冷变形金属的组织和性能
冷变形热变形中的组织性能演变PPT课件
对材料性能的影响： 沿纤维方向性能高， 垂直于纤维方向性 能低，产生各向异 性
工业用钢强烈冷变形后的显微组织
.
6
2.冷变形的性能变化
（1）力学性能—加工硬化
原因：塑性变形引起位错增 值，位错密度增加，不同方 向的位错发生交割，位错运 动收到阻碍，要继续运动需 要增加应力，从而引起加工 硬化。
随着变形程度的增加，金属 的强度指标上升，塑性指标 下降。这就是加工硬化。
1.冷变形的组织变化 2.冷变形的性能变化
.
2
1.冷变形的组织变化
（1）位错等缺陷密度增加
单晶体塑性变形时，随着变形量增加，位错增多，位错密度 增加。
退火状态的金属，典型的位错密度值是105～108 cm-2，而 大变形后的典型数值是1010～1012cm-2。通过实验得到的位
错密度（ρ）同流变应力（σ）之间的关系是：
式中：α—等干0．2～0．3范围的常数；
G—剪切弹性模量；
b—柏氏矢量。
除了位错，同时冷变形产生的缺陷还有空位、间隙原子、堆 垛层错、孪晶界、亚晶界等。
.
3
1.冷变形的组织变 化
（2）形成位错胞状结构
多晶体塑性变形时，因为各个晶粒 取向不同，各晶粒的变形既相互阻 碍又相互促进，变形量稍大就形成 了位错胞状结构。
胞状结构：是变形的各种晶粒中， 被密集的位错缠结区分成许多个单 个的小区域。小区域的内部，位错 密集度较低，称为胞子。区域的边 界称为胞壁，位错密度最大。
（1）铁在室温下变形时胞的大小同变形量的关系
（2）铁在室温下变形的胞状结构
.
4
1.冷变形的组织变化
（3）形成形变织构
形变织构：多晶体塑性变形时，伴随着晶粒的转动。当变形量 较大时，原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整取向而趋于一致。 使得晶粒具有择优取向的组织。
冷变形后金属的变化
冷变形后金属的变化
金属在冷变形后，组织和性能会发生一系列变化。
具体来说，随着冷变形程度的增加，金属的强度和硬度会上升，而塑性和韧性会下降。
这是因为在冷变形过程中，金属内
部的晶格结构会发生扭曲，产生大量的晶体缺陷，如位错和畸变，这些缺陷会导致金
属的强化。
同时，由于冷变形过程中金属的晶粒被拉长、破碎和细化，导致金属的塑
性和韧性下降。
此外，冷变形后的金属在加热时，组织和性能也会发生变化。
具体来说，随着温度的
升高，原子扩散能力增加，金属将经历回复、再结晶和晶粒长大等过程。
在回复阶段，金属中的位错和空位等缺陷会重新排列，形成较为稳定的晶格结构，导致金属的力学
性能变化不大，但塑性略有提高。
当温度继续升高，金属将发生再结晶，形成新的等
轴晶粒组织。
在这个过程中，金属的强度和硬度会进一步上升，而塑性和韧性会明显
改善。
金属在冷变形后组织和性能会发生变化，具体变化程度取决于变形程度和加热温度等
因素。
了解这些变化对于材料的加工、选材和应用都具有重要意义。
金属学与热处理第七章回复与再结晶
回复退火（又称去应力退火）的应用：
回复退火主要是用作去应力退火，使冷加工的 金属件在基本保持加工硬化状态的条件下，降低 其内应力，以避免变形或开裂，并改善工件的耐 蚀性。如:经冷冲压的黄铜工件、冷拉钢丝卷制弹 簧。
恢复再结晶的驱动力：塑性变形后的储存能
7－1 冷变形金属在加热时的组织 和性能变化
随加热温度的提高,冷变形金属发生变化为：回复、再 结晶、晶粒长大。 回复（recovery）—在较低加热温度时，变形后金属 的光学显微组织发生改变前，所产生的某些亚结 构和性能的变化过程。 再结晶（recrystallization）—经回复后的变形金属， 在加热时，纤维状晶粒通过再结晶核心的形成及 长大，变成无畸变的等轴新晶粒的过程。 晶粒长大（grain growth）— 再结晶后的金属继续加 热时，将使晶粒进一步长大的过程。
(二) 再结晶温度
再结晶温度(recrystallization temperature)： 定义：经严重冷变形（大于 70% ）的金属，在约一小时 的保温时间内能够完成再结晶（大于 95% ）的温度。 用TR(或T再)表示。 一般 TR = δTm ；Tm为熔点 工业纯金属δ＝（0.35～0.40）； 高纯金属 δ＝（0.25～0.35） 下表给出了一些金属的TR 应该注意的是：实际生产时再结晶退火温度要比再结 晶温度高出100－200℃
(2) 亚晶形核
