第三章-金属材料的塑性变形.ppt

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1、 第三章第三章 金属材料的塑性变形金属材料的塑性变形v 3.1 单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形v 3.2 金属的形变强化金属的形变强化v 3.3 塑性变形金属在加热时塑性变形金属在加热时 组织和性能的变化组织和性能的变化v 3.4 塑性加工性能及其指标塑性加工性能及其指标1 3.1单晶体和多晶体的塑性变形单晶体和多晶体的塑性变形 3.1.1 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形3.1.2 多晶体金属塑性变形的特点多晶体金属塑性变形的特点23PPPPP：载荷：正应力：切应力单单晶晶体体受受力力后后，外外力力在在任任何何晶晶面面上上都都可可分分解解为为正正应应力力（垂垂直直晶晶面）面

2、）和和切应力切应力（平行晶面）（平行晶面）。正正应应力力只只能能引引起起弹弹性性变变形形,当当超超过过原子间结合力时，晶体断裂。原子间结合力时，晶体断裂。只只有有在在切切应应力力的的作作用用下下金金属属晶晶体体才能产生塑性变形。才能产生塑性变形。外外力力在在晶晶面面上上的的分分解解切切应应力力作作用用下下的的变变形形锌锌单单晶晶的的拉拉伸伸照照片片 塑性变形的塑性变形的实质实质是：在应力的作是：在应力的作用下，材料内部原子相邻关系已用下，材料内部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，经发生改变，故外力去除后，原原子到了另一平衡位置子到了另一平衡位置，物体将留，物体将留下永久变形。下永久变形。

3、3.1.1 单晶体的单晶体的 塑性变形塑性变形4滑移滑移是指当应力超过材料的弹性极限后，晶是指当应力超过材料的弹性极限后，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。在应力去除后，部分发生滑动位移的现象。在应力去除后，位移不能恢复，在金属表面留下变形的痕迹位移不能恢复，在金属表面留下变形的痕迹塑性变形的形式塑性变形的形式：滑移和孪生滑移和孪生金属常以金属常以滑移滑移方式发生塑性变形方式发生塑性变形(1)滑移滑移51)1)滑滑移移只只能能在在切切应应力力的的作用下发生。作用下发生。1、滑移变形的特点、滑移变形的特点62)2)滑滑移移常常沿

4、沿晶晶体体中中原原子子密密度度最最大大的的晶晶面面和和晶晶向向发发生生。因因原原子子密密度度最最大大的的晶晶面面和和晶晶向向之之间间原原子子间间距距最最大大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。7沿其发生滑移的晶面叫做沿其发生滑移的晶面叫做滑移面；滑移面；沿其发生滑移的晶向叫做沿其发生滑移的晶向叫做滑移方向；滑移方向；它们通常是晶体中的密排面和密排方向。它们通常是晶体中的密排面和密排方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。滑移系。滑滑移移系系越越多多，金金属属发发生生滑滑移移的的可可能能性性越越大大，塑塑性性

5、也也越好，其中越好，其中滑移方向滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。对塑性的贡献比滑移面更大。8FCCFCC6金属的塑性：金属的塑性：fccfccbccbccchpchp9哪个滑移系先滑移？哪个滑移系先滑移？当作用于滑移面上滑移方向的切应力分量当作用于滑移面上滑移方向的切应力分量 c（分切应力）大于等于一定的临（分切应力）大于等于一定的临界值（界值（临界切应力，决定于原子间结合力）临界切应力，决定于原子间结合力），才可进行。，才可进行。取向因子取向因子最先达到最先达到 c的滑移系先开始滑移的滑移系先开始滑移滑移时滑移时103)3)滑滑移移时时，晶晶体体两两部部分分的的相相对对位位移移量量是是原原

6、子子间间距距的的整整数倍。数倍。滑滑移移的的结结果果在在晶晶体体表表面面形形成成台台阶阶，称称滑滑移移线线，若若干干条滑移线组成一个条滑移线组成一个滑移带滑移带。铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带114)4)滑移的同时伴随着晶体的转动。滑移的同时伴随着晶体的转动。转转动动的的原原因因：晶晶体体滑滑移移后后使使正正应应力力分分量量和和切切应应力力分量组成了力偶分量组成了力偶.12韧性断口韧性断口13把把滑滑移移设设想想为为刚刚性性整整体体滑滑动动滑滑移移面面上上每每一一个个原原子子都都同同时时移移到到另另一一个个平平衡衡位位置置，外外加加的的切切应应力力必必须须同同时时克克服服滑滑移移面面

