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第二章 金属的塑性变形与再结晶学习资料

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第二章 金属的塑性变形与再结晶 精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢2 第二章 金属的塑性变形与再结晶

教学目的：掌握金属的塑性变形与再结晶规律，了解塑性变形对金属组织与性能

的影响

本章重点： 1、金属单晶体与多晶体的塑性变形及其特点

2、塑性变形对金属组织与性能的影响

3、回复与再结晶

本章难点：塑性变形对金属组织与性能的影响

参考文献：1、王从曾，材料性能学，北京工业大学出版社，2001

2、束德林，金属力学性能，机械工业出版社，1995

3、冯端，金属物理学，科学出版社，1999

4、史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，2001

5、史美堂，金属材料及热处理习题集与实验指导书，上海科学技术

出版社，1997

专业词汇：Tensile test; tensile strength; stress-strain curve; elastic distortion; plastic distortion;

strain energy; stress concentration; fracture strength; fracture mechanism; reduction

ratio of area; breaking extension; fracture toughness; fractography analysis; yield

point; yield strength; poisson’s ratio

精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢3 由于金属铸锭中存在各种各样的缺陷，如：粗大晶粒区，组织疏松，杂质偏析，气孔、裂纹等，故铸锭需要进行压力加工，消除上述缺陷才能使用。压力加工过程中，金属产生塑性变形，使金属组织发生很大变化，这种变化一方面使金属性能得到改善，另一方面也会带来不利影响，本章将讨论这方面的问题。

第一节 金属的塑性变形

一、金属的变形与断裂

1、 应力：作用在单位面积上的内力值 σ=lim(ΔS/ΔA), ΔA→0

2、 应变：单位长度上的变形量。

3、 弹性变形：在应力作用下，金属晶格发生了弹性伸长或歪扭，但未超过原子间的结合力。即σ=Eε，服从虎克定律。

4、 塑性变形：当应力超过原子间的结合力，晶格发生不可恢复得变形。

5、 断裂：韧性断裂：断裂前有明显塑性变形，断口成纤维状，无光泽

脆性断裂：断裂前未发生明显塑性变形，断口有闪烁的光泽。

脆性断裂：晶间断裂：断裂沿晶界发生，断口凹凸不平。

穿晶断裂：断裂穿过各个晶粒，断口平化。

二、金属单晶体的塑性变形

1、 塑性变形的方式

滑移：晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面发生相对的滑动。 精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢4 孪生：晶体变形后两部分呈镜像对称——孪晶。

2、 滑移变形的特点：a、滑移只能在切应力作用下产生

b、滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生（因为只有在原子密度最大的晶面之间的面间距，原子密度最大的晶向之间的原子间距才最大，原子结合力最弱，最容易发生滑移）

c、滑移时晶格间的位移是原子间距的整倍数，滑移的

结果在晶体表面形成了条纹——滑移线

d、晶体滑移的同时，伴随晶体的转动（正应力力偶矩）

3、 三种典型晶格的滑移系

滑移系：一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑移系，即一个最大原子密度晶面和一个最大原子密度晶向组成一个滑移系。

体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格

滑移面 {110} 6个 {111} 4个 六方底面 1

滑移方向 <111> 2个 <110> 3个 底面对角线3

滑移系 6*2=12 4*3=12 1*3=3

滑移系越多，金属发生滑移的倾向越大，金属塑性越好。尤其是滑移方向的数目，比滑移面的作用更大。如金属塑性：面心〉体心〉密排

4、 滑移的原因

内因：滑移面上的位错运动，而不是刚性滑移 精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢5 外因：切应力的作用

