第6章 金属的塑性变形和再结晶

重点内容：体心与面心结构的滑移系；金属塑性变形后的组织与性能；金属热加工的作用

基本内容：应力－应变曲线；霍尔—配奇关系式；单晶体塑性变形的方式、滑移的本质；回复、再结晶的概念

塑性变形的方式：以滑移和孪晶为主。

滑移的本质是位错的移动。

体心结构的滑移系个数为12，滑移面：{110}，方向<111>。面心结构的滑移系个数为12，滑移面：{111}，方向<110>。

金属塑性变形后的组织与性能 ：显微组织出现纤维组织，杂质沿变形方向拉长为细带状或粉碎成链状，光学显微镜分辨不清晶粒和杂质。亚结构细化，出现形变织构。性能：材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降；比电阻增加，导电系数和电阻温度系数下降，抗腐蚀能力降低等。

1．解释下列名词：

抗拉强度、屈服强度、滑移、加工硬化、回复、再结晶、热加工、冷加工、形变织构、再结晶结晶温度、 超塑性。 答：抗拉强度?b—材料断裂前承受的最大应力。

屈服强度?s—材料产生微量塑性变形时的应力。

滑移：晶体中一部分相对于另一部分晶体沿一定的滑移面

和滑移方向所做的切变过程。

加工硬化：随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，

塑性、韧性下降的现象。

细晶强化：通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、韧性的方法。

回复：为了消除金属的加工硬化现象，将变形金属加热到

某一温度，以使其组织和性能发生变化。在加

热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金

属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在

晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变

化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性等机

械性能变化不大，而只是使内应力及电阻率等

性能显著降低。此阶段为回复阶段。

再结晶：被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能

力，使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变

成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格

类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。

热加工：将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工。

冷加工：在再结晶温度以下进行的压力加工。

形变织构：与单晶体一样，多晶体在塑性变形时也伴随着晶体的转动过程，故当形变量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而彼此趋于一致，这一现象称为晶粒的择优取向，这种由于金属塑性变形使晶粒具有择尤取向的组织叫做形变织构。

同一种材料随加工方式不同，可能出现不同类型的织构：

（1）丝织构 在拉拔时形成，各晶粒的某一晶向平行或近似平行于拉拔方向。

（2） 板织构 在轧制时形成，各晶粒某一晶面平行于轧制方向，而某一晶向平行于轧制方向。

2．产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利弊？

答：①随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，这样使各

晶粒都破碎成细碎的亚晶粒，变形愈大，晶粒破碎的程度愈大，这样使位错密度显著增加；同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。因此，随着变形量的增加，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。②金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后轧不动。另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。如冷拉钢丝拉过模孔的部分，由于发生了加工硬化，不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。

3．划分冷加工和热加工的主要条件是什么？

答：主要是再结晶温度。在再结晶温度以下进行的压力加工为冷

加工，产生加工硬化现象；反之为热加工，产生的加工硬化现象被再结晶所消除。

4．与冷加工比较，热加工给金属件带来的益处有哪些？

答：（1）通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高。

（2）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从

而使晶粒细化，机械性能提高。

（3）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂

分布发生改变，使它们沿着变形的方向细碎拉长，形成热压力加工“纤维组织”（流线），使纵向的强度、塑性和韧性显著大于横向。如果合理利用热加工流线，尽量使流线与零件工作时承受的最大拉应力方向一致，而与外加切应力或冲击力相垂直，可提高零件使用寿命。

5．为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？

答：晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也

阻碍晶粒的变形。因此，金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。同时晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。因此，塑性，韧性也越好。

6．金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？

答：①晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性，如纵向的强度

和塑性远大于横向等；②晶粒破碎，位错密度增加，产生加

工硬化，即随着变形量的增加，强度和硬度显著提高，而塑

性和韧性下降；③织构现象的产生，即随着变形的发生，不

仅金属中的晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会

沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金属中每个晶粒的

晶格位向趋于大体一致，产生织构现象；④冷压力加工过程

中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒

间的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在一般

情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定。

7．分析加工硬化对金属材料的强化作用？

答：随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动

时的相互交割、位错缠结加剧，使位错运动的阻力增大，引

起变形抗力的增加。这样，金属的塑性变形就变得困难，要

继续变形就必须增大外力，因此提高了金属的强度。

8．已知金属钨、铁、铅、锡的熔点分别为3380℃、1538℃、327℃、

232℃，试计算这些金属的最低再结晶温度，并分析钨和铁在

1100℃下的加工、铅和锡在室温（20℃）下的加工各为何种加工？

答：T再=0.4T熔；钨T再=[0.4*（3380+273）]-273=1188.2℃; 铁

T再=[0.4*（1538+273）]-273=451.4℃; 铅T

T再再=[0.4*=[0.4*（327+273）]-273=-33℃; 锡

（232+273）]-273=-71℃.由于钨T再为1188.2℃＞1100℃，

因此属于热加工；铁T再为451.4℃＜1100℃，因此属于冷

加工；铅T再为-33℃＜20℃，属于冷加工；锡T再为-71＜20℃，属于冷加工。

9．什么是金属的再结晶温度？影响金属再结晶温度的因素主要有哪些?并简要分析。

答：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度，它可用金相法或硬度法测定，即以显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度或以硬度下降50％所对应的温度，定为再结晶温度。

