2.3

金屬的塑性加工

2.3.1金屬的塑性變形

概述金屬材料通過冶煉、鑄造，獲得鑄錠后，可通過塑性加工獲得型材、板材、管材或線材，以及零件毛坯或零件。

塑性加工:鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓塑性加工方法示意圖

塑性加工時，金屬產生塑性變形，對金屬的組織結構和性能會產生重要的影響。問題1：塑性變形對金屬的組織結構和性能有什么重要影響？問題2：塑性變形后的金屬再加熱時組織結構和性能有什么變化？

一、單晶體的塑性變形

單晶體的塑性變形基本方式有2種：

滑移孿生

1.滑移

晶體在切應力的作用下，晶體的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發生滑動叫滑移?；?/p>

（2）滑移是晶體內部位錯運動的結果。滑移特點

（1）滑移只能在切應力作用下才會發生。滑移臨界切應力產生滑移的最小切應力。鎢、鉬、鐵的滑移臨界切應力比銅、鋁的要大。

（3）總變形量是滑移方向上的原子間距的整數倍。

滑移在表面形成滑移帶?；茙в^察

金屬三種常見晶格的滑移系1×3=34×3=126×2=12滑移系

3個

<110>

3個<111>

2個

每個滑移面上的滑移方向{0001}

1個{111}

4個{110}

6個滑移面密排六方晶格面心立方晶格體心立方晶格晶格滑移系：由一個滑移面與其上的一個滑移方向組成。

（4）滑移沿著晶體中密排面和其上密排方向進行。

密排面、密排方向上原子排列緊密，結合力強。密排面是滑移面，密排方向是滑移方向。

老師提示

滑移系越多，金屬發生滑移的可能性越大，塑性就越好。滑移方向對滑移所起的作用比滑移面作用大。面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的塑性更好。

（5）滑移時晶體發生轉動。

2.孿生在切應力作用下晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面(孿生面)和晶向(孿生方向)發生切變的變形過程叫孿生。

發生切變后位向改變的一部分晶體稱為孿晶。孿晶與未變形部分晶體原子分布對稱。

孿生所需的臨界切應力比滑移的大得多。孿生只在滑移很難進行的情況下才發生。滑移系較少的密排六方晶格金屬如鎂、鋅、鎘等,容易發生孿生。體心立方晶格金屬（如鐵）在低溫或受沖擊時才發生孿生。

二、多晶體的塑性變形

工程上使用的金屬絕大部分是多晶體。多晶體中每個晶粒的變形基本方式與單晶體相同。多晶體材料中，各個晶粒位向不同，存在許多晶界，變形要復雜得多。

多晶體的塑性變形1.晶界阻礙位錯運動

晶界上原子排列不很規則,阻礙位錯的運動,使變形抗力增大。金屬晶粒越細，晶界越多，變形抗力越大，金屬的強度就越大。

2.晶粒分批逐步變形軟位向晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應力方向。硬位向晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應力方向相差較大。老師提示

細晶強化是金屬的一種很重要的強韌化手段。

滑移時，軟位向晶粒先開始，硬位向晶粒后滑移。變形分散在材料各處。晶粒越細，變形越分散，減少了應力集中，推遲裂紋形成和發展，金屬塑性提高。

晶粒細，金屬的強度高，塑性好，斷裂時需要消耗較大的功，因而韌性好。

三、塑性變形對金屬組織和性能的影響

☆老師提示：重點內容

1.塑性變形對金屬組織結構的影響

（1）晶粒發生變形

晶粒沿形變方向被拉長或壓扁。變形量很大時,晶粒變成細條狀(拉伸時),金屬中的夾雜物也被拉長,形成纖維組織。變形前變形后

（2）亞晶粒形成

金屬經大的塑性變形時,位錯密度增大,大量位錯堆積在局部地區,相互纏結,形成不均勻的分布,使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊,產生亞晶粒。

金屬經變形后的亞晶粒

（3）形變織構產生

金屬塑性變形到很大程度(70%以上)時,由于晶粒發生轉動,使各晶粒的位向趨近于一致，這種結構叫做形變織構。形變織構示意圖

●絲織構

各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳鋼經大變形量冷拔后,其<100>平行于拔絲方向;

●板織構

各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向。低碳鋼的板織構為{001}<110>。

2.塑性變形對金屬性能的影響

（1）加工硬化

金屬發生塑性變形,隨變形度增大,金屬的強度和硬度顯著升高,塑性和韌性明顯下降。這種現象稱為加工硬化，也叫形變強化。

工程應用：在生產中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。

產生加工硬化的原因:

塑性變形時,位錯密度增加,位錯間的交互作用增強,相互纏結,位錯運動阻力增大,塑性變形抗力提高。同時晶粒破碎細化,強度提高。加工硬化

（2）產生各向異性

纖維組織和形變織構的形成,使金屬的性能產生各向異性。沿纖維方向的強度和塑性高于垂直方向。

各向異性

有織構的板材沖制筒形零件時,由于各方向上塑性差別很大,零件的邊緣出現“制耳”。因形變織構造成深沖制品的制耳示意圖

在某些情況下,織構的各向異性有用。制造變壓器鐵芯的硅鋼片,沿<100>方向最易磁化,采用這種織構可使鐵損減小,變壓器的效率大大提高。

（3）物理、化學性能變化

塑性變形可影響金屬的物理、化學性能。

電阻增大,耐腐性降低。

殘余內應力使金屬的耐蝕性降低，較大時使零件變形或開裂。

（4）產生殘余內應力

殘余內應力

外力去除后，金屬內部殘留下來的應力。

塑性變形時，金屬內部變形不均勻，位錯、空位等晶體缺陷增多，產生殘余內應力。

噴丸強化齒輪表面通過噴丸處理，產生較大的殘余壓應力，提高疲勞強度。噴丸強化

2.3.2塑性變形后的金屬在加熱時組織和性能的變化金屬經塑性變形后，組織結構和性能發生很大的變化。對變形后的金屬進行加熱，金屬的組織結構和性能又會發生變化。隨著加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發生回復、再結晶和晶粒長大過程。

