Transcript 第二章金属的塑性变形与再结晶

机械工程材料
金属的塑性变形与回复再结晶
河北工业大学
材料学院
第二章 金属的塑性变形、回复、
再结晶与热加工
§2－1 金属的性能指标
§2－2 单晶体的塑性变形
§2－3 多晶体的塑性变形
§2－4 塑性变形对材料组织和性能的影响
§2－5 冷变形金属在加热时组织和性能的变
化
§2－6 金属的热加工与 冷加工
2
§2－1 金属的性能指标
材料的力学性能主要包括强度、塑性、
硬度、韧性、抗疲劳性和耐磨性等。
一、 金属变形的三个阶段
1.弹性变形阶段(oa段)
1. 当应力 < e时发生弹性变形。
2. 特点：外力去除后完全恢复原状，
应力、应变成正比。
即:  =E×
E-弹性模量 , -应变
2、屈服阶段 (abc段)
金属开始显著的塑性变形，除去外力，试
样不能恢复原尺寸。
图2－1 低碳钢的拉伸曲线
3、塑性变形阶段 (cd段)
1. 当应力 s <  < b 时发生显著但均匀的塑性变形。
2. 特点：外力去除后部分复原，保留一部分加工硬化。
4、断裂阶段 (dk段)
当  ≥ k 后，试样发生“颈缩”，再一分为二，发生断裂。
二、强度指标
材料抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。通
过拉伸试验可以测量以下的强度指标。
1. 应力与应变
P
应力－单位面积所承受的载荷。σ  AO
应变－单位长度的伸长量。
ΔL
L
Pe
σe 
AO
2. 弹性极限－材料发生弹性变形的最大应力值。
ε
PS
3. 屈服极限－材料发生塑性变形的最小应力值。σs  A
o
条件屈服强度
 0 .2
Pb
4．抗拉强度－材料抵抗塑性变形的最大应力值 σ b 
A0
三.塑性指标
材料在外力作用下显现出的塑性变形能力称为材料的塑性
1. 延伸率：断裂后材料的残余总变形量与原始长度之比。
δ% 
L1  LO
100%
L0
AO  A1
100%
2. 断面收缩率：断裂后材料的残余面积与原始面积之比  
AO
3. 韧性（冲击韧性）：表示材料在冲击载荷下抵抗变形和断裂的能力。
强度、塑形，与脆性相对
四.硬度指标
Ak=mg(H1-H2)，冲击功；S0缺口横截面积
Ak
αk 
So
硬度：材料抵抗其他硬物压入其表面的能力。
1. 布氏硬度－淬火钢球或硬质合金球压入试样，用
“HB”表示，单位是MPa，但习惯不标单位。一
般机加工硬度为 ＝220～250 HB
HB 
F
(MPa )
A
2. 洛氏硬度－用金刚石圆锥或钢球压头。“HR”表示，HRA588.4N, HRB-980.7N, HRC-1471N。当HB>450时用洛氏硬度
HRC数值表示。 如：工具钢的硬度一般为58～64HRC。
3.维氏硬度：“HV”，范围0－1000HV。
§2－2 单晶体的塑性变形
单晶体变形有两种方式：
滑移和孪生变形
滑移变形容易，孪生是更困难
的一种变形方式。
一. 滑移变形
1. 滑移变形－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）相对另
一部分发生滑移。
图2-2 滑移变形示意图
2. 滑移变形的特点
(1) 晶体滑移只有在切应力的作用下发生。
(2) 晶体滑移常沿原子的密排晶面和密排晶向发
生。
滑移面－原子的最密排晶面。
滑移方向－原子的最密排方向。
FCC 的滑移面和滑移方向为：{111} <110>
BCC的滑移面和滑移方向为： {110} <111>
(3) 晶体沿滑移方向滑移，原子移动的距离是原
子间距的整数倍。
(4) 滑移的同 时伴有晶体的转动。
3.滑移带和滑移系
(1)滑移带－晶体滑移后在磨光表
面上出现的滑移痕迹。
(2)滑移系
滑移系＝滑移面数×滑移方向数
FCC结构 滑移系＝4×3＝12如:
（111）和[ 10]组成一组滑
移系
BCC结构 滑移系＝6×2＝12如:
（ 10）和[111] 组成一组滑
移系
满足：hu+kv+lw = 0关系
滑移系越多，发生滑移的可
能性越大，塑性越好。
滑移方向对滑移所起的作用
比滑移面大，因此面心立方
比体心立方塑性好。
图2-3 钢中的滑移带及滑移线示意图
表2-1 纯金属常见三种晶格的滑移系
4.晶体滑移的本质是位错的运动。
二.孪生变形
孪生是晶体的一部分相对于另一
部分沿着一定的晶面(孪生面)
产生一定角度的均匀切变(即
转动)。通过孪生，孪生面两
边的两部分晶体形成镜面对称
关系。发生孪生的部分(即切
变部分)叫做“孪晶带”，简
称“孪晶”。
孪生变形是更困难的一种变形
方式， FCC和BCC的滑移系
多，故常以滑移方式变形.只
有HCP滑移系少，常以孪生
方式变形。
图2-4 孪生变形示意图
滑称与孪生的区别
1）滑移变形时，滑移的距离是原子间距的整数倍，晶
体的位向不发生变化；孪生变形时，孪晶中相邻原子面
的相对位移为原子间距的分数，且孪晶位向发生变化，
且与未变形部分形成对称。
2）孪生所需临界的切应力比滑移的大得多；
3）孪生的变形速度极快，接近声速。
4）孪生变形引起很大的晶格畸变，塑性变形量比滑移
的小（一般<10%)，但孪生引起晶体位向改变，因