再结晶温度并不是一个物理常数，它不仅随材料而改变，同一材料其冷变形程度、原始晶粒度等因素也影响着再结晶温度。 a．变形程度的影响 随着冷变形程度的增加，储能也增多，再结晶的驱动力就越大，因此再结晶温度越低，同时等温退火时的再结晶速度也越快。但当变形量增大到一定程度后，再结晶温度就基本上稳定不变了。对工业纯金属，经强烈冷变形后的最低再结晶温度T再/K约等于其熔点Tm的0.35~04。 b．原始晶粒尺寸 在其他条件相同的情况下，金属的原始晶粒越细小，则变形的抗力越大，冷变形后储存的能量较高，再结晶温度则较低。 c．微量溶质原子 微量溶质原子的存在对金属的再结晶有很大的影响。微量溶质原子存在显著提高再结晶温度的原因可能是溶质原子与位错及晶界间存在着交互作用，使溶质原子倾向于在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移与攀移和晶界的迁移起着阻碍作用，从而不利于再结晶的形核和核的长大，阻碍再结晶过程。 d．第二相粒子 第二相粒子的存在既可能促进基体金属的再结晶，也可能

阻碍再结晶。 e．再结晶退火工艺参数 加热速度、加热温度与保温时间等退火工艺参数，对变形金属的再结晶有着不同程度的影响。

10．影响再结晶的主要因素有哪些？

答：①再结晶退火温度：退火温度越高（保温时间一定时），再结晶后的晶粒越粗大；②冷变形量：一般冷变形量越大，完成再结晶的温度越低，变形量达到一定程度后，完成再结晶的温度趋于恒定；③原始晶粒尺寸：原始晶粒越细，再结晶晶粒也越细；④微量溶质与杂质原子，一般均起细化晶粒的作用；⑤第二相粒子，粗大的第二相粒子有利于再结晶，弥散分布的细小的第二相粒子不利于再结晶；⑥形变温度，形变温度越高，再结晶温度越高，晶粒粗化；⑦加热速度，加热速度过快或过慢，都可能使再结晶温度升高。

第二篇：第6章 金属的塑性变形和再结晶

第6章

金属的塑性变形和再结晶

重点内容：体心与面心结构的滑移系；金属塑性变形后的组织与性能；金属热加工的作用

基本内容：应力-应变曲线；霍尔-配奇关系式；单晶体塑性变形的方式、滑移的本质；回复、再结晶的概念

塑性变形的方式：以滑移和孪晶为主。

滑移的本质是位错的移动。

体心结构的滑移系个数为12，滑移面：{110}，方向<111>。面心结构的滑移系个数为12，滑移面：{111}，方向<110>。

金属塑性变形后的组织与性能 ：显微组织出现纤维组织，杂质沿变形方向拉长为细带状或粉碎成链状，光学显微镜分辨不清晶粒和杂质。亚结构细化，出现形变织构。性能：材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降；比电阻增加，导电系数和电阻温度系数下降，抗腐蚀能力降低等。

1．解释下列名词：

抗拉强度、屈服强度、滑移、加工硬化、回复、再结晶、热加工、冷加工、变形织构、。

答：抗拉强度?b—材料断裂前承受的最大应力。

屈服强度?s—材料产生微量塑性变形时的应力。

滑移：晶体中一部分相对于另一部分晶体沿一定的滑移面

和滑移方向所做的切变过程。

加工硬化：随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，

塑性、韧性下降的现象。

细晶强化：通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、韧性的方法。

回复：为了消除金属的加工硬化现象，将变形金属加热到

某一温度，以使其组织和性能发生变化。在加

热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金

属的晶粒大小和形状没有明显的变化，只是在

晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移等变

化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性等机

械性能变化不大，而只是使内应力及电阻率等

性能显著降低。此阶段为回复阶段。

再结晶：被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能

力，使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变

成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格

类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。

热加工：将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工。

冷加工：在再结晶温度以下进行的压力加工。

变形织构：与单晶体一样，多晶体在塑性变形时也伴随着晶体的转动过程，故当形变量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而彼此趋于一致，这一现象称为晶粒的择优取向，这种由于金属塑性变形使晶粒具有择尤取向的组织叫做变形织构。

同一种材料随加工方式不同，可能出现不同类型的织构：

（1）丝织构 在拉拔时形成，各晶粒的某一晶向平行或近

似平行于拉拔方向。

（2） 板织构 在轧制时形成，各晶粒某一晶面平行于轧制方向，而某一晶向平行于轧制方向。

2．产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利弊？

答：①随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，这样使各

晶粒都破碎成细碎的亚晶粒，变形愈大，晶粒破碎的程度愈大，这样使位错密度显著增加；同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。因此，随着变形量的增加，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。②金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后轧不动。另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度。加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。

