第4章金属的塑性变形与再结晶 教学提示:在机械制造中,广泛采用轧制、锻造、冲击、冷压与冷镦等成形工艺,各 种压力加工方法都应使金属材料按预定的要求进行塑性变形,以使其内部的组织和结构发 生变化,从而达到不同的性能指标。塑性变形是强化金属的重要手段。变形后的金属在加 热时发生回复和再结晶,进一步影响工件最终的组织及性能。研究金属材料塑性变形及再 结晶过程,有助于深入理解变形加工过程中组织演变规律及各种力学性能变化的本质,在生 产实践中充分发挥金属材料的强度潜力,为确定合适的压力加工工艺和退火工艺提供依据。 教学要求:本章内容主要是让学生了解金属塑性变形的实质以及塑性变形的主要方式。 熟悉金属塑性变形后的组织结构与性能之间的变化规律,以及变形金属在加热过程中组织 结构和性能变化的特点。掌握加工硬化的概念及其实际应用;掌握热加工工艺过程中控轧 控冷的意义及最新进展 4.1单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形的基本方式有两种:滑移和孪生 11滑移变形 所谓滑移变形,是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对滑动 位移的现象。 将一个表面经过抛光的纯锌单晶进行拉伸试验,在试样的表面上出现了许多互相平行 的倾斜线条痕迹,称为滑移带,如图4.1所示。 六方底面 (a)变形前试样 b)变形后试样 图41锌单晶体拉伸试验示意图
第 4 章 金属的塑性变形与再结晶 教学提示：在机械制造中，广泛采用轧制、锻造、冲击、冷压与冷镦等成形工艺，各 种压力加工方法都应使金属材料按预定的要求进行塑性变形，以使其内部的组织和结构发 生变化，从而达到不同的性能指标。塑性变形是强化金属的重要手段。变形后的金属在加 热时发生回复和再结晶，进一步影响工件最终的组织及性能。研究金属材料塑性变形及再 结晶过程，有助于深入理解变形加工过程中组织演变规律及各种力学性能变化的本质，在生 产实践中充分发挥金属材料的强度潜力，为确定合适的压力加工工艺和退火工艺提供依据。 教学要求：本章内容主要是让学生了解金属塑性变形的实质以及塑性变形的主要方式。 熟悉金属塑性变形后的组织结构与性能之间的变化规律，以及变形金属在加热过程中组织 结构和性能变化的特点。掌握加工硬化的概念及其实际应用；掌握热加工工艺过程中控轧 控冷的意义及最新进展。 4.1 单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形的基本方式有两种：滑移和孪生。 4.1.1 滑移变形 所谓滑移变形，是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对滑动 位移的现象。 将一个表面经过抛光的纯锌单晶进行拉伸试验，在试样的表面上出现了许多互相平行 的倾斜线条痕迹，称为滑移带，如图 4.1 所示。 (a)变形前试样 (b)变形后试样 图 4.1 锌单晶体拉伸试验示意图
74 金属学与热处理 滑移变形有如下特点: (1)滑移变形只能在切应力作用下才会发生,不同金属产生滑移的最小切应力(称滑移 临界切应力)大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。 (2)滑移变形是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿 滑移面作整体的相对滑移,而是通过位错的运动来实现的。如图42所示,在切应力作用 下,一个多余半原子面从晶体一侧逐步运动到另一侧,即位错自左向右移动时,晶体就产 生滑移变形。 辑: 图42位错运动引起的滑移变形 (3)由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量,因此晶体发生的总变形 量一定是这个方向上的原子间距整数倍。 (4)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,这是由于密排面之间、密排方向之间的距离最大,结合力最弱。因此滑移面为该 晶体的密排面,滑移方向为该晶体的密排方向。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成 滑移系。如体心立方晶格中,(10)和[1即组成一个滑移系。三种常见的晶格的滑移系 见表4-1。滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大,塑性就越好。滑移方向对滑移所起 的作用比滑移面大,所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好 表4-1金属不同晶格的滑移系 (110)(11 (111) 滑移面 晶格类型 滑移方向 密排六方 {110} {111} {0001} 滑糨面6个 4个 1个 1210 滑移方向 3个 个 滑移系数目6×2=12个 3=12个 (5)滑移变形时晶体伴随有转动。如图4.3所示,在拉伸时,单晶体发生滑移,外力轴 将发生错动,产生一力偶,迫使滑移面向拉伸轴平行方向转动。同时晶体还会以滑移面的 法线为转轴转动,使滑移方向趋于最大切应力方向