因为刚性滑移所需的切应力比实测值高3-4个数量级，如铜刚性滑移所需的临界切应力为1540MN/m2(理论计算)，铜实际滑移的临界切应力只有1 MN/m2。

位错滑移——爬虫蠕动；火车启动。

三、金属多晶体的塑性变形

单晶体的滑移发生在一个晶体的一定晶面上，而多晶体由于多个晶体和晶界的存在，并且每个晶体的晶格位向不同，故多晶体的塑性变形比单晶体要复杂得多。

1、 晶界的影响

由于晶界为晶格位向不同的两晶粒的过渡处，故晶格排列紊乱，杂质原子较多，晶格畸变严重，位错运动的阻力很大，滑移难以发生，只有在较大的外力作用下，位错才能穿越晶界进入另一个晶粒中，塑性变形抗力大。

2、 晶格位向的影响

多晶体中各晶粒的晶格位向不同，所以每一晶粒的滑移都会受到周围不同位向晶粒的约束，故多晶体金属的塑性变形抗力高于单晶体金属。

从上述两影响因素，可以得出结论：晶粒越细，晶界的总面积就越大，每个晶粒周围不同位向的晶粒越多，对滑移产生的抗力就越大，金属的强度就越高。

另外，晶粒越细，单位体积中的晶粒就越多，同样的塑性变形量可以分散在更多的晶粒中发生，使金属产生较为均匀的塑性变形，不致造成局部应力集中，引起精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢6 断裂，所以金属的塑性、韧性也会提高。晶粒越细，裂纹传播（扩展）所消耗的能量越多，裂纹在不同位向的晶粒中传播越困难，金属的断裂韧性越好。

A、塑性变形对组织和性能的影响

①晶粒沿变形方向变形，性能趋向各向异性

金属经过塑性变形，其晶粒会随着外形的变化而发生相应变化，晶界变得模糊，金属性能具有明显的方向性。

②晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化（从拉伸曲线上解释）

随着变形的增大，晶界出现位错堆积

随着变形的增大，晶粒破碎成细碎的亚晶粒，位错密度明显增大

金属产生加工硬化，强度、硬度显著增大，塑性韧性下降

金属物理、化学性能发生显著变化，电阻率增大，耐蚀性下降

③产生织构现象

金属塑性变形过程中，不仅晶粒发生变形，晶粒的晶格位向也会沿变形方向发生转动，当金属塑性变形量达到一定程度（70%—90%），金属中的每个晶粒的晶格位向将沿变形方向趋于一致，这种现象称为“织构现象”。如冷轧板产生板织构；冷拔丝产生丝织构，织构现象的出现，会使金属产生各向异性，热处理也难以消除。

④产生残余应力 精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢7 塑性变形过程中，外力对金属做的功，大部分变成热而小部分转化为内应力残留于金属中，残余应力的存在，会造成：

1、 零件加工后，残余应力随时间的延长而缓慢松弛，使零件产生变形，影响尺寸精度。

2、 降低了金属的耐腐蚀性

B、 回复与再结晶

金属塑性变形后，位错等晶格缺陷大量增加，引起金属组织与性能变化，当这种变化对生产不利时，应设法予以消除。

a、变形金属在加热过程中的组织与性能变化

① 回复

当加热温度较低时，由于原子的扩散能力弱，金属晶粒的形状及大小不发生明显变化，只是引起金属中的一些空位、间隙原子，尤其是堆积位错发生扩散，导致金属内应力释放，金属的强度、塑性等机械性能指标变化不大，这一过程称为回复。

对加工硬化金属进行低温加热，以消除内应力的热处理方法称为低温退火或去应力回火。如，冷卷弹簧制作后，须进行250-300℃的低温退火以消除内应力。

② 再结晶

提高加热温度，金属原子的扩散能力增大，使位错的扩散程度增大，破碎晶粒开始重新形核和成长，形成等轴晶粒，这一过程称为再结晶。金属再结晶后，冷加工硬化金属的组织发生彻底变化，强度、硬度显著降低，塑性、韧性重新提高，加工硬化现象得以消除。 精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢8 3、晶粒长大

