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第二章第二节金属的塑性变形与再结晶金压力加工方法压力加工方法都是通过塑性变形进行的，是强化金属的一个途径，必须要了解变形机理及因素一、金属单晶体的塑性变形金属单晶体的塑性变形方式有“滑移”与“孪生”，但一般大多数情况下都是以滑移方式进行的。滑移：在外加切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动。正应力σ：仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，使将晶体拉断；切应力τ：使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑动。滑移面间距示意图Ⅰ－Ⅰ为最密晶面滑动过程的发生总是沿着阻力最小的方式进行！滑移晶体的塑性变形是晶体内相邻部分滑移的综合表现。但晶体内相邻两部分之间的相对滑移，不是滑移面两侧晶体之间的整体刚性滑动，而是由于晶体内存在位错，因位错线两侧的原子偏离了平衡位置，这些原子有力求达到平衡的趋势。当晶体受外力作用时，位错（刃型位错）将垂直于受力方向，沿着一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐步移动到晶体的表面，形成一个原子间距的滑移量。一个滑移带就是上百个或更多位错移动到晶体表面所形成的台阶。晶体上的滑移带分布是不均匀的，即塑性变形时，位错只沿一定的晶面和一定的晶向移动，并不是沿所有的晶面和晶向都能移动的，这些一定的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向，并且这些晶面和晶向都是晶体中的密排面和密排方向。因为密排面之间和密排方向之间的原子间距最大，其原子之间的结合力最弱，所以在外力作用下最易引起相对的滑动。不同金属的晶体结构不同，其滑移面和滑移方向的数目和位向不同，一个滑移面和在这个滑移面上的一个滑移方向组成一个“滑移系”。所以不同晶体结构的金属，其滑移系的数目不同，如体心立方12个，面心立方12个，密排六方3个，且滑移系的数目越多则金属的塑性愈好，反之滑移系数愈少，塑性不好，且相同滑移系数目相同时，滑移方向数越多，越易滑移，塑性越好。孪生孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）及晶向（孪生方向），与晶体的另一部分发生均匀的剪切变形，结果使晶体的变形部分与未变形部分构成镜面对称的位向关系。孪生滑移孪生变形示意图二、多晶体的塑性变形金属材料大多为位向、形状、大小不同的晶粒组成的多晶体，因此多晶体的变形是许多单晶体变形的综合作用的结果。仍是以滑移的方式进行。但是多晶体晶格位向不同，并且有晶界的存在，使多晶体的塑性变形比单晶体复杂。主要影响因素：晶界、位向（A）晶界：塑性变形抗力的提高1.滑移的主要障碍：原子混乱排列区，较不规则→缺陷、杂质集中。增大了晶格畸变程度，滑移不能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒中去，位错阻力增大，变形抗力增加。2.协调变形：晶界自身变形→以维持相邻晶粒变形保持连续。3.位错塞积——位错运动到晶界附近，受到晶界阻碍而堆积起来。4.晶粒愈细，晶界总面积越大，变形抗力越大，金属的强度便愈高，而且塑性与韧性也较高。——细晶强化（Ｂ）位向：变形和应力分布的不均匀性多晶体金属在外力的作用下，处于软取向的晶粒优先产生滑移变形，处于硬取向的相邻晶粒尚不能滑移变形，只能以弹性变形相平衡。凡滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成45°的晶粒将首先发生滑移，因此方向上的分切应力最大。通常称这种位向的晶粒处于“软取向”（平行或垂直为“硬取向”）四、冷塑性变形对金属组织和性能的影响经过塑性变形，可使金属的组织和性能发生一系列重大的变化，这些变化大致可以分为如下四个方面。1.产生纤维组织，性能趋于各向异性；2.织构现象的产生；3.晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化；4.残余内应力。变形前后晶粒形状变化示意图1.纤维组织：变形时，原等轴晶粒沿变形方向伸长。变形程度大时，晶粒呈现为一片如纤维状的条纹，称为纤维组织。形变织构示意图2.