模塊七金屬的塑性變形與再結(jié)晶

金屬材料與熱處理（第二版）2015年１月出版

HeatTreatment大連理工大學(xué)出版社主編：王書田“十二五”職業(yè)教育國(guó)家規(guī)劃教材高職高專焊接技術(shù)及自動(dòng)化類課程規(guī)劃教材模塊七金屬的塑性變形與再結(jié)晶鑄態(tài)金屬中往往存在晶粒粗大且不均勻、組織不致密及成分偏析等缺陷，故工業(yè)中的金屬材料大多要在澆注后經(jīng)過壓力加工（如軋制、鍛造、擠壓、拉拔、沖壓等）再予以使用。塑性變形是壓力加工的基礎(chǔ)，大多數(shù)鋼和有色金屬及其合金都有一定的塑性，因此它們均可在熱態(tài)或冷態(tài)下進(jìn)行壓力加工。塑性變形不僅可使金屬獲得一定形狀和尺寸的零件、毛坯或型材，而且還會(huì)引起金屬內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)的變化，使鑄態(tài)金屬的組織與性能得到改善。研究塑性變形過程中的組織、結(jié)構(gòu)與性能的變化規(guī)律，對(duì)改進(jìn)金屬材料的加工工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量和合理使用金屬材料都具有重要意義。金屬與合金的塑性變形一、單晶體的塑性變形在外力作用下，晶體的任何晶面上均分布有正應(yīng)力和切應(yīng)力，正應(yīng)力只能引起彈性變形或斷裂，只有在切應(yīng)力的作用下，才能產(chǎn)生塑性變形。單晶體塑性變形的基本方式主要有滑移和孿生兩種。金屬與合金的塑性變形1.滑移滑移是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（即滑移面）發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)?；剖墙饘偎苄宰冃蔚闹饕绞健尉w受拉伸時(shí)，外力F作用在滑移面上的應(yīng)力f可分解為正應(yīng)力R和切應(yīng)力τ，正應(yīng)力只能使晶體產(chǎn)生彈性伸長(zhǎng)，并在超過原子間結(jié)合力時(shí)將晶體拉斷。切應(yīng)力則使晶體產(chǎn)生彈性歪扭，并在超過滑移抗力時(shí)引起滑移面兩側(cè)的晶體發(fā)生相對(duì)滑移。金屬與合金的塑性變形單晶體未受到外力作用時(shí)，原子處于平衡位置，當(dāng)切應(yīng)力較小時(shí)，晶格發(fā)生彈性歪扭，若去除外力，則切應(yīng)力消失，晶格彈性歪扭也隨之消失，晶體恢復(fù)到原始狀態(tài)，即產(chǎn)生彈性變形。若切應(yīng)力繼續(xù)增大到超過原子間的結(jié)合力，則在某個(gè)晶面兩側(cè)的原子將發(fā)生相對(duì)滑移，滑移的距離為原子間距的整數(shù)倍。此時(shí)如果使切應(yīng)力消失，晶格歪扭可以恢復(fù)，但已滑移的原子不能恢復(fù)到變形前的位置，即產(chǎn)生塑性變形如果切應(yīng)力繼續(xù)增大，在其他晶面上的原子也產(chǎn)生滑移，從而使晶粒塑性變形繼續(xù)下去，許多晶面上都發(fā)生滑移后就形成了單晶體的整體塑性變形。銅、鋁、鐵、銀、鉻、鎢等這些面心立方晶格和體心立方晶格的金屬，在通常情況下的塑性變形都是以滑移的方式進(jìn)行的。單晶體在切應(yīng)力作用下的變形情況金屬與合金的塑性變形（1）滑移帶當(dāng)一個(gè)表面拋光的單晶體拉伸時(shí)，如果應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，在表面上會(huì)出現(xiàn)一些和應(yīng)力軸呈一定角度的相互平行的細(xì)線，這就是滑移帶。通過電子顯微鏡觀察滑移現(xiàn)象便可以發(fā)現(xiàn)，滑移并非在一個(gè)晶面進(jìn)行，而是發(fā)生在一系列相互平行的晶面上。這些參與滑移的相互平行的晶面構(gòu)成了若干個(gè)小臺(tái)階，微觀上一個(gè)小臺(tái)階就是一個(gè)滑移層，一組小臺(tái)階就是一個(gè)滑移帶，每個(gè)滑移層之間有一定的滑移量，當(dāng)變形量大時(shí)，滑移量可達(dá)100個(gè)原子間距。