7、上上所所有有原原子子间间的的结结合合力力。所所需需理理论论临临界界切切应应力力值值比比实实际际测测量量值值大大3-43-4个个数量级。数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。2、滑移的机理、滑移的机理14刃位错的运动刃位错的运动滑移过程中会生成许多位错：塑性变形量增加，晶体中位错密滑移过程中会生成许多位错：塑性变形量增加，晶体中位错密度增大度增大晶晶体体通通过过位位错错运运动动产产生生滑滑移移时时，只只需需要要在在位位错错中中心心的的少少数数原原子子发发生生移移动动，它它们们移移动动的的距距离离远远小小于于一一个个原原子子间间距距，因因而而所所需需临

8、临界界切切应应力力小小，这这种种现现象象称作称作位错的易动性位错的易动性。15孪孪生生是是指指晶晶体体的的一一部部分分沿沿一一定定晶晶面面和和晶晶向向相相对对于于另另一一部部分分所所发发生生的的切切变变，发发生生在在滑滑移移系系较较少少或滑移受限制情况下。或滑移受限制情况下。发发生生切切变变的的部部分分称称孪孪生生带带或或孪孪晶晶，沿沿其其发发生生孪孪生生的的晶晶面面称称孪孪生面生面。(2）孪生孪生16孪生的结果使孪生的结果使孪生面孪生面两侧的晶体呈镜面对称。两侧的晶体呈镜面对称。孪生示意图孪生示意图17孪生使晶格位向发生改变；孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近

9、声速所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近声速;孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距（滑移孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距（滑移是原子间距的整数倍）。是原子间距的整数倍）。与滑移相比：与滑移相比：密排六方晶格金属密排六方晶格金属：滑移系少，常以孪生方式变形。：滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属体心立方晶格金属：只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。：只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属面心立方晶格金属：一：一般不发生孪生变形。般不发生孪生变形。18单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形更复杂。单个晶粒变形与单晶体相似，多晶体变形更复杂。多晶体是

10、由众多取向不一的单晶体组成。多晶体是由众多取向不一的单晶体组成。在某一单向外力作用下各晶体的在某一单向外力作用下各晶体的滑移面滑移面上上的分切应力不同，只有一些的分切应力不同，只有一些达到临界切应达到临界切应力力的滑移系才发生滑移。由于晶体之间的的滑移系才发生滑移。由于晶体之间的相互制约，首先滑移的晶体会引起自身或相互制约，首先滑移的晶体会引起自身或相邻晶体的相邻晶体的转动转动，从而使原来启动的滑移，从而使原来启动的滑移系偏离最大切应力方向，而停止滑移。另系偏离最大切应力方向，而停止滑移。另一些原来不能启动的滑移系开动，进而使一些原来不能启动的滑移系开动，进而使整个晶体的塑性变形协调发展。整个

11、晶体的塑性变形协调发展。软位向硬位向晶粒所处的位向为易滑移的位向称为晶粒所处的位向为易滑移的位向称为晶粒所处的位向为易滑移的位向称为晶粒所处的位向为易滑移的位向称为“软位向软位向软位向软位向”反之谓反之谓反之谓反之谓“硬位向硬位向硬位向硬位向”。先发。先发。先发。先发生于软位向晶粒，然后到硬位向。生于软位向晶粒，然后到硬位向。生于软位向晶粒，然后到硬位向。生于软位向晶粒，然后到硬位向。（1 1）不均匀的塑性变形）不均匀的塑性变形）不均匀的塑性变形）不均匀的塑性变形3.1.2 多晶体金属塑性变形的特点多晶体金属塑性变形的特点19由由于于各各相相邻邻晶晶粒粒位位向向不不同同，当当一一个个晶晶粒粒发

12、发生生塑塑性性变变形形时时，为为了了保保持持金金属属的的连连续续性性，周周围围的的晶晶粒粒若若不不发发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这这种种弹弹性性变变形形便便成成为为塑塑性性变变形形晶晶粒粒的的变形阻力。变形阻力。由由于于晶晶粒粒间间的的这这种种相相互互约约束束，使使得得多多晶晶体体金金属属的的塑塑性性变变形抗力提高。形抗力提高。（2）晶粒位向差阻碍滑移）晶粒位向差阻碍滑移20当当位位错错运运动动到到晶晶界界附附近近时时，受受到到晶晶界界的的阻阻碍碍而而堆堆积积起起来来，称称位位错错的的塞塞积积。要要使使变变形形继继续续进进行行，则则必必须须增增

13、加加外外力力，从从而而使使金金属属的的变变形抗力提高。形抗力提高。（3）晶界的影响）晶界的影响21晶界对塑性变形的影响晶界对塑性变形的影响Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积22晶晶粒粒越越细细，晶晶界界总总面面积积越越大大，位位错错障障碍碍越越多多；需需要要协协调调的的具具有有不不同同位位向向的的晶晶粒粒越越多多，使使金金属属塑塑性性变变形形的的抗抗力力越越高高，另另外外，一一定定的的变变形形量量由由更更多多晶晶粒粒分分散散承承担担，不不会会造造成成局局部部的的应应力力集集中中，使使在在断断裂裂前前发发生生较较大大的的塑塑性性变变形形，强强度度和和塑塑性性同同时时增增加加，金

