任务2　金属的塑性变形和再结晶

【任务描述】

大多数钢和有色金属及其合金经铸造、均匀化（获得均匀组织的热处理），然后通过轧制、挤压或锻造发生塑性变形，获得一定形状和尺寸的零件或毛坯或型材。由于金属材料在外力作用下发生塑性变形的行为决定了材料的力学性能，所以，了解金属材料的塑性变形过程中的组织、结构与性能的变化规律以及塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化，有助于掌握金属材料的强度、塑性、刚性等力学性能指标的物理实质，从而提高零件或毛坯或型材的质量和合理使用金属材料。

本任务是掌握金属的塑性变形和再结晶的实质；区分热加工与冷加工，并掌握热加工和冷加工分别对金属的组织和性能的影响。

【知识链接】

知识点一　单晶体的塑性变形

单晶体塑性变形的基本方式是滑移和孪生。但在大多数情况下都是以滑移方式进行的。

1.滑移

滑移是指在切向应力作用下，晶体的一部分相对另一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）发生相对的滑动。即晶体中产生层片之间的相对位移。这种位移在应力去除后不能恢复。大量层片中间滑动的积累，就构成了金属的宏观塑性变形。

图2－15　单晶体滑移示意

单晶体受拉伸时，外力F作用在滑移面上的应力f可分解为正应力和剪切应力，如图2－15所示。正应力只使晶体产生弹性伸长，并在超过原子间结合力时将晶体拉断。切应力则使晶体产生弹性歪扭，并在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑移。滑移特点如下：

第一，滑移只能在切应力作用下才会发生，不同金属产生滑移的最小切应力（称滑移临界切应力）大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。图2－16为单晶体在切应力作用下的变形示意图。

图2－16　单晶体在切应力作用下的变形示意图

第二，滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动，而是通过位错的运动来实现的。在切应力作用下，一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动，即位错自左向右移动时，晶体产生滑移。

图2－17　位错运动造成滑移

第三，由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量，因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距的整数倍。

图2－18　滑移面示意图

第四，滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）进行，这是由于密排面之间、密排方向之间的间距最大，结合力最弱。因此滑移面为该晶体的密排面，滑移方向为该面上的密排方向。由图2－18可知Ⅰ－Ⅰ晶面原子排列最紧密（原子间距小），面间距最大（a/），面间结合力最弱，故常沿这样的晶面发生滑移。而Ⅱ－Ⅱ晶面原子排列最稀（原子间距大），面间距较小（a/2）。面间结合力较强，故不易沿此面滑移。同样也可以解释为什么滑移总是沿滑移面上原子排列最紧密的方向上进行。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。

2.孪生

图2－19　孪生示意图

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晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变的变形过程，如图2－19所示，双点划线是晶格在变形前的位置。发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶。孪晶与未变形部分晶体原子分布形成对称。孪生所需的临界切应力比滑移的大得多。孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。体心立方晶格金属（如铁）在室温或受冲击时才发生孪生。而滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、锌、镉等，则比较容易发生孪生。

知识点二　多晶体的塑性变形

工程上使用的金属绝大部分是多晶体。多晶体中每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同。但由于多晶体材料中，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，因此变形要复杂得多。

第一，多晶体中，由于晶界上原子排列不很规则，阻碍位错的运动，使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。

第二，多晶体中每个晶粒位向不一致，一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向（称晶粒处于软位向），另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大（称晶粒处于硬位向）。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其他晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，因此使金属的塑性提高。由于细晶粒金属的强度较高，塑性较好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。因此细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。

知识点三　塑性变形对金属组织和性能的影响

1.塑性变形对金属组织结构的影响

①金属发生塑性变形后，晶粒沿形变方向被拉长或压扁，即发生变形。当变形量很大时，晶粒变成细条状（拉伸时），金属中的夹杂物也被拉长，形成纤维组织，如图2－20所示。形成纤维组织后，金属的性能有明显的方向性，例如沿纤维组织方向的强度和塑性明显高于垂直于纤维组织方向。