單晶體的滑移帶和滑移層示意圖金屬與合金的塑性變形晶體的塑性變形是晶體沿某些晶面和晶向相對(duì)滑動(dòng)的結(jié)果?；瑒?dòng)所沿的晶面稱為滑移面滑動(dòng)所沿的方向稱為滑移方向。根據(jù)滑移變形的特征，若晶體滑動(dòng)距離是滑動(dòng)方向原子間距的整數(shù)倍，則滑動(dòng)后并不破壞晶體排列的規(guī)律性。要使晶體產(chǎn)生滑移，必須在滑移面上沿著滑移方向施加一個(gè)產(chǎn)生滑移的最小的分切應(yīng)力，即臨界切應(yīng)力τk。作用于滑移方向的分切應(yīng)力的大小，取決于滑移面和滑移方向相對(duì)于外力的位置。金屬與合金的塑性變形設(shè)試樣的橫截面積為A的單晶體，在外力F的作用下產(chǎn)生滑移，設(shè)外力F與滑移面之間的夾角為λ，與滑移面法線N的夾角為φ，則外力F在滑移方向的切向分力為：設(shè)滑移面的面積為A′，則外力F在滑移方向的切應(yīng)力:當(dāng)拉應(yīng)力為ReL時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，單晶體產(chǎn)生滑移，此時(shí)滑移方向上的切應(yīng)力即臨界切應(yīng)力：?jiǎn)尉w滑移時(shí)應(yīng)力分析示意圖金屬與合金的塑性變形由公式可以看出：當(dāng)外力F一定時(shí)，作用于滑移方向上的分切應(yīng)力與晶體受力時(shí)的位向有關(guān)。當(dāng)滑移面與外力F平行或垂直(即φ=90°或φ=0°)時(shí)，sin(2φ)=0，ReL為無窮大，說明無論多大的力都不可能發(fā)生滑移，這種位向稱為硬位向當(dāng)滑移面的傾斜角φ=45°時(shí)，sin(2φ)=1最大，而ReL最小，這種位向最容易滑移，稱為軟位向。金屬與合金的塑性變形（2）滑移系一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向結(jié)合起來，就組成一個(gè)滑移系?；葡当硎窘饘倬w在滑移時(shí)可能產(chǎn)生的空間位向。當(dāng)其他條件相同時(shí)，金屬晶體中的滑移系越多，則提供給滑移的空間位向也越多，該金屬的塑性也越好。金屬的晶體結(jié)構(gòu)不同，其滑移面和滑移方向也不同：金屬與合金的塑性變形一般來說，滑移面總是原子排列最緊密的晶面，而滑移方向也總是原子排列最緊密的晶向。這是因?yàn)樵诰w中原子密度最大的晶面上，原子的結(jié)合力最強(qiáng)，而面與面之間的距離卻最大，所以它們之間的結(jié)合力最弱，滑移阻力最小，因而最易于滑移。同理，沿原子密度最大的晶向滑動(dòng)時(shí)，阻力也最小，最易滑動(dòng)。沿密排面滑動(dòng)的阻力小，滑動(dòng)比較容易。但并非其他晶面就一定不能滑移，只是密排面更容易滑動(dòng)罷了。而滑移方向卻都是密排面方向，并且比較穩(wěn)定。在某些條件下即使改變了滑移面，滑移方向仍保持不變?；泼媸疽鈭D金屬與合金的塑性變形（3）滑移機(jī)理簡(jiǎn)介

滑移變形是金屬塑性變形的基本方法之一?；茣r(shí)并不是整個(gè)滑移面上的原子一起做剛性移動(dòng)，而是通過晶體中的位錯(cuò)線沿滑移面的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。通過位錯(cuò)移動(dòng)而產(chǎn)生的逐步滑移，比整體一起移動(dòng)所需要的臨界切應(yīng)力要小得多。位錯(cuò)容易移動(dòng)的特點(diǎn)稱為位錯(cuò)的易動(dòng)性。金屬與合金的塑性變形2.孿生孿生是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生方向）產(chǎn)生剪切變形（切變）。產(chǎn)生切變的部分稱為孿晶帶。通過這種方式的變形，使孿生面兩側(cè)的晶體形成了鏡面對(duì)稱關(guān)系（鏡面即孿生面）。