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第六章金属的塑性变形和再结晶§6.1金属的变形特性§6.2单晶体的塑性变形§6.3多晶体的塑性变形§6.4冷变形金属的回复和再结晶第六章金属的塑性变形和再结晶学习要求：1.理解概念：形变强化，细晶强化，滑移，滑移系，滑移面，滑移方向，临界分切应力，取向因子，软位向，硬位向，孪生，纤维组织，形变织构，临界变形度，回复，再结晶，冷加工，热加工，超塑性2.掌握塑性变形的特点及对组织和性能的影响3.掌握冷变形金属在加热时组织和性能的变化拉拔示意图冲压示意图金属的变形特性应力应变曲线不同类型的工程应力-应变曲线单晶体的塑性变形滑移滑移系coscossk镁单晶体拉伸时的屈服极限与晶体取向的关系晶体在拉伸时的转动在拉伸时金属晶体发生转动的机制示意图晶体压缩时的晶面转动铝晶体中的滑移带面心立方单晶体的切应力-应变曲线铝晶体中的交滑移晶体通过刃型位错移动造成滑移的示意图刃型位错的滑移低碳钢中的形变亚结构30%50%70%弗兰克-瑞德位错源两个相互垂直的刃型位错的交割位错的平面塞积高温合金中的位错塞积锌中的变形孪晶面心立方晶体的孪生变形过程示意图多晶体的塑性变形不同时性不均匀性协调性只有处在有利位向（取向因子最大）的晶粒的滑移系才能首先开动每个晶粒的变形量各不相同，而且由于晶界的强度高于晶内，使得每一个晶粒内部的变形也是不均匀的。多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互协调性。根据理论推算，每个晶粒至少需要有五个独立滑移系。多晶体的塑性变形不均匀性铜的单晶体与多晶体的应力-应变曲线低碳钢的屈服强度与晶粒大小的关系21Kdos铜和铝的屈服强度与其亚晶尺寸的关系溶质原子在位错附近的分布珠光体中渗碳体片的变形位错绕过第二相粒子示意图铬中位错线绕过第二相粒子位错切过第二相粒子示意图位错切过第二相粒子示意图塑性变形对金属组织与性能的影响形成纤维组织。纤维的分布方向，即是金属变形时的伸展方向。低碳钢冷变形后的纤维组织30%50%70%低碳钢中的形变亚结构30%50%70%形成形变织构形成形变织构因变形织构所造成的“制耳”工业纯铜的变形度曲线45钢的变形度曲线形变金属与合金退火过程示意图冷塑性变形的金属在加热时,在光学显微组织发生改变前所产生的某些亚结构和性能的变化过程晶粒仍保持纤维状变形组织当冷变形金属的加热温度高于回复温度时,在变形组织的基体上产生新的无畸变的晶核,并迅速长大形成等轴晶粒,逐步取代全部变形组织的过程冷变形金属再结晶刚完成时得到的细小等轴晶粒,在继续提高加热温度或延长保温时间,将引起晶粒进一步长大显微组织的变化1-纯金属2-不纯金属3-合金储存能的存在,使塑性变形后的金属材料的自由能升高,使其在热力学上处于不稳定状态储存能与内应力的变化形变金属与合金在退火过程中机械性能的的变化示意图机械性能的变化其它性能的变化退火温度和时间对回复过程的影响温度越高，恢复的程度越大；当温度一定时，回复的程度随时间的延长而逐渐增加。在每一温度，都有一极限值，超过则无意义在生产中对冷加工的零件，为了保持加工硬化状态，降低内应力，以减轻变形和翘曲，通常采用去应力退火即回复退火。回复亚结构的变化位错从高能态的混乱排列向低能态的规则排列移动回复机理点缺陷和位错在加热时发生运动位错运动--多边形化攀移：位错沿垂直于滑移面的方向移动使位错线脱离了原来的滑移面回复机理回复机理回复后的显微组织和性能亚结构变化金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大内应力及电阻率等理化性能降低金属的晶粒大小和形状不发生明显的变化（1）深冲成型黄铜弹壳—晶间开裂（2）冷拉钢丝卷制弹簧---变形（3）铸件和焊接件（4）机床丝杠回复退火/去应力退火的应用再结晶再结晶驱动力:储存能2）晶界突出形核机制1）亚晶形核机制亚晶界移动形核亚晶合并形核再结晶晶核的形成与长大（1）形核又称晶界弓出形核在能量较高的区域优先形核在这一阶段开始在变形组织的基体上产生新的无畸变的晶核，并迅速长大形成等轴晶粒，逐渐取代全部变形组织。实验观察表明，金属的再结晶过程是通过形核和长大方式完成的。但没有形成新相，这点与结晶不同，它不是相变过程。再结晶过程也不是一个恒温过程，而是自某一温度开始，随着温度的升高和保温时间的延长而逐渐形核、长大的连续过程。---与重结晶不同，没有成分和晶体结构变化（2）长大当再结晶晶核形成后，它就可以自发、稳定地生长。直到变形晶粒完全消失而全部被新生的、无畸变的再结晶晶粒所代替时，再结晶过程即告结束。T再（K）=(0.35~0.4)T熔（K）再结晶温度是指冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。通常定义为变形量很大(≥70%)的金属在1h的保温过程中，能够完成再结晶的最低温度。