图2－20　变形前后晶粒形状的变形示意图

②亚结构形成：金属经大的塑性变形时，由于位错的密度增大和发生交互作用，大量位错堆积在局部地区，并相互缠结，形成不均匀的分布，使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块，而在晶粒内产生亚晶粒。如图2－21所示。

图2－21　金属经变形后的亚结构

③形变织构的产生：金属塑性变形到很大程度（70％以上）时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋近于一致，形成特殊的择优取向，这种有序化的结构叫做形变织构。如图2－22所示。

图2－22　形变织构示意图

2.塑性变形对金属性能的影响

①金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化，也叫形变强化。

产生加工硬化的原因是：金属发生塑性变形时，位错密度增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力的增大，引起塑性变形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎细化，使强度得以提高。在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。

图2－23　冲压件的制耳

②由于纤维组织和形变织构的形成，使金属的性能产生各向异性。如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的。用有织构的板材冲制筒形零件时，即由于在不同方向上塑性差别很大，零件的边缘出现“制耳”，如图2－23所示。在某些情况下，织构的各向异性也有好处。制造变压器铁芯的硅钢片，因沿某方向最易磁化，采用这种织构可使铁损大大减小，因而变压器的效率大大提高。

③塑性变形可影响金属的物理、化学性能。如使电阻增大，耐腐蚀性降低。

④由于金属在发生塑性变形时，金属内部变形不均匀，位错、空位等晶体缺陷增多，金属内部会产生残余内应力。即外力去除后，金属内部会残留下来应力。残余内应力会使金属的耐腐蚀性能降低，严重时可导致零件变形或开裂。齿轮等零件，如表面通过喷丸处理，可产生较大的残余压应力，则可提高疲劳强度。

知识点四　塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化

金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化，如图2－24所示。如果对变形后的金属进行加热，金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。

图2－24　变形金属加热时组织和性能变化示意图

1.回复(www.daowen.com)

变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程。产生回复的温度为：

T_回复=（0.25～0.3）T_熔点

式中T熔点表示该金属的熔点，单位为绝对温度（K）。由于加热温度不高，原子扩散能力不很大，只是晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态，变形金属的显微组织不发生明显的变化。此时材料的强度和硬度只略有降低，塑性有增高，但残余应力则大大降低。工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火，以降低残余内应力，保留加工硬化效果。

2.再结晶

（1）再结晶过程及其对金属组织、性能的影响

变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，这个过程称为再结晶。变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除，此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。

（2）再结晶温度

变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围，并非某一恒定温度。一般所说的再结晶温度指的是最低再结晶温度（T_再），通常用经大变形量（70％以上）的冷塑性变形的金属，经一小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度与该金属的熔点有如下关系：

T_再=（0.35～0.4）T_熔点

式中的温度单位为绝对温度（K）。最低再结晶温度与下列因素有关：

①预先变形度：金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度。预先变形度越大，金属的晶体缺陷就越多，组织越不稳定，最低再结晶温度也就越低。当预先变形度达到一定大小后，金属的最低再结晶温度趋于某一稳定值。

②金属的熔点：熔点越高，最低再结晶温度也就越高。

③杂质和合金元素：由于杂质和合金元素特别是高熔点元素，阻碍原子扩散和晶界迁移，可显著提高最低再结晶温度。如高纯度铝（99.999％）的最低再结晶温度为80℃，而工业纯铝（99.9％）的最低再结晶温度提高到了290℃。

④加热速度和保温时间：再结晶是一个扩散过程，需要一定时间才能完成。提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生，而保温时间越长，再结晶温度越低。

（3）再结晶后晶粒的晶粒度

晶粒大小影响金属的强度、塑性和韧性，因此，生产上非常重视控制再结晶后的晶粒度，特别是对那些无相变的钢和合金。影响再结晶退火后晶粒度的主要因素是加热温度和预先变形度。

