資源簡介

第二章 金屬的塑性變形與再結(jié)晶
【重點(diǎn)內(nèi)容】1. 金屬塑性變形本質(zhì)；
　　　　　　2. 冷塑性變形對(duì)金屬材料的的組織和性能的影響；
3. 經(jīng)冷變形的金屬，在加熱時(shí)的組織和性能的變化；
4.冷加工與熱加工的區(qū)別；
【本章難點(diǎn)】加工硬化現(xiàn)象，回復(fù)和再結(jié)晶現(xiàn)象，細(xì)晶粒鋼強(qiáng)度高、塑性好的原因。
【基本要求】1.了解金屬的塑性變形的過程；
　　　　　　2.掌握加工硬化現(xiàn)象；
　　　　　　3.熟悉冷變形金屬在加熱過程中組織與性能的變化；
　　　　　　4.掌握冷變形與熱變形的區(qū)別。
§1金屬的塑性變形
【什么是塑性變形】
金屬或合金在外力作用下，都能或多或少地發(fā)生變形，去除外力后，永遠(yuǎn)殘留的那部分變形叫塑性變形。
生產(chǎn)中常利用塑性變形對(duì)金屬材料進(jìn)行壓力加工；金屬的塑性變形可分為冷塑性變形和熱塑性變形兩大章，在這章里我們主要講金屬的冷塑性變形。
【金屬單晶體的塑性變形】
大家都知道實(shí)際金屬材料都為多晶體，為了解多晶體金屬材料的塑性變形過程，不防先看一下單晶體是怎樣發(fā)生塑性變形的。
金屬單晶體的塑性變形有“滑移”與“孿生”等不同方式，但一般大多數(shù)情況下都是以滑移方式進(jìn)行的。下面我們具體看一下單晶體塑性變形的基本方式——滑移。
（一）滑移的表象：
發(fā)生了滑移的金屬試樣從表面上看是什么樣？
圖2-1 滑移
如果將一個(gè)單晶體金屬試樣表面拋光后，經(jīng)過伸長變形，再在光學(xué)顯微鏡下觀察，可以看到試樣表面出現(xiàn)許多條紋，這些條紋就是晶體在切應(yīng)力的作用下，一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）滑移產(chǎn)生的臺(tái)階，這些條紋稱為“滑移線”，
在更高倍的電子顯微鏡下觀察，一個(gè)滑移臺(tái)階實(shí)際上是一束滑移線群的集合體，稱為“滑移帶”。同時(shí)還能看到滑移帶在晶體上的分布是不均勻的。
所以說，單晶體變形時(shí)，滑移只在晶體內(nèi)有限的晶面上進(jìn)行，是不均勻的。因此單晶體金屬的塑性變形在表面上看出現(xiàn)了一系列的滑移帶，其塑性變形就是眾多大小不同的滑移帶的綜合效果在宏觀上的體現(xiàn)。
（二）滑移的機(jī)理：
前面分析已經(jīng)知道，晶體的塑性變形是晶體內(nèi)相鄰部分滑移的綜合表現(xiàn)。但晶體內(nèi)相鄰兩部分之間的相對(duì)滑移，不是滑移面兩側(cè)晶體之間的整體剛性滑動(dòng)，而是由于晶體內(nèi)存在位錯(cuò)，因位錯(cuò)線兩側(cè)的原子偏離了平衡位置，這些原子有力求達(dá)到到平衡的趨勢(shì)。當(dāng)晶體受外力作用時(shí)，位錯(cuò)（刃型位錯(cuò)）將垂直于受力方向，沿著一定的晶面和一定的晶向一格一格地逐步移動(dòng)到晶體的表面，形成一個(gè)原子間距的滑移量。一個(gè)滑移帶就是上百個(gè)或更多位錯(cuò)移動(dòng)到晶體表面所形成的臺(tái)階。
圖2-2 滑移機(jī)理示意圖
（三）晶體的滑移面、滑移方向及滑移系：
前面的分析知道，晶體上的滑移帶分布是不均勻的，即塑性變形時(shí)，位錯(cuò)只沿一定的晶面和一定的晶向移動(dòng)，（并不是沿所有的晶面和晶向都能移動(dòng)的），這些一定的晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向，并且這些晶面和晶向都是晶體中的密排面和密排方向，因?yàn)槊芘琶嬷g和密排方向之間的原子間距最大，其原子之間的結(jié)合力最弱，所以在外力作用下最易引起相對(duì)的滑動(dòng)。不同金屬的晶體結(jié)構(gòu)不同，其滑移面和滑移方向的數(shù)目和位向不同，一個(gè)滑移面和在這個(gè)滑移面上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)“滑移系”，所以不同晶體結(jié)構(gòu)的金屬，其滑移系的數(shù)目不同，如體心立方12個(gè)，面心立方12個(gè)，密排六方12，且滑移系的數(shù)目越多則金屬的塑性愈好，反之滑移系數(shù)愈少，塑性不好，且相同滑移系數(shù)目相同時(shí)，滑移方向數(shù)越多，越易滑移，塑性越好。