·74· 金属学与热处理 ·74· 滑移变形有如下特点： (1) 滑移变形只能在切应力作用下才会发生，不同金属产生滑移的最小切应力(称滑移 临界切应力)大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。 (2) 滑移变形是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿 滑移面作整体的相对滑移，而是通过位错的运动来实现的。如图 4.2 所示，在切应力作用 下，一个多余半原子面从晶体一侧逐步运动到另一侧，即位错自左向右移动时，晶体就产 生滑移变形。 图 4.2 位错运动引起的滑移变形 (3) 由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量，因此晶体发生的总变形 量一定是这个方向上的原子间距整数倍。 (4) 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，这是由于密排面之间、密排方向之间的距离最大，结合力最弱。因此滑移面为该 晶体的密排面，滑移方向为该晶体的密排方向。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一 个滑移系。如体心立方晶格中，(110)和 ⎡111⎤ ⎣ ⎦ 即组成一个滑移系。三种常见的晶格的滑移系 见表 4-1。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。滑移方向对滑移所起 的作用比滑移面大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。 表 4-1 金属不同晶格的滑移系 晶格类型 滑移面 {110} 6 个 {111} 4 个 {0001} 1 个 滑移方向 2 个 3 个 12 10 3 个 滑移系数目 6×2=12 个 4×3=12 个 1×3=3 个 (5) 滑移变形时晶体伴随有转动。如图 4.3 所示，在拉伸时，单晶体发生滑移，外力轴 将发生错动，产生一力偶，迫使滑移面向拉伸轴平行方向转动。同时晶体还会以滑移面的 法线为转轴转动，使滑移方向趋于最大切应力方向
第4章金属的塑性变形与再结品 滑移方向 图43单晶体的滑移变形 4.12孪生变形 晶体在切应力作用下,其一部分将沿一定的晶面(孪晶面)产生一定角度的切变,称为 孪生(twin),其晶体学特征是晶体相对于孪晶面成镜面对称,如图44所示。以孪晶面为对 称面的两部分晶体称为孪晶。发生孪生变形的部分称为孪晶带。 孪晶带 孪生面 图44孪晶中的晶格位向变化 孪生与滑移不同,它只在一个方向上产生切变,是一个突变过程,孪晶的位向将发生 变化。孪生所产生的形变量很小,一般不一定是原子间距的整数倍。孪生萌发于局部应力 集中的地方,且孪生变形较滑移变形一次移动的原子较多,故其临界切应力远高于滑移所 需的切应力。例如镁的孪生临界切应力为5MPa~35MPa,而滑移临界切应力仅为0.5MPa 因此,只有在滑移变形难于进行时,才会产生孪生变形。一些具有密排六方结构的金属 由于滑移系少,特别是在不利于滑移取向时,塑性变形常以孪生变形的方式进行。而具有 面心立方晶格与体心立方晶格的金属则很少会发生孪生变形,只有在低温或冲击载荷下才 发生孪生变形
第 4 章 金属的塑性变形与再结晶 ·75· ·75· 图 4.3 单晶体的滑移变形 4.1.2 孪生变形 晶体在切应力作用下，其一部分将沿一定的晶面(孪晶面)产生一定角度的切变，称为 孪生(twin)，其晶体学特征是晶体相对于孪晶面成镜面对称，如图 4.4 所示。以孪晶面为对 称面的两部分晶体称为孪晶。发生孪生变形的部分称为孪晶带。 图 4.4 孪晶中的晶格位向变化 孪生与滑移不同，它只在一个方向上产生切变，是一个突变过程，孪晶的位向将发生 变化。孪生所产生的形变量很小，一般不一定是原子间距的整数倍。孪生萌发于局部应力 集中的地方，且孪生变形较滑移变形一次移动的原子较多，故其临界切应力远高于滑移所 需的切应力。例如镁的孪生临界切应力为 5MPa～35MPa，而滑移临界切应力仅为 0.5MPa。 因此，只有在滑移变形难于进行时，才会产生孪生变形。一些具有密排六方结构的金属， 由于滑移系少，特别是在不利于滑移取向时，塑性变形常以孪生变形的方式进行。而具有 面心立方晶格与体心立方晶格的金属则很少会发生孪生变形，只有在低温或冲击载荷下才 发生孪生变形
