塑性变形知识点总结

塑性变形（3）

1.冷变形金属在退火过程中显微组织的变化：

在回复阶段，由于不发生大角度晶界的迁移，所以晶粒的形状和大小与变形态的相同，仍保持着纤维状或扁平状,从光学显微组织上几乎看不出变化。

在再结晶阶段，首先是在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心,然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。

最后，在晶界表面能的驱动下,新晶粒互相吞食而长大，从而得到一个在该条件下较为稳定的尺寸,这称为晶粒长大阶段。

2.回复：是指冷变形后金属在加热温度较低时，原子活动能力不在,金属中的一些点缺陷和位错的迁移，使得晶格畸变逐渐减少，内应力逐渐降低的过程。

回复的驱动力：弹性畸变能

（特征：1.金属的晶粒大小和形状尚无明显的变化，因而其强度，硬度和塑性等机械性能变化不大；2.内应力及电阻率等物理性能显著不为降低。（宏观内应力））

3.回复机制：

a.低温回复：回复主要与点缺陷的迁移有关。

b.中温回复：温度稍高时，会发生位错运动和重新分布。机制主要与位错滑移和位错密度降低有关。

c.高温回复（～0.3Tm）,刃型位错可获得足够能量产生攀移，位错密度下降，位错重排成较稳定的组态----亚晶结构。

4.再结晶：将冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状况，这个过程称之为再结晶。

再结晶的驱动力：是变形金属经回复后未被释放的储存能（相当于变形总储能的90%）

5.储存能：塑性变形中外力所作的功除去大部分转化为热之外，还有一小部分以畸变能的形式储存在形变材料内部，这部分能量叫做储存能。

6．残余应力：一种内应力。它在工件中处于自相平衡状态，其产生是由于工件

内部各区域变形不均匀性，以及相互间的牵制作用所致。

7.再结晶温度：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度。

》》通常，把对应于再结晶后得到特别粗大晶粒的变形程度称为“临界变形度”,一般金属的临界变形度约为2%~10%。

影响因素：①变形程度↑↓；②原始晶粒尺寸 d↓↓；③微量溶质原子存在↑；

④再结晶退火工艺参数（参考书本）

再结晶后晶粒大小：

a.变形度（存在临界变形度）：当变形程度很小时,晶粒尺寸即为原始晶粒的尺寸,这是因为变形量过小，造成的储存能不足以驱动再结晶,所以晶粒大小没有变化。当变形程度增大到一定数值后，此时的畸变能已足以引起再结晶,但由于变形程度不大,N/G比值很小，因此得到特别粗大的晶粒。当变形量大于临界变形量之后，驱动形核与长大的储存能不断增大，而且形核率N增大较快,使N/G 变大，因此，再结晶后晶粒细化，且变形度越大,晶粒越细化。；

b.退火温度，影响较弱

》》用一冷拉钢丝吊装大型工件入炉，并随工件一起加热到..℃，加热完毕，当吊出工件时钢丝绳发生断裂，试分析原因。

答：冷拉钢丝绳的加工过程是冷加工过程。由于加工硬化，使钢丝的强度、硬度升高，故承载能力提高；当被加热时，若温度超过了它的再结晶温度，会使钢丝绳产生再结晶，造成强度和硬度降低，一旦外载超过其承载能力，就会发生断裂。

》》金属铸件能否通过再结晶退火来细化晶粒？

答：再结晶退火必须用于经冷塑性变形加工的材料，其目的是改善冷变形后材料的组织和性能。再结晶退火的温度较低，一般都在临界点以下；若对铸件采用再结晶退火，其组织不会发生相变，也没有形成新晶核的驱动力（如冷变形储存能等），所以不会形成新晶核，也就不能细化晶粒。

》》固态下无相变的金属及合金，如不重熔，能否改变其其晶粒大小？用什么方法可以改变？

答：能。可经过冷变形而后进行再结晶退火的方法。

》》说明金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段晶体缺陷的行为与表现，

并说明各阶段促使这些晶体缺陷运动的驱动力是什么？

》》为了细化某纯铝件晶粒，将其冷变形 5%后于 650℃退火 1h,组织反而粗化，增大变形量至 80%再于 650℃退火1h,仍然得到粗大晶粒。试分析其原因，指出上述工艺不合理处，并制定一种合理的晶粒细化工艺。