①加热温度越高，原子扩散能力越强，则晶界越易迁移，晶粒长大也越快。

②变形度的影响主要与金属变形的均匀度有关。变形越不均匀，再结晶退火后的晶粒越大。变形度很小时，因不足以引起再结晶，晶粒不变。当变形度达到2％～10％时，金属中少数晶粒变形，变形分布很不均匀，所以再结晶时生成的晶核少，晶粒大小相差极大，非常有利于晶粒发生吞并过程而很快长大，结果得到极粗大的晶粒。使晶粒发生异常长大的变形度称作临界变形度。生产上应尽量避免临界变形度的加工。超过临界变形度之后，随变形度的增大，晶粒的变形更加强烈和均匀，再结晶核心越来越多，因此再结晶后的晶粒越来越细小。但是当变形度过大（约≥90％）时，晶粒可能再次出现异常长大，一般认为它是由形变织构造成的。

由于塑性变形后的金属加热发生再结晶后，可消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性，因此生产中常用再结晶退火工艺来恢复金属塑性变形的能力，以便继续进行形变加工。例如生产铁铬铝电阻丝时，在冷拔到一定的变形度后，要进行氢气保护再结晶退火，以继续冷拔获得更细的丝材。

为了缩短处理时间，实际采用的再结晶退火温度比该金属的最低再结晶温度要高100～200℃。

3.晶粒长大

再结晶完成后的晶粒是细小的，但如果继续加热，加热温度过高或保温时间过长时，晶粒会明显长大，最后得到粗大晶粒的组织，使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。

一般情况下晶粒长大是应当避免发生的现象。

当金属变形较大，产生织构，含有较多的杂质时，晶界的迁移将受到阻碍，因而只会有少数处于优越条件的晶粒（例如尺寸较大，取向有利等）优先长大，迅速吞并周围的大量小晶粒，最后获得晶粒异常粗大的组织。这种不均匀的长大过程类似于再结晶的生核（较大稳定亚晶粒生成）和长大（吞食周围的小亚晶粒）的过程，所以称为二次再结晶，它大大降低金属的机械性能。

【任务实施】

1.金属材料的热加工与冷加工

金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于再结晶温度以上还是以下来划分的。

在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工，例如钢材的热锻和热轧。

在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工。如低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲等。

2.热加工对金属的组织和性能的影响

由于热加工的温度处于再结晶温度以上，金属材料发生塑性变形后，随即发生再结晶过程。因此塑性变形引起的加工硬化效应随即被再结晶过程的软化作用所消除，使材料保持良好的塑性状态。

①热加工能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹焊合，提高金属的致密度；减少甚至消除树枝晶偏析和改善夹杂物、第二相的分布等；明显提高金属的机械性能，特别是韧性和塑性。如表2－2所示。

表2－2　碳钢（ω_C=0.3％）铸态与锻态的力学性能比较

②热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒，而使金属的机械性能全面提高。但这与热加工的变形量和加工终了温度关系很大，一般来说变形量应大些，加工终了温度不能太高。图2－25为金属在热轧时变形和再结晶的示意图。

图2－25　金属在热轧时变形和再结晶的示意图

③热加工能使金属中残存的枝晶偏析、可变形夹杂物和第二相沿金属流动方向被拉长，形成纤维组织（或称“流线”），使金属的机械性能特别是塑性和韧性具有显的方向性，纵向上的性能显著大于横向上的。因此热加工时应力求工件流线分布合理。

锻造曲轴的合理流线分布，可保证曲轴工作时所受的最大拉应力与流线一致，而外加剪切应力或冲击力与流线垂直，使曲轴不易断裂。切削加工制成的曲轴，其流线分布不合理，易沿轴肩发生断裂。如图2－26所示。

图2－26　不同方法制成的曲轴流线分布示意图

由于热加工可使金属的组织和性能得到显著改善，所以受力复杂、载荷较大的重要工件，一般都采用热加工方法来制造。

3.冷加工对金属的组织和性能的影响

由于冷加工的加工温度处于再结晶温度以下，金属材料发生塑性变形时不会伴随再结晶过程。

与冷加工前相比，金属材料的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化的现象。加工硬化具有极重要的实际意义。