金属学与热处理 42多晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形与单晶体比较并无本质上的区别,即每个晶粒的塑性变形仍然以滑 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,多晶体的塑性变形要比单 晶体复杂得多,表现出以下不同于单晶体的特点 1.不均匀的塑性变形过程 由于每个晶粒的位向不相同,以致其内部的滑移面及滑移方向分布也不一致,因此在外 力作用下,各晶粒内滑移系上的分切应力也不相同,如图45所示。有些晶粒所处的位向能 使其内部的滑移系获得最大的分切应力,并将首先达到临界分切应力值而开始滑移。这些晶 粒所处的位向为易滑移位向,有称为“软位向”;还有 些晶粒所处的位向,只能使其内部滑移系获得的分切应 力最小,最难滑移,被称为“硬位向”。与单晶体塑性 变形一样,首批处于软位向的晶粒,在滑移过程中也要 发生转动。转动的结果,可能会导致从软位向逐步到硬 位向,使之不再继续滑移,而引起邻近未变形的硬位向 晶粒转动到“软位向”并开始滑移。由此可见,多晶体 的塑性变形,先发生于软位向晶粒,后发展到硬位向晶 粒,是一个塑性变形有先后和不均匀的塑性变形过程。 图45中的A、B、C示意了不同位向晶粒的滑移次序 2.晶粒间位向差阻碍滑移 图45多晶体金属中各晶粒所处位向 由于各相邻晶粒之间存在位向差,当一个晶粒发生塑性变形时,周围的晶粒如不发生 塑性变形就不能保持晶粒间的连续性,甚至造成材料出现孔隙或破裂。存在于晶粒间的这 种相互约束,必须有足够大的外力才能予以克服,即在足够大的外力下,能使某晶粒发生 滑移变形并能带动或引起其他相邻晶粒也发生相应的滑移变形。这就意味着増大了晶粒变 形的抗力,阻碍滑移的进行 3.晶界阻碍位错运动 晶界是相邻晶粒的过渡区,原子排列不规则。当位错运动到晶界附近时,受到晶界的 阻碍而堆积起来(即位错的塞积),如图46所示。若使变形继续进行,则必须增加外力,可 见晶界使金属的塑性变形抗力提高。图4.7所示为双晶粒试样的拉伸试验,在拉伸到一定 的伸长量后观察试样,发现在晶界处变形很小,而远离晶界的晶粒内变形量很大。这说明 晶界的变形抗力大于晶内 综上所述,金属的晶粒越细,晶界总面积越大,需要协调的具有不同位向的晶粒越多 其塑性变形的抗力便越大,表现出强度越高。另外,金属晶粒越细,在外力作用下,有利 于滑移和能参与滑移的晶粒数目也越多。由于一定的变形量会由更多的晶粒分散承担,不 致造成局部的应力集中,从而推迟了裂纹的产生,即使发生的塑性变形量很大也不致断裂, 表现出塑性的提高。在强度和塑性同时提高的情况下,金属在断裂前要消耗大量的功,因 而其韧性也比较好。这进一步表明了细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段
·76· 金属学与热处理 ·76· 4.2 多晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形与单晶体比较并无本质上的区别，即每个晶粒的塑性变形仍然以滑 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，多晶体的塑性变形要比单 晶体复杂得多，表现出以下不同于单晶体的特点。 1. 不均匀的塑性变形过程 由于每个晶粒的位向不相同，以致其内部的滑移面及滑移方向分布也不一致，因此在外 力作用下，各晶粒内滑移系上的分切应力也不相同，如图 4.5 所示。有些晶粒所处的位向能 使其内部的滑移系获得最大的分切应力，并将首先达到临界分切应力值而开始滑移。这些晶 粒所处的位向为易滑移位向，有称为“软位向”；还有 些晶粒所处的位向，只能使其内部滑移系获得的分切应 力最小，最难滑移，被称为“硬位向”。与单晶体塑性 变形一样，首批处于软位向的晶粒，在滑移过程中也要 发生转动。转动的结果，可能会导致从软位向逐步到硬 位向，使之不再继续滑移，而引起邻近未变形的硬位向 晶粒转动到“软位向”并开始滑移。由此可见，多晶体 的塑性变形，先发生于软位向晶粒，后发展到硬位向晶 粒，是一个塑性变形有先后和不均匀的塑性变形过程。 图 4.5 中的 A、B、C 示意了不同位向晶粒的滑移次序。 2. 晶粒间位向差阻碍滑移 由于各相邻晶粒之间存在位向差，当一个晶粒发生塑性变形时，周围的晶粒如不发生 塑性变形就不能保持晶粒间的连续性，甚至造成材料出现孔隙或破裂。存在于晶粒间的这 种相互约束，必须有足够大的外力才能予以克服，即在足够大的外力下，能使某晶粒发生 滑移变形并能带动或引起其他相邻晶粒也发生相应的滑移变形。这就意味着增大了晶粒变 形的抗力，阻碍滑移的进行。 3. 晶界阻碍位错运动 晶界是相邻晶粒的过渡区，原子排列不规则。当位错运动到晶界附近时，受到晶界的 阻碍而堆积起来(即位错的塞积)，如图 4.6 所示。若使变形继续进行，则必须增加外力，可 见晶界使金属的塑性变形抗力提高。