对于变形度较大的金属,再结晶形核往 往采用这种方式。亚晶核核方式有： 1. 亚晶合并机制：在变形度大且具有高层错 能的金属中。 2. 亚晶迁移（boundary migration）机制 （也叫吞并机制）：在变形度大,而层错能 低的金属中。
冷变形金属的组织和性能
再结晶
三 再结晶温度
3 影响因素 变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低；
纯度越高，再结晶温度越低；
再结晶
四 影响再结晶的因素
1 退火温度。温度越高，再结晶速度越大。 2 变形量。变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶温
度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行。 3 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。 4 微量溶质元素。阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。 5 第二分散相。间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核
力学性能：利:深冲板材变形控制;弊：制耳。
物理性能:硅钢片{100}[001]织构可减少铁损。
P351 高斯织构为（011）[100]
３ 形成位错胞
３ 形成位错胞
变形量 位错缠结 位错胞
f 0 kd1
（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。)
冷变形金属在加热时的组织和性能的 变化
冷变形金属在加热时的组织和性能的 变化
3 消除：去应力退火。
6h
塑性变形对材料组织的影响
塑性变形对材料组织的影响
1 形成纤维组织 晶粒拉长;杂质呈细带状或链状分布。
对材料性能的影响：各向异性
２形成形变织构
２形成形变织构
形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。
类型：
丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成） 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平
▪ 1 固溶强化的机理 ▪ 2． 试用位错理论解释低碳钢的屈服和应变
时效。举例说明吕德斯带对工业生产的影响 及防止办法。
▪ 3 弥散强化的机理
冷、热变形金属的组织与性能变化
苏铁健1. 冷变形金属的组织变化（1）点缺陷（空位）密度增加位错在外力作用下攀移的结果；（2）位错密度增加金属塑性变形时，位错源在外力作用下不断产生新的位错；（3）晶粒碎化塑性变形足够大时，出现位错缠结并进一步发展形成位错胞结构（中心位错密度低，胞壁处位错密度很高），使得晶粒分割成很多极小的碎块，称为晶粒碎化；剧烈冷变形金属中的位错胞（4）纤维组织随着变形量增加，晶粒沿着最大变形方向伸长，最后成为细条状，这种变形组织称为纤维组织；（5）变形织构塑性变形量足够大时，各软取向晶粒逐渐转向为硬取向晶粒，各晶粒的取向逐渐趋向一致，这种组织称为变形织构。
变形前变形后的纤维组织变形织构1）加工硬化金属随着变形量增加，其强度与硬度增加，塑性降低的现象。
原因：塑性变形中位错密度和点缺陷密度增加，使得位错滑移更为困难；软取向晶粒朝着硬取向变化。
加工硬化是不能用热处理强化的金属材料（如奥氏体不锈钢制品）提高强度的主要途径。
2）产生残余应力塑性变形在宏观和微观上的不均匀性，造成卸载后仍在其内部留存应力，称为残余应力。
根据其作用范围大小分为：宏观残余应力（第一类残余应力）遍及整个材料微观残余应力（第二类残余应力）晶粒尺度点阵畸变（第三类残余应力）晶粒内部第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。
而第一、二类内应力一般都使金属强度降低。
3）出现各向异性塑性变形产生的各晶粒取向趋于一致的组织，即变形织构，导致其力学、物理等性能呈现方向性（不同方向性能不同）。
板料的织构使板料沿不同方向变形不均匀，冲压成的零件边缘出现凹凸不平的形状，称为制耳现象。
板料冲压件的制耳现象4）物理、化学变化电阻率提高；密度下降；耐蚀性降低。
加热会增强原子的活动能力，使金属的组织和性能会通过回复、再结晶等一系列变化过程重新回到冷变形前的状态。