14、金属属在在断断裂前消耗的功也大，因而其裂前消耗的功也大，因而其韧性韧性也较好。也较好。晶粒大小对塑性变形的影响晶粒大小对塑性变形的影响3.2 金属的形变强化金属的形变强化3.2.1 形变强化现象形变强化现象3.2.2 塑性变形对组织及力学性能影响塑性变形对组织及力学性能影响3.2.3 塑性变形产生的残余应力塑性变形产生的残余应力23 金属金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化，经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化，最明显的特点是强度随变形程度的增加而大为提高，其塑最明显的特点是强度随变形程度的增加而大为提高，其塑性却随之有较大的降低，这种现象称为形变强化，也称为性却随之有较大的降

15、低，这种现象称为形变强化，也称为加工硬化加工硬化或或冷作硬化冷作硬化。3.2.1 形变强化现象形变强化现象 利用形变强化现象来提高金属材料的强度，在工业上利用形变强化现象来提高金属材料的强度，在工业上应用甚广。例如冷拉钢丝。尤其是对于纯金属以及不能用应用甚广。例如冷拉钢丝。尤其是对于纯金属以及不能用热处理强化的合金，这种方法格外重要。热处理强化的合金，这种方法格外重要。冷态压力加工后位错密度大增，晶格畸变很大，电冷态压力加工后位错密度大增，晶格畸变很大，电阻有所增大，抗蚀性降低；冷变形产品尺寸精度高、表面阻有所增大，抗蚀性降低；冷变形产品尺寸精度高、表面质量好，但塑性下降，进一步加工困难。质量

16、好，但塑性下降，进一步加工困难。24 加工硬化（形变强化强化材料的手段之一）加工硬化的原因加工硬化的原因塑性变形塑性变形 位错密度增加，相互缠结位错密度增加，相互缠结(亚晶界亚晶界)，运动阻力加大，运动阻力加大 变形抗力变形抗力金属在冷变形时，强度、硬度金属在冷变形时，强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性。25263.2.2 塑性变形对组织及力学性能影响塑性变形对组织及力学性能影响（1 1）对组织结构的影响）对组织结构的影响 1 1）组织纤维化）组织纤维化（晶粒变形）：（晶粒变形）：随着塑性变形量增大，原来的随着塑性变形量增大，原来的等轴晶相应地被拉长或压扁，形成长条状或纤维状，使材等轴晶相应地

17、被拉长或压扁，形成长条状或纤维状，使材料产生各向异性。料产生各向异性。272 2）亚晶粒的增多）亚晶粒的增多：变形前，位错分布均匀。塑性变形伴随着大量变形前，位错分布均匀。塑性变形伴随着大量位错位错产生，产生，由于位错运动和相互间交互作用，并使晶粒由于位错运动和相互间交互作用，并使晶粒“碎化碎化”成许多位向略有差成许多位向略有差异的亚晶块（或称亚晶粒）。亚晶粒间界是由位错堆积而成的。异的亚晶块（或称亚晶粒）。亚晶粒间界是由位错堆积而成的。3 3产生织构产生织构：金属中的晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个晶粒金属中的晶粒的取向一般是无规则的随机排列，尽管每个晶粒是各向异性的，宏观性能表现

18、出各向同性。当金属经受大量是各向异性的，宏观性能表现出各向同性。当金属经受大量(70%以上以上)的一定方向的变形之后的一定方向的变形之后,由于晶粒的由于晶粒的转动转动造成晶粒取向趋于一致，形成造成晶粒取向趋于一致，形成了了“择优取向择优取向”，即某一晶面，即某一晶面 （晶向）在某个方向出现的几率明显高（晶向）在某个方向出现的几率明显高于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做于其他方向。金属大变形后形成的这种有序化结构叫做变形织构变形织构，它，它使金属材料表现出明显的使金属材料表现出明显的各向异性各向异性。28由由于于晶晶粒粒的的转转动动，当当塑塑性性变变形形达达到到一一定定程程度度时时

19、，会会使使绝绝大大部部分分晶晶粒粒的的某某一一位位向向与与变变形形方方向向趋趋于于一一致致，这这种种现现象象称称织织构构或或择择优优取向取向。形变织构使金属呈现形变织构使金属呈现各向各向异性异性，在深冲零件时，易，在深冲零件时，易产生产生“制耳制耳”现象，使零现象，使零件边缘不齐、厚薄不匀。件边缘不齐、厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导但织构可提高硅钢片的导磁率。磁率。板织构板织构丝织构丝织构形变织构示意图形变织构示意图各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板“制耳制耳”有有无无291 1）加工硬化）加工硬化 随随冷冷塑塑性性变变形形量量增增加加，金金属属的的强强度度、硬硬度度提提高高，塑塑性性、韧