图 4.7 所示为双晶粒试样的拉伸试验，在拉伸到一定 的伸长量后观察试样，发现在晶界处变形很小，而远离晶界的晶粒内变形量很大。这说明 晶界的变形抗力大于晶内。 综上所述，金属的晶粒越细，晶界总面积越大，需要协调的具有不同位向的晶粒越多， 其塑性变形的抗力便越大，表现出强度越高。另外，金属晶粒越细，在外力作用下，有利 于滑移和能参与滑移的晶粒数目也越多。由于一定的变形量会由更多的晶粒分散承担，不 致造成局部的应力集中，从而推迟了裂纹的产生，即使发生的塑性变形量很大也不致断裂， 表现出塑性的提高。在强度和塑性同时提高的情况下，金属在断裂前要消耗大量的功，因 而其韧性也比较好。这进一步表明了细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。 图 4.5 多晶体金属中各晶粒所处位向
第4章金属的塑性变形与再结品 晶界 (a)变形前 ⊥,⊥⊥⊥⊥⊥⊥⊥ 滑移面 滑移面 (b)变形后 图46位错在晶界处的堆积示意图 图4.7晶界对拉伸变形的影响 4.3金属的塑性变形对其组织和性能的影响 1.对组织结构的影响 1)显微组织呈现纤维状 金属发生塑性变形后,晶粒发生形变,原本等轴状的晶粒沿形变方向相应地被拉长或 压扁。当形变量很大时,晶粒变成细条状或纤维状,称之为纤维组织,如图48所示。这 种组织导致沿纤维方向的力学性能比垂直纤维方向的高得多。 图48变形前后晶粒形状变化示意图 2)组织内的亚晶粒增多 金属无塑性变形或塑性变形程度很小时,位错分布是均匀的。但在大量变形之后,由 于位错运动及位错间的交互作用,位错分布变得不均匀了,并使晶粒碎化成许多位向略有 差异的亚晶粒。在亚晶粒边界上聚集着大量位错,而其内部位错很少,如图49所示 拉丝方向 晶格较完整的亚晶块 0⊙吗0 (a)丝织构 轧制方向 严重畸变 (b)板织构 图49金属经变形后的亚结构 图4.10形变织构示意图
第 4 章 金属的塑性变形与再结晶 ·77· ·77· 图 4.6 位错在晶界处的堆积示意图 图 4.7 晶界对拉伸变形的影响 4.3 金属的塑性变形对其组织和性能的影响 1. 对组织结构的影响 1) 显微组织呈现纤维状 金属发生塑性变形后，晶粒发生形变，原本等轴状的晶粒沿形变方向相应地被拉长或 压扁。当形变量很大时，晶粒变成细条状或纤维状，称之为纤维组织，如图 4.8 所示。这 种组织导致沿纤维方向的力学性能比垂直纤维方向的高得多。 图 4.8 变形前后晶粒形状变化示意图 2) 组织内的亚晶粒增多 金属无塑性变形或塑性变形程度很小时，位错分布是均匀的。但在大量变形之后，由 于位错运动及位错间的交互作用，位错分布变得不均匀了，并使晶粒碎化成许多位向略有 差异的亚晶粒。在亚晶粒边界上聚集着大量位错，而其内部位错很少，如图 4.9 所示。 图 4.9 金属经变形后的亚结构 图 4.10 形变织构示意图
78 金属学与热处理 3)产生形变织构 金属塑性变形到很大程度(70%以上)时,由于晶粒发生转动,使各晶粒的位向大致趋近 于一致,形成特殊的择优取向,这种有序化的(晶粒的位向大致趋近于一致的)结构叫做形 变织构。形变织构一般分为两种:一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向,称为丝织构, 例如低碳钢经大变形量冷拔后,其平行于拔丝方向,如图410(a)所示;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},如 图410b)所示 2.对性能的影响 ①随着塑性变形量的増加,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(也称为形变强化),如图411所示 位错密度及其他晶体缺陷的增加是导致加工硬化的原因。一方面因为随着变形量的增 加,位错密度急剧增高,位错间的交互作用增强,相互缠结,造成位错运动阻力的增大, 引起塑性变形抗力提高。另一方面由于(晶粒碎化导致)亚晶界的増多,这使强度得以提高。 在生产中可通过冷轧、冷拔(等冷加工工艺)提高钢板或钢丝的强度。 ②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。具有形变织构的金属,在随后的再结晶退火过程中极易形 成再结晶织构。用有织构的板材冲制筒形零件时,由于在不同方向上塑性差别很大,零件 的边缘出现“制耳”,如图4.12所示。 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。 ③塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大,耐腐蚀性降低 ④由于金属在发生塑性变形时,金属内部变形不均匀,位错、空位等晶体缺陷增多 金属内部会产生残余内应力。即外力去除后,金属内部会残留下来应力。残余内应力会使 金属的耐腐蚀性能降低,严重时可导致零件变形或开裂。齿轮等零件,如表面通过喷丸处 理后,可产生较大的残余压应力,则可提高疲劳强度 420 变形度/% (a)无织构 b)有织构 图411纯铜冷轧后的力学性能与形变程度的关系 14.12因织构造成深冲制品的 “制耳”示意图