1）回复组织变化——加热温度较低时，原子将获得一定扩散能力。
通过原子的扩散，点缺陷密度下降，位错形成亚晶界。
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
图1-12 面心立方晶格金属形变织构示意图
织构的形成使多晶体金属出现各向异性，在冲压复杂形 状零件(如汽车覆盖件等)时，产生不均匀塑性变形则可能导致 工件报废。但是，也可利用织构现象来提高硅钢板的某一方向 的磁导率。
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
二、 冷塑性变形对金属性能的影响 1. 产生加工硬化
金属材料随着冷塑性变形程度的增大，强度 和硬度逐渐升高，塑性和韧性逐渐降低的现象称 为加工硬化或冷作硬化，这也是冷塑性变形后的 金属在力学性能方面最为突出的变化。
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
显然，加工硬化是金属内部组织结构发生变化的宏观表 现。经冷变形后，晶界总面积增大，位错密度也增大，位错 线间的距离减小，彼此干扰作用明显增强，使得能够产生滑 移变形的潜在部位减少，从而导致滑移阻力增加，塑性变形 能力降低。再则，金属冷变形后，原来的晶粒破碎了，形成 许多亚结构，在亚晶粒边界上聚集着大量位错，产生严重的 晶格畸变，也对滑移过程产生巨大阻碍。所有这些都使金属 变形抗力升高，塑性和韧性降低。图1-13是ωC=0.3%碳钢冷 轧后力学性能的变化。
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
图1-14 制耳现象
但是织构现象在有些方面是 可以利用的。例如，生产变压器 硅钢片时，其晶格为体心立方， 沿［100］晶向最易磁化，如采 用具有织构取向的硅钢片制作铁 芯，使其［100］晶向平行于磁 场方向，则其磁导率显著增大， 从而提高变压器效率金属组织和性能的影响
图1-13 ωC=0.3%碳钢冷轧后力学性能的变化
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
加工硬化使金属强化是以牺牲金属的塑性、韧性为 代价的，而且在冷变形加工过程中随着加工硬化现象的 产生要不断增加机械功率，故对设备和工具的强度提出 了较高要求，随着材料塑韧性的下降，也可能发生脆性 破坏。此外，加工硬化也使冷轧、冷拔、冲压等成形工 艺增加能耗，为恢复塑性继续进行冷变形往往要进行中 间退火，这就使生产周期延长，成本增加。
9.金属在塑性变形中的组织结构与性能变化
9．金属在塑性变形中的组织结构与性能变化1．冷变形使金属材料的组织结构和力学性能发生什么变化？在实际生产中采用冷变形有何意义？物理化学性能有何变化金属材料冷变形后，组织结构上的变化：晶粒被拉长，形成了纤维组织，夹杂和第二相质点成带状或点链状分布，也可能产生形变织构，产生各种裂纹，位错密度增加，产生胞状结构，点缺陷核层错等晶体缺陷增多，自由能增大。
力学性能的变化体现在：冷加工后，金属材料的强度指标（比例极限，弹性极限，屈服极限，强度极限，硬度）增加，塑性指标（面缩率，延伸率等）降低，韧性也降低了，还可能随着变形程度的增加二产生力学性能的方向性。
生产上经常利用冷加工能提高材料的强度，通过加工硬化来强化金属材料。
物理、化学性能也发生明显变化：密度降低，导热、导电导磁性能降低，化学稳定性、耐腐蚀性降低，溶解性增加。
2．回复处理使冷变形后金属材料的组织结构和力学性能发生哪些变化？这种变化有何实际意义？回复过程中，金属会释放出冷塑性变形过程中所贮能量的一部分，残余内应力会降低或消除，电阻率、硬度、强度会降低，密度、塑性、韧性等会提高，能够保持良好的形变强化的效果。
回复温度较低时，由于塑性变形所产生的过量空位会消失，机械性能变化不大，电阻率有较大程度降低。
回复温度稍高一些时同一个滑移面上的异号位错汇聚而合并消失，降低位错密度，回复温度较高时，不但同一个滑移面上的异号位错可以汇聚抵消，而且不同滑移面上的位错也易于攀移和交滑移从而互相抵消或重新排列成一种能量较低的结构，随着温度越高，形成多边形化组织或亚晶。
回复退火在生产中的实际意义主要是用于去内应力退火，使冷加工的金属件在基本保持加工硬化的条件下降低其内应力，避免变形和开裂，改善耐蚀性。
3．结晶和晶粒长大的组织性能变化和意义。
