(金属材料与热处理)模块七金属的塑性变形与再结晶.ppt

金属与合金的塑性变形 3.塑性变形产生内应力 经冷塑性变形的零件在外力消除后仍保留在金属内部的应力，称为残余应力或形变内应力，简称内应力。内应力一般分为下列三类: （1）宏观内应力（第一类内应力）：由于金属表层和心部之间变形不均匀而形成平衡于表层和心部之间的内应力，称为宏 观内应力。几乎所有机械制造工艺都会由于不均匀的塑性变形而引起残余内应力。 （2）晶间内应力（第二类内应力）：由于相邻晶粒之间或晶粒内部不同部位之间变形不均匀而形成保持平衡的微观应力， 称为晶间内应力。工件存在这类内应力又承受外力作用时，常因有很大的应力集中而产生显微裂纹甚至断裂。 金属与合金的塑性变形 （3）晶格畸变内应力（第三类内应力）：由于位错等晶体缺陷的增加而形成的内应力，称为晶格畸变内应力。金属塑性变形时所产生的内应力主要表现为第三类内应力。 内应力是有害的，它导致工件变形、开裂和抗蚀性降低，使工件抗负荷能力降低。但如果控制得当，比如使内、外应力叠加后互相抵消，可提高工件的抗负荷能力。例如， 钢板弹簧经喷丸处理后，在表面层造成压应力，提高了疲劳极限。第三类内应力所造成的晶格畸变，增大了位错移动的阻力，提高了金属抵抗塑性变形的能力，使金属的强度、硬度提高，同时使塑性和抗蚀性下降。为了防止零件变形、开裂，要进行人工或振动时效处理。 金属与合金的塑性变形 冷变形金属在加热时的变化 经过塑性变形后的金属材料，由于晶格扭曲、晶粒破碎、结构缺陷增多等原因，造成金属内部能量较高而处于不稳定状态，它有自发地恢复到晶体结构比较完整、规则和能量较低状态的趋势。 但在室温下由于原子活动能力弱，扩散速度很慢，这种不稳定状态可能要维持相当长时间而不会发生变化。如果进行加热，使其温度升高，则因原子活动能力增加，将发生一系列的组织与性能变化。 随着加热温度的升高，冷变形金属组织和性能变化可分为三个阶段，即回复、再结晶和晶粒长大。 金属与合金的塑性变形 一、回复 当加热温度较低（为(0.25～0.30)T熔，单位为K）时，原子活动能力较弱，只能回复到平衡位置，冷变形金属的显微组织没有明显变化，力学性能变化也不大;但残留应力显著降低，其物理和化学性能也基本恢复到变形前状态，称这一阶段为回复或恢复。 由于回复加热温度较低，晶格中的原子仅能做短距离扩散，因此，金属内凡只需要较小能量就可开始运动的缺陷将首先移动，如偏离晶格节点位置的原子回复到节点位置，空位在回复阶段中向晶体表面、晶界处或位错处移动，使晶格节点恢复到较规则形状，晶格畸变减轻，残留应力显著降低。但因亚组织尺寸未有明显改变，位错密度未显著减小，即造成冷变形强化的主要原因尚未消除，因而力学性能在回复阶段变化不大。 金属与合金的塑性变形 回复的特点:加热温度较低；组织性能没有明显变化；应力显著降低。 在生产中，利用回复现象可将已产生冷变形强化的金属材料在较低温度下加热，使其残 留内应力基本消除，而保留其强化的力学性能，这种处理称为低温去应力退火。 金属与合金的塑性变形 二、再结晶 当冷变形金属材料继续加热升温时，由于原子活动能力增大，金属的显微组织发生明显的变化，破碎的、被拉长或被压扁的晶粒变成均匀、细小的等轴晶粒，这一变化过程也是通过形核和晶核长大方式进行的，故称为再结晶。 再结晶后金属的强度、硬度显著下降，塑性、韧性明显提高，冷变形强化得以消除。 金属与合金的塑性变形 再结晶也是一个形核与晶核长大的过程，再结晶晶核的形成往往是在回复后的剧烈变形带上的破碎晶块中，以其为再结晶晶核，向周围长大，或者由多边化形成的亚晶吞并周围的基体，通过合并的方式长大成为再结晶核心。 再结晶时，新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同，所以再结晶不是相变过程，没有恒定的转变温度。能够进行再结晶的最低温度称为金属的再结晶温度。 金属与合金的塑性变形 再结晶温度是经过变形程度70%塑性变形的金属，在1h保温时间内，完成全部再结晶所需的最低温度来确定。 由于再结晶过程的原动力是变形晶粒的畸变能，必须通过原子的扩散移动来完成，因此再结晶温度的高低主要取决于变形金属的畸变能的高低和原子的扩散能力。 金属与合金的塑性变形 影响再结晶温度的因素： ①金属的冷变形程度越大，金属的畸变能越高，组织越不稳定，向低能状态变化的倾向也越大，再结晶温度越低 ②加热保温时间越长，原子扩散移动越能充分进行，再结晶温度越低 ③金属的原始组织越粗大，变形阻力越小，变形后内能集聚就越少，所以再结晶温度越高。 ④化学成分对金属的再结晶温度影响较复杂，当金属中含有少量的合金元素和杂质时，在多数情况下都会提高再结晶温度，如W、Mo、Cr等元素均能提高钢的再结晶温度，利用这种规律可以改善钢的高温性能。 金属与合金的塑性变形 变形程度较大时，纯金属的最低再结晶温度与其熔点