整個(gè)晶體經(jīng)變形后只有孿晶帶中的晶格位向發(fā)生了變化，而孿晶帶兩邊外側(cè)晶體的晶格位向沒有發(fā)生變化，但相距一定距離孿生示意圖金屬與合金的塑性變形孿生與滑移變形的主要區(qū)別是:孿生變形時(shí)，孿晶帶中相鄰原子面的相對(duì)位移為原子間距的分?jǐn)?shù)值，且晶體位向發(fā)生變化，與未變形部分對(duì)稱；而滑移變形時(shí)，滑移的距離是原子間距的整數(shù)倍，晶體的位向不發(fā)生變化。對(duì)于一定的晶體而言，單晶體的塑性變形究竟以何種方式進(jìn)行，這要取決于晶體結(jié)構(gòu)和外部條件。由于密排六方晶格的金屬滑移系少，故常以孿生方式變形；體心立方晶格的金屬如α-Fe等滑移系較多，一般都以滑移方式進(jìn)行，只有在低溫或受到?jīng)_擊時(shí)才發(fā)生孿生變形；面心立方晶格的金屬一般不發(fā)生孿生變形。孿生變形所需的切應(yīng)力要比滑移變形的切應(yīng)力大得多，可見要使滑移系多的晶體不發(fā)生滑移而進(jìn)行孿生是相當(dāng)困難的。金屬與合金的塑性變形孿生所產(chǎn)生的塑性變形量一般不大，但是在孿生后，由于晶體轉(zhuǎn)至新位向，將有利于產(chǎn)生新的滑移變形，因而使金屬的變形能力提高，這一點(diǎn)對(duì)于滑移系較少的金屬具有特殊意義。在金屬的塑性變形過程中，滑移和孿生兩種變形方式往往是交替進(jìn)行的，這樣就可以獲得較大的變形量。金屬與合金的塑性變形二、多晶體的塑性變形實(shí)際使用的金屬和合金材料幾乎都是多晶體，多晶體是由許多位向不同、形狀不同、甚至化學(xué)成分和性能也不完全相同的單晶體集合而成的。構(gòu)成多晶體的這些單晶體就是晶粒。多晶體的塑性變形與單晶體比較并無本質(zhì)上的區(qū)別，其基本方式仍然是滑移和孿生。但由于晶界的存在和每個(gè)晶粒中晶格位向的不同，多晶體的塑性變形要比單晶體復(fù)雜得多，表現(xiàn)出以下不同于單晶體的特點(diǎn)。金屬與合金的塑性變形1.不均勻的塑性變形過程：在外力作用下，各晶粒內(nèi)滑移系上的分切應(yīng)力也不相同，有些晶粒所處的位向能使其內(nèi)部的滑移系獲得最大的分切應(yīng)力，并將首先達(dá)到臨界分切應(yīng)力值而開始滑移。這些晶粒所處的位向?yàn)橐谆莆幌?，又稱為“軟位向”;還有些晶粒所處的位向使其內(nèi)部滑移系獲得的分切應(yīng)力最小，最難滑移，被稱為“硬位向”。與單晶體塑性變形一樣，首批處于軟位向的晶粒，在滑移過程中也要發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致晶粒從“軟位向”逐步到“硬位向”，使之不再繼續(xù)滑移，從而引起鄰近未變形的硬位向晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)到“軟位向”并開始滑移。多晶體的塑性變形先發(fā)生于“軟位向”晶粒，后發(fā)展到“硬位向”晶粒，是一個(gè)塑性變形有先后和不均勻的塑性變形過程。金屬與合金的塑性變形

2.晶粒間位向差阻礙滑移：各相鄰晶粒之間存在位向差，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，周圍的晶粒如果不發(fā)生塑性變形就不能保持晶粒間的連續(xù)性，甚至造成材料出現(xiàn)孔隙或破裂。存在于晶粒間的這種相互約束，必須有足夠大的外力才能予以克服，即在足夠大的外力下，才能使某晶粒發(fā)生滑移變形并能帶動(dòng)或引起其他相鄰晶粒也發(fā)生相應(yīng)的滑移變形。這就意味著增大了晶粒變形的抗力，阻礙滑移的進(jìn)行。金屬與合金的塑性變形3.晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)：晶界是相鄰晶粒的過渡區(qū)，晶界原子排列不規(guī)則。當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，會(huì)受到晶界的阻礙而堆積起來（即位錯(cuò)的塞積）。若要使變形繼續(xù)進(jìn)行，則必須增大外力，可見晶界使金屬的塑性變形抗力提高。