再结晶从形成无畸变的晶核开始，逐渐长大成位错密度很低的等轴晶粒，当变形基体全部消耗完即进入晶粒长大阶段。
再结晶蚀消除加工硬化的重要软化手段，再结晶还是控制晶粒大小、形态、均匀程度获得或避免晶粒择优取向的重要手段。
3.2冷变形加工对金属组织和性能的影响
冷变形对金属性能的影响
作用：
δ/％ σb/MPa
提高金属的强度、硬
度和耐磨性；
100 1000有利于金属均匀变形80 80060 600
提高零件和构件使用 40 400
的安全性。
20 200
但变形后进一步加工 困难——中间退火。
0 10 20 30 40 50 60 70 冷轧变形度/％
图3－15 低碳钢的加工硬化
三、产生残余应力
变形外力去除后，残留在金属内部且平衡 于金属内部的应力，由于内部变形不均 匀引起。
第一类宏观内应力，表面和心部变形不均； 第二类微观内应力，晶粒之间或晶粒内部
变形不均匀； 第三类晶格畸变内应力，位错、空位等引
起晶格畸变造成，占总应力的90％以上。
作业
P83：2、9、12
谢谢欣赏
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纵向的强度和塑性明显高于横向。 2、亚结构的碎化 随变形量的增加，晶粒碎化成许多位向略
有差异的亚晶粒。
冷变形对金属组织的影响.2
3、变形织构 变形70％～90％后，金
属晶粒的位向趋于一 致，形成变形织构。 金属的性能呈现各向异 性，板材冲压形成图 示制耳现象。
二、产生加工硬化
金属塑性变形的过程中，随着变形程度的 增加，金属的强度、硬度增加，塑性、 韧性降低，产生加工硬化，见图3－15。
金属塑性变形的过程中随着变形程度的增加金属的强度硬度增加塑性韧性降低产生加工硬化见图315
3.2 冷变形加工 对金属组织和性能的影响
一、冷变形加工对金属组织的影响 1、显微组织的变化 随金属外形被拉长（压扁），晶粒也被拉
实验3.金属冷变形及再结晶对组织和性能的影响
实验3. 金属冷变形及再结晶对组织和性能的影响一、实验概述金属塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种。
在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对于另一部分滑动，这种变形方式称为滑移；在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对另一部分产生剪切变形，且变形部分与未变形部分的位向形成了镜面对称关系，这种变形方式称为孪生。
(一) 冷塑性变形对金属组织与性能的影响若金属在再结晶温度以下进行塑性变形，称为冷塑性变形。
冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸，而且还将引起金属组织与性能的变化。
金属在发生塑性变形时，随着外形的变化，其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为沿变形方向伸长的晶粒，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带。
当变形程度很大时，晶粒被显著地拉成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。
同时，随着变形程度的加剧，原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得近于一致的位向，而形成了形变织构，使金属材料的性能呈现出明显的各向异性。
图6-1为工业纯铁经不同程度变形的显微组织。
图6-1 工业纯铁冷塑性变形后组织(150X)a)变形程度20% b)变形程度50% c)变形程度70%金属经冷塑性变形后，会使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。
此外，在金属内部还产生残余应力。
一般情况下，残余应力不仅降低了金属的承载能力，而且还会使工件的形状与尺寸发生变化。
(二) 冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化金属经冷塑性变形后，由于其内部亚结构细化、晶格畸变等原因，处于不稳定状态，具有自发地恢复到稳定状态的趋势。
但在室温下，由于原子活动能力不足，恢复过程不易进行。
若对其加热，因原子活动能力增强，就会使组织与性能发生一系列的变化。