·78· 金属学与热处理 ·78· 3) 产生形变织构 金属塑性变形到很大程度(70%以上)时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向大致趋近 于一致，形成特殊的择优取向，这种有序化的(晶粒的位向大致趋近于一致的)结构叫做形 变织构。形变织构一般分为两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向，称为丝织构， 例如低碳钢经大变形量冷拔后，其平行于拔丝方向，如图 4.10(a)所示；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}，如 图 4.10(b)所示。 2. 对性能的影响 ① 随着塑性变形量的增加，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(也称为形变强化)，如图 4.11 所示。 位错密度及其他晶体缺陷的增加是导致加工硬化的原因。一方面因为随着变形量的增 加，位错密度急剧增高，位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力的增大， 引起塑性变形抗力提高。另一方面由于(晶粒碎化导致)亚晶界的增多，这使强度得以提高。 在生产中可通过冷轧、冷拔(等冷加工工艺)提高钢板或钢丝的强度。 ② 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。具有形变织构的金属，在随后的再结晶退火过程中极易形 成再结晶织构。用有织构的板材冲制筒形零件时，由于在不同方向上塑性差别很大，零件 的边缘出现“制耳”，如图 4.12 所示。 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。 ③ 塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大，耐腐蚀性降低。 ④ 由于金属在发生塑性变形时，金属内部变形不均匀，位错、空位等晶体缺陷增多， 金属内部会产生残余内应力。即外力去除后，金属内部会残留下来应力。残余内应力会使 金属的耐腐蚀性能降低，严重时可导致零件变形或开裂。齿轮等零件，如表面通过喷丸处 理后，可产生较大的残余压应力，则可提高疲劳强度。 图 4.11 纯铜冷轧后的力学性能与形变程度的关系 图 4.12 因织构造成深冲制品的 “制耳”示意图
第4章金属的塑性变形与再结品 44回复和再结晶 金属材料在冷变形加工以后,为了消除残余应力或恢复其某些性能(如提高塑性、韧性, 降低硬度等),一般要对金属材料进行加热处理。而加工硬化虽然使塑性变形比较均匀,但 却给进一步的冷成形加工(例如深冲)带来困难,所以常常需要将金属加热进行退火处理, 以使其性能向塑性变形前的状态转化。对冷变形金属加热使原子扩散能力増加,金属将依 发生回复、再结晶和晶粒长大。加热时的组织与性能变化如图4.13所 回复再结晶 粒长大 内应力 晶粒大小 温 图4.13 金属在不同加热温度时晶粒大小和性能的变化示意图 441回复 回复是指冷变形金属在较低温度加热时,在光学显微组织发生改变前(即再结晶晶粒形 成前)所产生的某些亚结构和性能的变化过程 生回复的温度复为 回复=(0.25~0.3)7溶点 式中,T点——该金属的熔点,单位为绝对温度(K) 由于加热温度不高,原子扩散能力不大,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,所以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,塑性有一定提高,但残余应力则大 大降低。 在生产上,常利用回复现象将冷变形金属进行低温加热,既可消除内应力稳定组织又 保留了加工硬化效果,这种方法称为去应力退火。例如,用冷拉钢丝卷制弹簧,在卷成之 后都要进行一次250℃~300℃的低温处理,以消除内应力使其定形 442再结晶 当变形金属被加热到较髙温度时,由于原子活动能力増大,晶粒的形状开始发生变化, 在原先亚晶界上的位错大量聚集处,形成了新的位错密度低的结晶核心,并不断长大为稳 定的等轴晶粒,取代被拉长及破碎的旧晶粒,同时性能也发生明显的变化,并恢复到完全