每種晶體中都有不止一個(gè)的滑移系，受力以后哪個(gè)滑移系先滑動(dòng)呢？研究表明，只有與外力接近45°取向的滑移系，才具有較大的切應(yīng)力，這樣的滑移系在外力作用下易于優(yōu)先產(chǎn)生滑移，通常把這種處于有利的滑移位向稱為“軟取向”，反之，遠(yuǎn)離45°的滑移系稱為“硬取向”。
（四）晶體在滑移過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)
單晶體試樣在拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)（如圖2-3），除了沿滑移面產(chǎn)生滑移外，晶體還會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)榫w在拉伸過程，當(dāng)滑移面上、下兩部分發(fā)生微小滑移時(shí)，試樣兩端的拉力不再處于同一直線上，于是在滑移面上形成一力偶，使滑移面產(chǎn)生以外力方向?yàn)檗D(zhuǎn)向，趨向于與外力平行的轉(zhuǎn)動(dòng)。
可見在滑移過程中，由于晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)，晶體的位向會(huì)發(fā)生變化，原來處于軟取向滑移系，逐漸轉(zhuǎn)向硬取向，使滑移困難，這種現(xiàn)象“取向硬化”，相反，原來的硬向的滑移系，將逐步趨于軟位向，易于滑移，稱為“取向軟化”。可見在滑移過程中“取向軟化”和“取向硬化”是同時(shí)進(jìn)行的。
【多晶體金屬的塑性變形】
工程上使用的金屬材料大多為位向、形狀、大小不同的晶粒組成的多晶體，因此多晶體的變形是許多單晶體變形的綜合作用的結(jié)果。多晶體內(nèi)單晶體的變形仍是以滑移和孿生兩種方式進(jìn)行的，但由于位向不同的晶粒是通過晶界結(jié)合在一起的，晶粒的位向和晶界對(duì)變形有很大的影響，所以多晶體的塑性變形較單晶體復(fù)雜。
多晶體金屬的塑性變形與單晶體比較，并無本質(zhì)的差別，即每個(gè)晶粒的塑性變形仍以滑移等方式進(jìn)行。但由于晶界的存在和每個(gè)晶粒中晶格位向不同，故在多晶體中的塑性變形比單晶體復(fù)雜得多。
1. 晶界和晶粒位向的影響
圖2-4 拉伸試樣變形示意圖
有人利用僅由兩個(gè)晶粒構(gòu)成的試樣來進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，經(jīng)過變形后會(huì)出現(xiàn)明顯的所謂“竹節(jié)”現(xiàn)象（如圖2-4），即試樣在遠(yuǎn)離夾頭和晶界的晶粒中部會(huì)出現(xiàn)明顯的縮頸，而在晶界附近則難以變形。該明晶界附近變形抗力大。原因在于晶界附近為兩晶粒晶格位向的過渡之處，晶格排列紊亂，加之該處的雜質(zhì)原子也往往較多，也增大其晶格畸變，因而使該處在滑移時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力較大，難以發(fā)生變形。此外，不僅晶界的存在會(huì)增大滑移抗力，而且因多晶體中各晶粒晶格位向的不同，也會(huì)增大其滑移抗力，因?yàn)槠渲腥我痪Я５幕贫急厝粫?huì)受到它周圍不同晶格位向晶粒的約束和障礙，各晶粒必須相互協(xié)調(diào)，相互適應(yīng)，才能發(fā)生變形。因此多晶體金屬的變形抗力總是高于單晶體。
可見，金屬的塑性變形抗力，不僅與其原子間的結(jié)合力有關(guān)，而且還與金屬的晶粒度有關(guān)，即金屬的晶粒愈細(xì)，金屬的強(qiáng)度便愈高。因?yàn)榻饘俚木ЯＳ?xì)，其晶界總面積愈大，每個(gè)晶粒周圍不同取向的晶粒數(shù)便愈多，對(duì)塑性變形的抗力也愈大。
此外，金屬的晶粒愈細(xì)不僅強(qiáng)度愈高，而且塑性與韌性也較高，因?yàn)榫ЯＳ?xì)，金屬單位體積中的晶粒數(shù)便越多，變形時(shí)同樣的變形量使可分散在更多的晶粒中發(fā)生，產(chǎn)生較均勻的變形，而不致造成局部的應(yīng)力集中，引起裂紋的過早產(chǎn)生和發(fā)展，因此，在工業(yè)上通過壓力加工和熱處理使金屬獲得細(xì)而均勻的晶粒，是目前提高金屬材料性能的有效途徑之一。