再结晶过程完成后，若继续升温或过分延长加热时间，等轴晶粒会合并长大，因为晶粒长大可以减小晶界面积，使表面能降低——自发过程。一旦晶粒长大，金属的机械性能恶化，因此必须严格控制加热温度和保温时间。

b、金属再结晶温度的确定

再结晶过程不是在一恒温下进行的，而是在某个温度范围内。没有经过冷作硬化（冷加工硬化）的金属不会发生再结晶。

影响再结晶温度的因素：

1、 金属冷加工变形度

变形度δ越大，发生再结晶的温度越低，当变形度达到一程度后， 趋于一个最低温度，称为最低再结晶温度，T再min。 经验表明：T再min≈0.4T熔点，K

2、 金属的纯度

金属中的杂质或合金元素，尤其是高熔点成分的存在，会阻碍原子的扩散（位错的扩散），因此再结晶温度会提高。如：纯铁T再min=450℃，

碳钢T再min=500-650℃

合金钢T再min〉650-700℃

3、 加热速度和保温时间

a、 提高加热速度，再结晶温度升高

b、 延长保温时间，再结晶温度降低 精品资料

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢9 综合上述因素，再结晶退火温度一般为：T再min+100-200℃

c、影响再结晶退火后金属晶粒度的因素

①加热温度的影响

加热温度越高，金属晶粒越粗大；加热温度一定，保温时间越长，晶粒越粗大

②冷加工变形度的影响

变形度越大，变形越均匀，再结晶后金属的晶粒越细。

临界变形度：当变形度在2-10%范围内时，再结晶后的晶粒明显粗大，因为在此变形度下，金属变形极不均匀，再结晶时晶核形成率很低，晶粒大小不均匀，易相互吞并长大。

当变形度大于70-90%以上时，由于产生织构现象，晶粒的晶格位向相同（或相近），晶界扩散很容易，故再结晶时晶粒易长大。

第三节 金属的热加工

一、冷加工与热加工的区别

冷加工：金属在再结晶温度以下进行的变形加工。

热加工：金属在再结晶温度以上进行的变形加工。

对于大尺寸工件或低塑性金属，冷加工变形十分困难，只能进行热加工，因为温度升高，金属的塑性提高。

二、热加工对金属组织和性能的影响

可提高金属铸锭的致密性，消除气孔、疏松组织等缺陷

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金属的塑性变形与再结晶

金属的塑性变形与再结晶

实验名称： 金属的塑性变形与再结晶 实验类型：

一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）

三、主要仪器设备（必填） 四、实验步骤与实验结果（必填）

五、讨论、心得（必填）

一、实验目的

1.了解冷塑性变形对金属材料的内部组织与性能的影响；

2.了解变形度对金属再结晶退火后晶粒大小的影响。

二、实验原理

金属塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种。在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对于另一部分滑动，这种变形方式称为滑移；在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对另一部分产生剪切变形，且变形部分与未变形部分的位向形成了镜面对称关系，这种变形方式称为孪生。

(一) 冷塑性变形对金属组织与性能的影响

若金属在再结晶温度以下进行塑性变形，称为冷塑性变形。冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸，而且还将引起金属组织与性能的变化。金属在发生塑性变形时，随着外形的变化，其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为沿变形方向伸长的晶粒，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带。当变形程度很大时，晶粒被显著地拉成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。同时，随着变形程度的加剧，原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得近于一致的位向，而形成了形变织构，使金属材料的性能呈现出明显的各向异性。金属经冷塑性变形后，会使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。

(二) 冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化

金属经冷塑性变形后，由于其内部亚结构细化、晶格畸变等原因，处于不稳定状态，具有自发地恢复到稳定状态的趋势。但在室温下，由于原子活动能力不足，恢复过程不易进行。若对其加热，因原子活动能力增强，就会使组织与性能发生一系列的变化。

1．回复 当加热温度较低时，原子活动能力尚低，故冷变形金属的显微组织无明显变化，仍保持着纤组织的特征。此时，因晶格畸变已减轻，使残余应力显著下降。但造成加工硬化的主要原因未消除，故其机械性能变化不大。