T（K）=T（℃）+273影响再结晶温度的因素1）变形度2）金属的纯度再结晶晶粒大小的控制1）冷变形程度临界变形度：当变形量达到某一数值时（一般金属在2～10%范围），再结晶的晶粒特别粗大，这样的变形度称为临界变形度。d=K（G/N）1/4二次再结晶冷变形程度对再结晶晶粒大小的影响2）原始晶粒尺寸原始晶粒越细，再结晶晶粒越细5）退火温度再结晶晶粒大小的控制保温时间对再结晶晶粒大小的影响3）杂质与合金元素退火温度越高，再结晶晶粒越粗4）变形温度5）退火温度杂质与合金元素，细化晶粒变形温度越高，再结晶晶粒越粗再结晶晶粒大小的控制1）冷变形程度变形度越大，晶粒越细小2）原始晶粒尺寸原始晶粒越细，再结晶晶粒越细目的：为了消除冷变形金属的加工硬化现象。通常退火温度要比其最低再结晶温度高出100～200℃再结晶退火：将冷变形金属加热到规定温度，并保温一定时间，然后缓慢冷却到室温的一种热处理工艺。再结晶全图强度、硬度显著下降，塑性、韧性重新提高，微观内应力完全消除。加工硬化状态消除，金属又基本上恢复到冷变形之前的性能。再结晶退火后材料的性能（但应注意的是，在进行再结晶退火时，必须正确掌握加热温度，否则一旦温度过高，反而会引起晶粒的进一步长大，使金属的塑性、韧性重新降低。）冷变形金属在再结晶刚完成时，一般得到细小的等轴晶粒组织。如果继续提高加热温度或延长保温时间，将引起晶粒进一步长大(图)，它能减少晶界的总面积，从而降低总的界面能，使组织变得更稳定。它是个自发过程。晶粒长大驱动力：晶粒长大前后总的界面能差晶界的迁移总是指向晶界的曲率中心方向晶粒长大晶粒长大三个晶粒的晶界的交角都趋向于120°晶粒长大晶粒长大晶粒反常长大某些冷变形金属在较高温度下退火时，会出现反常的晶粒长大现象。这个过程称为二次再结晶。晶粒长大对冷变形的金属进行焊接时，也会发生类似问题。邻近焊缝的金属被加热到高于再结晶和晶粒长大的温度，这一区域称为热影响区，其强度有所下降(图)。因此，对冷变形的金属进行焊接时，为保持其性能，金属经受高温的时间要尽可能地短，可采用电子束焊、激光焊等。金属的热加工热加工与冷加工将再结晶温度以下进行的压力加工称为冷加工。在工业生产中，热加工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，是利用塑性变形的方法使金属成形并改性的工艺方法。从金属学的角度，将再结晶温度以上进行的压力加工称为热加工；金属的热加工热加工特点在热加工过程中，金属同时进行着两个过程：形变强化和再结晶软化。塑性变形使金属产生形变强化，而同时发生的再结晶(称为动态再结晶)过程又将形变强化现象予以消除。因此，热加工时一般不产生明显加工硬化现象。热加工对金属组织与性能的影响(1)改善铸态组织缺陷，1）提高金属致密度2）细化晶粒3）打碎粗大组织，并均匀分布4）消除偏析提高材料性能在热加工过程中铸态金属的偏析、夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变形方向延展，在宏观工件上勾画出一个个线条，这种组织也称为纤维组织。---------流线45钢力学性能与流线方向的关系(2)出现纤维组织，顺着纤维方向强度高，而在垂直于纤维的方向上强度较低。材料各向异性在制订热加工工艺时，要尽可能使纤维流线方向与零件工作时所受的最大拉应力的方向一致，尽量使流线分布形态与零件的几何外形相一致，并在零件内部封闭。σb/MPaσs/MPaδ/%Ψ%Ak/J纵向70046017.562.854.7横向65843110.031.026.5图拖钩的显微组织(a)模锻钩(b)切削加工钩(3)形成带状组织，消除：正火或高温扩散退火横向的塑性和韧性明显降低，切削性能恶化性能明显降低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(4)晶粒大小变化，正确制定工艺，细化晶粒，提高性能变形量越大，晶粒越细，但避免临界变形度范围，且变形均匀变形量：热加工温度：变形量较大，变形温度过高，易引起二次再结晶终锻温度：终锻温度过高，晶粒粗大；终锻温度过低，造成加工硬化和残余应力(1)合金具有非常细小的等轴晶粒的两相组织(晶粒的平均直径通常小于10μm)。(2)变形温度通常接近于该合金绝对熔点温度的0.5至0.65倍。(3)通常需要较低的应变速度率。超塑性有些合金(如Ti-6Al-4V和Zn-23Al等)经过特殊的热处理和加工后，在外力作用下可能产生异乎寻常的均匀变形(其延伸率高达1000%)，这种行为称为超塑性。超塑性超塑性我们学校电机楼门前的大球§6.7超塑性(1)合金具有非常细小的等轴晶粒的两相组织(晶粒的平均直径通常小于10μm)。(2)变形温度通常接近于该合金绝对熔点温度的0.5至0.65倍。(3)通常需要较低的应变速度率。§6.8粉末成型作业P175：6、9、11、12、13、14、16、18、19