綜上所述，金屬的晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，其塑性變形的抗力便越大，強(qiáng)度越高。另外，金屬晶粒越細(xì)，在外力作用下越有利于滑移，能參與滑移的晶粒數(shù)目也越多。由于一定的變形量會(huì)由更多的晶粒分散承擔(dān)，不致造成局部的應(yīng)力集中，從而推遲了裂紋的產(chǎn)生，即使塑性變形量很大也不致斷裂，表現(xiàn)出塑性的提高。在強(qiáng)度和塑性同時(shí)提高的情況下，金屬在斷裂前要消耗大量的功，因而其韌性也比較好，這進(jìn)一步表明了細(xì)晶強(qiáng)化是金屬的一種很重要的強(qiáng)韌化手段。金屬與合金的塑性變形

三、合金的塑性變形合金的塑性變形方式也和純金屬多晶體的情況相同。合金的組織主要分為單相固溶體和多相混合物兩種，其塑性變形也各有特點(diǎn)。金屬與合金的塑性變形1.單相固溶體合金的塑性變形單相固溶體合金的顯微組織與純金屬相似，故其塑性變形也類似。但由于固溶體中有溶質(zhì)原子，造成晶格畸變，導(dǎo)致其塑性變形抗力增加，故固溶體的強(qiáng)度、硬度一般都比其溶劑金屬高，而塑性、韌性則有所下降，同時(shí)固溶體的加工硬化速率也有所提高。原因:①是溶質(zhì)原子的溶入造成溶劑晶格畸變，阻礙滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)②是位錯(cuò)線上偏聚的溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用。金屬與合金的塑性變形2.多相混合物合金的塑性變形當(dāng)合金由多相混合物構(gòu)成時(shí)，塑性變形除了與基本相有關(guān)外，第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布等情況也常起決定性的作用。合金的第二相可以是純金屬，也可以是固溶體或化合物。若第二相為純金屬或固溶體時(shí)，它們與基體的塑性變形能力相近，則合金的變形能力為兩相的平均值。若第二相為化合物，則第二相的性能、數(shù)量、大小、形狀及分布等情況對(duì)合金塑性變形有不同的影響。金屬與合金的塑性變形（1）第二相以粒狀彌散分布在基體晶粒內(nèi)導(dǎo)致異相界面顯著增多，并使其周圍晶格發(fā)生畸變，第二相質(zhì)點(diǎn)本身成為位錯(cuò)移動(dòng)的障礙，從而提高變形抗力。這就是彌散強(qiáng)化的機(jī)理。對(duì)合金的塑性和韌性的影響，粒狀分布比片狀分布時(shí)要小，這是因?yàn)檫@些細(xì)小、彌散分布的質(zhì)點(diǎn)不破壞基體相的連續(xù)性，塑性變形時(shí)第二相質(zhì)點(diǎn)可隨基體變形而“流動(dòng)”，不會(huì)造成明顯的應(yīng)力集中。（2）第二相以層片狀分布在基體晶粒內(nèi)第二相對(duì)塑性變形的阻礙作用較大，對(duì)塑性的不利影響比粒狀質(zhì)點(diǎn)要大。隨著層片間距的減?。磸浬⒍仍黾樱?，合金的強(qiáng)度、硬度提高，塑性降低。金屬與合金的塑性變形（3）第二相以連續(xù)網(wǎng)狀分布在基體晶粒的邊界上滑移變形只限于基體晶粒內(nèi)部，基體晶粒邊界上呈網(wǎng)狀分布的硬脆第二相幾乎不能塑性變形，而且嚴(yán)重阻礙基體晶粒內(nèi)的滑移變形。當(dāng)基體晶粒變形稍大時(shí)，晶界處將產(chǎn)生裂紋，引起合金斷裂，大大降低了合金的塑性。隨著第二相數(shù)量的增加，網(wǎng)狀組織也增加（增厚），致使合金的硬度提高，而強(qiáng)度卻有所下降，這就是過共析鋼在冷加工前要清除網(wǎng)狀滲碳體的主要原因。金屬與合金的塑性變形四、塑性變形對(duì)組織和性能的影響塑性變形不但改變材料外部形狀，還可使材料組織和性能發(fā)生變化。1.塑性變形對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響（1）晶粒被拉長(zhǎng)金屬和合金在冷塑性變形時(shí)，隨著變形量的增加，金屬的晶粒將沿著變形方向被拉長(zhǎng)，變形量越大，晶粒伸長(zhǎng)的程度也越大。