1．回复当加热温度较低时，原子活动能力尚低，故冷变形金属的显微组织无明显变化，仍保持着纤组织的特征。
此时，因晶格畸变已减轻，使残余应力显著下降。
但造成加工硬化的主要原因未消除，故其机械性能变化不大。
冷变形金属加热时组织和性能变化
（2）组织结构的变化:
特点
晶内存在被缠结位错所分割成的亚晶粒。 反复形核，有限长大，晶粒较细。
光学照片 镜）
晶粒中缠结位错（透射电
动态再结晶组织
层错能较低的金属，如铜及铜合金，热加工过程 中发生的软化过程主要来自动态再结晶。
现存的晶界往往是动态再结晶的主要形核之处。
中温回复：其主要机制是位错滑移，导致位错重新组 合；异号位错会聚而互相抵消以及亚晶粒长 大，位错密度降低。
高温回复：回复机制是包括攀移在内的位错运动和多边 化，以及亚晶粒合并，弹性畸变能降低。
攀移：刃型位错沿垂直于滑移面的方向运动，沿攀移后所 在的滑移面滑移，使在同一滑移面并排的同号位错 处于不同滑移面竖直排列，以降低总的畸变能。
¾ 回复与再结晶的用途：再结晶退火，去应力退火， 金属高温强度调整等。
¾ 本章重点：转变过程三个阶段中的组织、性能的变 化规律及主要影响因素。
9.2 冷变形金属加热时组织与性能变化
9.2.1 回复再结晶
（1）
回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可 见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形 以前的过程。
再结晶阶段急剧升 高； 电阻：由于点缺陷密度下 降，电阻在回复阶段 可明显下降。
9.2.4 储存能变化
（1）储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％） 变形功。 弹性应变能（3～12
（2）储存能存在形式
％） 位错（80～90％）
驱动力
点缺陷
（3）储存能的释放：原子活 动能力提高，迁移至平 衡位置，储存能得以释 放。
（2）形成纤维组织（流线）： 组织：枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分 布。 性能：各向异性，沿流线方向塑性和韧性提高明显。
冷变形金属在退火过程中组织与性能的变化精品PPT课件
冷变形金属在退火过程 中组织与性能的变化
于静
YU JING
2012-04-19
概述 SUMMARY
山西大同大学
SHANXI DATONG UNIVERSITY
储存能
弹性应变能 畸变能
3%-12%
88%-97%
退
火
形变金属的组织和性能在加热时逐
渐发生变化，向稳定态转变的过程。
SHANXI DATONG UNIVERSITY
回复阶段：显微组织几乎没有什么变化，晶粒为伸长的纤维状。 再结晶阶段：变形的晶粒内部新晶粒形核与长大，伸长的纤维状逐渐转
变为新的无畸变的等轴晶粒。
晶粒长大阶段：晶t1
再结晶
t2 晶粒长大 t3
图1 退火过程中显微组织的变化
5
储存能及内应力的变化
山西大同大学
SHANXI DATONG UNIVERSITY
A 纯金属 B 非纯金属 C 合金
图2 退火过程中能量的释放
6
储存能及内应力的变化
山西大同大学
SHANXI DATONG UNIVERSITY
第一内
力
应力
应
内
第二、三
内应力
回复
再结晶
晶粒长大
温度→
图3 退火过程中内应力的释放
回复
再结晶
晶粒长大
目录 CONTENTS
山西大同大学
SHANXI DATONG UNIVERSITY
一、基本概念 二、显微组织的变化
三、储存能及内应力的变化 四、力学性能的变化
五、其它性能的变化
3
基本概念
山西大同大学
3.2冷变形加工对金属组织和性能的影响
纵向的强度和塑性明显高于横向。
冷变形对金属组织的影响.1
纤维组织示意图（scheme of fibrous tissue）
2.亚结构的碎化(fragmentation of substructure) 随变形量的增加，晶粒碎化成许多位向略有 差异的亚晶粒。
冷变形对金属组织的影响.2
3、变形织构（deformation texture） 变形70％～90％后，金属晶图示制耳 现象。
3.2 冷变形加工对金属组织和性能的影响 (Effect of cold deformation on microstructure
and properties of metals)
一、冷变形加工对金属组织的影响
