第3章_金属塑性变形

变形金属加热时组织和性能变化示意图
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§3 金属的回复和再结晶
一、回复---连接视频
塑性变形后的金属在低温加热时 ，发生回复过程（去应力退火）
回复温度 =（0.25 ~ 0.3 ）T0
由于加热温度不高，原子扩散能力不很大，只是晶粒内部位错、空 位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少，而晶粒仍保 持变形后的形态，变形金属的显微组织不发生明显的变化。此时材 料的强度和硬度只略有降低，塑性略有增高，但残余应力则大大降 低。 生产意义：利用回复过程消除变形金属残余内应力，保留加工硬化 效果---去应力退火。
竹节现象
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§1 金属的塑性变形
（1）晶界： ⅰ.滑移的主要障碍： 原子混乱排列区，较不规则缺陷、杂质集中。滑移不能从 一个晶粒直接延续到另一个晶粒中去。 ⅱ.协调变形： 晶界自身变形，以维持相邻晶粒变 形保持连续。 位错塞积----位错运动到晶界附近， 受到晶界阻碍而堆积起来。
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§1 金属的塑性变形
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§1 金属的塑性变形
1.2 多晶体的塑性变形
☆工程上使用的金属绝大部分是多晶体。多晶体中每个晶粒的 变形基本方式与单晶体相同。但由于多晶体材料中，各个晶粒 位向不同，且存在许多晶界，因此变形要复杂得多。
多晶体材料变形基本方式: 晶内变形：滑移、孪生 晶间变形：晶粒间的相对
转动和滑动
主要影响因素：晶界、晶粒大小和晶粒位向
☆ 塑性加工包括锻造、轧制、 挤压、拉拔、冲压等方法。 ☆ 金属在承受塑性加工时， 产生塑性变形，这对金属的组
织结构和性能会产生重要的影响。
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§1 金属的塑性变形
1.1 单晶体的塑性变形
☆塑性变形的实质 —— 原子移动到新的稳定位置 ☆单晶体的塑性变形的基本方式
☆滑移 ☆孪生
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§1 金属的塑性变形
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§1 金属的塑性变形
（3）晶粒位向 多晶体中每个晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移 方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向), 另一些晶 粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒 处于硬位向)。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。当位错 在晶界受阻逐渐堆积时，其它晶粒发生滑移。因此多晶体 变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。
引起零件加工过程变形、开裂，耐蚀性↓
（4）物理、化学性能变化 如使电阻增大, 耐腐蚀性降低。
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§3 金属的回复和再结晶
金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化。如果 对变形后的金属进行加热，金属的组织结构和性能又会发生 变化。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再 结晶和晶粒长大过程。
☆加工硬化消除 —— 强度、硬度大大↓ ，塑性、 韧性大大↑
☆内应力全部消失 ☆物理、化学性能基本 上恢复到变形以前的水平
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§3 金属的回复和再结晶
（2）再结晶温度：
变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围。一般所说 的再结晶温度指的是最低再结晶温度（T再），通常用经过大 变形量（70%以上）的冷塑性变形的金属，经1小时加热后能 完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度与该金属的 熔点有如下关系：
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§2 塑性变形对金属组织和性能的影响
一、塑性变形对金属组织结构的影响
（1）形成纤维组织
金属发生塑性变形后,晶粒沿形变方向被拉长或压扁。当变形
量很大时, 晶粒变成细条状(拉伸时), 金属中的夹杂物也被拉长,
形成纤维组织。
设计和制造零件时，应 使零件工作时的最大拉 应力方向与纤维方向重 合或纤维沿零件外形轮 廓连续分布。
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重点
※ 塑性变形对金属组织和性能的影响。 ※ 加工硬化、细晶强化的概念。 ※ 再结晶时金属组织和性能的变化。
难点
☆ 塑性变形的本质和滑移机理。
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§1 金属的塑性变形