机材课后答案

机材课后答案

第二章 金属的塑性变形与再结晶

一、名词解释

滑移、滑移系、滑移线、滑移带、孪生；软位向、硬位向；回复、再结晶；织构、加工硬化。

二、判断是非

1. 金属晶体的滑移是在正应力作用下产生的。

2. 经塑性变形后，金属的晶粒变细，故金属的强度、硬度升高。

3. 室温下铜的塑性比铁好，这是因为铜的滑移系比铁的多。

4. 冷变形金属在再结晶过程中会改变其晶体结构。

5. 用冷拉紫铜管制造输油管，在冷弯以前应进行去应力退火，以降低硬度、提高塑性，防止弯曲裂纹产生。

6. 热加工纤维组织（流线）可以通过热处理方法给予消除。

7. 铸件、锻件、冲压件都可以通过再结晶退火，来消除加工硬化，降低硬度。

8. 材料的弹性模量Ｅ愈大，则材料的塑性愈好。

三、填空

1. 常见的金属的塑性变形方式有（ ）和（ ）两种类型。

2. 铜的多晶体要比单晶体的塑性变形抗力（ ），这是由于多晶体的（ ）和（ ）阻碍位错运动造成的。

3. 金属的晶粒愈细小，则金属的强度、硬度愈（ ）、塑性韧性愈（ ），这种现象称为（ ）强化。金属随塑性变形程度的增加，其强度、硬度（ ），塑性、韧性（ ），这种现象称为（ ）。金属经塑性变形以后，金属的晶粒（ ），亚晶粒（ ），位错（ ）。

4. 金属晶体的滑移是通过（ ）运动来实现的，而不是晶体一部分相对另一部分的刚性滑动，因此实际临界（ ）应力值很小。

5. 纯金属结晶后进一步强化的唯一方法是依靠（ ）来实现的，降低纯金属强度的工艺方法通常采用（ ）。

6. 塑性金属材料制造的零件，在工作过程中一旦过载，零件不会立即断裂而是发生（ ），使强度（ ）。

7. 多晶体金属经过大量塑性变形后，各晶粒的晶格某些位向趋向一致，这种结构称为（ ），此时金属呈现明显的（ ）性，这种结构用热处理（ ）消除。金属再结晶后的晶粒大小与（ ）和（ ）有关。工业金属不能在（ ）变形度进行变形，否则再结晶后的晶粒（ ），使机械性能（ ）。

金属的塑性变形与再结晶组织观察

金属的塑性变形与再结晶组织观察

金属的塑性变形与再结晶组织观察

目的

1 •加深对材料塑性编写过程的理解；

2 •认识塑性变形的典型组织；

3•理解变形量对再结晶后晶粒尺寸的影响。

一、塑性变形引起材料组织的变化

晶体塑性材料塑性变形的基本方式有四种： 滑移、孪生、蠕变、粘滞性流动。

滑移是晶体中位错在外力作用下发生运动，造成晶体的两部分在滑移面上沿 滑移方向的相对移动，滑移是位错的移动，晶体内部原子从一个平衡位置移到另 一个平衡位置，不一起晶体内的组织变化，位错移出晶体的表面，形成滑移台阶， 一个位错源发出的位错都移出，在晶体表明形成台阶在显微镜下可以见到， 就是 滑移线。

孪生是在滑移困难时以形成孪晶的方式发生的塑性变形，晶体发生孪生，在 晶体表面产生浮凸，晶体内部生成的孪晶与原晶体的取向不一样， 并有界面分隔， 所以在晶体内重新制样后依然可以看到孪晶。

