第4章  金属材料的变形与再结晶

金属材料在承受外力时，会产生一定的变形，随着外力的增加，其变形将由弹性变形转变为塑性变形，直至断裂。金属材料的变形特性在工程技术上十分重要，

（1）由于铸态金属中往往具有晶粒粗大不均匀、组织不致密及杂质偏析等缺陷，故工业上的金属材料大多要在浇注后经过压力加工再予使用。

（2）把材料制作成所要求的形状。

因为通过压力加工时的塑性变形，金属的组织也会发生很大的变化，可使某些性能如强度等得到显著的提高。但在塑性变形的同时，也会给金属的组织和性能带来某些不利的影响，因此在压力加工之后或在其加工的过程中，还应经常对金属进行加热，使其发生回复与再结晶，以消除不利的影响。

工程上实际材料均为多晶体组织，为了更好地了解多晶体材料的变形，首先了解单晶体的变形特性。

4.1. 单晶体金属变

4.1.1.        单晶体金属弹性变形

单晶体金属材料在正应力作用下变形过程，图（2-1）

                      
切应力变形图图（2-2）

特点：

（1）       可逆性，去除外力后，变形消失。

（2）       变形量小，<1%。

（3）       应变与应力成正比。

4.1.2.        单晶体金属塑性变形

单晶体塑性变形有“滑移”和“孪生”等不同方式，大多数情况以滑移方式发生。

正应力只能引起晶格的弹性伸长，或进一步把晶体拉断

切应力可使晶格在发生弹性歪扭之后，进一步造成滑移。通过大量的晶面滑移，最终使试样拉长变细。

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。

滑移变形要点：

（1）       滑移只能在切应力的作用下发生

（2）       滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。

这是因为只有在最密晶面（滑移面）之间的面间距及最密晶向（滑移方向）之间的原子间距才最大，因而原子结合力最弱，所以在最小的切应力下使能引起它们之间的相对滑动。

滑移系：滑移面数与滑移方向数的乘积。滑移系越大，金属滑移的可能性越大，即金属塑性越好。

（3）       滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍，滑移的结果会在晶体的表面上造成台阶。

（4）       滑移的同时必然伴有晶体的转动，沿外力方向。滑移过程,

4.2. 多晶体金属的变形

4.2.1.        晶界作用

以两个晶粒的试样在拉伸时的变形为例

在远离晶界处，变形明显，在靠近晶界处变形出现“竹节”现象。表明晶界对变形有较大的阻碍作用。

原因：晶界附近晶格排列紊乱，杂质原子往往较多，增大晶格畸变，因而使该处在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形。

4.2.2.        各晶粒位向差别的影响

位向不同当受外力作用时，有些晶粒的滑移面适合于外力作用方向，有些晶粒的滑移面与外力方向相抵触，其中任一晶粒的滑移都必然会受到它周围不同晶格位向晶粒的约束和障碍。所以多晶体金属的塑性变形抗力总是高于单晶体。

4.2.3.        多晶体金属变形过程

滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成45度夹角的晶粒必将首先发生滑移变形，不同位向的晶粒分批滑移。

塑性变形特点：

（1）       起始塑性变形的非同时性。

位向不同，所以在工程上无法测得真正的最大弹性变形抗力和真正的起始塑性变形的抗力指标，要采用条件规定的方法

（2）       塑性变形的时间性。

弹性变形以声速进行，变形速度对金属弹性性能无影响，但塑性变形需要时间。缓慢拉伸和快速拉伸。要控制冷变形加工速度。

（3）       塑性变形量的不均一性。

残余应力

（4）       变形过程中伴随着发生金属机械性能及其他物理、化学性能的改变。

形变强化，密度降低，电阻增加，化学活性增大。

4.3. 塑性变形对金属组织和性能的影响

变形后性能的变化是由塑性变形时金属内部组织结构的变化决定的。

4.3.1.        晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性

内部晶粒形状与金属外形成比例，变形量大时，产生纤维关“纤维组织”

4.3.2.        晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化.

形变量不大时，在变形晶粒中的晶界附近出现位错的堆积。随着变形量增大，晶粒破碎为亚晶粒，亚晶界量越多。滑移变形是通过位错在滑移面上移动实现，晶体内部的晶界、亚晶界以及其他缺陷都成为各种阻碍位错移动的障碍物。位错在亚晶界堆积，使滑移变形不易继续进行下去。“晶格畸变”

随着形变量增大，由于晶粒破碎和位错密度的啬，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即硬度和强度显著升高，塑性和韧性下降，产生“加工硬化”。

4.3.3.        织构现象产生

随着变形发生，各晶粒晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，故在变形量达到一定的程度（70-90%）时，金属组织将会出现一种织构现象。

织构现象有两种

（1）       各晶粒的某一晶向平行于拉拔方向，丝织构

（2）       各晶粒某一晶面平行于轧制方向，板织构

出现各向异性，不利。

4.3.4.        残余内应力

经过塑性变形，外力对金属所作的功，约90%转化成热，10%转化为内应力残留于金属中。

塑性变形后，退火。

4.4. 塑性变形后的金属在加热时的组织和性能变化

加工硬化会造成进一步加工的困难，退火，一是为了消除加工硬化（再结晶退火），另一是保留加工硬化，减小内应力。

4.4.1.        回复与再结晶

4.4.1.1.  回复

即在加热温度较低时，仅因金属中的一些点缺陷和位错迁移而所引起的某些晶内的变化。

晶粒大小和形状无明显变化。

冷卷弹簧卷制后低温退火，去应力250～300℃。

4.4.1.2.  金属的再结晶

破碎晶粒未改变，组织仍不稳定，加热到较高温度，晶粒外形开始变化，生成新的等轴颗粒。“再结晶”。强度和硬度显著降低，塑性和韧性提高，消除加工硬化。

例：黄铜33%冷轧变形后，在580℃再结晶。

4.4.1.3.  晶粒长大

再结晶完成后，再继续提高加热温度或延长加热时间，晶粒便会继续长大。

因为晶粒长大可降低表面能，热力学第二定律。

4.4.2.        再结晶后的晶粒度

再结晶退火时，要确定加热温度

4.4.2.1.  变形度影响

变形度越大，再结晶温度越低。

因为变形度越大，金属晶体缺陷越多，组织破碎越严重，越不稳定。

变形度增大，再结晶温度降低，并逐渐趋近于一个极限温度，金属的最低再结晶温度。

4.4.2.2.  金属熔化温度的影响

工业纯金属     T_R=(0.40~0.50)T_f  

T_R是金属最低再结晶温度，T_f是金属熔化温度

4.4.2.3.  金属纯度的影响

有杂质或合金元素时，再结晶温度明显提高。

4.4.2.4.  金属原始组织影响

原始组织的晶粒越粗大，变形阻力越小，晶界少，不容易再结晶，再结晶温度越高。

4.4.3.        再结晶后的晶粒度

影响再结晶后晶粒度的因素

（1）       加热温度和加热时间

再结晶退火时的加热温度越高，晶粒越大。

一定温度，时间越长，晶粒越大

（2）       预先冷变形度

变形均匀度

变形越大，变形越均匀，再结晶后晶粒度越小。