20、韧性性下降的现象称下降的现象称加工硬化加工硬化。（2 2）对力学性能的影响）对力学性能的影响 301 1）随变形量增加）随变形量增加,位错密度增加位错密度增加；变形变形20%纯铁中的位错纯铁中的位错未变形纯铁未变形纯铁产生加工硬化的原因产生加工硬化的原因31位错密度与强度关系位错密度与强度关系由由于于位位错错之之间间的的交交互互作作用用(堆堆积积、缠缠结结)，使使变变形形抗抗力力增增加加，塑塑性降，强度、硬度升高性降，强度、硬度升高.322 2）随变形量增加，亚结构细化；）随变形量增加，亚结构细化；3 3）随变形量增加，空位密度增加；）随变形量增加，空位密度增加；4 4）几何硬化）几何硬化：由

21、晶粒转动引起。：由晶粒转动引起。加工硬化使已变形部分发生硬化而停止变形，而未加工硬化使已变形部分发生硬化而停止变形，而未变形部分开始变形。没有加工硬化，金属就不会发变形部分开始变形。没有加工硬化，金属就不会发生均匀塑性变形。生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。处理强化的金属和合金尤为重要。3.2.3 塑性变形产生的残余应力塑性变形产生的残余应力 由于多晶体的晶粒有各种位向和受晶界的约束，由于多晶体的晶粒有各种位向和受晶界的约束，各晶粒的变形先后不一致，有些晶粒的变形较大，各晶粒的变形先后不一致，有

22、些晶粒的变形较大，有些变形较小，在同一晶粒内变形也不一致，因而有些变形较小，在同一晶粒内变形也不一致，因而造成多晶体变形的不均匀性。晶粒内部和晶粒之间造成多晶体变形的不均匀性。晶粒内部和晶粒之间会存在不同的内应力，变形结束后残留在晶粒内部会存在不同的内应力，变形结束后残留在晶粒内部或晶粒之间形成残余应力。或晶粒之间形成残余应力。33残余应力残余应力分为分为:1)1)宏观残余应力宏观残余应力即即第第一类残余应力，是由于金属材一类残余应力，是由于金属材料各部分之间变形不均匀而形成的宏观范围内的料各部分之间变形不均匀而形成的宏观范围内的残残余应力；余应力；2)2)微观残余应力即第二微观残余应力即第二

23、类残余应力，是各晶粒或亚类残余应力，是各晶粒或亚晶粒之间变形不均匀，在各晶粒或亚晶粒间产生的晶粒之间变形不均匀，在各晶粒或亚晶粒间产生的残余应力；残余应力；3)3)晶格畸变残余应力即第三晶格畸变残余应力即第三类残余应力，是金属在类残余应力，是金属在塑性变形后增加了位错和空位等晶体缺陷，使晶体塑性变形后增加了位错和空位等晶体缺陷，使晶体中一部分原子偏离其平衡位置造成晶格畸变所产生中一部分原子偏离其平衡位置造成晶格畸变所产生的的残余应力。残余应力。34残余应力的危害主要有残余应力的危害主要有：1 1）降低）降低工件的工件的承载能力承载能力2 2）使）使工件尺寸及形状发生工件尺寸及形状发生变化变化3

24、 3）降低）降低工件的耐腐蚀性工件的耐腐蚀性。消除残余应力的方法：去应力退火。消除残余应力的方法：去应力退火。353.3.1 回复回复3.3.2 再结晶再结晶3.3.3 晶粒长大晶粒长大3.3.4 冷变形和热变形冷变形和热变形3.3.5 金属纤维组织及其应用金属纤维组织及其应用 3.3 塑性变形金属在加热时塑性变形金属在加热时 组织和性能的变化组织和性能的变化3637 金金属属塑塑性性变变形形后后，出出现现晶晶粒粒拉拉长长，位位错错增增多多，内内应应力力升升高高等等现现象象，他他们们会引起材料会引起材料体系能量提高体系能量提高，处于一个高能亚稳态，有向低能态转变的倾向。，处于一个高能亚稳态，有

25、向低能态转变的倾向。在在加加热热过过程程中中，形形变变了了的的材材料料会会发发生生回回复复、再再结结晶晶和和晶晶粒粒长长大大三三个个过过程程，如右图所示如右图所示。回复、再结晶和晶粒的长大，他们回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。都是减少或消除结构缺陷的过程。相应相应地地,材料的材料的结构和性能结构和性能也发生对应变化也发生对应变化。加热促使转变进行加热促使转变进行38（1）回复概念）回复概念经冷加工的材料在较低的温度保温，经冷加工的材料在较低的温度保温，这时材料发生这时材料发生点缺点缺陷消失陷消失，位错重排，应力下降位错重排，应力下降的过程为回复的过程为回复。利用回复