第 4 章 金属的塑性变形与再结晶 ·79· ·79· 4.4 回复和再结晶 金属材料在冷变形加工以后，为了消除残余应力或恢复其某些性能(如提高塑性、韧性， 降低硬度等)，一般要对金属材料进行加热处理。而加工硬化虽然使塑性变形比较均匀，但 却给进一步的冷成形加工(例如深冲)带来困难，所以常常需要将金属加热进行退火处理， 以使其性能向塑性变形前的状态转化。对冷变形金属加热使原子扩散能力增加，金属将依 次发生回复、再结晶和晶粒长大。加热时的组织与性能变化如图 4.13 所示。 图 4.13 变形金属在不同加热温度时晶粒大小和性能的变化示意图 4.4.1 回复 回复是指冷变形金属在较低温度加热时，在光学显微组织发生改变前(即再结晶晶粒形 成前)所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 产生回复的温度T回复 为 T回复 = (0.25～0.3)T熔点 式中，T熔点 ——该金属的熔点，单位为绝对温度(K)。 由于加热温度不高，原子扩散能力不大，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，所以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，塑性有一定提高，但残余应力则大 大降低。 在生产上，常利用回复现象将冷变形金属进行低温加热，既可消除内应力稳定组织又 保留了加工硬化效果，这种方法称为去应力退火。例如，用冷拉钢丝卷制弹簧，在卷成之 后都要进行一次 250℃～300℃的低温处理，以消除内应力使其定形。 4.4.2 再结晶 当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化， 在原先亚晶界上的位错大量聚集处，形成了新的位错密度低的结晶核心，并不断长大为稳 定的等轴晶粒，取代被拉长及破碎的旧晶粒，同时性能也发生明显的变化，并恢复到完全
金属学与热处理 软化状态,这个过程称为再结晶。 再结晶过程是一个形核和长大的过程。再结晶过程并不是一个相变过程,再结晶前后 新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同 再结晶不是一个恒温过程,它是在一个温度范围内发生的。冷变形金属开始进行再结 晶的最低温度,称为再结晶温度。实验表明,纯金属的再结晶温度与其熔点有如下关系 T再=047(T为绝对温度) 最低再结晶温度与下列因素有关 1)预先变形度 金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度。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。当预先变形度达到一定大小后 金属的最低再结晶温度趋于某一稳定值,如图4.14所示。 电解铁(99.9%) 纯铝(99%) 变形度/% 图414预先变形度对金属再结晶温度的影响 2)金属的熔点 熔点越高,最低再结晶温度也就越高。 3)杂质与合金元素 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。例如高纯度铝(99.999的最低再结晶温度为80℃,而工业纯铝(990%)的最 低再结晶温度提高到了290℃,见表4-2。 表4-2几种金属和合金的再结晶温度 再结晶温度/℃ 再结晶温度/℃ 铜(无氧铜) 铜锌合金(2=5%) 铝(9999 铝(990%) 镍(99.99%) 镍(99.4%) 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
·80· 金属学与热处理 ·80· 软化状态，这个过程称为再结晶。 再结晶过程是一个形核和长大的过程。再结晶过程并不是一个相变过程，再结晶前后 新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。 再结晶不是一个恒温过程，它是在一个温度范围内发生的。冷变形金属开始进行再结 晶的最低温度，称为再结晶温度。实验表明，纯金属的再结晶温度与其熔点有如下关系。 T TT 再 = 0.4 熔 ( ) 为绝对温度 最低再结晶温度与下列因素有关。 1) 预先变形度 金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度。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。当预先变形度达到一定大小后， 金属的最低再结晶温度趋于某一稳定值，如图 4.14 所示。 图 4.14 预先变形度对金属再结晶温度的影响 2) 金属的熔点 熔点越高，最低再结晶温度也就越高。 3) 杂质与合金元素 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。例如高纯度铝(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了 290℃，见表 4-2。 表 4-2 几种金属和合金的再结晶温度 材 料 再结晶温度/℃ 材 料 再结晶温度/℃ 铜(无氧铜) 铝(99.999%) 镍(99.99%) 200 80 370 铜锌合金( Zn w = 5% ) 铝(99.0%) 镍(99.4%) 320 290 600 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