1、显微组织的变化
随金属外形被拉长（压扁），晶粒也被拉长 （压扁）。当变形量很大时，晶粒被拉长呈 纤维状，晶界模糊不清，形成纤维组织。
图3-15 低碳钢的加工硬化 Fig.3.15 Work hardening of low carbon steel
三、产生残余应力
(Occurrence of residual stresses )
变形外力去除后，残留在金属内部且平衡于金 属内部的应力，由于内部变形不均匀引起。 第一类宏观内应力，表面和心部变形不均； 第二类微观内应力，晶粒之间或晶粒内部变形 不均匀； 第三类晶格畸变内应力，位错、空位等引起晶 格畸变造成，占总应力的90％以上。
二、冷变形对金属性能的影响--产生加工硬化
加工硬化（work hardening）:金属塑性变形 的过程中，随着变形程度的增加，金属的强 度、硬度增加，塑性、韧性降低的现象。见 图3-15。
原因：一是随变形量增加，位错密度增加， 变形抗力增加；二是晶粒变形、破碎，亚晶 界阻止位错的运动，使强度和硬度提高。
3.3冷变形金属在加热时组织与性能的变化
再结晶过程.1
加热温度
图3－16 金属的回复与再结晶
2、再结晶温度 再结晶包含形核、长大的过程，但晶格类型
无变化。
再结晶过程.2
再结晶温度主要取决于变形度，见图3－17。
使金属的塑性、韧性下降，应严格控制加 热温度和保温时间。
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2）预先变形度 变形度2～10%，再结
晶后晶粒特别粗大— —临界变形度； 变形度10～90％，均匀 细小的等轴晶粒；
变形度>90％，晶粒又 变粗大。
晶粒大小
临界变形度 预先变形程度
图3－18 再结晶退火后晶粒度 与预先变形度的关系
三、晶粒长大
再结晶完成后，随温度的升高或保温时间 的延长，晶粒会相互吞并而长大。
3.3 冷变形金属 在加热时组织与性能的变化
一、回复 加热温度较低（0.25～0.3T熔），原子活动
能力较弱，显微组织无明显变化，强度、 硬度略有下降，塑性略有提高，电阻和 应力显著降低，也称去应力退火。
主要是晶格空位恢复和位错短距离移动， 晶格畸变减小，残余内应力明显降低。
二、再结晶
1、再结晶过程 冷变形金属被加热至较高温度，原子活动
一般纯金属TR≈0.4Tm
700
3、再结晶退火后的晶 粒度
1)加热温度与保温时间
加热温度越高,保温时间 越长,晶粒越粗大。
温度/℃
600
500 电解铁(99.9%)
400 纯铝(99.9%)
300
金属材料与热处理 模块三 课题二冷变形后的金属在加热时组织和性能的变化
再结晶过程仍然是一个形核与晶核长大的过程。
金属的塑性变形与再结晶
2 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再，通常用经过大变形量（70%以上）的冷塑性变形的金属， 在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
案例分析
以上两种现象都表现为金属材料在冷塑性变形后性能发生了变化。冷塑性变形后的金属 材料产生加工硬化，同时又有内应力存在。为了消除内应力和加工硬化现象，使金属组织 和性能恢复到变形前的状态，均必须通过加热来完成。
金属的塑性变形与再结晶
必备知识
金属经塑性变形后，组织结构和性能会发生很大的变化。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，如图3-12所示。
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，使残留内应 力基本消除而保留强化的力学性能，这种处理称为低温去应力退火。例如，用冷拉钢丝卷 制弹簧，卷成之后要进行250～300 ℃
金属的塑性变形与再结晶
二、再结晶
1
、
当冷变形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
金属的塑性变形与再结晶
三、 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（如尺寸较大，取向有利等）优先长大。晶粒长大实质上是大晶 粒迅速吞食周围的大量小晶粒，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。二次再结晶会大大降低金属的机械性能。
