第2章2.3金屬的塑性加工

2.3金屬的塑性加工2.3.1金屬的塑性變形Coldplasticdeformationofmetallicmaterials

概述金屬材料通過冶煉、鑄造，獲得鑄錠后，可通過塑性加工獲得型材、板材、管材或線材，以及零件毛坯或零件。

塑性加工:鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓ColdDrawingRollingExtrusion(Pressing)SmithForgingColdStampingworkpieceworkpieceworkpieceworkpieceworkpiece單晶體塑性變形基本方式：滑移為主，孿生為輔。（1）滑移滑移：晶體在切應力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發(fā)生滑動位移的現(xiàn)象叫滑移。Shearstress1.單晶體的塑性變形滑移只能在切應力的作用下發(fā)生?；谱冃蔚奶攸c：滑移的條件：必要條件：滑移是在切應力作用下進行。

充分條件：大于臨界分切應力。產(chǎn)生滑移的最小切應力稱臨界切應力(criticalresolvedshearstress)。

單晶體在外力作用下，滑移系一開動就相當于晶體開始屈服，此時，對應于臨界分切應力的外加應力就相當于屈服強度σS

。②滑移是晶體內(nèi)部位錯運動的結(jié)果。③滑移常沿晶體中密排面和密排方向（晶向）發(fā)生。

因密排面、密排方向上原子排列緊密，結(jié)合力強。而這些密排面的晶面和晶面之間、及這些密排方向的晶向與晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應力最小。

密排面就是滑移面，密排方向就是滑移方向?；葡担阂粋€滑移面和其上的一個滑移方向構(gòu)成一個滑移系?；葡翟蕉?，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I比滑移面更大。因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格,體心立方晶格好于密排六方晶格。體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三種典型金屬晶格的滑移系④滑移時，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍?；频慕Y(jié)果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶。

銅拉伸試樣表面滑移帶

⑤滑移的同時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動有兩種：滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動

滑移面上滑移方向向最大切應力方向轉(zhuǎn)動。滑移是晶體內(nèi)部位錯在切應力作用下運動的結(jié)果。把滑移設(shè)想為剛性整體滑動所需的理論臨界切應力值比實際測量臨界切應力值大3～4個數(shù)量級?；频臋C理多腳蟲的爬行滑移時，僅需位錯中心附近的極少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的臨界切應力便遠遠小于剛性整體滑動所需臨界切應力。

（2）孿生孿生：在切應力作用下晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面(孿生面)和晶向(孿生方向)發(fā)生切變的變形過程叫孿生。孿生所需的臨界切應力比滑移的大得多。孿生只在滑移很難進行的情況下才發(fā)生。滑移系較少的密排六方晶格金屬如鎂、鋅、鎘等,容易發(fā)生孿生。體心立方晶格金屬（如鐵）在低溫或受沖擊時才發(fā)生孿生。2.多晶體金屬的塑性變形工程上使用的金屬絕大部分是多晶體。多晶體中每個晶粒的變形基本方式與單晶體相同。多晶體材料中，各個晶粒位向不同，存在許多晶界，變形要復雜得多。

晶界阻礙位錯運動

晶界附近原子排列紊亂，雜質(zhì)原子較多，增大了其晶格的畸變，當位錯運動到晶界附近時，受到晶界的阻礙而堆積起來，稱位錯的塞積。要使變形繼續(xù)進行,則必須增加外力,從而使金屬的變形抗力提高。金屬晶粒越細，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強度就越大。晶粒分批逐步變形軟位向晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應力方向。硬位向晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應力方向相差較大。