☆ 金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通过塑性加 工的方法获得具有一定形状、尺寸和机械性能的型材、 板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。
（3）形变织构产生： 金属塑性变形到很大程度(70%以上)时, 由于晶粒发生转动, 使各晶粒的位向趋近于一致, 形成特殊的择 优取向, 这种有序化的结构叫做形变织构。 形变织构一般分两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方 向, 称为丝织构, 例如低碳钢经高度冷拔后, 其<100>平行于拔丝 方向; 另一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向, 称为 板织构, 低碳钢的板织构为{001}<110>。
滑移系越多材料的塑性愈好，尤其是滑移方向的作用更明显！
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§1 金属的塑性变形
⑵滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动。是 在切应力的作用下通过位错的运动来实现的。 ⑶滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的 距离为原子间距的整数倍。 ⑷滑移的同时必然伴随有晶体的转动，转动的结果，使滑移 面趋向与拉伸轴平行。
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第三章 金属的塑性变形 与再结晶
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章节内容
§1 金属的塑性变形 §2 塑性变形对金属组织和性能的影响 §3 金属的回复和再结晶 §4 金属的热加工
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§3 金属的回复和再结晶
二、再结晶 ---连接视频
变形后的金属在较高温度加 热时，由于原子扩散能力增大， 被拉长（或压扁）、破碎的晶粒 通过重新生核、长大变成新的均 匀、细小的等轴晶。这个过程称 为再结晶。
§3 金属的回复和再结晶
（1） 再结晶过程及其 对金属组织、性能的影响
☆再结晶生成的新的晶 粒的晶格类型与变形前、变 形后的晶格类型均一样。
因形变织构造成 深冲制品的制耳示意图
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§2 塑性变形对金属组织和性能的影响
（3）产生残余内应力
残余内应力 σ内 ：外力去除后残留于且金属内部的应力。 种类： 宏观内应力；微观内应力；晶格畸变内应力
a. 宏观σ内, 金属各部位变形不均匀所造成的。 b. 微观 σ内 , 晶粒之间或晶内各部分变形不均允引起的σ内。 c. 晶格畸变σ内, 晶体缺陷引起的。 残余内应力的危害：
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§1 金属的塑性变形
（2）晶粒大小
细晶强化：晶粒细化→强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度 晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大 晶粒小→单位体积晶粒多→变形分散→相邻晶粒不同滑移系相互协调 晶粒小→晶界多→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形
（Hall-Petch）关系式：
因此，细晶强化是金属的一种很 重要的强韧化手段。
晶体在切应力作用下的变形情况
理论滑移力与实际滑移力（Cu） ❖ 理＝6400N/mm2 ❖ 实＝ 1.0N/mm2
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§1 金属的塑性变形
滑移的实现 —— 借助于位错运动
位错的观察
连接视频
滑移的结果会在晶体的表面留下滑移痕迹，称为滑移带。
§1 金属的塑性变形
W 球内部W 颗粒上的滑移带形貌
§1 金属的塑性变形
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§1 金属的塑性变形
1.3 合金的塑性变形
合金的组成相为固溶体时，溶质原子会造成晶格畸变，增加 滑移抗力，产生固溶强化。 溶质原子还常常分布在位错附近，降低了位错附近的晶格畸 变，使位错易动性减小，形变抗力增加，强度升高。
固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相。
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§1 金属的塑性变形
T再 = （0.35~0.4）T熔点（K）
§3 金属的回复和再结晶
最低再结晶温度与下列因素有关： ①预先变形度：预先变形度越大，金属的晶体缺陷就越多， 组织越不稳定，最低再结晶温度也就越低。
②金属的熔点：熔点越高，最低再结晶温度也就越高。
最低再结晶温度 TR 纯金属 TR =（0.4 ~ 0.35）T0 合金 TR =（0.5 ~ 0.7）T0
一、滑移
☆滑移：是晶体在切应力的作用下, 晶体的一部分沿一定的晶面 (滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动。
☆ 任何应力都可以分解为： ➢ 一个正应力(σ ) ➢ 一个切应力(τ)
☆ 正应力------伸长、断裂 ☆ 切应力------滑移变形
