)負(fù)荷的能力。（二）金屬經(jīng)冷塑性形變后顯微組織的變化1、金屬塑性形變后，組織也將發(fā)生相應(yīng)的變化。例如軋制使晶粒沿著形變方向被拉長(zhǎng)，晶內(nèi)出現(xiàn)滑移帶； 晶粒的變形程度隨形變量的增大而增大， 當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒伸長(zhǎng)呈“纖維狀”。與此同時(shí)，組織中的第二相也將產(chǎn)生變化

2、，硬的相變碎，軟的相形變等。2、塑性變形導(dǎo)致金屬組織內(nèi)部的亞結(jié)構(gòu)細(xì)化。X 射線結(jié)構(gòu)分析表明：晶粒被碎化成許多位向略有不同（位向差一般不大于1 度 ) 的晶塊，其大小約為10-3 10-6厘米，即在原來晶粒內(nèi)出現(xiàn)了很多小晶塊，這種組織稱為亞結(jié)構(gòu)。3、金屬塑性形變時(shí)，由于各部分形變的不均勻性( 如表面與心部的形變量不同）而形成的內(nèi)應(yīng)力稱為宏觀內(nèi)應(yīng)力，或稱笫一種內(nèi)應(yīng)力。 晶粒之間或晶內(nèi)不同區(qū)域之間的變形不均形成的應(yīng)力稱為微觀內(nèi)應(yīng)力，亦稱第二類內(nèi)應(yīng)力。 而因位錯(cuò)等晶格缺陷引起晶格畸變叫做晶格畸變應(yīng)力，亦稱第三類內(nèi)應(yīng)力。4、當(dāng)金屬的塑性形變量很大時(shí)，在形變過程中晶體將產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，使各晶粒的某一晶向都

3、不同程度地轉(zhuǎn)向與外力相近的方向，這樣便使原來晶向不同的晶粒取向逐漸一致，使其具有擇優(yōu)取向組織稱為形變織構(gòu)。( 三) 塑性變形的基本方式晶體在切應(yīng)力作用下， 才產(chǎn)生塑性變形。 塑性變形主要以滑移和孿生的方式進(jìn)行?；剖蔷w的一部分， 沿著一定的晶面和晶向發(fā)生，即沿著那些原子排列最密的晶面和方向。 把一個(gè)滑移面和其上一個(gè)滑移方向稱為滑移系。滑移系愈多，金屬發(fā)生滑移的可能性愈大，金屬的塑性愈好，滑移方向的作用更大。因此，面心立方晶格的金屬如鋁， 銅等的塑性要比體心立方晶格的鐵為好。而具有密排六方晶格的鎂與鋅，因滑移系只有3 個(gè)，其塑性較立方晶格的金屬差。( 四) 冷塑性形變的金屬加熱后組織與性能的變

4、化由于塑性形變，使晶格畸變?cè)龃螅ㄎ诲e(cuò)密度增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化 ) ，因而冷形變金屬的內(nèi)能升高而處于不穩(wěn)定狀態(tài)， 有向較穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化的自發(fā)趨勢(shì)。 當(dāng)進(jìn)行退火加熱時(shí)，原子具有一定的擴(kuò)散能力， 就會(huì)產(chǎn)生一系列組織與性能的變化。 這個(gè)變化過程大致可分成三個(gè)階段即回復(fù)再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大 ( 聚集再結(jié)晶 ) 過程?；貜?fù)：當(dāng)加熱溫度較 ( 再結(jié)晶溫度 ) 低時(shí)，通過原子作短距離的擴(kuò)散， 使某些晶內(nèi)缺陷相互抵消而使缺陷數(shù)量減少， 使晶格畸變程度減輕， 金屬顯微組織無明顯變化，故金屬的強(qiáng)度， 硬度和塑性等機(jī)械性能變化不大， 而只會(huì)使內(nèi)應(yīng)力及電阻等顯著降低。因此，形變金屬低溫退火的主要目的是消除內(nèi)應(yīng)力。再結(jié)晶當(dāng)冷變形金

5、屬加熱到某一溫度，由于原子的活動(dòng)能力增大， 組織和性能將發(fā)生劇烈變化，完全恢復(fù)到形變前的情況；從顯微組織看， 形變組織完全消失，代之的是新的更細(xì)小的等軸晶粒，其硬度、強(qiáng)度下降而塑性提高。 把在這一溫度下組織和性能發(fā)生劇烈變化的現(xiàn)象稱做再結(jié)晶。能夠發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度。一般以金屬或合金經(jīng)大的( 形變量大干 70) 塑性形變后，在某一溫度保溫一小時(shí)，能夠進(jìn)行完全再結(jié)晶的溫度為這一合金的再結(jié)晶溫度。晶粒長(zhǎng)大（也稱聚集再結(jié)晶)冷形變金屬在再結(jié)晶之后， 當(dāng)繼續(xù)在更高溫度加熱時(shí)，晶粒就會(huì)長(zhǎng)大，這種晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象稱為聚集再結(jié)晶。( 五) 影響再結(jié)晶溫度的因素 l 、形變程度的影響 ，冷形變程度愈