一、回復

變形后的金屬在較低溫度進行加熱，會發生回復過程。

回復溫度：

T回復=(0.25～0.3)T熔點

T熔點為金屬熔點,單位為絕對溫度(K)。

晶粒內部位錯等缺陷減少，晶粒仍保持變形后的形態，顯微組織不發生明顯變化。材料的強度和硬度略有降低，塑性有增高，殘余應力大大降低。

工程應用：對變形金屬進行去應力退火、降低殘余內應力，保留加工硬化效果。

二、再結晶

1.再結晶對金屬組織、性能的影響

變形后的金屬在較高溫度加熱時，被拉長（或壓扁）、破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細小的等軸晶。這個過程稱為再結晶。

變形金屬再結晶后，強度、硬度明顯降低，塑性、韌性大大提高，加工硬化現象被消除，內應力全部消失。物理、化學性能基本上恢復到變形以前的水平。老師提示再結晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前、變形后的晶格類型均一樣。

2.再結晶溫度

發生再結晶的溫度是一個溫度范圍，并非一恒定溫度。再結晶溫度指的是最低再結晶溫度(T再)。用經大變形量(70%以上)的冷塑性變形的金屬,經1小時加熱后能完全再結晶的最低溫度來表示。最低再結晶溫度：

T再=(0.35～0.4)T熔點

式中的溫度單位為絕對溫度(K)。

最低再結晶溫度影響因素：

（1）預先變形度

預先變形度金屬再結晶前塑性變形的相對變形量。預先變形度越大,金屬的晶體缺陷就越多,組織越不穩定,最低再結晶溫度也就越低。當預先變形度達到一定大小后,最低再結晶溫度趨于某一穩定值。

（2）金屬的熔點

熔點越高,最低再結晶溫度也就越高。

（3）雜質和合金元素

雜質和合金元素（高熔點元素）阻礙原子擴散和晶界遷移,可顯著提高最低再結晶溫度。

高純度鋁(99.999%)的最低再結晶溫度為80℃；

工業純鋁(99.0%)的最低再結晶溫度提高到290℃。

（4）加熱速度和保溫時間

再結晶是一個擴散過程,需要一定時間才能完成。提高加熱速度會使再結晶在較高溫度下發生。保溫時間越長,再結晶溫度越低。

3.再結晶后晶粒的晶粒度

（1）加熱溫度

加熱溫度越高,原子擴散能力越強,則晶界越易遷移,晶粒長大也越快。加熱溫度對再結晶后晶粒大小的影響

（2）預先變形度

變形度的影響主要與金屬變形的均勻度有關。變形越不均勻,再結晶退火后的晶粒越大。

預先變形度對再結晶后晶粒大小的影響●變形度很小時，不足以引起再結晶，晶粒不變?！褡冃味冗_到2～10%時，少數晶粒變形，變形不均勻，再結晶時生成的晶核少，得到極粗大的晶粒。

塑性變形后的金屬再結晶時，晶粒發生異常長大的變形度稱作臨界變形度。

●變形度繼續增大，晶粒變形厲害、均勻，再結晶核心越多，再結晶后的晶粒越細小。

●當變形度過大（約≥90%)時,晶?？赡茉俅纬霈F異常長大,由形變織構造成。

再結晶的工程應用

再結晶退火消除塑性變形產生的加工硬化現象，恢復金屬塑性變形的能力，以便繼續進行形變加工。如生產鐵鉻鋁電阻絲時，在冷拔到一定的變形度后，要進行氫氣保護再結晶退火，以便繼續冷拔獲得更細的絲材。

為了縮短處理時間，實際采用的再結晶退火溫度比該金屬的最低再結晶溫度要高。

再結晶退火溫度=T再+（100℃～200℃）

三、晶粒長大

加熱溫度過高或保溫時間過長，晶粒會長大，得到粗大晶粒，使金屬的強度、硬度、塑性、韌性等機械性能顯著降低。

這種不均勻的長大過程稱為二次再結晶,一般情況下應當避免。

變形金屬加熱時組織和性能變化

2.3.3金屬材料的熱加工與冷加工

金屬塑性變形加工方法：

熱加工：熱鍛、熱軋、熱擠壓、熱拔冷加工：冷鐓、冷軋、冷擠壓、冷沖、切削熱加工和冷加工不是根據變形時是否加熱來區分，而是根據變形時的溫度處于金屬的再結晶溫度以上還是以下來劃分的。

熱加工：在再結晶溫度以上的塑性變形加工。

冷加工：在再結晶溫度以下的塑性變形加工。

一、金屬的熱加工及其對組織、性能影響

鋼材的熱鍛和熱軋，溫度處于再結晶溫度以上，金屬塑性變形后，隨即發生再結