2. 多晶體金屬的變形過程
多晶體金屬在外力的作用下，處于軟取向的晶粒優(yōu)先產(chǎn)生滑移變形，處于硬取向的相鄰晶粒尚不能滑移變形，只能以彈性變形相平衡。由于晶界附近點(diǎn)陣畸變和相鄰晶粒位向的差異，使變形晶粒中位錯(cuò)移動(dòng)難以穿過晶界傳到相鄰晶粒，致使位錯(cuò)在晶界處塞積。只有進(jìn)一步增大外力變形才能繼續(xù)進(jìn)行。隨著變形加大，晶界處塞積的位錯(cuò)數(shù)目不斷增多，應(yīng)力集中也逐漸提高。當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度后，相鄰晶粒中的位錯(cuò)源開始滑移，變形就從一批晶粒擴(kuò)展到另一批晶粒。同時(shí)，一批晶粒在變形過程中逐步由軟取向轉(zhuǎn)動(dòng)到硬取向，其變形愈來愈困難，另一批晶粒又從硬取向轉(zhuǎn)動(dòng)到軟取向，參加滑移變形。
所以，多晶體的塑性變形，是在各晶?；ハ嘤绊懀ハ嘀萍s的條件下，從少量晶粒開始，分批進(jìn)行，逐步擴(kuò)大到其它晶粒，從不均勻的變形逐步發(fā)展到均勻的變形。
【冷塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響】
經(jīng)過塑性變形，可使金屬的組織和性能發(fā)生一系列重大的變化，這些變化大致可以分為如下四個(gè)方面。
晶粒沿變形方向拉長，性能趨于各向異性
經(jīng)過塑性變形，隨著金屬外形的變化，其內(nèi)部的晶粒形狀也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，即隨著金屬外形的壓扁或拉長，其內(nèi)部晶粒的形狀也會(huì)被壓扁或拉長，一般大致與金屬外形的改變成比例，當(dāng)變形量很大時(shí)，各晶粒將會(huì)被拉長成為細(xì)條狀或纖維狀，晶界變得模糊不清，此時(shí)，金屬的性能將會(huì)具有明顯的方向性，如縱向的強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)大于橫向等，這種組織通常叫做“纖維組織”。
（二）晶粒破碎，位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生加工硬化
隨著變形的增加，晶粒逐漸被拉長，直至破碎，這樣使各晶粒都破碎成細(xì)碎的亞晶粒，變形愈大，晶粒破碎的程度愈大，亞晶界的量便愈多，亞晶界又是由刃型位錯(cuò)組成的位錯(cuò)墻，這樣使位錯(cuò)密度顯著增加；同時(shí)細(xì)碎的亞晶粒也隨著晶粒的拉長而被拉長。因此，隨著變形量的增加，由于晶粒破碎和位錯(cuò)密度的增加，金屬的塑性變形抗力將迅速增大，即強(qiáng)度和硬度顯著提高，而塑性和韌性下降產(chǎn)生所謂“加工硬化”現(xiàn)象。（P57－圖2-56）。
金屬的加工硬化現(xiàn)象會(huì)給金屬的進(jìn)一步加工帶來困難，如鋼板在冷軋過程中會(huì)越軋?jiān)接玻灾伦詈筌埐粍?dòng)。另一方面人們可以利用加工硬化現(xiàn)象，來提高金屬強(qiáng)度和硬度，如冷拔高強(qiáng)度鋼絲就是利用冷加工變形產(chǎn)生的加工硬化來提高鋼絲的強(qiáng)度的。
（三）織構(gòu)現(xiàn)象的產(chǎn)生
隨著變形的發(fā)生，不僅金屬中的晶粒會(huì)被破碎拉長，而且各晶粒的晶格位向也會(huì)沿著變形的方向同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)果金屬中每個(gè)晶粒的晶格位向趨于大體一致，即出現(xiàn)了所謂“織構(gòu)現(xiàn)象”。由于織構(gòu)現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)使金屬的性能發(fā)生怎樣的變化呢？
單晶體金屬：晶格取向一致，各個(gè)晶面和晶向上的原子排列不盡相同，使得沿各不同排列的晶面和晶向上的晶體性能不同，具有“各向異性”的特點(diǎn)。
多晶體金屬：由許多不同取向的小晶體（晶粒）組成，雖然每個(gè)晶粒具有“各向異性”的特點(diǎn)，但在整個(gè)多晶體的性能就是不同取向的晶粒性能的綜合表現(xiàn)，不具備“各向異性”的特點(diǎn)，各個(gè)方向上性能相同。