第4章金属的塑性变形与再结品 再结晶是物理冶金过程中一个十分重要现象。可以利用再结晶软化材料,如经过拉拔 的线材发生了加工硬化,只有进行多次再结晶退火软化后才能继续拉拔直到最终尺寸。对 于不能通过相变的细化晶粒的材料,可以通过形变再结晶工艺使晶粒得到细化。深冲钢和 硅钢也要通过形变再结晶获取合适的织构,达到改善深冲性能和磁性的目的。 443晶粒长大 再结晶阶段结束后,金属获得了均匀细小的等轴晶粒。这些细小的晶粒具有潜伏长大 的趋势。如果再继续升高温度或者延长保温时间,金属的晶粒将会以互相吞并的方式继续 长大。这一阶段称为晶粒长大。再结晶的晶粒长大受以下因素的影响。 1.加热温度与保温时间的影响 再结晶加热温度越高,保温时间越长,金属的晶粒越大,其中加热温度的影响尤为显 著,如图415所示。这是由于加热温度升高,原子扩散能力和晶界迁移能力增强,有利于 晶粒长大。 预先变形程度的影响 预先变形程度对再结晶晶粒度的影响如图4.16所示。预先变形度的影响,实质上是变 形均匀程度的影响。当变形程度很小时,由于金属的畸变能也很小,不足以引起再结晶, 因而晶粒仍保持原来的形状 当变形程度达2%~10%时,金属中只有部分晶粒发生变形,变形极不均匀,再结晶时 形成的核心数不多,可以充分长大,从而导致再结晶后的晶粒特别粗大。这个变形程度称 为临界变形度,如图4.16所示。生产中应尽量避开这一变形程度。 超过临界变形程度之后,随变形程度的增加,变形越来越均匀,再结晶时形成的核心 数大大增多,故可获得细小的晶粒,并且在变形量达到一定程度后,晶粒大小基本不变。 加热温度 临界变形度预先变形程度 图415加热温度对晶粒度的影响 图4.16预先变形程度对晶粒度的影响 4.5金属材料的热加工与控制 热加工与冷加工的区别 通常以再结晶温度作为冷加工和热加工的分界。低于再结晶温度的加工称为冷加工, 高于再结晶温度的加工称为热加工。但是,这样的划分不大严格。因为一般的再结晶温度 是在先变形后加热,且在规定条件下测得的,与热加工时加工硬化与再结晶两个过程同时
第 4 章 金属的塑性变形与再结晶 ·81· ·81· 再结晶是物理冶金过程中一个十分重要现象。可以利用再结晶软化材料，如经过拉拔 的线材发生了加工硬化，只有进行多次再结晶退火软化后才能继续拉拔直到最终尺寸。对 于不能通过相变的细化晶粒的材料，可以通过形变再结晶工艺使晶粒得到细化。深冲钢和 硅钢也要通过形变再结晶获取合适的织构，达到改善深冲性能和磁性的目的。 4.4.3 晶粒长大 再结晶阶段结束后，金属获得了均匀细小的等轴晶粒。这些细小的晶粒具有潜伏长大 的趋势。如果再继续升高温度或者延长保温时间，金属的晶粒将会以互相吞并的方式继续 长大。这一阶段称为晶粒长大。再结晶的晶粒长大受以下因素的影响。 1. 加热温度与保温时间的影响 再结晶加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越大，其中加热温度的影响尤为显 著，如图 4.15 所示。这是由于加热温度升高，原子扩散能力和晶界迁移能力增强，有利于 晶粒长大。 2. 预先变形程度的影响 预先变形程度对再结晶晶粒度的影响如图 4.16 所示。预先变形度的影响，实质上是变 形均匀程度的影响。当变形程度很小时，由于金属的畸变能也很小，不足以引起再结晶， 因而晶粒仍保持原来的形状。 当变形程度达 2%～10%时，金属中只有部分晶粒发生变形，变形极不均匀，再结晶时 形成的核心数不多，可以充分长大，从而导致再结晶后的晶粒特别粗大。这个变形程度称 为临界变形度，如图 4.16 所示。生产中应尽量避开这一变形程度。 超过临界变形程度之后，随变形程度的增加，变形越来越均匀，再结晶时形成的核心 数大大增多，故可获得细小的晶粒，并且在变形量达到一定程度后，晶粒大小基本不变。 图 4.15 加热温度对晶粒度的影响 图 4.16 预先变形程度对晶粒度的影响 4.5 金属材料的热加工与控制 1. 热加工与冷加工的区别 通常以再结晶温度作为冷加工和热加工的分界。低于再结晶温度的加工称为冷加工， 高于再结晶温度的加工称为热加工。但是，这样的划分不大严格。因为一般的再结晶温度 是在先变形后加热，且在规定条件下测得的，与热加工时加工硬化与再结晶两个过程同时
