第五章 金属的塑性变形与再结晶

1第五章金属的塑性变形与再结晶PlasticdeformationandRecrystallization压力加工：塑性变形过程不可恢复的变形，如把钢锭锻造、挤压、扎制、拉拔成各种型钢，钢板、钢管、钢丝或其他零件等。压力加工的目的：1)使钢材或零件获得规定的形状和尺寸。2）改变钢的组织和性能。2一、金属单晶体的塑性变形3塑性变形的基本方式：滑移滑移变形的特点：（1）滑移在切应力作用下产生（2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生（3）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍（4）滑移的同时伴随着晶体的转动41.单晶体拉伸时的塑性变形：5滑移带和滑移线的示意图：62.滑移的机理：刚性滑动：7刃型位错移动产生滑移：89高温合金中位错线的TEM照片：10二、金属多晶体的塑性变形与单晶体比较并无本质上的区别，即每个晶粒的塑性变形仍然以滑移等方式进行。多晶体与单晶体的结构差异：晶界、每个晶粒中晶格位向不同。11（1）晶界和晶粒位向对滑移的影响晶界是相邻晶粒的过渡区;原子排列比较紊乱;常常有杂质集中于此，位错运动→位错的塞积→使变形难以继续进行，必须增加外力，导致塑性变形抗力提高。12各个晶粒的位向不同，导致：在外力作用下，存在：软位向晶粒硬位向晶粒。软位向晶粒的滑移，必然受到周围的硬位向晶粒的约束，造成变形不协调。晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。13（2）细晶强化多晶体金属中存在的晶界和晶粒间的位向差，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。晶粒越细小，晶界越多，晶粒间相互约束也越大，其强度和硬度就越高。金属的晶粒细化，不仅可以提高强度，而且可以改善其塑性和韧性。这是因为晶粒越细，单位体积内晶粒的数目越多，在同样的变形量下同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，而不易造成局部应力集中，推迟了裂纹的形成和发展。因而断裂前可以承受较大的塑性变形量，并且具有较高的抗冲击载荷的能力，这使得金属的塑性和韧性都有所提高。通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法叫做细晶强化。14三合金的塑性变形与强化合金中存在晶格畸变，使其性能显著变化。根据合金的组织可将其分为单相固溶体和多相混合物两大类。在这两种不同情况下，合金元素对塑性变形的影响也不相同。15（1）单相固溶体的塑性变形与固溶强化单相固溶体合金的组织与纯金属比较相似，所以其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。固溶体中的溶质原子，使其塑性变形抗力增加，强度和硬度提高，而塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的一个重要途径，如在碳钢中加入能溶入铁素体的Mn、Si等合金元素，即可使其机械性能明显提高。16固溶强化的主要原因：一是溶质原子的溶入使固溶体的晶格发生畸变，对在滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是在位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用，使运动位错受阻，因而提高了固溶体的变形抗力。17（2）多相合金的塑性变形与弥散强化多相合金也是多晶体。它们的差别在于：多相合金中有些晶粒是另一相，有些界面是相界面。多相合金的塑性变形除与固溶体基体密切相关以外，还与第二相的性质、形状、大小、数量及分布状况等有关，在塑性变形时甚至起着决定性的作用。18当第二相在晶界上呈网状分布时，对强度和塑性都不利；在晶内呈片状和层状分布时，可提高强度和硬度，但会降低塑性和韧性镁合金中的网状共晶体T8中的珠光体19在晶内呈弥散质点分布时，虽塑性、韧性稍会降低，但可显著提高强度和硬度，而且质点越细、越多，合金的强度、硬度越高。