晶粒逐漸由等軸的多邊形變成長(zhǎng)方形、扁平形、條形，形成纖維組織。（2）形成亞結(jié)構(gòu)經(jīng)強(qiáng)烈冷變形的金屬，在破碎和拉長(zhǎng)了的晶粒內(nèi)部，將出現(xiàn)許多魚鱗狀的小晶塊，這就是亞結(jié)構(gòu)。亞結(jié)構(gòu)的增多阻礙了滑移面的進(jìn)一步滑移，因而提高了金屬的強(qiáng)度、硬度。有時(shí)亞結(jié)構(gòu)對(duì)金屬晶體的強(qiáng)化作用甚至比固溶強(qiáng)化還要大。金屬與合金的塑性變形（3）形成變形織構(gòu)（擇優(yōu)取向）在塑性變形過程中，隨著變形程度的增加，由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，各晶粒的取向?qū)⒋笾纶呌谝恢?，這種由于變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫作變形織構(gòu)。在大多數(shù)情況下，織構(gòu)是有害的。但是在一定條件下，又可以利用織構(gòu)形成的各向異性。變形織構(gòu)很難消除，生產(chǎn)中為避免織構(gòu)產(chǎn)生，常將零件的較大變形量分為幾次變形來完成，并進(jìn)行“中間退火”。2.塑性變形引起金屬性能的變化金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，隨著變形程度的增加，晶粒外形被拉長(zhǎng)形成纖維組織，金屬的性能出現(xiàn)明顯的方向性，沿纖維組織方向的強(qiáng)度和塑性比垂直于纖維組織的方向高得多，性能趨于各向異性。晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，在變形量不大時(shí)，先是在變形晶粒的晶界附近出現(xiàn)位錯(cuò)的堆積。隨著變形量的增大，晶粒破碎成為細(xì)碎的亞晶粒，變形量越大，晶粒破碎越嚴(yán)重，亞晶界越多，位錯(cuò)密度越大。這種亞晶界處大量堆積的位錯(cuò)均會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使金屬塑性變形抗力增大，強(qiáng)度和硬度顯著提高。金屬與合金的塑性變形隨著變形程度的增加，金屬強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象，稱為冷變形強(qiáng)化或加工硬化。冷變形強(qiáng)化是金屬材料的一項(xiàng)重要特性，是強(qiáng)化金屬材料途徑之一?？衫脕韽?qiáng)化金屬，提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性。這對(duì)于不能熱處理強(qiáng)化的金屬更為重要。冷變形強(qiáng)化冷變形強(qiáng)化使金屬塑性降低，給金屬進(jìn)一步的塑性變形帶來困難。為了使金屬材料能夠繼續(xù)變形，必須在加工過程中安排“中間退火”，以消除冷變形強(qiáng)化。某些物理性能、化學(xué)性能也在塑性變形后發(fā)生了變化，如使金屬磁性下降、化學(xué)活性增加、電極電位提高、腐蝕速度加快等。金屬與合金的塑性變形3.塑性變形產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力經(jīng)冷塑性變形的零件在外力消除后仍保留在金屬內(nèi)部的應(yīng)力，稱為殘余應(yīng)力或形變內(nèi)應(yīng)力，簡(jiǎn)稱內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力一般分為下列三類:（1）宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）：由于金屬表層和心部之間變形不均勻而形成平衡于表層和心部之間的內(nèi)應(yīng)力，稱為宏觀內(nèi)應(yīng)力。幾乎所有機(jī)械制造工藝都會(huì)由于不均勻的塑性變形而引起殘余內(nèi)應(yīng)力。