26、现象将冷变形金属进行低温加热，既可稳定组织又保利用回复现象将冷变形金属进行低温加热，既可稳定组织又保留了加工硬化效果的方法为留了加工硬化效果的方法为去应力退火去应力退火 （2）回复引起材料组织和性能变化回复引起材料组织和性能变化 宏宏观观应应力力（第第一一类类应应力力）基基本本消消除除，但但微观应力（第二、第三类）仍然残存。微观应力（第二、第三类）仍然残存。力力学学性性质质，如如强强度度、硬硬度度（略略下下降降）和和塑性（略升高）没有明显变化。塑性（略升高）没有明显变化。3.3.1 回复回复39当当变变形形金金属属被被加加热热到到较较高高温温度度时时，由由于于原原子子活活动动能能力力增增大大，

27、晶晶粒粒的的形形状状开开始始发发生生变变化化，在在亚亚晶晶界界或或晶晶界界处处形形成成了了新新的的结结晶晶核核心心，并并不不断断以以等等轴轴晶晶形形式式生生长长，取取代代被被拉拉长长及及破破碎碎的的旧旧晶晶粒粒，这这一一过过程程称为称为再结晶再结晶。这这种种冷冷变变形形组组织织在在加加热热时时重重新新彻彻底改组的过程称底改组的过程称再结晶再结晶。铁素体变形铁素体变形80%670加热加热650加热加热3.3.2 再结晶再结晶40再结晶也是一个晶核形成和长大的再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，过程，但不是相变过程，再结晶前再结晶前后新旧晶粒的后新旧晶粒的晶格类型晶格类型和和成分成

28、分完全完全相同。相同。核心出现在位错聚集的地方，核心出现在位错聚集的地方，原子能量最高，最不稳定。它只是原子能量最高，最不稳定。它只是一个形态上的变化。新晶粒中缺陷一个形态上的变化。新晶粒中缺陷减少，内应力消失了减少，内应力消失了。冷变形奥氏体不锈钢冷变形奥氏体不锈钢加热时的再结晶形核加热时的再结晶形核SEM-SEM-再结晶晶粒在原变再结晶晶粒在原变形组织晶界上形核形组织晶界上形核TEM-TEM-再结晶晶粒形核于再结晶晶粒形核于高密度位错基体上高密度位错基体上41由于由于再结晶再结晶后组织的复后组织的复原，因而金属的强度、原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬

29、化消失。提高，加工硬化消失。冷变形黄铜组织性能随温度的变化冷变形黄铜组织性能随温度的变化 冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜黄铜580C保温保温15分后的的再结晶组织分后的的再结晶组织42再结晶温度再结晶温度再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的发生再结晶的最低温度最低温度称称再结晶温度再结晶温度。580C保温保温3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织580C保温保温8秒后的组织秒后的组织冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)38%)黄铜的

30、再结晶黄铜的再结晶43T再再与与的关系的关系金属预先变形程度越大金属预先变形程度越大,再结晶温度越低。当变形度再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。再结晶温度。纯金属的最低再结晶温度纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系与其熔点之间的近似关系:T T再再0.4T0.4T熔熔其中其中T T再再、T T熔熔为绝对温度为绝对温度.如如FeFe：T T再再=(1538+273)0.4273=451影响再结晶温度的因素影响再结晶温度的因素1）金属的预先变形程度）金属的预先变形程度44金金属属中中的的微微量量杂

31、杂质质或或合合金金元元素素，尤尤其其高高熔熔点点元元素素，起起阻阻碍碍扩扩散散和和晶晶界界迁迁移移作作用用，使使再再结结晶晶温温度度显显著著提高。提高。2）金属的纯度）金属的纯度453 3）再结晶加热速度和加热时间）再结晶加热速度和加热时间提高加热速度会使再结晶推迟到较提高加热速度会使再结晶推迟到较高高温度发生；温度发生；延长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降延长加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度降低低。生生产产中中把把消消除除加加工工硬硬化化的的热热处处理理称称为为再再结结晶晶退退火火。再再结晶退火温度比再结晶温度高结晶退火温度比再结晶温度高100200。黄铜黄铜580C保温保温8秒后