6、大，畸變愈嚴(yán)重，畸變能愈高，合金就愈不穩(wěn)定。因此，再結(jié)晶溫度愈低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：各種工業(yè)純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)之間存在下列關(guān)系：T再T 熔2、金屬的純度金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素， 特別是那些高熔點(diǎn)的元素， 常會(huì)阻礙原子擴(kuò)散或晶界遷移，故金屬純度的降低?？娠@著提高其再結(jié)晶溫度。3、退火加熱速度和時(shí)聞因?yàn)樵俳Y(jié)晶過程需要有一定時(shí)間才能完成， 故加熱速度的增加便會(huì)便再結(jié)晶推遲到較高溫度才發(fā)生。 退火加熱時(shí)保溫時(shí)問越長(zhǎng)， 原子擴(kuò)散移動(dòng)越能充分進(jìn)行，再結(jié)晶溫度便越低，即可使再結(jié)晶過程在較低溫度下完成。 ( 六) 影響再結(jié)晶后晶粒度的因素l 、形變程度的影響金屬材料再結(jié)晶退火后的晶粒大小與形變程度

7、之間的關(guān)系如圖所示，由圖可見，形變量很小時(shí)，由于畸變能很小，不足以引起再結(jié)晶，所以，晶粒尺寸大小不變，當(dāng)形變量增大到一定值 2 l0 范圍內(nèi)時(shí)，再結(jié)晶后的晶粒度比較粗大，因?yàn)樵诖饲闆r，金屬中僅有部分晶粒發(fā)生形變， 形變極不均勻， 再結(jié)晶時(shí)的形核數(shù)目很少，再結(jié)晶后的晶粒度很不均勻， 晶粒極易相互吞并長(zhǎng)大。 這個(gè)形變度稱為“臨界形變度”， 生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免這一范圍的加工形變， 以避免形成粗大晶粒而降低性能。當(dāng)形變大于臨界度之后，隨著形變度的增加，形變?cè)节吘鶆?，再結(jié)晶時(shí)的形核率便愈大，再結(jié)晶后的晶粒度便會(huì)愈細(xì)愈均勻。當(dāng)形變量很大時(shí)（一般 >90) ，經(jīng)過再結(jié)晶退火后晶粒又變粗大， 一般認(rèn)為，這

8、是與金屬中的偽織構(gòu)有關(guān)。2、退火加熱溫度的影響提高退火溫度不僅使再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大，而且還影響臨界變形度的應(yīng)變值，退火溫度愈高，臨界形變度愈小。再結(jié)晶后的晶粒愈大。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解金屬經(jīng)冷變形后，變形度對(duì)硬度和顯微組織的影響。2. 了解退火溫度對(duì)金屬再結(jié)晶后組織和性能的影響。3. 了解變形度對(duì)金屬再結(jié)晶后晶粒大小的影響。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容l 、觀察工業(yè)純鐵經(jīng)不同程度的形變及不同再結(jié)晶溫度退火后的顯徽組織。2、觀察純鋁試樣拋光表面經(jīng)拉伸后的滑移帶。3、測(cè)定工業(yè)純鋁的形變度與再結(jié)晶后的晶粒尺寸的關(guān)系曲線。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、每人取純 AL 試樣一片，尺寸覓圖l2 6。在試樣上用字頭打上編號(hào)，然后將試片工作部分 (100 毫米 ) 對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)易拉伸機(jī)鉗口安裝好，并進(jìn)行拉伸圖 l 2 5純鋁試樣2、將形變后的試樣集中，一起放入500的爐中進(jìn)行再結(jié)晶退火，保溫30 分鐘然后空冷。3、退火后的試樣用王水 ( 鹽酸：硝酸 31) 腐蝕，腐蝕時(shí)間以晶粒清晰可見為準(zhǔn)，然后用清水沖洗，最后用熱水沖洗并干燥。4、測(cè)量晶粒尺寸，測(cè)量出l 平方厘米內(nèi)行晶粒數(shù)，并填入表內(nèi)。5、用全組數(shù)據(jù)給出形交量與再結(jié)晶后晶粒尺寸的關(guān)系曲線。表 l 2 2 試樣編號(hào)及形變量試樣編號(hào)l234567891011形變量22