北科大材科基实验金属冷变形
金属材料冷变形与退火过程的组织和性能分析张问作为对于力作用的响应，材料发生的几何形状和尺寸的变化称为变形。
根据除去载荷后材料是否恢复到原始形状和尺寸，变形由可分为弹性变形和索性百年行。
本实验进行观察的是塑性变形对材料微观组织和力学性能的影响规律，且仅涉及在低于材料再结晶温度的条件下以滑移、孪生等基本形式发生的塑性变形，因为材料冷变形所引起的组织结构变化和力学性能变化可以在变形后保留下来。
首先，冷形变导致晶粒组织呈现方向性，且其程度随变形量的增大而增大。
在形变前显微组织为等轴晶粒，经受较大程度的方向性形变后则导致晶粒沿受力方向伸展，变形程度越大则晶粒被拉得越长。
当变形程度很大时，晶粒不但被拉长，晶粒内部还会被许多的滑移带分割成细的小块，晶界与滑移带分辨不清，呈纤维状组织。
通过对本实验中冷形变后的一组纯铁金相样品以及冷变形黄铜未退火样品的光学显微镜观察可以容易地证实这一点。
而对于冷形变材料中晶体缺陷密度的增大和变化等的观测，光学显微镜是无能为力的；若确实必须进行观测，则需要电子显微镜及其它研究手段才行。
冷变形导致的形变织构的形成等重要微观组织变化特征研究，则更超出了本实验的观测与讨论范围。
1 实验材料及方法1.1实验材料α-Fe:经0%、20%、40%、60%常温变形和经低温高速冲击变形样品各1块，均为经化学浸蚀好的金相样品（光学显微镜观察用），浸蚀剂：4%硝酸酒精。
另备经退火并电解抛光后常温微量变形的α-Fe样品1块，变形后不浸蚀。
Al：经退火和电解抛光后常温微量变形的Al片1组;(变形后不抛磨、不浸蚀)。
Zn：经常温变形且经化学浸蚀好的金相样品1块。
浸蚀剂：HNO3:HCl=1:1。
（光学显微镜观察用）纯Cu：经0%、20%、40%、60%常温变形样品各1块（测量变形量与硬度的对应曲线用）。
金相显微镜，TH320全洛氏硬度计1.2实验方法用金相显微镜直接观察经0%、20%、40%、60%常温变形和经低温高速冲击变形的α-Fe，常温变形的Zn，电解抛光后拉伸的Al。
3.3冷变形加工金属在加热时组织和性能变化
在工业生产中，广泛使用的是再结晶退火温度
提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生，延长加热时间，使原子 扩散充分，再结晶温度降低。 生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火.再结晶退火温度比再 结晶温度高100~200℃，即
TZ=TR+(100~200)℃。
空位的移出；多边形化
4. 生产中的应用 ：去应力退火
3.3.2 回复
1. 回复的含义 是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷
及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。
2. 回复的机制
（1）空位的逸出 如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异
号位错相遇合并而使缺陷数量减少等;
（2）多边形化 由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态
当变形达到2~10%时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶粒
大小相差悬殊，易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度
称临界变形度。
图3.18 预先变形度对再结晶
当超过临界变形度后，随变形程度增加，变
晶粒度的影响
形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，
使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量
黄铜580ºC保温8秒后的组织
黄铜580ºC保温15分后的组织
5. 影响再结晶退火后晶粒度的因素
(1)加热温度和保温时间
加热温度越高，保温时间越长， 金属的晶粒越粗大,加热温度的影 响尤为显著。
再结晶退火温度对晶粒度的影 响
(2)预先变形度
预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响.