这种合金强化方法称为弥散强化或沉淀强化，它也是合金的主要强化方法之一。20四塑性变形对组织和性能的影响1．塑性变形对金属显微组织的影响外形发生变化21内部的晶粒形状被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长成纤维状，晶界变得模糊不清。此时，金属的性能将会有明显的各向异性，如纵向的性能明显优于横向。22使晶粒内部的亚结构发生变化，使晶粒破碎成亚晶粒。这是因为塑性变形会促使晶体内部的位错发生增殖和缠结，进而使各晶粒破碎成细碎的亚晶粒。232．形变织构的产生当金属的变形量很大时，由于晶体的转动，使多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而彼此趋于一致。这种由于塑性变形的结果而使晶粒具有择优取向的组织叫做“形变织构”。24当出现织构以后，多晶体金属就表现出一定程度的各向异性，这对材料的性能和加工工艺有很大的影响。例如当用有织构的板材冲压杯状的薄壁零件时，容易产生所谓的“制耳”现象，使边缘不齐，厚薄不均。但织构有时也有有利的一面，比如用有织构的硅钢片制作变压器铁芯具有更高的导磁率。253．塑性变形对金属性能的影响在塑性变形的过程中，随着金属内部组织的变化，金属的性能也将产生变化。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这一现象称为“加工硬化”或“形变强化”。一般认为产生加工硬化的原因是晶体内部位错的增殖，造成位错间相互缠结，使位错运动困难，从而提高了强度。26加工硬化使金属继续变形更加困难，常常造成生产中生产工序的增加和能耗的提高，对材料的加工是不利的。但加工硬化促使金属塑性变形更加均匀，还可提高金属的强度，所以加工硬化也是金属强化的重要手段之一。塑性变形还会使金属的电阻增大，耐蚀性能下降。274．残余内应力金属在塑性变形时，外力所作的功大部分转化为热能，但尚有小部分（约10%）保留在金属内部，形成残余内应力。内应力分为三类：第一类内应力又叫宏观内应力，是由于金属表层与心部变形不一致造成的，所以存在于表层与心部之间；第二类内应力又叫微观内应力，是由于晶粒之间变形不均匀造成的，所以存在于晶粒与晶粒之间；第三类内应力又叫点阵畸变，是由于晶体缺陷增加引起点阵畸变增大而造成的内应力，所以存在于晶体缺陷中。28第三类内应力是变形金属中的主要内应力（占90%以上），因而是金属强化的主要原因。而第一、第二类内应力都使金属的强度降低。残余内应力还会使金属耐蚀性下降，引起加工、淬火过程中零件的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低残余内应力。29五变形金属在加热过程中组织和性能的变化目的：消除残余应力或恢复其某些性能（如提高塑性、韧性，降低硬度等）。过程：依次发生回复、再结晶和晶粒长大。本质：加热导致原子扩散。30311．回复冷变形金属加热时，在光学显微组织发生改变前（即再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。宏观层面：显微组织无变化，机械性能无明显变化，但内应力显著降低。微观层面：点缺陷及位错的近距离迁移，引起的晶内某些变化。32回复的机理：加热温度不太高，原子扩散能力较低，原子只能作短距离扩散，使某些晶体缺陷相互抵消，导致缺陷数量减少，晶格畸变程度减轻。如空位与其它缺陷（如间隙原子）合并，同一滑移面上的异号位错的相互抵消，这些结构的变化导致了内应力的降低。回复的应用：在较低温度下加热，使加工硬化金属的内应力基本消除，同时又保持其机械性能。这叫做去应力退火。如冷拔钢丝，在250℃～300℃低温加热，以消除内应力使其定型。332．再结晶冷变形金属在一定温度保温后，变形组织中重新产生无畸变的新晶粒，性能也发生明显变化，并完全软化，这个过程称为再结晶。再结晶的驱动力是冷变形所产生的储存能，随着储存能的释放，应变能也逐渐降低。新的无畸变等轴晶粒的形成及长大，使之在热力学上变得更加稳定。34再结晶的过程也是一个形核和长大的过程，它是以破碎晶粒中无畸变的小晶块为核心并进行长大的。不是相变过程。