32、的组织秒后的组织黄铜黄铜580C保温保温15分后的组织分后的组织46再结晶完成后，若继续再结晶完成后，若继续升高升高温度或延长保温时间，将发温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，生晶粒长大，这是一个自发这是一个自发的过程。的过程。黄黄铜铜再再结结晶晶后后晶晶粒粒的的长长大大580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580580C C保温保温1515分后的组织分后的组织700700C C保温保温1010分后的组织分后的组织3.3.3 晶粒长大晶粒长大471长大驱动力长大驱动力 再结晶完成后，金属获得均再结晶完成后，金属获得均匀细小的晶粒，但有长大的趋势，因匀细小的晶粒，但有长大的趋势，因为为长大有利于

33、减少界面长大有利于减少界面，降低界面能。，降低界面能。这种这种自由能的降低即为晶粒长大的驱自由能的降低即为晶粒长大的驱动力动力。2正常长大和非正常长大正常长大和非正常长大 正正常常长长大大：再再结结晶晶晶晶粒粒均均匀匀长长大大。方式：相互兼并，组织均匀。方式：相互兼并，组织均匀。非正常长大：非正常长大：一些晶粒迅速长大，一些晶粒迅速长大，并吞并临近小晶粒，造成组织不均匀。并吞并临近小晶粒，造成组织不均匀。晶粒的长大是通过晶粒的长大是通过晶界迁移晶界迁移进行的，是进行的，是大晶粒吞并小晶粒大晶粒吞并小晶粒的过程。的过程。48加加热热温温度度越越高高，保保温温时时间间越越长长，金金属属的的晶晶粒粒

34、越越粗粗大大，加加热热温温度度的的影影响响尤为显著。尤为显著。再结晶退火温度对晶粒度的影响再结晶退火温度对晶粒度的影响1 1）加热温度和保温时间）加热温度和保温时间影响因素影响因素49预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度对再结晶晶粒度的影响2 2）预先变形量）预先变形量当当变变形形量量达达到到210%时时，只只有有部部分分晶晶粒粒变变形形，变变形形极极不不均均匀匀，再再结结晶晶晶晶粒粒大大小小相相差差悬悬殊殊，易易互互相相吞吞并并和和长长大大，再再结结晶晶后后晶晶粒粒特特别别粗粗大大，这这个个变变形形量称量称临界变形量临界变形量。预先变形量的影响，实质是变形均匀程度的影响。预先变形量的影响

35、，实质是变形均匀程度的影响。当变形量很小时当变形量很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶。，晶格畸变小，不足以引起再结晶。50当当超超过过临临界界变变形形量量后后，随随变变形形程程度度增增加加，变变形形越越来来越越均均匀匀，再再结结晶晶时时形形核核量量大大而而均均匀匀，使使再再结结晶晶后后晶晶粒粒细细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。对对某某些些金金属属，当当变变形形量量相相当当大大(90%)90%)时时，再再结结晶晶后后晶晶粒粒又又重重新新出出现现粗粗化化现现象象，一一般般认认为为这这与与形形成成织织构构有有关。关。3.3.4 冷变形和热变

36、形冷变形和热变形在在再结晶温度以下的变形叫冷变形。冷变形后金属再结晶温度以下的变形叫冷变形。冷变形后金属产生形变强化。产生形变强化。在再结晶温度以上的变形叫热变形。热变形后金属在再结晶温度以上的变形叫热变形。热变形后金属具有再结晶组织，而无形变强化。具有再结晶组织，而无形变强化。金属塑性加工最原始的坯料是铸锭，其内部组织很金属塑性加工最原始的坯料是铸锭，其内部组织很不均匀，晶粒较粗大，并存在气孔、缩松、非金属不均匀，晶粒较粗大，并存在气孔、缩松、非金属夹杂物等缺陷。铸锭经热塑性加工后，获得细化的夹杂物等缺陷。铸锭经热塑性加工后，获得细化的再结晶组织，气孔、缩松压合在一起，金属更加致再结晶组织，

37、气孔、缩松压合在一起，金属更加致密，力学性能有很大提高。密，力学性能有很大提高。51 3.3.5 金属纤维组织及其应用金属纤维组织及其应用 铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿铸锭在压力加工中产生塑性变形时，基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们都将沿着变形方向被拉长，晶界分布的杂质形状都发生了变形，它们都将沿着变形方向被拉长，呈纤维形状。这种结构叫纤维组织。呈纤维形状。这种结构叫纤维组织。金属的回复和再结晶示意图金属的回复和再结晶示意图52 纤维组织使金属在性能上具有了方向性，对金纤维组织使金属在性能上具有了方向性，对金属变形后的质量也有影响。纤维组织越