軟位向晶粒先滑移，硬位向晶粒后滑移。為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。

由于晶粒間的這種相互約束，使得多晶體金屬的塑性變形抗力提高。

此外，晶粒越細，變形越分散，減少了應力集中，推遲裂紋形成和發(fā)展，金屬塑性提高。PP

小結(jié)：細晶粒鋼具有優(yōu)良的綜合力學性能晶粒越細，晶界越多，位錯運動更困難，強度就越高。Hall-Petch關(guān)系：σs=σ0+kd-?晶粒小，晶界總面積大，變形抗力大，強度高；晶粒越細，變形分散，晶粒轉(zhuǎn)動的阻力小，晶粒間易于協(xié)調(diào)，產(chǎn)生較均勻的變形，使得應力集中小，裂紋不易產(chǎn)生和發(fā)展，塑性和韌性就越好。由此可以得到推論：晶粒越細小，晶界越多且越曲折，不利于裂紋的傳播，斷裂時需消耗更大的功，韌性也較好。細晶粒金屬的強度、硬度較高，塑性較好，韌性也較好。工程上通常希望獲得細小而均勻的晶粒組織，從而具有較高的綜合力學性能。金屬晶粒越細小，金屬的強度、硬度越高，塑性、韌性越好，這種強化現(xiàn)象被稱為細晶強化?！拇髲娀绞街?。3.合金的冷塑性變形合金的組成相為固溶體時，溶質(zhì)原子會造成晶格畸變，增加滑移抗力，產(chǎn)生固溶強化。溶質(zhì)原子常常分布在位錯附近，降低了位錯附近的晶格畸變，使位錯易動性減小，形變抗力增加，強度升高。

合金組織由固溶體和彌散分布的金屬化合物稱(第二相)組成時，第二相硬質(zhì)點成為位錯移動的障礙物。第二相顆粒越細，分布越均勻，合金的強度、硬度越高，塑性、韌性略有下降，這種強化方法稱彌散強化或沉淀強化。連續(xù)網(wǎng)狀塑性相脆性相粒狀位錯切割第二相粒子示意圖電鏡觀察新的界面新的界面塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響①晶粒發(fā)生變形，形成纖維組織。金屬發(fā)生冷塑性變形時，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應地被拉長或壓扁。當變形量很大時，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變得模糊不清。塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。FigureSchematicofrolling4.塑性變形(冷加工)對金屬組織和性能的影響變形前后晶粒形狀變化示意圖 圖銅經(jīng)30%、50%和99%冷軋后的光學顯微組織亞結(jié)構(gòu)的形成，細化晶粒金屬經(jīng)大的塑性變形時,位錯密度增大,大量位錯堆積在局部地區(qū),相互纏結(jié),形成不均勻的分布,使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊,產(chǎn)生亞晶粒。位錯密度的提高將降低了材料的耐腐蝕性。圖

兩類形變織構(gòu)示意圖圖

制耳現(xiàn)象形變織構(gòu)產(chǎn)生（擇優(yōu)取向）

當金屬經(jīng)受大量(70%以上)的一定方向的變形之后,由于晶粒的轉(zhuǎn)動造成晶粒位向趨于一致，形成了“擇優(yōu)取向”，即某一晶面在某個方向出現(xiàn)的幾率明顯高于其他方向，這種有序化結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。即：各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向。對工程應用的影響：

大多數(shù)情況下不利，如深沖之后零件的邊緣不齊出現(xiàn)“制耳”現(xiàn)象。但織構(gòu)有時也能帶來好處，制造變壓器鐵芯的硅鋼片，<100>最易磁化，可大大提高變壓器的效率。(2)塑性變形對金屬性能的影響①加工硬化金屬發(fā)生冷塑性變形后，隨著塑性變形量的增加，金屬的強度、硬度顯著提高，而塑性、韌性明顯下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。也叫形變強化。位錯密度及晶體缺陷的增加是加工硬化的原因加工硬化的工程意義：加工硬化是強化材料的重要手段，尤其是對于那些不能用熱處理方法強化的金屬材料。如何消除——再結(jié)晶退火(后面）產(chǎn)生加工硬化的原因:

塑性變形時,位錯密度增加,位錯間的交互作用增強,相互纏結(jié),位錯運動阻力增大,塑性變形抗力提高。同時塑性變形量增加，導致晶粒變形、破碎，形成亞晶粒，亞晶界阻礙位錯運動，造成強度和硬度提高。ρ經(jīng)合金化、加工硬化或熱處理的合金加工硬化在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義：(1)它是提高不方便進行熱處理的合金構(gòu)件金屬強度、硬度和耐磨性的重要手段之一，特別是對那些不能進行熱處理強化的金屬及合金尤為重要。如冷卷彈簧，高錳鋼制作的坦克、拖拉機履帶板、破碎機顎板和奧氏體不銹鋼等。加工硬化是強化金屬的重要手段之一實例一：自行車鏈條的鏈片是用Q345(16Mn)鋼帶制造的。將厚度為3.5mm的帶鋼經(jīng)過五次冷軋后，其硬度由150HBS提高到275HBS。(2)它是某些工件或半成品能夠拉伸或冷沖壓加工成形的重要基礎(chǔ)，有利于金屬均勻變形實例二：金屬薄板在沖壓過程中，彎角處變形最嚴重，首先產(chǎn)生加工硬化，因此該處變形到一定程度后，隨后的變形就轉(zhuǎn)移到其他部分，這樣便可得到厚薄均勻的沖壓件。實例三：冷拉鋼絲拉過模孔的部分，由于發(fā)生了加工硬化，不再繼續(xù)變形而使變形轉(zhuǎn)移到尚未拉過?？椎牟糠?，這樣鋼絲才可以繼續(xù)通過?？锥尚?。ColdDrawingColdStampingPPPPPPP②產(chǎn)生各向異性

由于纖維組織和形變織構(gòu)的形成，使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。沿纖維方向的強度和塑性高于垂直方向。有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時,由于各方向上塑性差別很大,零件的邊緣出現(xiàn)“制耳”，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。

在某些情況下,織構(gòu)的各向異性有用。制造變壓器鐵芯的硅鋼片,沿<100>方向最易磁化,采用這種織構(gòu)可使鐵損減小,變壓器的效率大大提高。③物理、化學性能變化

塑性變形可影響金屬的物理、化學性能，如導電率、導磁率下降，比重、熱導率下降，使電阻增大,化學活性提高，耐腐蝕性降低。

④產(chǎn)生殘余內(nèi)應力金屬發(fā)生塑性變形時，外力對金屬所做的功，約90%以上變成熱而散失。由于金屬內(nèi)部變形不均勻及晶格畸變，不到10%的功轉(zhuǎn)化為內(nèi)應力殘存于金屬中，使金屬的內(nèi)能增加。內(nèi)應力(innerstress)指平衡于金屬內(nèi)部的應力。它是由于金屬在外力作用下，內(nèi)部變形不均勻而引起的。殘余內(nèi)應力

外力去除后，金屬內(nèi)部殘留下來的應力。內(nèi)應力分為三類：第一類內(nèi)應力平衡于表面與心部之間(宏觀內(nèi)應力)；第二類內(nèi)應力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間(微觀內(nèi)應力)；第三類內(nèi)應力是由晶格缺陷引起的畸變應力(超微觀內(nèi)應力)。第三類內(nèi)應力是形變金屬中的主要內(nèi)應力，也是金屬強化的主要原因。而第一、二類內(nèi)應力都使金屬強度降低。內(nèi)應力的存在，使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進行去應力退火處理，以消除或降低內(nèi)應力。小結(jié)：強化金屬的基本原理和方法一、基本原理

提高塑性變形抗力的過程稱為材料的強化。強化的方法就是設(shè)法增大位錯運動的阻力，使滑移困難。二、主要方法1.細晶強化：晶界阻礙位錯運動。同時提高塑性、韌性。2.固溶強化：溶質(zhì)原子使晶格畸變，阻礙位錯運動。3.彌散強化：在基體中形成彌散分布的第二相質(zhì)點，阻礙位錯運動。有時稱為沉淀強化。4.加工硬化：冷加工變形增大位錯密度，位錯阻礙位錯運動。也稱位錯強化。5.相變強化：如A轉(zhuǎn)變成M。熱處理相變強化是綜合運用了上述強化手段，能有效地強化金屬。2.3.2塑性變形后的金屬在加熱時組織和性能的變化