而能促进滑移的发生。
孪生只在滑移很难进行时才发生，面心立方金属一般不
发生孪生。
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§2－3 多晶体的塑性变形
实际金属多为多晶体，多晶体是由许多位向不同的小单晶体组成。
每一个小单晶体称为一个晶粒，晶粒与晶粒间的界限为晶界。
一、多晶体变形有以下特点：
1、相邻晶粒的阻碍： 多晶体中，晶界两侧晶粒的位向不同，
晶体的滑移即位错的滑移不能越过晶界。
2、相邻晶粒的协调： 每个晶粒都处于其它晶粒的包围之中，
为了保持材料的连续性，一个处于有利位向的易变形晶粒变形
时，相邻晶粒必须同时进行相应的协调变形 。
在对多晶体进行拉伸变形时，并不是所有晶粒都处于有利
位向，只有大多数晶粒都处于有利位向时才能变形，故需要晶
粒间协调变形。
二、晶粒大小的影响：
晶粒越细，晶界面积越大，相互协调越困难，阻碍
变形抗力越大，材料的强度越高，硬度越大.
结论：晶粒越细，变形抗力越大,强度、硬度越高;
且变形不易产生应力集中，使变形均匀。从而使材料
的塑性、韧性越好，表现出综合性能好。
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三、多晶体的塑性变形过程


由于主要存在晶界对滑移的阻碍和晶粒
间位向差造成的滑移的转移
因此，随着外力的持续作用，多晶体金
属的塑性变形是：晶粒分批地逐步地发
生，由少数晶粒开始，逐步扩大到多数
晶粒，最后到全体晶粒；从不均匀变形
逐步发展到均匀的变形。
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多晶体竹节状变形
多晶体变形呈竹节状。
晶界处能量较高，不易变形，
故多晶体变形呈竹节状。
晶粒越细，晶界面积越大，
阻碍作用越大，材料的强
度越高。
图2－6 多晶体变形的竹节状示意图
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§2－4 塑性变形对材料组织和性能的影响
一.塑性变形对材料组织结构的影响
1．晶粒变形成纤维状组织
塑性变形后晶粒沿轧制方向被拉长，呈纤维狀
的条纹（晶界），为纤维组织。
图2-11 变形前后晶粒形状示意图
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图2-12 低碳钢50%变形后的纤维组织
2. 形变亚结构形成
当变形量增大时，位错密度增加且不均匀分布，
堆积在局部形成许多位错缠结，位错的不均匀分布
使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块即亚晶粒，
称为形变亚结构。
金属变形后的亚结构
Au－Ni合金的亚晶
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3.形变织构的产生
当变形量很大时（70％以上），晶粒严重破碎，且发生转动，大多数晶粒趋
向于沿轧制方向排列，形成特殊的择优取向，这种有序化的结构叫做形变
织构。使材料呈现明显的各向异性。
晶面和晶向平行于轧制方向
晶体结构
晶向平行于拉拔方向
板（辗轧）结构
丝（拉拔）结构
a黄铜
(100)[112]
[100]主
纯铜
(146)[21 -1]或(123)[1-21]
[111]主
体心立方
(100)[011]
[110]
密排六方
(0001)[1 0 -1 0]
[1 0 -1 0]
面心立方
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二、塑性变形对材料性能的影响
1.加工硬化
由于对材料变形量的增加导致材料的
b ↑HB ↑d↓ak↓的现象。

加工硬化具有极其重要的
实际意义。
图2-10 低碳钢的加工硬化现象
是一种非常重要的强化手段 ，如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等 ；
加工硬化有利于金属进行均匀变形，因为金属已变形部分得到强
化时，继续的变形将主要在未变形部分中发展。
第三，它可保证金属零件和构件的工作安全性，因为金属具有
较好的变形强化能力，能防止短时超载引起的突然断裂。
加工硬化机理、增加及减少位错对强度的增强作用
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σb 大
2.性能的方向性
纤维组织由于晶粒沿轧制
方向被拉长，顺纤维方
向的性能与横向不同。
σb 小
3.择优取向
由于产生了形变织构，沿
某一方向的性能与其它方向明
显不同。
如：对具有织构的铜板深
冲压成型时将出现“制耳”现
象。硅钢片，由于深冲压使多
数晶粒沿<100> 排列.提高了
<100>方向的导磁率
择优取向的制耳现象
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4. 残余内应力
残余内应力：指去除外力后残留于且平衡于金属内部
的应力。10%外力功化为内应力残留于金属中。
由于变形，晶粒破碎，金属内部变形不均匀，产生