再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同，不同的只是再结晶后因塑性变形而造成的各种晶体缺陷减少了，内应力消失。35再结晶温度：没有恒定的转变温度，而是自某一温度开始，随着温度的升高而进行的过程。通常的再结晶温度是指再结晶开始温度，也就是能够进行再结晶的最低温度。一般定义：经过严重冷变形（变形度在70%以上）的金属，保温一小时能够完成再结晶（95%转变量）的温度。与熔点之间存在：T再≈0.4T熔36再结晶的应用：再结晶退火：把冷变形金属加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶的处理过程。生产中，采用再结晶退火来消除经冷变形加工产品的加工硬化和各向异性，提高其塑性。在冷变形加工过程中间，进行再结晶退火，可恢复塑性，便于继续加工。373．晶粒长大冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小均匀的等轴晶粒，如果再结晶后不控制其加热温度或时间，继续升温或保温，晶粒之间便会相互吞并而长大，这一阶段称为晶粒长大。晶粒长大是自发过程。晶粒长大分为两种：正常长大；反常长大或二次再结晶。38394．影响再结晶后晶粒度的因素影响再结晶后晶粒度的因素很多，最主要的是退火温度、保温时间和预先变形程度。（1）加热温度与保温时间的影响再结晶加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越大，其中加热温度的影响尤为显著。T再加热温度图5-5加热温度对晶粒度的影响晶粒大小40（2）预先变形程度的影响预先变形程度的影响实质：变形均匀程度的影响。当变形程度很小时，由于金属的畸变能也很小，不足以引起再结晶，因而晶粒仍保持原来的形状。临界变形度：得到特别粗大晶粒的变形度。晶粒大小临界变形度预先变形程度图5-6预先变形程度对晶粒度的影响41六、金属的热加工1．热加工与冷加工的区别生产上：热加工通常是指将金属材料加热至高温进行锻造、热轧等的压力加工过程。学术上：热加工是指在再结晶温度以上的加工过程；在再结晶温度以下的加工过程称为冷加工。例如铅的再结晶温度低于室温，因此在室温下对铅进行塑性加工属于热加工。而钨的再结晶温度约为1200℃，所以即使在1000℃拉制钨丝也属于冷加工。42动态再结晶：热加工是在高于再结晶温度以上的塑性变形过程，因塑性变形引起的硬化过程和回复再结晶引起的软化过程同时存在。由此，在热加工过程中，金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程，塑性变形所产生的加工硬化将很快被再结晶产生的软化所抵消。432．热加工对金属组织和性能的影响（1）改善铸锭组织使铸态组织缺陷得到改善。使气泡、疏松大部分得到焊合，材料的致密度增大，改善夹杂物与脆性相的形态、大小及分布；可以部分地消除枝晶偏析；还可将粗大的柱状晶和树枝晶砸碎而成细小均匀的晶粒。4450m45（2）热加工流线在热加工过程中，铸锭中的粗大枝晶和各种夹杂物都要沿变形方向伸长，这样就使枝晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向逐渐与变形方向一致。脆性夹杂物破碎成链状，塑性夹杂物变成条带状、线状或片层状，宏观上，存在着沿变形方向的一条条细线，这就是热加工中的流线。由一条条流线沟划出来的组织，叫做纤维组织。46纤维组织对性能的影响：使金属的性能呈现各向异性。顺纤维方向具有较高的机械性能，而垂直于流线方向的性能则较低，特别是塑性和韧性表现得更加明显。在制定热加工工艺时，应尽量使流线与工件所受的最大拉应力方向一致，而与外剪切应力或冲击应力的方向垂直。（a）（b）图5-7曲轴中的流线分布（a）锻造变形；（b）切削加工。47（3）带状组织复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布，这种组织称为带状组织。带状组织不仅降低金属的强度，而且还降低塑性和冲击韧性，对性能极为不利。图5-8低碳钢中的带状组织48思考题能否用冷拉钢丝对刚出炉的高温工件进行吊装，为什么？