多晶体材料发生塑性变形后，原等轴晶粒被拉长或压扁，晶界变模糊。两相 材料经过塑性变形后，第二相的分布也与变形方向有关。

塑性变形后进行退火加热发生再结晶的晶粒尺寸与变形量有直接的关系。在 临界变形量（不同材料不相同，一般金属在 2—10沱间）以下，金属材料不发生 再结晶，材料维持原来的晶粒尺寸；在临界变形量附近，刚能形核，因核心数量 很少而再结晶后的尺寸很大，有时甚至可得到单晶；一般情况随着变形量的增加， 再结晶后的晶粒尺寸不断减小；当变形量过大（＞70%）后，可能产生明显织构，在 退火温度高时发生晶粒的异常长大。

、实验内容 1 •观察几种塑性变形后的组织形貌

① •低碳钢拉伸后的组织变化：看断口附近，变形量最大，组织特征明显，

白色的软相的晶粒的形状分布，黑色较硬相形状分布特征。

② 纯铁压缩表面的滑移线：为了观察，现将试样磨平，再压缩变形，晶体表

面可留下滑移线。若再打磨则滑移线就不可见。一个滑移系能开动，与之 平行的滑移系也可能开动，滑移线往往时互相平行，因为存在交滑移，滑 移线为波浪状。

实验三 金属塑性变形与再结晶

实验三 金属塑性变形与再结晶

实验三 金属塑性变形与再结晶

一、实验目的

认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化；研究形变程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。加深对加工硬化现象和回复再结晶的认识。

二、基本原理

1、金属冷塑性变形后的显微组织和性能变化

金属冷塑性变形为金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。金属在发生塑性变形时，外观和尺寸发生了永久性变化，其内部晶粒由原来的等轴晶逐渐沿加工方向伸长，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带，当变形程度很大时，晶界消失，晶粒被拉成纤维状。相应的，金属材料的硬度、强度、矫顽力和电阻等性能增加，而塑性、韧性和抗腐蚀性降低。这一现象称为加工硬化。

为了观察滑移带，通常将已抛光并侵蚀的试样经适量的塑性变形后再进行显微组织观察。注意：在显微镜下滑移带与磨痕是不同的，一般磨痕穿过晶界，其方向不变，而滑移带出现在晶粒内部，并且一般不穿过晶界。

2、冷塑性变形后金属加热时的显微组织与性能变化

金属经冷塑性变形后，在加热时随着加热温度的升高会发生回复、再结晶、和晶粒长大。

（1）回复 当加热温度较低时原子活动能力尚低，金属显微组织无明显变化，仍保持纤维组织的特征。但晶格畸变已减轻，残余应力显著下降。但加工硬化还在，固其机械性能变化不大。

（2）再结晶 金属加热到再结晶温度以上，组织发生显著变化。首先在形变大的部位（晶界、滑移带、孪晶等）形成等轴晶粒的核，然后这些晶核依靠消除原来伸长的晶粒而长大，最后原来变形的晶粒完全被新的等轴晶粒所代替，这一过程为再结晶。由于金属通过再结晶获得新的等轴晶粒，因而消除了冷加工显微组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形以前的状态。

金属的再结晶过程是在一定的温度范围能进行的，通常规定在一小时内再结晶完成95％所对应的温度为再结晶温度，实验证明，金属熔点越高，再结晶温度越高，其关系大致为：T＝0.4T熔 。

（3）晶粒长大 再结晶完成后，继续升温（或保温），则等轴晶粒以并容的方式聚集长大，温度越高，晶粒越大。当再结晶退火温度一定时，变形量大小对再结晶的晶粒大小起决定性的影响。当变形量很小时晶粒大小毫不变化。当达到某一变形量时，再结晶获得异常粗大的晶粒，对应着一组大晶粒的变形度，称为临界变形度。一般铁5-10％，钢约为5％，铝2-3％。由于粗大晶粒将显著降低金属的机械性能，故应避免金属材料在临界变形程度范围内进行压力加工。超过临界变形量，由于各晶粒变形愈趋均匀，再结晶时形核率愈大，因而再结晶的晶粒越细。