第三章--金属的塑性变形与再结晶

第三章金属的塑性变形与再结晶在机械制造业中，许多金属制品都是通过对金属铸锭进行压力加工获得的。压力加工就是对金属施加外力，使其产生塑性变形，改变形状和尺寸，用以制造毛坯、工件或机械零件的成形加工方法，在生产中称为锻压，即锻造与冲压的总称。常见的金属压力加工方法有锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔等。锻造冲压拉拔轧制第一节金属的塑性变形金属在外力作用下产生变形，其变形过程包括弹性变形和塑性变形两个阶段。弹性变形在外力去除后能够完全恢复，所以不能用于成形加工。只有塑性变形才是永久变形，才能用于成形加工。金属产生弹性变形后，其组织和性能不发生改变。金属的塑性变形过程比弹性变形复杂，而且塑性变形后金属的组织及性能发生了改变。一、单晶体的塑性变形工业用金属材料大多是由多晶体构成的，要说明多晶体的塑性变形，必须首先了解单晶体的塑性变形。实验证明，晶体在正应力作用下，只能产生弹性变形，并直接过渡到脆性断裂，只有在切应力作用下才会产生塑性变形。单晶体的塑性变形主要是以滑移的方式进行的，即晶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，如图3–2所示。一般来说，滑移是沿原子排列最密集的晶面及原子排列最密集的方向进行的，分别称为滑移面和滑移方向。金属的晶体结构不同，滑移面和滑移方向的数量不同，所以金属的塑性存在着差异。研究表明，晶体滑移时，并不是一部分相对于另一部分沿滑移面作整体移动。实际上滑移是借助于晶体中位错的移动来进行的，如图3–3所示。(单击图片播放)单晶体在滑移变形时还伴随着晶面的转动，如图3–4所示。材料力学证明，与拉力成45°角的截面上分切应力数值最大，有利于滑移的进行。因此，与拉力成45°角的滑移面上最先产生滑移，随着晶面的转动，该滑移面上的滑移逐渐停止，原来处于其它位向的滑移面转到了与拉力成45°角的方向上而参与滑移。这样，晶体中的滑移有可能在更多的滑移面上进行，结果使晶体均匀地变形。单晶体的另一种塑性变形方式是孪生。孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（孪晶面）及晶向（孪生方向）产生剪切变形，如图3–5所示。孪生变形与滑移变形的区别主要有：孪生变形使一部分晶体发生均匀的切应变，滑移变形则集中在一些滑移面上；孪生使晶体变形部分的位向发生了改变，滑移变形后晶体各部分的位向不发生改变；孪生变形时原子沿孪生方向的位移量是原子间距的分数值，滑移变形时原子沿滑移方向的位移量则是原子间距的整数倍；孪生变形所需切应力的数值比滑移变形的大，只有在滑移很难进行的情况下才发生孪生变形。二、多晶体的塑性变形多晶体塑性变形的过程比单晶体复杂，有如下特点：1．晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的晶格位向不同，在外力作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利于滑移的位置，如图3–6所示。当处于有利滑移位置的晶粒要进行滑移时，必然受到周围不同位向晶粒的阻碍，使滑移阻力增加，金属的塑性变形抗力增大。(单击图片播放)2．晶界的作用在多晶体中，晶界处原子排列混乱，晶格畸变程度大，位错移动时的阻力增大，宏观上表现为塑性变形抗力增大，强度提高。由于晶界的作用，多晶体往往表现出竹节状变形，如图3–7所示。(单击图片播放)综上所述，多晶体的塑性变形抗力不仅与金属的晶体结构有关，而且与晶粒大小有关。在一定体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶界的数量也越多，晶粒越细小，位错移动时的阻力越大，金属的塑性变形抗力越大，因此，金属的强度越高。在同样的变形条件下，晶粒越细小，变形可分散到更多的晶粒内进行，不易产生集中变形。另外，晶界多，裂纹不易扩展，从而使金属在断裂前能产生较大的塑性变形，表现出金属具有较高的塑性和韧性。第二节冷塑性变形对金属组织和性能的影响冷塑性变形不但改变了金属的形状和尺寸，而且还使其组织与性能发生了重大变化。