由于織構(gòu)現(xiàn)象的產(chǎn)生，使多晶體金屬出現(xiàn)了晶格取向趨于大體一致的現(xiàn)象—導(dǎo)致出現(xiàn)各向異性的特點(diǎn)，這在大多數(shù)情況下都是不利的，而且變形織構(gòu)甚至在退火時(shí)也難以消除。
（四）殘余內(nèi)應(yīng)力
在冷壓力加工過程中由于材料各部分的變形不均勻或晶粒內(nèi)各部分和各晶粒間的變形不均勻，金屬內(nèi)部會(huì)形成殘余的內(nèi)應(yīng)力，這在一般情況下都是不利的，會(huì)引起零件尺寸不穩(wěn)定，如冷軋鋼板在軋制中就經(jīng)常會(huì)因變形不均勻所殘留的內(nèi)應(yīng)力使鋼板發(fā)生翹曲等等。此外，殘余內(nèi)應(yīng)力還會(huì)使金屬的耐腐蝕性能降低，所以金屬在塑性變形之后，通常都要進(jìn)行退火處理，以消除殘余內(nèi)應(yīng)力。
§2回復(fù)與再結(jié)晶
【冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能的變化】
在冷變形金屬中，由于晶粒破碎拉長及位錯(cuò)等晶格缺陷大量增加，使其內(nèi)能升高，處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，故一旦對(duì)其進(jìn)行加熱造成一定的原子活動(dòng)能力的條件，就必然會(huì)發(fā)生一系列的組織和性能的變化。
通常將冷變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化分為三個(gè)階段
1 回復(fù)階段
即在加熱溫度較低時(shí)，原子的活動(dòng)能力不大，這時(shí)金屬的晶粒大小和形狀沒有明顯的變化，只是在晶內(nèi)發(fā)生點(diǎn)缺陷的消失以及位錯(cuò)的遷移等變化，因此，這時(shí)金屬的強(qiáng)度、硬度和塑性等機(jī)械性能變化不大，而只是使內(nèi)應(yīng)力及電阻率等性能顯著降低。
因此對(duì)冷變形金屬進(jìn)行的這種低溫加熱退火只能用在保留加工硬化而降低內(nèi)應(yīng)力改善其它的物理性能的場(chǎng)合。
比如冷拔高強(qiáng)度鋼絲，利用加工硬化現(xiàn)象產(chǎn)生的高強(qiáng)度，此外，由于殘余內(nèi)應(yīng)力對(duì)其使用有不利的影響，所以采用低溫退火以消除殘余應(yīng)力。
2 再結(jié)晶
通過回復(fù)，雖然金屬中的點(diǎn)缺陷大為減少，晶格畸變有所降低，但整個(gè)變形金屬的晶粒破碎拉長的狀態(tài)仍未改變，組織仍處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)它被加熱到較高的溫度時(shí)，原子也具有較大的活動(dòng)能力，使晶粒的外形開始變化。從破碎拉長的晶粒變成新的等軸晶粒。和變形前的晶粒形狀相似，晶格類型相同，把這一階段稱為“再結(jié)晶”。
再結(jié)晶過程同樣是通過形核和長大兩個(gè)過程進(jìn)行的，首先在變形晶粒的晶界處或變形最強(qiáng)烈的晶粒中的滑移帶上形成晶核，然后通過晶核逐漸長大，變形晶粒消失，再結(jié)晶過程結(jié)束。
再結(jié)晶過程中，隨著溫度升高，金屬的顯微組織不斷變化，因而其性能也發(fā)生相應(yīng)變化，硬度降低，塑性、韌性升高。再結(jié)晶結(jié)束后，金屬中內(nèi)應(yīng)力全部消除，顯微組織恢復(fù)到變形前的狀態(tài)，其所有性能也恢復(fù)到變形前的數(shù)值，消除了加工硬化。所以再結(jié)晶退火主要用于金屬在變形之后或在變形的過程中，使其硬度降低，塑性長高，便于進(jìn)一步加工。
3 晶粒長大
再結(jié)晶結(jié)束后，若在繼續(xù)升高溫度或延長加熱時(shí)間，便會(huì)出現(xiàn)大晶粒吞并小晶粒的現(xiàn)象，即晶粒長大，晶粒長大對(duì)材料的機(jī)械性能極不利，強(qiáng)度、塑性、韌性下降。且塑性與韌性下降的更明顯。
為了保證變形金屬的再結(jié)晶退火質(zhì)量，獲得細(xì)晶粒，有必要了解影響再結(jié)晶晶粒大小的因素。
【影響再結(jié)晶粒大小的因素】
影響因素重要有：變形度、加熱溫度和時(shí)間、成分、雜質(zhì)、原始的晶粒度等。這里重點(diǎn)討論加熱溫度和變形度的影響。
