《金属材料》教案-第三章-金属的塑性变形与再结晶知识讲解

《金属材料》教案-第三章-金属的塑性变形与再结晶程，不防先看一下单晶体是怎样发生塑性变形的。

一、单晶体的滑移变形金属单晶体的塑性变形有“滑移”与“孪生”等不同方式，但一般大多数情况下都是以滑移方式进行的。

下面我们具体看一下单晶体塑性变形的基本方式——滑移。

1.滑移的表象发生了滑移的金属试样从表面上看是什么样？图3-1 滑移如果将一个单晶体金属试样表面抛光后，经过伸长变形，再在光学显微镜下观察，可以看到试样表面出现许多条纹，这些条纹就是晶体在切应力的作用下，一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）滑移产生的台阶，这些条纹称为“滑移线”，在更高倍的电子显微镜下观察，一个滑移台阶实际上是一束滑移线群的集合体，称为“滑移带”。

同时还能看到滑移带在晶体上的分布是不均匀的,如图3-1所示。

所以说，单晶体变形时，滑移只在晶体内有限的晶面上进行，是不均匀的。

因此单晶体金属的塑性变形在表面上看出现了一系列的滑移带，其塑性变形就是众多大小不同的滑移带的综合效果在宏观上的体现。

2.滑移的机理前面分析已经知道，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，如图3-2所示。

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。

图3-2 滑移机理示意图3.晶体的滑移面、滑移方向及滑移系 前面的分析知道，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12，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。

每种晶体中都有不止一个的滑移系，受力以后哪个滑移系先滑动呢？研究表明，只有与外力接近45°取向的滑移系，才具有较大的切应力，这样的滑移系在外力作用下易于优先产生滑移，通常把这种处于有利的滑移位向称为“软取向”，反之，远离45°的滑移系称为“硬取向”。

4.晶体在滑移过程中的转动可见在滑移过程中，由于晶体的转动，晶体的位向会发生变化，原来处于软取向滑移系，逐渐转向硬取向，使滑移困难，这种现象“取向硬化”，相反，原单晶体试样在拉伸实验时（如图3-3），除了沿滑移面产生滑移外，晶体还会产生转动。

因为晶体在拉伸过程，当滑移面上、下两部分发生微小滑移时，试样两端的拉力不再处于同一直线来的硬向的滑移系，将逐步趋于软位向，易于滑移，称为“取向软化”。

可见在滑移过程中“取向软化”和“取向硬化”是同时进行的。

二、多晶体金属的塑性变形工程上使用的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。

多晶体内单晶体的变形仍是以滑移和孪生两种方式进行的，但由于位向不同的晶粒是通过晶界结合在一起的，晶粒的位向和晶界对变形有很大的影响，所以多晶体塑性变形较单晶体复杂。

多晶体金属的塑性变形与单晶体比较，并无本质的差别，即每个晶粒的塑性变形仍以滑移等方式进行。

但由于晶界的存在和每个晶粒中晶格位向不同，故在多晶体中的塑性变形比单晶体复杂得多。

1.晶界和晶粒位向的影响图3-4 拉伸试样变形示意图有人利用仅由两个晶粒构成的试样来进行拉伸试验，经过变形后会出现明显的所谓“竹节”现象（如图3-4），即试样在远离夹头和晶界的晶粒中部会出现明显的缩颈，而在晶界附近则难以变形。

该明晶界附近变形抗力大。

原因在于晶界附近为两晶粒晶格位向的过渡之处，晶格排列紊乱，加之该处的杂质原子也往往较多，也增大其晶格畸变，因而使该处在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形。

此外，不仅晶界的存在会增大滑移抗力，而且因多晶体中各晶粒晶格位向的不同，也会增大其滑移抗力，因为其中任一晶粒的滑移都必然会受到它周围不同晶格位向晶粒的约束和障碍，各晶粒必须相互协调，相互适应，才能发生变形。

因此多晶体金属的变形抗力总是高于单晶体。

可见，金属的塑性变形抗力，不仅与其原子间的结合力有关，而且还与金属的晶粒度有关，即金属的晶粒愈细，金属的强度便愈高。

因为金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的抗力也愈大。

此外，金属的晶粒愈细不仅强度愈高，而且塑性与韧性也较高，因为晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量使可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产图3-5 含碳0.3%的钢冷加工后机械性能的变化图3-6 冲压示意图金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后轧不动。