3．划分冷加工和热加工的主要条件是什么？

答：主要是再结晶温度。在再结晶温度以下进行的压力加工为冷

加工，产生加工硬化现象；反之为热加工，产生的加工硬化现象被再结晶所消除。

4．与冷加工比较，热加工给金属件带来的益处有哪些？

答：（1）通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高。

（2）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从

而使晶粒细化，机械性能提高。

（3）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂

分布发生改变，使它们沿着变形的方向细碎拉长，形成热压力加工“纤维组织”（流线），使纵向的强度、塑性和韧性显著大于横向。如果合理利用热加工流线，尽量使流线与零件工作时承受的最大拉应力方向一致，而与外加切应力或冲击力相垂直，可提高零件使用寿命。

5．为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？

答：晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也

阻碍晶粒的变形。因此，金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。同时晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。因此，塑性，韧性也越好。

6．金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？

答：①晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性，如纵向的强度

和塑性远大于横向等；②晶粒破碎，位错密度增加，产生加

工硬化，即随着变形量的增加，强度和硬度显著提高，而塑

性和韧性下降；③织构现象的产生，即随着变形的发生，不

仅金属中的晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会

沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金属中每个晶粒的

晶格位向趋于大体一致，产生织构现象；④冷压力加工过程

中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒

间的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在一般

情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定。

7．分析加工硬化对金属材料的强化作用？

答：随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动

时的相互交割、位错缠结加剧，使位错运动的阻力增大，引

起变形抗力的增加。这样，金属的塑性变形就变得困难，要

继续变形就必须增大外力，因此提高了金属的强度。

8．已知金属钨、铁、铅、锡的熔点分别为3380℃、1538℃、

327℃、232℃，试计算这些金属的最低再结晶温度，并分析钨

和铁在1100℃下的加工、铅和锡在室温（20℃）下的加工各为

何种加工？

答：T再=0.4T熔；钨T再=[0.4*（3380+273）]-273=1188.2℃; 铁T再=[0.4*

（1538+273）]-273=451.4℃; 铅T再=[0.4*（327+273）]-273=-33℃; 锡

T再=[0.4*（232+273）]-273=-71℃. 由于钨T再为1188.2℃＞1100℃，

因此属于冷加工；铁T再为451.4℃＜1100℃，因此属于热加工；铅T

再为-33℃＜20℃，属于热加工；锡T再为-71℃＜20℃，属于热加工。

9．什么是金属的再结晶温度？影响金属再结晶温度的因素主要有哪些?并简要分析。

答：冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度，它可用金相法或硬度法测定，即以显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度或以硬度下降50％所对应的温度，定为再结晶温度。

再结晶温度并不是一个物理常数，它不仅随材料而改变，同一材料其冷变形程度、原始晶粒度等因素也影响着再结晶温度。 a．变形程度的影响 随着冷变形程度的增加，储能也增多，再结晶的驱动力就越大，因此再结晶温度越低，同时等温退火时的再结晶速度也越快。但当变形量增大到一定程度后，再结晶温度就基本上稳定不变了。对工业纯金属，经强烈冷变形后的最低再结晶温度T再/K约等于其熔点Tm的0.35~04。 b．原始晶粒尺寸 在其他条件相同的情况下，金属的原始晶粒越细小，则变形的抗力越大，冷变形后储存的能量较高，再结晶温度则较低。 c．微量溶质原子 微量溶质原子的存在对金属的再结晶有很大的影响。微量溶质原子存在显著提高再结晶温度的原因可能是溶质原子与位错及晶界间存在着交互作用，使溶质原子倾向于在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移与攀移和晶界的迁移起着阻碍作用，从而不利于再结晶的形核和核的长大，阻碍再结晶过程。 d．第二相粒子 第二相粒子的存在既可能促进基体金属的再结晶，也可能阻碍再结晶。 e．再结晶退火工艺参数 加热速度、加热温度与保温时间等退火工艺参数，对变形金属的再结晶有着

不同程度的影响。

10．影响再结晶的主要因素有哪些？

答：①再结晶退火温度：退火温度越高（保温时间一定时），再结晶后的晶粒越粗大；②冷变形量：一般冷变形量越大，完成再结晶的温度越低，变形量达到一定程度后，完成再结晶的温度趋于恒定；③原始晶粒尺寸：原始晶粒越细，再结晶晶粒也越细；④微量溶质与杂质原子，一般均起细化晶粒的作用；⑤第二相粒子，粗大的第二相粒子有利于再结晶，弥散分布的细小的第二相粒子不利于再结晶；⑥形变温度，形变温度越高，再结晶温度越高，晶粒粗化；⑦加热速度，加热速度过快或过慢，都可能使再结晶温度升高。