一、冷塑性变形对金属组织的影响金属发生塑性变形时，随着外形的改变，其内部晶粒的形状也发生了变化。当变形程度很大时，晶粒会沿变形方向伸长，形成细条状，这种呈纤维状的组织称为冷加工纤维组织，如图3–8所示。形成纤维组织后，金属的性能会具有明显的方向性，其纵向（沿纤维方向）的力学性能高于横向（垂直于纤维方向）的性能。同时，由于各个晶粒的变形不均匀，使金属在冷塑性变形后其内部存在着残余应力。冷塑性变形除了使晶粒的形状发生变化外，还会使晶粒内部的亚晶粒细化，亚晶界数量增多，位错密度增加。由于塑性变形时晶格畸变加剧以及位错间的相互干扰，会阻止位错的运动，增加了金属的塑性变形抗力，使金属的力学性能发生了改变。二、冷塑性变形对金属性能的影响冷塑性变形改变了金属内部的组织结构，引起了金属力学性能的变化。随着冷塑性变形程度的增加，金属材料的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为冷变形强化。图3–9所示为低碳钢冷塑性变形时，其力学性能的变化规律。三、冷塑性变形使金属产生残余应力残余应力是指作用于金属上的外力除去后，仍存在于金属内部的应力。残余应力是由于金属塑性变形不均匀造成的。根据残余应力的作用范围，可分为宏观残余应力、微观残余应力、晶格畸变应力三类。宏观残余应力是指金属各部分塑性变形不均匀所造成的残余应力；微观残余应力是指晶体中各晶粒或亚晶粒塑性变形不均匀所造成的残余应力；晶格畸变应力是指金属塑性变形时，晶体中一部分原子偏离其平衡位置造成晶格畸变而产生的残余应力。一般，残余应力的存在对金属将产生一些影响，例如降低工件的承载能力、使工件的形状和尺寸发生改变、降低工件的耐腐蚀性等，但残余压应力可使金属的疲劳强度提高。热处理可以消除冷塑性变形后金属内部的残余应力。四、冷变形强化在生产中的影响冷变形强化可以提高金属的强度、硬度和耐磨性，是强化金属材料的一种工艺方法，特别是对那些不能用热处理强化的金属材料更为重要。冷变形强化还可以使金属材料具有瞬时抗超载能力，在一定程度上提高构件的使用安全性。冷变形强化是工件使用压力加工方法成形的必要条件。如图3–10所示。冷变形强化会使金属材料的塑性降低，继续变形困难，甚至出现破裂。为了使金属材料能继续进行压力加工，必须施行中间热处理，以消除冷变形强化，这就增加了生产成本，降低了生产率。冷塑性变形除了影响金属的力学性能外，还会使金属的某些物理、化学性能发生改变，如电阻增加、化学活性增大、耐腐蚀性下降等。第三节回复与再结晶冷塑性变形后的金属，其组织结构发生了改变，而且由于金属各部分变形不均匀，在金属内部形成残余应力，使金属处于不稳定状态，具有自发地恢复到原来稳定状态的趋势。常温下，原子活动能力比较弱，这种不稳定状态要经过很长时间才能逐渐过渡到稳定状态。如果对冷塑性变形后的金属加热，由于原子活动能力增强，就会迅速发生一系列组织与性能的变化，使金属恢复到变形前的稳定状态，如图3–11所示。冷塑性变形后的金属在加热过程中，随加热温度的升高，要经历回复、再结晶、晶粒长大三个阶段的变化。一、回复当加热温度较低时，金属中的原子有一定的活动能力。通过原子短距离的移动，使变形金属内部晶体缺陷的数量减少，晶格畸变程度减轻，残余应力降低，但造成冷变形强化的主要原因尚未消除，因而，冷加工纤维组织无明显变化，金属的力学性能也无明显变化，这一阶段称为回复。在回复阶段，金属的一些物理、化学性能部分地恢复到了变形前的状态。工业生产中，常常利用回复现象对冷塑性变形金属进行低温退火处理（又称为去应力退火），目的是在保持冷变形强化的情况下，消除残余应力，提高塑性。例如用冷拉弹簧钢丝制成的弹簧，在卷制后要进行一次250~300℃的低温退火处理，以消除残余应力并使弹簧定形；冷拉黄铜制件，为了消除残余应力，避免应力腐蚀破坏，也需要进行280℃的低温退火处理。二、再结晶随着加热温度的升高，原子的活动能力增强，当加热到一定温度（如纯铁加热到450℃以上）时，变形金属中的纤维状晶粒将重新变为等轴晶粒，这一阶段称为再结晶。再结晶也是通过晶核形成和长大的方式进行的。新晶粒的核心首先在金属中晶粒变形最严重的区域形成，然后晶核吞并旧晶粒，向周围长大形成新的等轴晶粒。