（2）晶間內(nèi)應(yīng)力（第二類內(nèi)應(yīng)力）：由于相鄰晶粒之間或晶粒內(nèi)部不同部位之間變形不均勻而形成保持平衡的微觀應(yīng)力，稱為晶間內(nèi)應(yīng)力。工件存在這類內(nèi)應(yīng)力又承受外力作用時(shí)，常因有很大的應(yīng)力集中而產(chǎn)生顯微裂紋甚至斷裂。金屬與合金的塑性變形（3）晶格畸變內(nèi)應(yīng)力（第三類內(nèi)應(yīng)力）：由于位錯(cuò)等晶體缺陷的增加而形成的內(nèi)應(yīng)力，稱為晶格畸變內(nèi)應(yīng)力。金屬塑性變形時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力主要表現(xiàn)為第三類內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力是有害的，它導(dǎo)致工件變形、開裂和抗蝕性降低，使工件抗負(fù)荷能力降低。但如果控制得當(dāng)，比如使內(nèi)、外應(yīng)力疊加后互相抵消，可提高工件的抗負(fù)荷能力。例如，鋼板彈簧經(jīng)噴丸處理后，在表面層造成壓應(yīng)力，提高了疲勞極限。第三類內(nèi)應(yīng)力所造成的晶格畸變，增大了位錯(cuò)移動(dòng)的阻力，提高了金屬抵抗塑性變形的能力，使金屬的強(qiáng)度、硬度提高，同時(shí)使塑性和抗蝕性下降。為了防止零件變形、開裂，要進(jìn)行人工或振動(dòng)時(shí)效處理。金屬與合金的塑性變形冷變形金屬在加熱時(shí)的變化

經(jīng)過塑性變形后的金屬材料，由于晶格扭曲、晶粒破碎、結(jié)構(gòu)缺陷增多等原因，造成金屬內(nèi)部能量較高而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，它有自發(fā)地恢復(fù)到晶體結(jié)構(gòu)比較完整、規(guī)則和能量較低狀態(tài)的趨勢(shì)。但在室溫下由于原子活動(dòng)能力弱，擴(kuò)散速度很慢，這種不穩(wěn)定狀態(tài)可能要維持相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間而不會(huì)發(fā)生變化。如果進(jìn)行加熱，使其溫度升高，則因原子活動(dòng)能力增加，將發(fā)生一系列的組織與性能變化。隨著加熱溫度的升高，冷變形金屬組織和性能變化可分為三個(gè)階段，即回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。金屬與合金的塑性變形一、回復(fù)當(dāng)加熱溫度較低（為(0.25～0.30)T熔，單位為K）時(shí)，原子活動(dòng)能力較弱，只能回復(fù)到平衡位置，冷變形金屬的顯微組織沒有明顯變化，力學(xué)性能變化也不大;但殘留應(yīng)力顯著降低，其物理和化學(xué)性能也基本恢復(fù)到變形前狀態(tài)，稱這一階段為回復(fù)或恢復(fù)。由于回復(fù)加熱溫度較低，晶格中的原子僅能做短距離擴(kuò)散，因此，金屬內(nèi)凡只需要較小能量就可開始運(yùn)動(dòng)的缺陷將首先移動(dòng)，如偏離晶格節(jié)點(diǎn)位置的原子回復(fù)到節(jié)點(diǎn)位置，空位在回復(fù)階段中向晶體表面、晶界處或位錯(cuò)處移動(dòng)，使晶格節(jié)點(diǎn)恢復(fù)到較規(guī)則形狀，晶格畸變減輕，殘留應(yīng)力顯著降低。但因亞組織尺寸未有明顯改變，位錯(cuò)密度未顯著減小，即造成冷變形強(qiáng)化的主要原因尚未消除，因而力學(xué)性能在回復(fù)階段變化不大。金屬與合金的塑性變形回復(fù)的特點(diǎn):加熱溫度較低；組織性能沒有明顯變化；應(yīng)力顯著降低。在生產(chǎn)中，利用回復(fù)現(xiàn)象可將已產(chǎn)生冷變形強(qiáng)化的金屬材料在較低溫度下加熱，使其殘留內(nèi)應(yīng)力基本消除，而保留其強(qiáng)化的力學(xué)性能，這種處理稱為低溫去應(yīng)力退火。