金属学与热处理 进行的情况不完全一致。有的加工虽在较高温度下进行,但未能完全消除加工硬化,这种 加工仍属于冷加工。严格地说,对于所有的加工速度,材料能够不断地发生再结晶并在完 全消除加工硬化的温度下所进行的加工称为热加工 各种金属材料的再结晶温度相差很大。钨在800℃变形仍为冷加工,而铅在室温变形 就可称为热加工 由于在再结晶温度以上金属材料的塑性较好,且可消除加工硬化,故能连续承受很大 的变形而不断裂,这在生产上得到了广泛的应用。 2.热加工对金属组织性能的影响 热加工不引起金属的加工硬化,但因有回复和再结晶过程产生,金属的组织和性能也 发生显著变化。 1)改善铸锭组织 通过热加工(如热轧、锻造等)可使金属毛坯中的气孔和疏松焊合,部分消除某些偏析, 将粗大的柱状晶粒与枝晶变为细小均匀的等轴晶粒,改善夹杂物、碳化物的形态、大小与 分布,其结果可使金属材料致密程度与力学性能提高。 2)细化晶粒 热加工的金属经过塑性变形和再结晶作用,一般可使晶粒细化,因而可以提高金属的 力学性能。但热加工金属的晶粒大小与变形程度和终止加工的温度有关。变形程度小,终 止加工的温度过高,再结晶晶核长大又快,加工后得到粗大晶粒;相反则得到细小晶粒。 但终止加工温度不能过低,否则造成形变强化及残余应力。因此,制定正确的热加工工艺 规范,对改善金属的性能有重要的意义 3)形成锻造流线 金属内部的夹杂物(如MnS等)在高温下具有一定的塑性,在热变形过程中金属锭中的 粗大枝晶和各种夹杂物都要沿变形方向伸长,这样就使金属锭中枝晶间富集的杂质和非金 属夹杂物的走向逐步与变形方向一致,使之变成条状带、线状或片层状,在宏观试样上沿 着变形方向呈现为一条条的细线,这就是热变形金属中的流线。有一条条流线勾画出来的 这种组织称为热变形纤维组织 由于锻造流线的出现,使金属材料的性能在不同的方向上有明显的差异。通常沿流线 的方向,其抗拉强度及韧性高,而抗剪强度低。在垂直于流线方向上,抗剪强度较高,而 抗拉强度较低。表4-3表示c=0.45%的碳钢的力学性能与流线方向的关系。 表4-3碳钢(w=0.45%)力学性能与流线方向的关系 性能 8/MI S./MPa % J 取样方向 纵向 横向 10.0 采用正确的热加工工艺,可以使流线合理分布,以保证金属材料的力学性能。图417(a) 为锻造曲轴,图4.17(b)所示为切削加工曲轴的流线分布。很明显,锻造曲轴流线分布合理 因而其力学性能将较高。在生产上,广泛采用铸型锻造方法以制造齿轮及中小型曲轴,用
·82· 金属学与热处理 ·82· 进行的情况不完全一致。有的加工虽在较高温度下进行，但未能完全消除加工硬化，这种 加工仍属于冷加工。严格地说，对于所有的加工速度，材料能够不断地发生再结晶并在完 全消除加工硬化的温度下所进行的加工称为热加工。 各种金属材料的再结晶温度相差很大。钨在 800℃变形仍为冷加工，而铅在室温变形 就可称为热加工。 由于在再结晶温度以上金属材料的塑性较好，且可消除加工硬化，故能连续承受很大 的变形而不断裂，这在生产上得到了广泛的应用。 2. 热加工对金属组织性能的影响 热加工不引起金属的加工硬化，但因有回复和再结晶过程产生，金属的组织和性能也 发生显著变化。 1) 改善铸锭组织 通过热加工(如热轧、锻造等)可使金属毛坯中的气孔和疏松焊合，部分消除某些偏析， 将粗大的柱状晶粒与枝晶变为细小均匀的等轴晶粒，改善夹杂物、碳化物的形态、大小与 分布，其结果可使金属材料致密程度与力学性能提高。 2) 细化晶粒 热加工的金属经过塑性变形和再结晶作用，一般可使晶粒细化，因而可以提高金属的 力学性能。但热加工金属的晶粒大小与变形程度和终止加工的温度有关。变形程度小，终 止加工的温度过高，再结晶晶核长大又快，加工后得到粗大晶粒；相反则得到细小晶粒。 但终止加工温度不能过低，否则造成形变强化及残余应力。因此，制定正确的热加工工艺 规范，对改善金属的性能有重要的意义。 3) 形成锻造流线 金属内部的夹杂物(如 MnS 等)在高温下具有一定的塑性，在热变形过程中金属锭中的 粗大枝晶和各种夹杂物都要沿变形方向伸长，这样就使金属锭中枝晶间富集的杂质和非金 属夹杂物的走向逐步与变形方向一致，使之变成条状带、线状或片层状，在宏观试样上沿 着变形方向呈现为一条条的细线，这就是热变形金属中的流线。有一条条流线勾画出来的 这种组织称为热变形纤维组织。 由于锻造流线的出现，使金属材料的性能在不同的方向上有明显的差异。通常沿流线 的方向，其抗拉强度及韧性高，而抗剪强度低。在垂直于流线方向上，抗剪强度较高，而 抗拉强度较低。表 4-3 表示 C w = 0.45%的碳钢的力学性能与流线方向的关系。 表 4-3 碳钢( C w = 0.45% )力学性能与流线方向的关系 性能 取样方向 b δ / MPa τ0.2 δ / MPa δ /% ψ /% 2 / J cm k a − ⋅ 纵向 715 470 17.5 62.8 62 横向 675 440 10.0 31.0 30 采用正确的热加工工艺，可以使流线合理分布，以保证金属材料的力学性能。图 4.17(a) 为锻造曲轴，图 4.17(b)所示为切削加工曲轴的流线分布。很明显，锻造曲轴流线分布合理， 因而其力学性能将较高。在生产上，广泛采用铸型锻造方法以制造齿轮及中小型曲轴，用