答：前一种工艺，由于铝件变形处于临界变形度下，故退火时可形成个别再结晶核心，最终晶粒极为粗大；而后种工艺，是由于进行再结晶退火时的温度选择不合理（温度过高），若按 T 再≈0.4T 熔估算，则 T 熔=100℃, 故再结晶温度不超过 200℃为宜，由于 650℃退火 1h，故晶粒仍然粗大。

综上分析，在 80%变形量条件下，采用 150℃退火 1h，则可使其晶粒细化。》》试比较去应力退火过程和动态回复过程位错运动有何不同，从显微组织上如何区分动、静态回复和动、静态再结晶？

答：去应力退火过程中、位错通过攀移和滑移重新排列，从高能态转变为低能区态、动态回复过程中则是通过螺位错的交滑移和刃位错的攀移，使异号位错相互抵消，保持位错增殖率与位错消失率之间的动态平衡。

从显微组织上观察，静态回复时可见到清晰的亚晶界，静态再结晶时形成等轴晶粒，而动态回复时形成胞状亚结构，动态再结晶时等轴晶中又形成位错缠结胞，比静态再结晶晶粒要细。

》》某低碳钢零件要求各向同性，但在热加工后形成比较明显的带状组织。请提

出几种具体方法来减轻或消除在热加工形成带状组织的因素。

答：一是不在两相区变形；二是减少夹杂元素含量；三是采用高温扩散退火，消除元素偏析。对已出现带状组织的材料，在单相区加热，正火处理，则可予以消除或改善。

8.二次再结晶：再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现象。

9.再结晶退火：所谓再结晶退火工艺，一般是指将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保温一段时间后，缓慢冷却至室温的过程。

10、冷加工、热加工：工程上常将再结晶温度以上的加工称为“热加工”，而把再结晶温度以下而不加热的加工称“冷加工”，至于“温加工”则介于两者之间，其变形温度低于再结晶温度但高于室温。

》》为何金属材料冷热加工后机械性能（力学性能）较铸件状态为佳？

答：金属材料在热加工过程中经历了动态变形和动态回复及再结晶过程，柱状晶区和粗等轴晶区消失了，代之以较细小的等轴晶粒；原铸锭中许多分散缩孔、微裂纹等由于机械焊合作用而消失，显微偏析也由于压缩和扩散得到一定程度的减弱，故使材料的致密性和力学性能（特别是塑性、韧性）提高。

