金属的塑性变形与再结晶

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1、第四章 金属的塑性变形与再结晶4 .1 金属及合金的塑性变形4 .2 冷变形金属的回复与再结晶 4 .1 金属及合金的塑性变形金属的变形（弹性变形，塑性变形）影响因素：材料成分、结构、组织引起组织、结构和性能的变化 4 .1 .1单晶体的塑性变形塑性变形类型：滑移、孪生，滑移最为重要。单晶体的滑移单晶体受力，外力在晶体的某一晶面上可以分解为正应力和切应力。正应力只引起弹性变形或者解离断裂（脆断）。切应力引起塑性变形。在切应力的作用下，晶体的两部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）发生相对切动，称 之为滑移。 晶体滑移的机理晶体沿一定的晶面滑移，不是整体的刚性移动。 塑性变形是位错的运动

2、结果 滑移系晶体的滑移通常只在某些特定的晶面和晶向上进行。滑移最易沿着原子密度最大的晶面和晶向进行。原子密度最大的晶面，面间距最大，原子间的结合力最小，滑移阻力最小；原子密度最大的晶向，原子由一个平衡位置滑移到另一个平衡位置的距离最短，滑移阻力小，所需的切应力也小。由一个滑移面和该面上的一个滑移方向所构成的滑移系统，称为滑移系。 一个滑移系包括滑移面(hkl)与一个滑移方向uvw。一种晶体中存在多个滑移系，这是因为晶体的一个晶面族可能有多个晶面，在一个晶面中还会有多个等同的晶向。 滑移系与金属的塑性密切相关。通常，滑移系越多，金属的塑性越好。因而Cu、Al（fcc）和-Fe（bcc）的塑性比M

3、g、Zn（hcp）的塑性要好。滑移面与滑移方向，滑移方向的作用更大，因此fcc的Cu、Al要比bcc的-Fe的塑性好。FCC金属的密排面1 1 1 ，密排方向，其滑移系1 1 1 。 1 1 1 晶面族 包括4个晶面，每个1 1 1 面上有3个方向，共1 2个滑移系。BCC金属的密排面1 1 0 ，密排方向，其滑移系1 1 0 。 1 1 0 晶面族包括6个晶面，每个1 1 0 面上有2个方向，共1 2个滑移系。 孪生在切应力的作用下，一部分晶体沿一定晶面（孪生面）和一定晶向（孪生方向）产生与母相成镜面对称的相对切动，称为孪生。发生切动后与母相成镜面对称的那一部分晶体称为孪晶，亦称孪生带。 孪

4、生是在晶体滑移困难时发生的一种塑性变形方式。孪生与滑移的主要区别：滑移是晶体在一个滑移面上发生的切变，孪生则是一部分晶体发生均匀的连续切变。滑移时，晶体沿滑移面的相对位移，是原子间距的整数倍。孪生时，相邻两层原子之间的相对滑移，只是原子间距的分数倍，变形是多层原子切动的积累，每层原子相对于对称面的切动距离，按这个分数倍递增。滑移不引起晶体的位向改变，孪生则使晶体的变形部分发生了位向改变，改变后的位向与未变形部分成镜面对称关系。孪生产生的变形量很小。如金属镉单靠孪生只能有7 .3 9 %的变形量，而滑移可达到3 0 0 %的变形量。滑移困难时，孪生可以起到调整取向的作用， 使滑移在新的取向下能够

5、继续进行。从变形条件来看，孪生所需的切应力较大，因此常出现在应力集中较大的地方。金属的滑移系越少，应力集中越大，孪生的可能性越大。往往先发生滑移，在滑移受阻时产生孪生，晶体位向改变，再次滑移。 4 .1 .2多晶体的塑性变形多晶体与单晶体在塑性变形时相比：晶界；各晶粒位向不同。晶界的影响晶界原子排列不规则，当位错运动到晶界附近，受到晶界阻碍而堆积，造成较大的应力集中。晶界的存在使多晶体的变形抗力高于单晶体。 晶粒位向的影响在同样的外力作用下，晶粒位向不同，滑移方向就不同，变形抗力也不同。首先发生滑移的晶粒，要通过晶界处的位错塞积产生应力集中将滑移传递到相邻晶粒。多晶体的变形要求各晶粒之间相互协

6、调才能实现，否则就会造成晶粒内的微小裂纹。每个晶粒内至少需要5个独立的滑移系同时开动，才能保证晶体内的连续性而不出现裂纹。晶粒位向的不同，各晶粒之间的变形程度不同，使晶体变形的不均匀性增加。 晶粒大小对金属机械性能的影响强度细晶强化塑性变形均匀，减小应力集中，降低裂纹的产生几率 4 .1 .3 合金的塑性变形单相固溶体的变形与固溶强化固溶强化：溶质元素溶于溶剂晶格，使其强度升高而塑性降低。晶格畸变气团现象通常溶质浓度越大，强化作用越大，非线性变化；对于置换型固溶体，溶质原子与溶剂原子尺寸相差越大，强化作用越大。 多相合金的塑性变形与弥散强化多相合金的塑性变形的影响因素：各相的性能、相对含量、分

7、布、形貌通常基体的塑性好，第二相脆性相。脆性相网状分布，性能差；弥散均匀分布，弥散强化。析出强化（沉淀强化，时效强化） 4 .1 .4 塑性变形对组织结构和性能的影响塑性变形对组织结构的影响晶粒形状趋向于宏观变形方向（拉伸，晶粒沿力轴伸长，变成难以分辨的纤维状组织；压缩时，晶粒沿垂直于压力轴的方向伸展，呈扁平状。）位错交割与增殖，空位增加位错密度由变形前的1 0 6 8 /cm2增加到1 0 1 2 1 3 /cm2。大量位错缠结形成网状，把晶粒间隔成许多个位错密度较低的区域。这些区域之间存在的微小的位向差，称为“变形亚晶”。形变织构变形过程中，各晶粒的滑移系都有转向与力轴平行或垂直的趋势，当