织构：当金属变形量达到一定值(70～90％以上)时，金属中的每个晶粒的位向都趋于大体一致，这种现象称为“织构”现象，或称“择优取向”。含碳0.3%的钢冷加工加工硬化3.加工硬化——金属在冷态下进行塑性变形时，随着变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降。机理：塑性变形→位错移动→位错大量增殖→相互作用→运动阻力加大→变形抗力↑→强度↑、硬度↑、塑性、韧性↓4．残余内应力（性能）——去除外力后残留于且平衡于金属内部的应力。第一类内应力——宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；第二类内应力——微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均；第三类内应力——超微观，产生大量的点阵缺陷造成晶粒畸变。使强度硬度升高，塑性下降。§3回复与再结晶回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。冷变形后回复再结晶晶粒长大1.回复阶段加热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大，而只是使内应力及电阻率等性能显著降低。因此对冷变形金属进行的这种低温加热退火只能用在保留加工硬化而降低内应力改善其它的物理性能的场合。比如冷拔高强度钢丝，利用加工硬化现象产生的高强度，此外，由于残余内应力对其使用有不利的影响，所以采用低温退火以消除残余应力。2.再结晶当它被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。再结晶过程同样是通过形核和长大两个过程进行的。再结晶结束后，金属中内应力全部消除，显微组织恢复到变形前的状态，其所有性能也恢复到变形前的数值，消除了加工硬化。再结晶退火消除加工硬化的热处理工艺3.晶粒长大再结晶结束后，若在继续升高温度或延长加热时间，便会出现大晶粒吞并小晶粒的现象，即晶粒长大，晶粒长大对材料的机械性能极不利，强度、塑性、韧性下降。且塑性与韧性下降的更明显。影响再结晶粒大小的因素1.变形度影响当变形量很小时，由于晶格畸变很小，不足以引起再结晶；当变形度达到某一临界值时，由于此时金属中只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶核少，且晶粒极易相互吞并长大，因而再结晶后晶粒粗大，此变形度即为临界变形度；当变形度大于临界变形度时，随变形量的增加，越来越多的晶粒发生了变形，变形愈趋均匀，晶格畸变大，再结晶的晶核多，再结晶后晶粒愈来愈细。可见冷压加工应注意避免在临界变形度范围内加工，以免再结晶后产生粗晶粒。2.退火温度的影响再结晶是在一个温度范围内进行的，若温度过低不能发生再结晶；若温度过高，则会发生晶粒长大，因此要获得细小的再结晶晶粒，必须在一个合适的温度范围内进行加热再结晶退火温度必须在T再以上，生产上实际使用的再结晶温度通常是比T再高150~250℃，这样就既可保证完全再结晶，又不致使晶粒粗化。再结晶温度：纯金属TR=0.4-0.35Tm(K)合金：TR=0.5-0.7Tm(K)三、热加工对金属组织和性能的影响热加工相关概念：再结晶温度是热加工与冷加工的分界线，高于再结晶温度的压力加工是热加工，低于再结晶温度的压力加工是冷加工。Ni的T再为580，Pb的T再为-33.两种变形加工各有所长。冷变形加工可以达到较高精度和较低的表面粗糙度。并有加工硬化的效果。但是，变形抗力大，一次变形量有限。而热变形加工与此相反。热变形加工多用于形状较复杂的零件毛坯及大件毛坯的锻造和热轧钢锭成钢材等。而冷变形加工多用于截面尺寸较小，要求表面粗糙度值低的零件和坯料。冷加工与热加工组织的变化冷加工热加工热变形加工在变形的同时伴随着动态再结晶，变形停止后在冷到室温过程中继续有再结晶发生。所以热变形加工基本没有加工硬化现象。热加工的优点：1.可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高；2.可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机械性能提高；3.可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变，形成流线组织，可提高零件使用寿命。（a）锻造变形；（b）切削加工