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§1 金属的塑性变形
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§1 金属的塑性变形
☆ 滑移是切应力作用下位错运动的结果：当位错运动时，只 是位错线附近的少数原子做小于一个原子间距的位移，故所 需外力很小。当一个位错线移出晶体，就在晶体表面产生了 一个原子间距的滑移台阶，当大量位错线移出晶体时，就产 生了宏观的塑性变形。
§1 金属的塑性变形
滑移变形具有以下特点：
⑴滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最 大的晶向（密排方向）进行。（距离最大）
④加热速度和保温时间：再结晶是一个扩散过程，需要一 定时间才能完成。提高加热速度会使再结晶在较高温度下 发生，而保温时间越长，再结晶温度越低。
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§3 金属的回复和再结晶
（3） 再结晶后晶粒的晶粒度
晶粒大小影响金属的强度、塑性和韧性, 因此生产上非常 重视控制再结晶后的晶粒度, 特别是对那些无相变的钢和 合金。
形变织构示意图
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§2 塑性变形对金属组织和性能的影响
二、塑性变形对金属性能的影响 （1）加工硬化(work hardening ): 金属发生塑性变形,随着变形量的增加，金属的强度、硬度升 高，塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化，也称形变强化。
原因： 塑性变形 → 位错密度增加（106 → 1011~12），相互缠结(亚晶 界)，运动阻力加大 → 变形抗力↑；晶粒破碎细化，强度提高。
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§2 塑性变形对金属组织和性能的影响
加工硬化的实际意义：
1、强化金属：例如：不锈钢、黄铜 1Cr18Ni9Ti：未变形加工：σb=540MPa，δ=35%
变形加工：σb=1000MPa，δ=13% 剧烈变形加工：σb=1100MPa，δ=8% 2、促使制品成型：加工硬化使材料变形均匀。
3、提高零件使用安全性。 4、造成继续变形的困难。
合金的组织由固溶体和弥散分布的金属化合物（称第二相） 组成时，第二相硬质点成为位错移动的障碍物。在外力作用 下，位错线遇到第二相质点时发生弯曲，在第二相质点周围 留下一个位错环，位错通过。 第二相硬质点的存在增加了位错移动的阻力，使滑移抗力增 加，从而提高了合金的强度。这种强化方式叫第二相强化， 也叫弥散强化。
细晶粒
温度高、时间长 （降低缺陷）
粗晶粒
影响再结晶退火后晶粒度的主要因素是： 加热温度和预先变形度
变形前后晶粒形状变化示意图
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§2 塑性变形对金属组织和性能的影响
（2）亚结构形成 ，金属经大的塑性变形时, 由于位错的密度 增大和发生交互作用, 大量位错堆积在局部地区, 并相互缠结, 形成不均匀的分布, 使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块, 而在晶粒内产生亚晶粒。
金属经变形后的亚结构
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§2 塑性变形对金属组织和性能的影响
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§1 金属的塑性变形
二、孪生
☆孪生：是在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部 分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变， 产生塑性变形。
孪晶中的晶格位向变化
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§1 金属的塑性变形
孪生与滑移的区别是： 1）临界分切应力>>滑移分切应力 2）孪生通过晶格切变使晶格位向改变，发生切 变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶带或孪晶。 3）孪晶中每层原子沿孪生方向的相对位移距离 是原子间距的分数，而滑移时滑移面两侧晶体的相 对位移是原子间距的整数倍。 4) 变形速度极快，接近于声速。
§2 塑性变形对金属组织和性能的影响
（2）产生各向异性 ： 由于纤维组织和形变织构的形成, 使金属的性能产生各向异性。 如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的。用有织构的 板材冲制筒形零件时, 即由于在不同方向上塑性差别很大, 零件 的边缘出现“制耳”。
在某些情况下, 织构的各向异性也有 好处。制造变压器铁芯的硅钢片, 因 沿[100]方向最易磁化, 采用这种织构 可使铁损大大减小, 因而变压器的效 率大大提高。
金属 Fe Cu Al
T熔(℃ ) T再(℃ )
15wenku.baidu.com8
450
1083
269
660
100
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§3 金属的回复和再结晶
③杂质和合金元素：由于杂质和合金元素特别是高熔点元 素，阻碍原子扩散和晶界迁移，可显著提高最低再结晶温 度。如高纯度铝（99.999%）的最低再结晶温度为80℃ ， 而工业纯铝（99.0%）的最低再结晶温度提高到290℃ 。