黃銅退火溫度/℃塑性變形后金屬的狀態(tài)：冷塑性變形后，金屬產(chǎn)生加工硬化而且存在內(nèi)應力，組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有自發(fā)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴散能力小，不穩(wěn)定狀態(tài)可長時間維持。對變形后的金屬進行加熱可使原子擴散能力增加，由組織不穩(wěn)定狀態(tài)，向組織穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化，性能由加工硬化狀態(tài)向變形前的性能變化。隨著加熱溫度的提高，變形金屬將發(fā)生回復、再結(jié)晶和晶粒長大三種變化過程。

1.回復定義：是指冷變形后的金屬在加熱溫度較低時，發(fā)生組織和性能變化的過程。T回≈（0.25～0.3)Tm(

K)T回——回復加熱溫度，Tm——絕對熔化溫度；

回復

冷變形后加熱溫度較低時，原子的活動能力不大，這時金屬的晶粒大小和形狀沒有明顯的變化，只是在晶內(nèi)發(fā)生點缺陷的消失以及位錯的遷移，造成重新排列。特點：①晶粒的大小與形狀無明顯的變化；②位錯密度變化不大；③電阻明顯降低；④抗蝕性提高；⑤強度硬度略有降低；⑥內(nèi)應力明顯下降。目的：保持加工硬化狀態(tài)，降低內(nèi)應力，穩(wěn)定零件尺寸，改善理化性能，減輕變形和翹曲。工程應用：對變形金屬進行去應力退火、降低殘余內(nèi)應力，保留加工硬化效果。

例如：用冷拔高強度鋼絲繞制成彈簧后，通過250℃~300℃的低溫去應力退火，以降低內(nèi)應力并使之定型，同時消除對物理、化學性能的不利影響。而保持高硬度、高強度基本不變。2.再結(jié)晶定義：冷變形后的金屬在較高溫度加熱時，被拉長(或壓扁)、破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細小的等軸晶。

這種冷變形組織在加熱時重新結(jié)晶的過程稱為再結(jié)晶。變形金屬再結(jié)晶后，強度、硬度明顯降低，塑性、韌性大大提高，加工硬化效果被消除，材料的塑性變形能力被恢復；內(nèi)應力全部消失。物理、化學性能基本上恢復到變形以前的水平。（1）特點：*再結(jié)晶過程不是相變過程盡管再結(jié)晶也是一個晶核形成和長大的過程，但不是相變過程。變化前后化學成分相同，晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，屬于同一個相。*再結(jié)晶在一定溫度范圍內(nèi)完成

它沒有確定的轉(zhuǎn)變溫度，再結(jié)晶是在溫度達到一定程度后，原子活動能力增強發(fā)生遷移進行晶格位置的重排，溫度愈高，完成愈快，沒有固定溫度，但有一溫度下限，這個溫度稱為再結(jié)晶開始溫度。（2）再結(jié)晶溫度

再結(jié)晶不是一個恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)進行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。純金屬：TR=T再結(jié)晶

=（0.35～0.4）Tm(K)

合金：TR=(0.5-0.7)Tm(K)

（3）影響再結(jié)晶溫度的因素：

1）預先變形度

預先變形度金屬再結(jié)晶前塑性變形的相對變形量。預先變形度越大,金屬的晶體缺陷就越多,組織越不穩(wěn)定,最低再結(jié)晶溫度也就越低。當預先變形度達到一定大小后,最低再結(jié)晶溫度趨于某一穩(wěn)定值，稱最低再結(jié)晶溫度。圖2-56T再與ε的關(guān)系2）金屬的熔點