当变形晶粒全部转化为新的等轴晶粒时，再结晶过程就完成了。再结晶前后的晶格类型完全相同，因此，再结晶过程不是相变过程，只是改变了晶粒的形状和消除了因变形而产生的某些晶体缺陷，如位错密度下降、晶格畸变消失等。结果使冷塑性变形金属的组织与性能基本上恢复到了变形前的状态，金属的强度、硬度下降，塑性升高，冷变形强化现象完全消失。再结晶不是在恒定温度下发生的，而是在一个温度范围内进行的过程。能进行再结晶的最低温度称为再结晶温度，用符号T再表示。实验证明，再结晶温度与金属的冷塑性变形程度有关，如图3–12所示。金属的塑性变形程度越大，再结晶温度越低。这主要是因为变形程度越大，晶格畸变程度越大，位错密度越高，金属的组织越不稳定，开始再结晶的温度越低。纯金属的再结晶温度可根据其熔点按下式进行计算：T再≈0.4T熔式中T再——金属的再结晶温度，单位为K；T熔——金属的熔点，单位为K。例如工业纯铁的T再约为723K，即450℃。在生产中，为了消除冷变形强化，恢复塑性以便继续进行压力加工，必须对冷塑性变形金属进行中间退火处理。将冷塑性变形金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使变形晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除冷变形强化和残余应力，这种热处理方法称为再结晶退火。实际生产中的再结晶退火温度，通常为金属再结晶温度以上100~200℃。表3–1为常见金属的去应力退火与再结晶退火的温度。表3–1常见金属的去应力退火与再结晶退火温度金属材料去应力退火温度/℃再结晶退火温度/℃结构钢500~650680~720碳素弹簧钢280~300—工业纯铝95~105350~420硬铝95~105350~370黄铜270~300600~700三、晶粒长大冷塑性变形金属经再结晶后，一般都得到细小均匀的等轴晶粒。如果继续升高温度或延长保温时间，则再结晶后形成的新晶粒会逐渐长大，导致晶粒变粗，金属的力学性能下降，这一阶段称为晶粒长大。如图3–13所示。影响晶粒长大的因素主要有加热温度、保温时间及冷塑性变形的程度。一般，加热温度越高，保温时间越长，再结晶后的晶粒越粗大；冷塑性变形的程度越大，再结晶后的晶粒越细小。但冷塑性变形程度在2%~10%范围内时，再结晶后的晶粒会异常粗大，这主要是由于变形程度不大，变形仅在一部分晶粒中发生，再结晶时形核数量少造成的。第四节金属的热塑性变形一、热加工与冷加工的区别金属的热塑性变形加工与冷塑性变形加工是以金属的再结晶温度来划分的。凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形加工，称为热加工；而在再结晶温度以下进行的塑性变形加工则称为冷加工。冷加工时，不能发生再结晶过程，必然产生冷变形强化现象。热加工时，金属的塑性变形与再结晶过程同时发生，所产生的变形强化被随时的再结晶消除，因此，热加工后并不保留塑性变形带来的强化效果。例如钨的再结晶温度为1200℃，故钨在1000℃时进行塑性变形加工，仍属于冷加工；锡的再结晶温度为-7℃，在室温下对锡进行的塑性变形加工就已经属于热加工了。一般情况下，截面尺寸较小、材料塑性较好、加工精度和表面质量要求较高的金属制品用冷加工的方法来获得；而截面尺寸较大、变形量较大、材料在室温下硬脆性较高的金属制品用热加工的方法来获得。二、热加工对金属组织和性能的影响1．消除铸态金属的某些缺陷通过热加工，可使铸态金属毛坯中的气孔和疏松焊合；消除部分偏析；细化晶粒；改善夹杂物和碳化物的形态、大小与分布。结果使金属的致密度和力学性能提高。表3–2为wc=0.3%的碳钢在铸态和锻态时的力学性能比较。可见，经热加工后，钢的强度、塑性、冲击韧度均比铸态高，所以工程上受力较大的工件（如齿轮、轴、刃具、模具等）大多数要通过热加工来制造。表3–2碳钢（wc=0.3%）铸态和锻态时的力学性能比较状态抗拉强度/MPa屈服点/MPa伸长率（%）断面收缩率（%）冲击韧度/（J•cm-2）铸态500280152735锻态5303102046682．形成热加工纤维组织热加工时，铸态金属毛坯中的粗大枝晶偏析和各种夹杂物，都要沿变形