1 變形度影響
當(dāng)變形量很小時(shí)，由于晶格畸變很小，不足以引起再結(jié)晶，故加熱時(shí)無再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒度仍保持原來的大小，當(dāng)變形度達(dá)到某一臨界值時(shí)，由于此時(shí)金屬中只有部分晶粒變形，變形極不均勻，再結(jié)晶晶核少，且晶粒極易相互吞并長大，因而再結(jié)晶后晶粒粗大，這變形度即為臨界變形度，當(dāng)變形度大于臨界變形度時(shí)，隨變形量的增加，越來越多的晶粒發(fā)生了變形，變形愈趨均勻，晶格畸變大，再結(jié)晶的晶核多，再結(jié)晶后晶粒愈來愈細(xì)，可見冷壓加工應(yīng)注意避免在臨界變形度范圍內(nèi)加工，以免再結(jié)晶后產(chǎn)生粗晶粒。
圖2-5 變形度對(duì)晶粒大小的影響
2 退火溫度的影響
再結(jié)晶是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，若溫度過低不能發(fā)生再結(jié)晶；若溫度過高，則會(huì)發(fā)生晶粒長大，因此要獲得細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，必須在一個(gè)合適的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行加熱。
實(shí)驗(yàn)表明，每種金屬都有一最低的再結(jié)晶溫度，T再，它和熔點(diǎn)之間存在如下大致關(guān)系：
T再=0.4T熔 T：熱力學(xué)溫度
再結(jié)晶退火溫度必須在T再以上，生產(chǎn)上實(shí)際使用的再結(jié)晶溫度通常是比T再高150~250℃，這樣就既可保證完全再結(jié)晶，又不致使晶粒粗化。
將這兩個(gè)影響因素畫在立體坐標(biāo)中，得到一“再結(jié)晶全圖”，便可以根據(jù)它來確定再結(jié)晶退火的工藝參數(shù)。
【熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響】
熱加工：將金屬加熱到再結(jié)晶強(qiáng)度以上一定溫度進(jìn)行壓力加工。
在熱加工中將同時(shí)發(fā)生加工硬化和再結(jié)晶軟化兩個(gè)過程。
再結(jié)晶溫度是熱加工與冷加工的分界線，高于再結(jié)晶溫度的壓力加工是熱加工，低于再結(jié)晶溫度的壓力加工是冷加工。比如，鋼的再結(jié)晶溫度一般是600～700℃，在500℃對(duì)鋼進(jìn)行壓力加工為冷加工，而鉛和錫的再結(jié)晶溫度在0℃以下，所以在室溫的壓力加工便是熱壓力加工。
熱加工也會(huì)使鋼的組織和性能發(fā)生很大的變化
（1）通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的氣孔焊合，從而使其致密度得以提高。
（2）通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的枝晶和柱狀晶破碎，從而使晶粒細(xì)化，機(jī)械性能提高。
（3）通過熱加工，可使鑄態(tài)金屬中的枝晶偏析和非金屬夾雜分布發(fā)生改變，使它們沿著變形的方向細(xì)碎拉長，形成熱壓力加工“纖維組織”（流線），使縱向的強(qiáng)度、塑性和韌性顯著大于橫向。且如果合理利用熱加工流線，盡量使流線與零件工作時(shí)承受的最大拉應(yīng)力方向一致，而與外加切應(yīng)力或沖擊力相垂直，可提高零件使用壽命?？梢娡ㄟ^熱加工可使鑄態(tài)金屬的組織和性能得到一系列重大的改善。因此工業(yè)上凡受力復(fù)雜，負(fù)荷較大的重要工件大多數(shù)要經(jīng)過熱加工的方式來制造。
但是也一定要注意熱加工的工藝，工藝不當(dāng)會(huì)帶來不利的影響，如加工的溫度過高，晶粒粗大，若溫度過低，引起加工硬化殘余內(nèi)應(yīng)力等，還會(huì)形成帶狀組織使性能變壞。
【作業(yè)題】 1. 產(chǎn)生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金屬加工中有什么利弊？
2. 金屬經(jīng)冷塑性變形后，組織和性能發(fā)生什么變化？
PAGE
2
-

展開更多......

收起↑