金屬與合金的塑性變形二、再結(jié)晶當(dāng)冷變形金屬材料繼續(xù)加熱升溫時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，金屬的顯微組織發(fā)生明顯的變化，破碎的、被拉長(zhǎng)或被壓扁的晶粒變成均勻、細(xì)小的等軸晶粒，這一變化過程也是通過形核和晶核長(zhǎng)大方式進(jìn)行的，故稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶后金屬的強(qiáng)度、硬度顯著下降，塑性、韌性明顯提高，冷變形強(qiáng)化得以消除。金屬與合金的塑性變形再結(jié)晶也是一個(gè)形核與晶核長(zhǎng)大的過程，再結(jié)晶晶核的形成往往是在回復(fù)后的劇烈變形帶上的破碎晶塊中，以其為再結(jié)晶晶核，向周圍長(zhǎng)大，或者由多邊化形成的亞晶吞并周圍的基體，通過合并的方式長(zhǎng)大成為再結(jié)晶核心。再結(jié)晶時(shí)，新舊晶粒的晶格類型和成分完全相同，所以再結(jié)晶不是相變過程，沒有恒定的轉(zhuǎn)變溫度。能夠進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度稱為金屬的再結(jié)晶溫度。金屬與合金的塑性變形再結(jié)晶溫度是經(jīng)過變形程度>70%塑性變形的金屬，在1h保溫時(shí)間內(nèi)，完成全部再結(jié)晶所需的最低溫度來確定。由于再結(jié)晶過程的原動(dòng)力是變形晶粒的畸變能，必須通過原子的擴(kuò)散移動(dòng)來完成，因此再結(jié)晶溫度的高低主要取決于變形金屬的畸變能的高低和原子的擴(kuò)散能力。金屬與合金的塑性變形影響再結(jié)晶溫度的因素：①金屬的冷變形程度越大，金屬的畸變能越高，組織越不穩(wěn)定，向低能狀態(tài)變化的傾向也越大，再結(jié)晶溫度越低②加熱保溫時(shí)間越長(zhǎng)，原子擴(kuò)散移動(dòng)越能充分進(jìn)行，再結(jié)晶溫度越低③金屬的原始組織越粗大，變形阻力越小，變形后內(nèi)能集聚就越少，所以再結(jié)晶溫度越高。④化學(xué)成分對(duì)金屬的再結(jié)晶溫度影響較復(fù)雜，當(dāng)金屬中含有少量的合金元素和雜質(zhì)時(shí)，在多數(shù)情況下都會(huì)提高再結(jié)晶溫度，如W、Mo、Cr等元素均能提高鋼的再結(jié)晶溫度，利用這種規(guī)律可以改善鋼的高溫性能。金屬與合金的塑性變形變形程度較大時(shí)，純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)間的關(guān)系如下:T再≈（0.35～0.40）T熔

將冷變形金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保溫適當(dāng)時(shí)間，使其發(fā)生再結(jié)晶的過程稱為再結(jié)晶退火。生產(chǎn)中常利用再結(jié)晶退火來消除冷變形金屬產(chǎn)生的加工硬化，提高塑性。在冷變形加工的過程中，有時(shí)也進(jìn)行再結(jié)晶退火，這是為了恢復(fù)塑性，以便于繼續(xù)加工。再結(jié)晶的特點(diǎn):組織、性能發(fā)生明顯的變化，恢復(fù)到變形前的狀態(tài)；再結(jié)晶過程是一個(gè)形核、晶核長(zhǎng)大的過程；再結(jié)晶溫度的高低受到變形程度、加熱時(shí)間、化學(xué)成分、組織粗細(xì)等因素的影響。金屬與合金的塑性變形三、晶粒長(zhǎng)大再結(jié)晶后得到均勻、細(xì)小、無畸變的等軸晶粒，在繼續(xù)升溫或保溫時(shí)等軸晶粒會(huì)互相吞并長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大也是個(gè)自發(fā)過程，它使晶界減小，界面能降低，組織變得更為穩(wěn)定。晶粒長(zhǎng)大使金屬的硬度和抗拉強(qiáng)度降低。影響再結(jié)晶后晶粒大小的因素，除加熱溫度與保溫時(shí)間之外，還與金屬晶粒的均勻程度、雜質(zhì)的分布情況及冷變形程度等有關(guān)，但主要取決于再結(jié)晶退火溫度及預(yù)先的冷變形程度。金屬與合金的塑性變形