熔點越高,最低再結(jié)晶溫度也就越高。TR℃=(Tm℃+273)×0.4–273，3）雜質(zhì)和合金元素

雜質(zhì)和合金元素（高熔點元素）阻礙原子擴散和晶界遷移,可顯著提高最低再結(jié)晶溫度。4）加熱速度和保溫時間

再結(jié)晶是一個擴散過程,需要一定時間才能完成。提高加熱速度會使再結(jié)晶在較高溫度下發(fā)生。保溫時間越長,再結(jié)晶溫度越低。

3.再結(jié)晶后晶粒長大

（1）加熱溫度

加熱溫度越高,原子擴散能力越強,則晶界越易遷移,晶粒長大也越快。黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大580oC保溫8秒后的組織580oC保溫15分后的組織700oC保溫10分后的組織再結(jié)晶后晶粒長大晶粒長大方式：正常長大；異常長大（二次再結(jié)晶）⑵變形度影響當變形量很小時，由于晶格畸變很小，不足以引起再結(jié)晶；當變形度達到某一臨界值時，由于此時金屬中只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結(jié)晶晶核少，且晶粒極易相互吞并長大，因而再結(jié)晶后晶粒粗大，此變形度即為臨界變形度；

當變形度大于臨界變形度時，隨變形量的增加，越來越多的晶粒發(fā)生了變形，變形愈趨均勻，晶格畸變大，再結(jié)晶的晶核多，再結(jié)晶后晶粒愈來愈細。可見冷壓加工應注意避免在臨界變形度范圍內(nèi)加工，以免再結(jié)晶后產(chǎn)生粗晶粒。2.3.3塑性變形和再結(jié)晶的工程應用金屬塑性變形加工方法：熱加工：熱鍛、熱軋、熱擠壓、熱拔冷加工：冷鐓、冷軋、冷擠壓、冷沖、切削熱加工和冷加工不是根據(jù)變形時是否加熱來區(qū)分，而是根據(jù)變形時的溫度處于該金屬的再結(jié)晶溫度以上還是以下來劃分的。熱加工：在該金屬材料再結(jié)晶溫度以上的塑性變形加工。冷加工：在該金屬材料再結(jié)晶溫度以下的塑性變形加工。1.金屬的熱加工鋼材的熱鍛和熱軋，溫度處于再結(jié)晶溫度以上，金屬塑性變形后，隨即發(fā)生再結(jié)晶。加工硬化隨即消除，使材料保持良好的塑性狀態(tài)。所以，熱加工是一個加工硬化+動態(tài)回復和再結(jié)晶過程，所謂的動態(tài)回復(在塑變過程中發(fā)生的回復)與動態(tài)再結(jié)晶(在塑變過程中發(fā)生的再結(jié)晶。包含亞晶粒，位錯密度較高)，這種動態(tài)回復與動態(tài)再結(jié)晶的特點是在塑性變形的過程中反復形核，有限長大，使晶粒得以細化。最后終止在再結(jié)晶狀態(tài)。（1）熱加工能使鑄態(tài)金屬中的氣孔、疏松、微裂紋焊合，提高金屬的致密度；減輕或消除枝晶偏析和改善夾雜物、第二相的分布等。（2）熱加工能打碎鑄態(tài)金屬中的粗大樹枝晶和柱狀晶，并通過再結(jié)晶獲得等軸細晶粒。

熱加工提高金屬的強度、塑性和韌性，使金屬的力學性能全面提高。

受力復雜、載荷較大的重要工件，一般都采用熱加工方法來制造。

（3）形成流線在熱加工時，僅在一個方向上變形，如熱軋、拔長等，會造成可變形夾雜物和第二相沿金屬流動方向被拉長，形成“流線”。通?？v向的強度、塑性和韌性顯著大于橫向。讓流線與零件的受力方向成合理分布，才能保證或提高零件的質(zhì)量水平。(a)鍛造曲軸

(b)切削加工曲軸30鋼鑄態(tài)和鍛態(tài)的力學性能比較狀態(tài)σb

/MPaσs

/MPaδ/(%)Ψ/(%)αk

/(J/cm)鍛態(tài)530310204570鑄態(tài)50028015273545鋼力學性能與測定的方向的關(guān)系取樣方向σb/MPaσs

/MPaδ/(%)Ψ/(%