38、明显，金属属变形后的质量也有影响。纤维组织越明显，金属在纵向在纵向(平行纤维方向平行纤维方向)上塑性和韧性提鬲，而在横上塑性和韧性提鬲，而在横向向(垂直纤维方向垂直纤维方向)上塑性和韧性降低。纤维组织的上塑性和韧性降低。纤维组织的明显程度与金属的变形程度有关。变形程度越大，明显程度与金属的变形程度有关。变形程度越大，纤维组织越明显。压力加工过程中，常用锻造比纤维组织越明显。压力加工过程中，常用锻造比(y)来表示变形程度。来表示变形程度。拔长时的锻造比为拔长时的锻造比为 y拔拔=A。A 镦粗时的锻造比为镦粗时的锻造比为 y镦镦=H。H式中：式中：H。、A。分别为坯料变形前的高度和横分别为坯料变形

39、前的高度和横 截面积；截面积；H、A分别为坯料变形后的高度和横截面积。分别为坯料变形后的高度和横截面积。53 纤维组织的稳定性很高，不能用热处理方法加纤维组织的稳定性很高，不能用热处理方法加以消除。只有经过锻压使金属变形，才能改变其方以消除。只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。因此，为了获得具有最好力学性能的零向和形状。因此，为了获得具有最好力学性能的零件，在设计和制造零件时，都应使零件在工作中产件，在设计和制造零件时，都应使零件在工作中产生的最大正应力方向与纤维方向重合，最大切应力生的最大正应力方向与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直。并使纤维分布与零件的轮廓方向与纤维方向

40、垂直。并使纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量使纤维组织不被切断。相符合，尽量使纤维组织不被切断。例如，当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，例如，当采用棒料直接经切削加工制造螺钉时，螺钉头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受螺钉头部与杆部的纤维被切断，不能连贯起来，受力时产生的切应力顺着纤维方向，故螺钉的承载能力时产生的切应力顺着纤维方向，故螺钉的承载能力较弱力较弱(图图37a)。当采用同样棒料经局部镦粗方法。当采用同样棒料经局部镦粗方法制造螺钉时制造螺钉时(图图37b)，则纤维不被切断，连贯性好，则纤维不被切断，连贯性好，纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。纤维方向也较为有利，故螺钉质量较好。

41、54 图图 3-7 不同工艺方法对纤维组织形状的影响不同工艺方法对纤维组织形状的影响553.4 塑性加工性能及其指标塑性加工性能及其指标3.4.1 塑性加工性能及其指标塑性加工性能及其指标3.4.2 塑性加工性能的影响因素塑性加工性能的影响因素56金属金属的塑性加工性能是指衡量金属材料通过塑性加工的塑性加工性能是指衡量金属材料通过塑性加工获得优质零件的难易程度。塑性加工性能常用金属的获得优质零件的难易程度。塑性加工性能常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。塑性和变形抗力来综合衡量。金属的塑性指金属材料在外力作用下发生永久性变形金属的塑性指金属材料在外力作用下发生永久性变形而又不破坏其完整性的能力

42、。常用截面收缩率、延伸而又不破坏其完整性的能力。常用截面收缩率、延伸率和冲击韧度等指标表示。变形抗力指变形过程中金率和冲击韧度等指标表示。变形抗力指变形过程中金属抵抗外力的能力。属抵抗外力的能力。3.4.1 塑性加工性能及其指标塑性加工性能及其指标57(1)金属的本质金属的本质 1)化学成分的影响化学成分的影响 不同化学成分的金属其可锻性不同。一般情况下，纯金不同化学成分的金属其可锻性不同。一般情况下，纯金属的可锻性比合金好；碳钢的含碳量越低，可锻性越好；属的可锻性比合金好；碳钢的含碳量越低，可锻性越好；钢中含有形成碳化物的元素钢中含有形成碳化物的元素(如铬、钼、钨、钒等如铬、钼、钨、钒等)时

43、，其时，其可锻性显著下降。可锻性显著下降。2)金属组织的影响金属组织的影响 金属内部的组织结构不同，其可锻性有很大差别。纯金金属内部的组织结构不同，其可锻性有很大差别。纯金属及固溶体属及固溶体(如奥氏体如奥氏体)的可锻性好，而碳化物的可锻性好，而碳化物(如渗碳体如渗碳体)的可锻性差。铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而的可锻性差。铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好。又均匀的组织的可锻性好。3.4.2 塑性加工性能的影响因素塑性加工性能的影响因素58(2)加工条件加工条件 1)变形温度的影响变形温度的影响 提高金属变形时的温度，是改善金属可锻性的有提高金属变形时的温度

44、，是改善金属可锻性的有效措施，并对生产率、产品质量及金属的有效利用效措施，并对生产率、产品质量及金属的有效利用等均有极大的影响。等均有极大的影响。金属在加热中，随温度的升高、金属原子的运金属在加热中，随温度的升高、金属原子的运动能力增强动能力增强(热能增加，处于极为活泼的状态中热能增加，处于极为活泼的状态中)，很容易进行滑移，因而塑性提高，变形抗力降低，很容易进行滑移，因而塑性提高，变形抗力降低，可锻性明显改善，更加适宜进行压力加工。但温度可锻性明显改善，更加适宜进行压力加工。但温度过高，对钢而言，必将产生过热、过烧、脱碳和严过高，对钢而言，必将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷，甚至使锻件