了内应力。
第一类内应力(宏观内应力)：由于金属表层和心部
或这一部分和那一部分变形不均造成的应力为宏
观内应力。
第二类内应力：相邻晶粒之间或晶内不同区域变形
不均造成的内应力为微观内应力。
第三种内应力：位错等晶格缺陷附近的晶格畸变则
叫做晶格畸变应力。
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退火可消除或降低内应力
§2－5 冷变形金属在加热时组织和性能的变化
冷变形金属经加热后将发生回复、再结晶和晶
粒长大三个阶段。其组织和性能的变化如下：
一、回复阶段:
在加热温度较低时，由于点缺陷和位错的迁移引起的
某些晶内变化称为回复。
1. 温度：T回复＝（0.25～0.3）Tm
2. 组织：晶粒外形无变化。（仍然是拉长的粒）
3. 性能：故强度与硬度稍下降，内应力大大下降，电
阻率明显上升。
由于加热温度不高，1）位错稍发生移动，由无规则排列变为规则排列（可发
生“多边形化”），形成一些新的亚晶粒；2）主要是空位的运动：扩散到晶
界和表面而消失；或与间隙原子相结合而对消；或在位错上沉积而消灭；晶格
恢复为较规整的状态。
应用：工业上的除应力退火，对应回复过程。
目的：恢复某些物理与化学性能，但保留加工硬化效果。
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二、再结晶阶段-形核和长大的过程
(一)再结晶过程及对金属组织、性能的影响
1. 温度： T再结晶＝（0.35～0.4）Tm
2. 组织：拉长的晶粒变成等轴晶粒（依靠扩散来完成）,无相变。
3 性能： b↓HB↓d ↑ak ↑, 基本恢复到变形前的况。
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(二)再结晶温度及影响再结晶后粒度因素
1. 再结晶温度－完全发生再结晶（95％已再结晶）的最
低温度。
2. 影响再结晶后晶粒度因素
(1)加热温度越高，保温时间越长，晶粒易于粗化。
(2)变形度越大，变形便愈趋于均匀，生核率愈大，晶
粒度便会愈细愈均匀.但必须大于临界变形度（2～
10％）。
(3)材料的纯度越高，使T再结晶↓，晶粒易于粗化。可加
入少量W、Mo、V等阻碍晶粒长大（阻碍扩散及晶
界迁移），使晶粒细化。
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变形度与再结晶晶粒度的关系
1）当变形度很小时,由于金属的晶格畸变很小，不足以引起再结晶，故晶粒
度仍保持原样。
2）当变形度在2～10%范围内时，再结晶后的晶粒度比较粗大。因为这时金属中仅有
部分晶粒发生变形，再结晶时的生核数目很少，从而得到粗大晶粒。这个变形量称临
界变形度，生产中应尽量避免这一范围的加工变形，以免形成粗大晶粒而降低性能。
再结晶退火温度越
高晶粒越易于粗化
临界变形度（2～10％）
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3）当变形大于临
界变形度之后，
随着变形度的增
加，变形便愈趋
于均匀，再结晶
时的生核率便愈
大，再结晶后的
晶粒度便会愈细
愈均匀。
图2－16
纯铁的变形度与再结晶晶粒度的关系
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三. 晶粒长大阶段
再结晶完成后，晶
粒是细小的，但随着温
度继续升高或保温时间
过长晶粒自发长大（晶
界面积减小，界面能降
低）得到粗大晶粒组织，
从而强度、硬度明显下
降；塑性韧性明显上升。
图2－17 冷变形金属加热时组织及性能变化
晶粒长大阶段示意图
“二次再结晶”
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§2－6 金属的热加工与 冷加工
一.冷加工与热加工（根据金属的再结晶温度分）
1.冷加工：在再结晶温度以下的加工为冷加工，加工后产生加工
硬化。
2.热加工－在再结晶温度以上的加工为热加工，加工后无加工硬
化现象。
例如：Fe的 T再结晶＝450℃，Sn的T再结晶＝25℃，
二、热加工特点－动态回复和动态再结晶
三、热加工对组织和性能的影响
1.热加工后可使铸态组织中的气孔、疏松、裂纹焊合，致密度提高， b ↑。
2.热加工后可使铸态组织中的枝晶破碎，晶粒细化。
3.热加工可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂的分布发生改变，使它们沿
着变形的方向破碎并拉长，形成所谓热加工“纤维组织”（流线），使金属
的机械性能具有明显的各向异性，纵向的强度、塑性和韧性显著大于其横向。
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也可产生“带状组织”（具有明显层状），使性能变坏。
图2－18 曲轴流
线分布
锻件
图2－19 拖钩的纤
维组织
a) 锻模钩
b) 切削加工钩
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