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第4章 金屬材料的變形與再結(jié)晶
金屬材料在承受外力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的變形，隨著外力的增加，其變形將由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危敝翑嗔�。金屬材料的變形特性在工程技術(shù)上十分重要，
（1）由于鑄態(tài)金屬中往往具有晶粒粗大不均勻、組織不致密及雜質(zhì)偏析等缺陷，故工業(yè)上的金屬材料大多要在澆注后經(jīng)過(guò)壓力加工再予使用。
（2）把材料制作成所要求的形狀。
因?yàn)橥ㄟ^(guò)壓力加工時(shí)的塑性變形，金屬的組織也會(huì)發(fā)生很大的變化，可使某些性能如強(qiáng)度等得到顯著的提高。但在塑性變形的同時(shí)，也會(huì)給金屬的組織和性能帶來(lái)某些不利的影響，因此在壓力加工之后或在其加工的過(guò)程中，還應(yīng)經(jīng)常對(duì)金屬進(jìn)行加熱，使其發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，以消除不利的影響。
工程上實(shí)際材料均為多晶體組織，為了更好地了解多晶體材料的變形，首先了解單晶體的變形特性。
4.1.
單晶體金屬變
4.1.1.
單晶體金屬?gòu)椥宰冃?/span>
單晶體金屬材料在正應(yīng)力作用下變形過(guò)程，圖（2-1）
切應(yīng)力變形圖圖（2-2）
特點(diǎn)：
（1）
可逆性，去除外力后，變形消失。
（2）
變形量小，<1%。
（3）
應(yīng)變與應(yīng)力成正比。
4.1.2.
單晶體金屬塑性變形
單晶體塑性變形有“滑移”和“孿生”等不同方式，大多數(shù)情況以滑移方式發(fā)生。
正應(yīng)力只能引起晶格的彈性伸長(zhǎng)，或進(jìn)一步把晶體拉斷
切應(yīng)力可使晶格在發(fā)生彈性歪扭之后，進(jìn)一步造成滑移。通過(guò)大量的晶面滑移，最終使試樣拉長(zhǎng)變細(xì)。
滑移：晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)。
滑移變形要點(diǎn)：
（1）
滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生
（2）
滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。
這是因?yàn)橹挥性谧蠲芫妫ɑ泼妫┲g的面間距及最密晶向（滑移方向）之間的原子間距才最大，因而原子結(jié)合力最弱，所以在最小的切應(yīng)力下使能引起它們之間的相對(duì)滑動(dòng)。
滑移系：滑移面數(shù)與滑移方向數(shù)的乘積�；葡翟酱螅饘倩频目赡苄栽酱�，即金屬塑性越好。
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晶格
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體心立方晶格
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面心立方晶格
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密排六方晶格
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滑移面
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{110}*6
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{111}*4
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六方底面*1
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滑移方向
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{111}*2
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{110}*3
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底面對(duì)角線*3
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滑移系
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6*2=12
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4*3=12
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1*3=3
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Fe
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Cu,
Al
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Mg,
Zn
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（3）
滑移時(shí)晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿滑移方向位移的距離為原子間距的整數(shù)倍，滑移的結(jié)果會(huì)在晶體的表面上造成臺(tái)階。
（4）
滑移的同時(shí)必然伴有晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)，沿外力方向。滑移過(guò)程,
4.2.
多晶體金屬的變形
4.2.1.
晶界作用
以兩個(gè)晶粒的試樣在拉伸時(shí)的變形為例
在遠(yuǎn)離晶界處，變形明顯，在靠近晶界處變形出現(xiàn)“竹節(jié)”現(xiàn)象。表明晶界對(duì)變形有較大的阻礙作用。
原因：晶界附近晶格排列紊亂，雜質(zhì)原子往往較多，增大晶格畸變，因而使該處在滑移時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力較大，難以發(fā)生變形。
4.2.2.
各晶粒位向差別的影響
位向不同當(dāng)受外力作用時(shí)，有些晶粒的滑移面適合于外力作用方向，有些晶粒的滑移面與外力方向相抵觸，其中任一晶粒的滑移都必然會(huì)受到它周圍不同晶格位向晶粒的約束和障礙。所以多晶體金屬的塑性變形抗力總是高于單晶體。
4.2.3.
多晶體金屬變形過(guò)程
滑移面和滑移方向處于或接近于與外力成45度夾角的晶粒必將首先發(fā)生滑移變形，不同位向的晶粒分批滑移。
塑性變形特點(diǎn)：
（1）
起始塑性變形的非同時(shí)性。
位向不同，所以在工程上無(wú)法測(cè)得真正的最大彈性變形抗力和真正的起始塑性變形的抗力指標(biāo)，要采用條件規(guī)定的方法
（2）
塑性變形的時(shí)間性。
彈性變形以聲速進(jìn)行，變形速度對(duì)金屬?gòu)椥孕阅軣o(wú)影響，但塑性變形需要時(shí)間。緩慢拉伸和快速拉伸。要控制冷變形加工速度。
（3）
塑性變形量的不均一性。
殘余應(yīng)力
（4）
變形過(guò)程中伴隨著發(fā)生金屬機(jī)械性能及其他物理、化學(xué)性能的改變。
形變強(qiáng)化，密度降低，電阻增加，化學(xué)活性增大。
4.3.
塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響
變形后性能的變化是由塑性變形時(shí)金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化決定的。
4.3.1.
晶粒沿變形方向拉長(zhǎng)，性能趨于各向異性
內(nèi)部晶粒形狀與金屬外形成比例，變形量大時(shí)，產(chǎn)生纖維關(guān)“纖維組織”
4.3.2.
晶粒破碎，位錯(cuò)密度增加，產(chǎn)生加工硬化.
形變量不大時(shí)，在變形晶粒中的晶界附近出現(xiàn)位錯(cuò)的堆積。隨著變形量增大，晶粒破碎為亞晶粒，亞晶界量越多。滑移變形是通過(guò)位錯(cuò)在滑移面上移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，晶體內(nèi)部的晶界、亞晶界以及其他缺陷都成為各種阻礙位錯(cuò)移動(dòng)的障礙物。位錯(cuò)在亞晶界堆積，使滑移變形不易繼續(xù)進(jìn)行下去。“晶格畸變”
隨著形變量增大，由于晶粒破碎和位錯(cuò)密度的嗇，金屬的塑性變形抗力將迅速增大，即硬度和強(qiáng)度顯著升高，塑性和韌性下降，產(chǎn)生“加工硬化”。
4.3.3.
織構(gòu)現(xiàn)象產(chǎn)生
隨著變形發(fā)生，各晶粒晶格位向也會(huì)沿著變形的方向同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，故在變形量達(dá)到一定的程度（70-90%）時(shí)，金屬組織將會(huì)出現(xiàn)一種織構(gòu)現(xiàn)象。
織構(gòu)現(xiàn)象有兩種
（1）
各晶粒的某一晶向平行于拉拔方向，絲織構(gòu)
（2）
各晶粒某一晶面平行于軋制方向，板織構(gòu)
出現(xiàn)各向異性，不利。
4.3.4.
殘余內(nèi)應(yīng)力
經(jīng)過(guò)塑性變形，外力對(duì)金屬所作的功，約90%轉(zhuǎn)化成熱，10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中。
塑性變形后，退火。
4.4.
塑性變形后的金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化
加工硬化會(huì)造成進(jìn)一步加工的困難，退火，一是為了消除加工硬化（再結(jié)晶退火），另一是保留加工硬化，減小內(nèi)應(yīng)力。
4.4.1.
回復(fù)與再結(jié)晶
4.4.1.1.
回復(fù)
即在加熱溫度較低時(shí)，僅因金屬中的一些點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)遷移而所引起的某些晶內(nèi)的變化。
晶粒大小和形狀無(wú)明顯變化。
冷卷彈簧卷制后低溫退火，去應(yīng)力250～300℃。
4.4.1.2.
金屬的再結(jié)晶
破碎晶粒未改變，組織仍不穩(wěn)定，加熱到較高溫度，晶粒外形開(kāi)始變化，生成新的等軸顆粒�！霸俳Y(jié)晶”。強(qiáng)度和硬度顯著降低，塑性和韌性提高，消除加工硬化。
例：黃銅33%冷軋變形后，在580℃再結(jié)晶。
4.4.1.3.
晶粒長(zhǎng)大
再結(jié)晶完成后，再繼續(xù)提高加熱溫度或延長(zhǎng)加熱時(shí)間，晶粒便會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大。
因?yàn)榫ЯｉL(zhǎng)大可降低表面能，熱力學(xué)第二定律。
4.4.2.
再結(jié)晶后的晶粒度
再結(jié)晶退火時(shí)，要確定加熱溫度
4.4.2.1.
變形度影響
變形度越大，再結(jié)晶溫度越低。
因?yàn)樽冃味仍酱�，金屬晶體缺陷越多，組織破碎越嚴(yán)重，越不穩(wěn)定。
變形度增大，再結(jié)晶溫度降低，并逐漸趨近于一個(gè)極限溫度，金屬的最低再結(jié)晶溫度。
4.4.2.2.
金屬熔化溫度的影響
工業(yè)純金屬
TR=(0.40~0.50)Tf
TR是金屬最低再結(jié)晶溫度，Tf是金屬熔化溫度
4.4.2.3.
金屬純度的影響
有雜質(zhì)或合金元素時(shí)，再結(jié)晶溫度明顯提高。
4.4.2.4.
金屬原始組織影響
原始組織的晶粒越粗大，變形阻力越小，晶界少，不容易再結(jié)晶，再結(jié)晶溫度越高。
4.4.3.
再結(jié)晶后的晶粒度
影響再結(jié)晶后晶粒度的因素
（1）
加熱溫度和加熱時(shí)間
再結(jié)晶退火時(shí)的加熱溫度越高，晶粒越大。
一定溫度，時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒越大
（2）
預(yù)先冷變形度
變形均勻度
變形越大，變形越均勻，再結(jié)晶后晶粒度越小。
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