45、报废，所以应该重氧化等缺陷，甚至使锻件报废，所以应该 严格严格控制锻造温度。控制锻造温度。锻造温度范围系指始锻温度锻造温度范围系指始锻温度(开始锻造的温度开始锻造的温度)和终锻温度和终锻温度(停止锻造的温度停止锻造的温度)间的温度区间。间的温度区间。59 锻造温度范锻造温度范围的确定以合金围的确定以合金状态图为依据。状态图为依据。碳钢的锻造温度碳钢的锻造温度范围如图范围如图38所所示，其始锻温度示，其始锻温度比比AE线低线低200左右，终锻温度左右，终锻温度为为800左右。终左右。终锻温度过低，金锻温度过低，金属的可锻性急剧属的可锻性急剧变差，使加工难变差，使加工难于进行，若强行于进行，若强行

46、锻造，将导致锻锻造，将导致锻件破裂报废。件破裂报废。图图 3-8 碳钢的锻造温度范围碳钢的锻造温度范围60 2)变形速度的影响变形速度的影响 变形速度即单位时间的变形程度。它对可锻性变形速度即单位时间的变形程度。它对可锻性的影响是矛盾的，一方面随着变形速度的增大，回的影响是矛盾的，一方面随着变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服冷变形强化现象，金属则复和再结晶不能及时克服冷变形强化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大表现出塑性下降、变形抗力增大(图图39中。点以中。点以左左)，可锻性变差。另一方面，金属在变形过程中，可锻性变差。另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化

47、为热能消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能(称为称为热效应现象热效应现象)，改善着变形条件。变形速度越大，改善着变形条件。变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降下降(图图39中中d点以右点以右)，可锻性变得更好。但这，可锻性变得更好。但这种热效应现象除在高速锤等设备的锻造中较明显外，种热效应现象除在高速锤等设备的锻造中较明显外，一般压力加工的变形过程中，因变形速度低，不易一般压力加工的变形过程中，因变形速度低，不易出现。出现。61 图图 3-9 变形速度对塑性及变形抗力的影响变形速度对塑性及变形抗力的影响 1变形抗力影响；变

48、形抗力影响；2塑性变化曲线塑性变化曲线62 3)应力状态的影响应力状态的影响 金属在经受不同方法变形时，所产生的应力性质金属在经受不同方法变形时，所产生的应力性质(压压应力或拉应力应力或拉应力)和大小是不同的。例如，挤压变形时为三和大小是不同的。例如，挤压变形时为三向受压状态。而拉拔时则为两向受压、一向受拉的状态。向受压状态。而拉拔时则为两向受压、一向受拉的状态。图图 3-10 挤挤压压时时金金属属应应力力状状态态63 图图 3-11 拉拔时金属应力状态拉拔时金属应力状态64 实践证明，三个方向的应力中，压应力的数目越多，实践证明，三个方向的应力中，压应力的数目越多，则金属的塑性越好；拉应力的

49、数目越多，则金属的塑性越则金属的塑性越好；拉应力的数目越多，则金属的塑性越差。同号应力状态下引起的变形抗力大差。同号应力状态下引起的变形抗力大 于异号应力状态下的变形抗力。拉应力使金属原子间于异号应力状态下的变形抗力。拉应力使金属原子间距增大，尤其当金属的内部存在气孔、微裂纹等缺陷时，距增大，尤其当金属的内部存在气孔、微裂纹等缺陷时，在拉应力作用下，缺陷处易产生应力集中，使裂纹扩展，在拉应力作用下，缺陷处易产生应力集中，使裂纹扩展，甚至达到破坏报废的程度。压应力使金属内部原子间距离甚至达到破坏报废的程度。压应力使金属内部原子间距离减小，不易使缺陷扩展，故金属的塑性会增高。但压应力减小，不易使缺陷扩展，故金属的塑性会增高。但压应力使金属内部摩擦阻力增大，变形抗力亦随之增大。使金属内部摩擦阻力增大，变形抗力亦随之增大。综上所述，金属的可锻性既取决于金属的本质，又取决综上所述，金属的可锻性既取决于金属的本质，又取决 于变形条件。在压力加工过程中，应力求创造最有利的变于变形条件。在压力加工过程中，应力求创造最有利的变形条件，充分发挥金属的塑性，降低变形抗力，使功耗最形条件，充分发挥金属的塑性，降低变形抗力，使功耗最少，变形进行得充分，达到加工目的。少，变形进行得充分，达到加工目的。65