补充：加入弥散、颗粒状的第二相可以限制晶粒长大，由于晶粒细化将使材料性能大大下降而不易破断，从而有效地延长寿命。

〈判断题〉

1)采用适当的再结晶退火，可以细化金属铸件的晶粒。

不对。对于冷变形（较大变形量）后的金属，才能通过适当的再结晶退火细化晶粒。

2)动态再结晶仅发生在热变形状态，因此室温下变形的金属不会发生动态再结晶。

不对。有些金属的再结晶温度低于室温，因此在室温下的变形也是热变形，也会发生动态再结晶。

3)多边化使分散分布的位错集中在一起形成位错墙，因位错应力场的叠加，使点阵畸变增大。

不对。多边化过程中，空位浓度下降，位错重新排列组合，致使异号位错互相抵消，位错密度下降，使点阵畸变减轻

4)凡经过冷变形后再结晶退火的金属，晶粒都可得到细化。

不对。如果在临界变形度下变形的金属，再结晶退火后，晶粒反而粗化。

5)某铝合金在再结晶温度为 320℃，说明此合金在 320℃以下只能发生回复，而在 320℃以上一定发生再结晶。

不对。再结晶不是相变，因此，它可以在一个较宽的温度范围内变化。

6）20#钢的熔点比纯铁的低，故其再结晶温度也比纯铁的低。

不对。微量溶质原子的存在（20#钢中 wc=0.002）,会阻碍金属的再结晶，从而提高其再结晶温度。

7)回复、再结晶及晶粒长大三个过程均是形核及核长大的过程，其驱动力均为储存能。

不对。只有再结晶过程才是形核及核长大过程。其驱动力是储存能。

8）金属的变形量越大，越容易出现晶界弓出形核机制的再结晶方式。

不对。金属冷变形较小时，相邻晶粒中才易于出现变形不均匀的情况，即位错密度不同，越容易出现晶界弓出形核机制。

9）晶粒正常长大是大晶粒吞食小晶粒，反常长大是小晶粒吞食大晶粒。

不对。晶粒正常长大是在界面曲率作用下发生的均匀长大，反常长大才是大晶粒吞食小晶粒不均匀长大。

10）合金中的第二相粒子一般可阻碍再结晶，但促进晶粒长大。

不对。合金中的第二相粒子一般阻碍再结晶，也会阻止晶粒长大。

11）再结晶织构是再结晶过程中被保留下来的变形织构。

不对。再结晶织构是冷变形金属在再结晶（一次、二次）过程中形成的织构，它是形变织构的基础上形成的，有两种情况：一是保持原有形变织构；二是原有形变织构消失，而代之以新的再结晶织构。

12）当变形量较大，变形较均匀时，再结晶后晶粒易发生均匀长大，反之易发生反常长大。

不对，正常晶粒长大是在再结晶完成后继续加热或保温中，晶粒发生均匀长大的过程；而反常晶粒长大是在一定条件下（即再结晶后的晶粒稳定，存在少数有利于长大的晶粒和高温加热）。继晶粒正常长大后发生的晶粒不均匀长大过程。

13）再结晶是形核-长大过程，所以也是一个相变过程。

不对。再结晶虽然是形核－长大过程，但晶体点阵类型并未发生改变，故不是相变过程。

》》简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力，并如何区分冷、热加工？动态再结晶与静态再结晶后的组织结构的主要区别是什么？

答：一次再结晶的驱动力是基体的弹性畸变能，而二次再结晶的驱动力是来自界面能的降低。再结晶温度是区分冷热加工的分界线。动态再结晶后的组织结构虽然也是等轴晶粒，但晶界呈锯齿状，晶粒内包含着被位错缠结所分割的亚晶粒。这与静态再结晶后所产生的位错密度很低的晶粒不同，故同样晶粒大小的动态再结晶组织的强度和硬度要比静态再结晶的高。动态再结晶后的晶粒大小与流变应力成正比。此外，应变速率越低，形变温度越高则动态再结晶后的晶粒越大，而且越完整。

》》工业上纯铝在室温下经大变形量轧制成带材后，测得室温力学性能为冷加工态的性能。查表得知：工业纯铝的再结晶温度 T 再＝150℃，但若将上述工业纯铝薄带加热至 100℃，保温 16d 后冷却至室温再测其强度，发现强度明显降低，请解释其原因。

答：查表所得工业纯铝的再结晶温度 T 再＝150℃是指在 1h 退火完成再结晶的温度。实际上，除了退火温度外，保温时间也对再结晶过程产生影响。对经大冷变形后的金属材料，即使在 T＜T 再时进行退火，只需要保温时间足够，同样可发生再结晶过程。可用两种方法加以判断：①金相检验；②将已知的 T1，t1,t2,Q 代入公式,求得 T2，将其与 100℃比较，即可得知是否发生再结晶。》》试分析二次再结晶过程对材料性能有何影响？工艺上如何防止或延缓二次再结晶的发生？

答：二次再结晶出现后，由于个别晶粒异常长大，使气孔不能排除，坯体不再致密，加之大晶粒上有应力存在，使其内部易出现裂纹，继续烧结时坯体易膨胀而开裂，使烧结体内机械、电学性能下降。

工艺上常采用引入适当的添加剂，以减缓晶界的移动速度，使气孔及时沿晶界排除，从而防止或延缓二次再结晶的发生。

11.蠕变：在某温度下恒定应力（通常<σs）下所发生的缓慢而连续的塑性流变现象。

12. 超塑性：材料在一定条件下进行热变形，可获得伸长率达500% ～2000%的均匀塑性变形，且不发生缩颈现象，材料的这种特性称为超塑性。

为了使材料获得超塑性，通常应满足以下三个条件:

(1)具有等轴细小两相组织，晶粒直径<10um,而且在超塑性变形过程中晶粒不显著长大;

(2)超塑性形变在(O.5～0.65)T m温度范围内进行；

(3)低的应变速率ε，一般在10-2～10-4s-1范围内,以保证晶界扩散过程得以顺利进行。