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 <ll1> 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 <111> 2 个 <110> 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