8、变形量很大时，大部分晶粒至少有一个晶向相互平行或接近平行，从而造成择优取向。由形变引起的多晶体中各晶粒的择优取向现象，称为“形变织构”。 塑性变形对机械性能的影响加工硬化：塑性变形引起金属强度升高而塑性韧性下降的现象材料强化手段，尤其对于无法进行热处理强化的金属。各向异性变形织构；晶粒、夹杂、偏析区域沿变形方向伸展，造成组织与结果的方向性。 残余应力及其它物理性能的变化变形总功的百分之几到百分之十几，作为残余畸变能存储在晶体之中。残余应力的存在，会使材料逐渐产生变形。物理性能：电阻、磁矫顽力上升，导电率、导磁率、磁饱和度下降。抗蚀性能下降，化学活性增加。 4 .2 冷变形金属的回复与再结晶 4

9、 .2 .1 冷变形金属在加热时的组织性能变化金属塑性变形，引起组织结构和性能的变化，同时也引起了系统能量的升高，使系统处于不稳定状态。在适当条件下（温度），系统将向低自由能状态自发转变。 冷变形金属随着加热温度的升高，有 回复、再结晶、和晶粒长大 三个变化阶段。在生产中，冷变形金属通过加热、保温、冷却而实现其回复和再结晶过程的操作工艺，称为再结晶退火。组织变化 回复冷变形后的金属在加热温度不高时，其光学组织未发生明显改变时所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 特点： 加热T低：T回 = (0 .2 5 0 .3 )T熔； 显微组织无明显变化： 仍保留拉长、畸变的晶粒 晶粒内部亚结构发生变化：

10、 点缺陷 ； 位错密度 异号位错的合并； 同号位错的规整化：形成回复亚晶 性能变化HB、略 ，、略； R；耐腐蚀性提高 原因：晶格畸变 内应力 总体： 力性变化不大，加工硬化基本保持； 理、化性能变化较大。 回复的应用去应力退火 目的：保持强硬度水平; 消除内应力，防止变形、开裂; 恢复物理、化学性能。 冷成形、焊接、铸造钢件：250650 例如：P204 一战中黄铜子弹的季裂现象等 再结晶冷变形金属在加热到适当温度下，通过畸变晶粒重新形核长大，形成无畸变等轴晶粒的过程。再结晶过程是变形金属组织的一个彻底转变的过程，但是金属的晶体结构不变，不是相变过程。 加热温度较高： T再0 .4 T熔；

11、显微组织显著变化 ： 转变为等轴无畸变新晶粒 亚结构： 位错密度大大降低 性能显著变化： HB、；、 内应力完全消除。 再结晶过程中形核和长大的驱动力是 原有畸变晶粒所存储的畸变能。变形量越大，越有利于再结晶；变形量太小，就不会发生再结晶。能够发生再结晶的最小变形量，一般2 %1 0 %，临界变形量。 再结晶后的晶粒长大 随T，t，晶粒长大 驱动力界面能 界面减少：细晶粗晶； 界面形态：界面能 界面曲率，直晶界最稳定再结晶完成后，继续保温或升温，即进入退火过程的第三阶段：晶粒长大阶段。降低界面能，自发过程。再结晶刚刚完成后，晶粒均匀连续的长大过程，称为正常长大。在正常长大的后期，对于变形量很大

12、的金属，可能有少数晶粒优先快速长大，吞食周边晶粒成为非常粗大的组织，似乎重新进行了一次再 结晶，称为二次再结晶。（晶粒的异常长大） 4 .2 .2再结晶温度再结晶过程是扩散过程，需要在一定的温度下才能进行。温度越高，越有利于再结晶。生产上通常规定经过大变形量(70%)后的金属在保温时间1h内完成再结晶(转变量95)的温度为(最低)再结晶温度。 4 .2 .3再结晶退火后的晶粒大小退火温度变形量当变形量小于临界变形量时，不发生再结晶；当变形量相当于临界变形量时，金属中只有部分晶粒发生变形，而且很不均匀，再结晶形核数目少，所以再结晶后的晶粒特别粗大。当变形量超过临界变形量后，随着变形量增大，变形愈

13、均匀，再结晶后的晶粒愈细小均匀。当当变形量大于9 0 %时，可能发生二次再结晶，晶粒急剧长大。 原始晶粒尺寸，越细小越均匀，则再结晶后晶粒越细小。第二相粒子的抑制作用，细化晶粒。 4 .2 .4 金属的热加工热加工：在再结晶温度以上进行的金属塑性加工；冷加工：在再结晶温度以下进行的金属塑性加工。热加工是变形、回复、再结晶甚至晶粒长大的复合过程。冷加工不发生回复与再结晶的软化过程。 热加工对金属组织和性能的影响热加工消除铸态金属中的某些缺陷（气孔，枝晶、粗大晶粒破碎，改善夹杂物分布，提高金属的致密度和机械性能）热加工流线使金属产生产生各向异性（热加工过程是金属中夹杂物及第二相粒子和区域偏析沿加工方向延伸，形成彼此平行的宏观条纹组织，称为“流线”或“纤维组织”。使材料产生各向异性）带状组织可使材料的性能变坏（带状组织主要指夹杂物或第二相的微观层状分布。）热加工后的晶粒大小（热加工后晶粒大小主要取决于变形量和加工温度）