第四章 金属的塑性变形与再结晶
4.1金属的塑性变形
4.1.1单晶体金属的塑性变形 单晶体受力后，外力 P在任何晶面上都可以分解为正应力 b和切应力&正应力b只能引起弹性变形及解理断裂，只有在切应
力「的作用下，金属晶体才能产生塑性变形。
正常情况下，塑性变形有两种形式：滑移和挛生，在多数情况下，金属的塑性变形是以滑移的方式进行的。 1. 滑移
滑移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移动的现象。滑移变形的特点是： (1) 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称为临界切应力。
(2) 滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生，这是因为原子密度最大的晶面和晶向之间间距最大，结合力最弱，产生滑 移所需切应力最小。沿其发生滑移的晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。显然，滑移面和滑移方向通常是晶体中的密排面 和密排方向。 一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。 晶格只有3个滑移系。
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而具有面心立方晶格金 属的塑性好于体心立方晶格金属，具有体心立方晶格金属的塑性好于密排六方晶格金属。
(3) 滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称为滑移线，若干条滑移线组成 一个滑移带。
(4) 滑移的同时伴随着晶体的转动。转动有两种：一种是滑移面向外力轴方向转动，另一种是在滑移面上滑移方向向最大切应力 方向转动。 转动的原因是由于晶体沿着滑移面和滑移方向滑动后使正应力分量 移面和滑移方向都与外力轴方向成 45°角时，滑移方向上的切应力 轴方向平行或垂直时，切应力分量
rs=Q晶体不发生滑移。
bn、bn和切应力分量rb r组成了力偶。计算表明，当滑 「最大，因而最容易发生滑移。当滑移面和滑移方向与外力
体心立方晶格与面心立方晶格的滑移系数目相同，
都是12个，而密排六方
(5) 滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。计算表明，把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量的临 界切应力值大3〜4个数量级，而按照位错运动模型计算所得的临界切应力值则与实测值相符， 错运动的结果。
当晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，而且它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临 界切应力小，这种现象称为位错的易动性。
当一个位错移动到晶体表面时，便产生一个原子间距的滑移量，同一滑移面上，若有大量位错移出，则在晶体表面形成一条滑 移线。 2. 挛生
挛生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。发生切变的部分称为挛晶带或挛晶，沿其发生挛生的 晶面称为挛生面，挛生的结果使挛生面两侧的晶体呈镜面对称。
与滑移不同，挛生使晶格位向发生改变，所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近于声速；挛生时相邻原子面的相对位 移量小于一个原子间距。
在常见的晶格类型中，密排六方晶格金属滑移系少，常以挛生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生挛 生变形。面心立方晶格金属一般不发生挛生变形，但在这类金属中常发现有挛晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发 生错排而产生的，称为退火挛晶。
可见滑移不是刚性滑动，而是位
4.1.2多晶体金属的塑性变形
工程上使用的金属绝大多数是多晶体，其中每个晶粒内部的变形情况与单晶体的变形情况大致相似，但由于晶界的存在及各晶 粒的取向不同，使多晶体的塑性变形比单晶体复杂得多。 1.
晶界及晶粒位向差的影响
在多晶体中，晶界原子排列不规则，当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来，称为位错的塞积。若要使变形继 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。双晶粒试样的拉伸实验表明，试样往往呈竹节状，晶界处较 粗，这说明晶界的变形抗力大，变形较小。
由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性 变形来与之协调。这种弹
性形变便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗 力提高。 2. 多晶体金属的塑性变形过程
多晶体中首先发生滑移的是那些滑移系与外力夹角等于或接近于
45。的晶粒，使位错在晶界附近塞积，当塞积位错前端的应力
达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另 一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。 3. 晶粒大小对金属力学性能的影响
金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。原因是金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多，需要协调的具有不同位向的 晶粒越多，金属塑性变形的抗力越高。
金属的晶粒越细，其塑性和韧性也就越好。这是由于晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多。同时参与变形的晶粒数目也越多， 变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使得在断裂前发生较大的塑性变形。在强度和塑性同时增加的情况下，金属在断裂前 消耗的功也大，因而其韧性也比较好。 通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称为细晶强化。细晶强化是金属的重要强化手段之一。
4.2合金的塑性变形与强化
1. 单相固溶体合金的塑性变形与固溶强化
单相固溶体合金的组织与纯金属相同，因而其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似；
由于溶质原子的存在，使晶格发生畸变，从而使固溶体的硬度、强度提高，塑性韧性下降，这种现象称为固溶强化。