1.加熱溫度和時(shí)間的影響在一定的預(yù)先冷變形程度下，再結(jié)晶退火后的金屬晶粒度變化是：加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒就越大，其中加熱溫度影響較大。金屬與合金的塑性變形2.預(yù)先冷變形程度的影響當(dāng)變形量很小時(shí)，金屬晶粒沒有多大變化，此時(shí)由于能量很小，不足以進(jìn)行再結(jié)晶，因此，晶粒保持原來的狀態(tài)。當(dāng)達(dá)到一定的變形量時(shí)，再結(jié)晶后的晶粒特別粗大，這個(gè)獲得粗大再結(jié)晶晶粒的冷變形量稱為金屬的臨界變形度。各種金屬的臨界變形度一般在2%～10%之間。要使金屬獲得細(xì)晶粒組織和良好的力學(xué)性能，在壓力加工時(shí)應(yīng)避開臨界變形度。為了某些特殊要求，有時(shí)也可以利用這一現(xiàn)象。而在臨界變形度下造成粗晶的原因，是由于變形量較小時(shí)，形成再結(jié)晶核心數(shù)目少，故使晶粒粗大。變形量大于臨界變形度之后，隨著變形量的增加，再結(jié)晶核心數(shù)目增多，再結(jié)晶后的晶粒反而變細(xì)。金屬與合金的塑性變形金屬的熱變形加工變形加工有冷、熱之分。從金屬學(xué)觀點(diǎn)來看，熱變形加工和冷變形加工是根據(jù)金屬的再結(jié)晶溫度來劃分的。在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的變形加工稱為熱變形加工；在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的變形加工稱為冷變形加工。例如，鎢的最低再結(jié)晶溫度為1200℃，即使在1000℃的高溫下進(jìn)行變形加工仍屬于冷變形加工；鉛的再結(jié)晶溫度在0℃以下，因此它在室溫的變形加工屬于熱變形加工。金屬與合金的塑性變形一、熱變形加工的概念及特點(diǎn)熱變形加工是在再結(jié)晶能夠充分進(jìn)行的條件下進(jìn)行的。因此，產(chǎn)生加工硬化和消除加工硬化（即再結(jié)晶）是同時(shí)進(jìn)行的，這樣就使得熱塑性變形加工具有一系列優(yōu)點(diǎn)。焊接生產(chǎn)時(shí)，某些大型結(jié)構(gòu)件，是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行熱變形加工成形后再焊接而成。金屬與合金的塑性變形熱變形加工與冷變形加工比較，具有以下優(yōu)點(diǎn):（1）金屬變形抗力小，消耗能量少。因?yàn)樵诟邷貢r(shí)原子的運(yùn)動(dòng)和熱振動(dòng)增強(qiáng)，擴(kuò)散過程和溶解過程加速，使金屬滑移面上的臨界切應(yīng)力降低。同時(shí)，許多金屬發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，滑移系數(shù)目增多，使變形更為協(xié)調(diào)。（2）金屬塑性提高，產(chǎn)生斷裂的傾向減小。因?yàn)樽冃螠囟壬?，由于完全再結(jié)晶可使加工硬化消除，在斷裂與愈合的過程中愈合加速。金屬與合金的塑性變形（3）相對(duì)于冷變形加工不易產(chǎn)生織構(gòu)。因?yàn)樵诟邷叵庐a(chǎn)生滑移的滑移系較多，使滑移面和滑移方向不斷變化，因此在熱變形加工中擇優(yōu)取向的情況較少。（4）在生產(chǎn)過程中，不需要像冷變形加工那樣的中間退火，從而可使生產(chǎn)工序簡(jiǎn)化，生產(chǎn)效益提高。金屬與合金的塑性變形熱變形加工的缺點(diǎn)：（1）對(duì)薄或細(xì)的軋件保溫困難。由于散熱較快，在生產(chǎn)中保持熱加工的溫度條件比較困難。因此，對(duì)這些件目前仍采用冷變形加工（如冷軋、冷拉）的方法生產(chǎn)。（2）加工工件的表面不如冷變形