另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。

3.织构现象的产生随着变形的发生，不仅金属中的晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致，即出现了所谓“织构现象”。

由于织构现象的出现会使金属的性能发生怎样的变化呢？单晶体金属：晶格取向一致，各个晶面和晶向上的原子排列不尽相同，使得沿各不同排列的晶面和晶向上的晶体性能不同，具有“各向异性”的特点。

多晶体金属：由许多不同取向的小晶体（晶粒）组成，虽然每个晶粒具有“各向异性”的特点，但在整个多晶体的性能就是不同取向的晶粒性能的综合表现，不具备“各向异性”的特点，各个方向上性能相同。

由于织构现象的产生，使多晶体金属出现了晶格取向趋于大体一致的现象，导致出现各向异性的特点，这在大多数情况下都是不利的，而且变形织构甚至在退火时也难以消除。

4.残余内应力在冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在一般情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定，如冷轧钢板在轧制中就经常会因变形不均匀所残留的内应力使钢板发生翘曲等等。

此外，残余内应力还会使金属的耐腐蚀性能降低，所以金属在塑性变形之后，通常都要进行退火处理，以消除残余内应力。

第三节变形金属在加热时的组织和性能变化高，再结晶温度也越高。

3.影响再结晶粒大小的因素影响因素重要有：变形度、加热温度和时间、成分、杂质、原始的晶粒度等。

这里重点讨论加热温度和变形度的影响。

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，故加热时无再结晶现象，晶粒度仍保持原来的大小，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，这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。

如图3-8冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响(纯铝片拉伸)。

图3-7 变形度对晶粒大小的影响图3-8 冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响(纯铝片拉伸) 2）再结晶温度的影响3% 6% 9% 12% 15%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再T 以上，生产上实际使用的再结晶温度通常是比再T 高150-250℃，这样就既可保证完全再结晶，又不致使晶粒粗化。

如图3-9所示的工业纯铁在不同再结晶温度的显微组织比较能够进一步的得到再结晶温度对组织的影响。

图3-9 工业纯铁60%变形时不同再结晶温度的组织三、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。

为了保证变形金属的再结晶退火质量，获得细晶粒，有必要了解影响再结晶晶粒大小的因素。

图3-10综合了回复、再结晶和晶粒长大三个阶段组织与性能之间的关系。

工业纯铁60%变形450℃退火 工业纯铁60%变形500℃退火 工业纯铁60%变形600℃退火工业纯铁60%变形800℃退火工业纯铁60%变形700℃退度过高，晶粒粗大，若温度过低，引起加工硬化残余内应力等，还会形成带状组织使性能变坏。

图3-11 锻件剖面的流线分布示意图第五节超塑性超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。

超塑性是一种奇特的现象。

具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。

金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1982年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。

最初发展的超塑性合金是一种简单的合金，如锡铅、铋锡等。

一根铋锡棒可以拉伸到原长的19.5倍，然而这些材料的强度太低，不能制造机器零件，所以并没有引起人们的重视。

60年代以后，研究者发现许多有实用价值的锌、铝、铜合金中也具有超塑性，于是前苏联、美国和西欧一些国家对超塑性理论和加工发生了兴趣。

特别在航空航天上，面对极难变形的钛合金和高温合金，普通的锻造和轧制等工艺很难成形，而利用超塑性加工却获得了成功。

到了70年代，各种材料的超塑性成型已发展成流行的新工艺。

现在超塑性合金已有一个长长的清单，最常用的铝、镍、铜、铁、合金均有10～15个牌号，它们的延伸率在200～2000％之间。

如铝锌共晶合金为1000％，铝铜共晶合金为1150％，纯铝高达6000％，碳和不锈钢在150～800％之间，钛合金在450～1000％之间。

实现超塑性的主要条件是一定的变形温度和低的应变速率，这时合金本身还要具有极为细小的等轴晶粒（直径五微米以下），这种超塑性称为超细晶粒超塑性。