2. 多相合金的塑性变形与弥散强化
当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变形除与合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分 布有关。第二相可以是纯金属，也可以是固溶体或化合物，工业合金中的第二相多数是化合物；
当第二相在晶界上呈网状分布时，对合金的强度和塑性都不利；当在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度可显著提高，而且 第二相颗粒越细，分布越均匀合金的强度、硬度越高，这种强化方法称为弥散强化或沉淀强化。
4.3塑性变形对金属组织和性能的影响 4.3.1塑性变形对金属组织的影响
金属发生塑性变形，不仅外形发生变化，而且内部的晶粒被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得
工业大在荃性变号筋后的组织麦化（400其）
4.3.2塑性变形对金属性能的影响
金属发生冷塑性变形后，随塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。 冷塑形变形金属产生加工硬化的原因： 位错密度增加；
亚结构细化，亚晶界对位错运动有阻碍作用； 空位密度增加。
由于加工硬化的存在，使已变形部分发生硬化而停止变形，而未变形部分开始变形，因此，没有加工硬化，金属就不会发生均 匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一。尤其对于那些不能通过热处理强化的金属和合金更为重要。 4.3.3残余应力
内应力是指平衡于金属内部的应力，它是由于金属在外力作用下，内部变形不均匀而引起的。 内应力分为三类：
宏观内应力：平衡于金属表面与心部之间；
微观内应力：平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间； 畸变应力：由晶格缺陷引起的内应力。
内应力的存在，使金属的耐蚀性降低，引起零件在加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退 火处理，以消除或降低
内应力。
4.4回复与再结晶
4.4.1冷变形金属在加热时的组织和性能变化
金属经冷塑性变形后，组织处于不稳定状态，有自发恢复到变形前组织状态的倾向。在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态 可以维持相当长时间，而加热则使原子扩散能力增强，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。 1. 回复
回复是指在加热温度较低时，由于金属中点缺陷及位错的近距离迁移而引起的晶内某些变化。在回复阶段，组织变化不明显， 强度、硬度略有下降，塑性略有提高；但内应力、电阻率等显著下降。
在工业中，利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织有保留了加工硬化，这种热处理方法称为去应力退火。 2. 再结晶
如下图所示，当冷塑性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，有破碎拉长的晶粒 变为完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称为再结晶。
再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程。再结晶前后晶粒的晶格类型和成分完全相同。由于再结晶后组织的 复原，金属的强度、硬度下降，韧性提高，加工硬化消失。 3.
结晶后的晶粒长大
再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长加热时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。晶粒的长大是通过晶界迁移进 行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒长大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性下降。
4.4.2再结晶温度
再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在某一温度范围内连续进行的过程， 影响再结晶温度的因素如下： 金属的预先变形度 金属的纯度 加热速度和保温时间
发生再结晶的最低温度称为再结晶温度。
4.4.3再结晶退火后的晶粒度
由于晶粒大小对金属的力学性能具有重大影响，因而生产上非常重视再结晶退火后的晶粒度。影响再结晶退火后晶粒大小的因 素如下：
1. 加热温度和保温时间
加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越大，加热温度的影响尤为显著。 2. 预先变形度
预先变形度的影响实质上是变形均匀程度的影响。
4.5金属的热加工
4.5.1冷加工与热加工的区别
在金属中，冷、热加工的界限是以再结晶温度来划分的，低于再结晶温度的加工为冷加工，而高于再结晶温度的加工为热加工。
例如，Fe的再结晶温度为450 C，其在400 C以下的加工变形仍属冷加工。而 Pb的再结晶温度为-33 C ,则其在室温下的加工 变形为热加工。 热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化的效果。 4.5.2热加工对金属组织和性能的影响
热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶破碎，从而使组织致密，成份均匀，晶粒细化，力学性能提高。 热加工使铸态金属中的非金属夹杂物沿变形方向伸长，形成彼此平行的宏观条纹，称为流线，由这种流线体现的组织称为纤维 组织。纤维组织使钢产生各向异性，与流线平行的方向强度高，而与其垂直的方向强度低。在制定加工工艺时，应使流线分布 合理，尽量与拉应力方向一致。如下图（
a）所示的曲轴锻坯流线分布合理，而图（
b）中所示的曲轴是由锻钢切削加工而成,
其流线分布不合理，易在轴肩处发生断裂。
在热加工亚共析钢时，甬发现钢中的铁素体与珠光体呈带状分布，这种组织称为带状组织。带状组织与枝晶偏析被沿加工方向 拉长有关，它的存在将降低钢的强度、塑性和冲击韧性，可通过多次正火或退火来消除。
热加工能量消耗小，但钢才表面易氧化，因而热加工一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。而冷加工一 般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面粗糙度要求高的工件
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