当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶.
工业纯金属的最低再结晶温度与其熔点之
间的近似关系: TR≈0.4Tm（K）
冷变形加工金属在加热时组织和性能变化
工业上应正确控制再结晶退火的加热 时间和保温时间，避免晶粒粗化。
黄铜再结晶后的晶粒 长大过程
580ºC保温8秒后的组织 580ºC保温15分后的组织
大黄 铜 再 结 晶 后 晶 粒 的 长
700ºC保温10分后的组织
请思考？
钨在1100℃变形加工，锡在室温下变形加 工，它们各为何种塑性加工类型？（已知钨 的熔点为3410℃ ，锡的熔点为232℃）
（2）解答
铁的最低再结晶温度为TZ =0.4×(1538+273) –273=450℃ ， 铜的最低再结晶温度为TZ =0.4×(1083+273) –273=269.4℃ ； 铁的再结晶退火温度为450+（100～200）=550℃～650℃ ， 铜的再结晶退火温度为269.4+（100～200）=369.4℃～469.4℃ 。
3.3.2 再结晶
（Recrystallization）
3. 机理简介
冷变形金属的再结晶是通过形核-长大方式完成的。
➢ 形核是在变形后由破碎晶粒中无畸变的小晶块（即低能晶块）
作为核心长大为晶核的。
➢ 晶核的长大则是通过晶界的迁移成长为新的等轴晶粒的。
3.3.2 再结晶
（Recrystallization）
图3.18 预先变形度对再结晶晶粒度的影响
3.3.2 晶粒长大
（Grain growth）
冷变形金属在再结晶刚完成时，一般会得到细小的等轴晶粒组织。 如果继续提高加热温度或者延长保温时间，晶粒之间就会互相吞并 而长大，称为晶粒长大现象。
1. 自发过程
减少晶界总面积，降低总界面能 驱动力——界面能差
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P351 高斯织构为（011）[100]
３
形成位错胞
３
形成位错胞
变形量 位错缠结 位错胞 （大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。)
f 0 kd
1
冷变形金属在加热时的组织和性能的 变化
冷变形金属在加热时的组织和性能的 变化
回复 再结晶 晶粒的长大 弹性畸变能的减小是回复和再结晶的驱动 力，晶粒长大是力图晶界界面能减小的结 果
再结晶温度 T再
晶粒的长大
当金属或单相合金再结晶结束之后，通常得 到细小等轴晶粒，若继续延长加热时间或提 高加热温度，将引起晶粒长大 晶粒长大类型： 晶粒的正常长大：大多数晶粒几乎同时逐渐 均匀长大 反常长大：表现为少数晶粒不连续，突发性 地不均匀长大
晶粒的正常长大
晶粒的正常长大
(110)[112] (146)[211]或 (123)[121] (100)[011]
丝织构
[110] [111] [110]
hcp
(0001)[1010]
[1010]
形变织构对性能的影响
形变织构对性能的影响
(各向异性)
力学性能：利:深冲板材变形控制;弊：制耳。 物理性能:硅钢片{100}[001]织构可减少铁损。
再结晶
六 再结晶的应用 恢复变形能力 改善显微组织 再结晶退火 消除各向异性 提高组织稳定性
再结晶温度：T再＋100～200℃。
4h
RECRYSTALLIZATION TEMPERATURER
再结晶温度受许多因素所控制，实用的再结晶温度指 经较大变形量（>70%）的金属，在1小时内能完成再结 晶的最低加热温度 各种金属的再结晶温度，按绝对温度(K)计大约相当于 该金属熔点的40～50％。T再与熔点T熔之间存在如下关 系： • T再= 0.4T熔（K ） • Fe T熔= 1538°C Fe T再= 460°C Pb T熔= 327°C • Pb T再= -33°C • 晶粒的长大
凸出形核 晶核伸向小位错胞晶粒(畸变能较高区域)内.
再结晶
一 再结晶的形核与长大 1 形核
再结晶
一 再结晶的形核与长大 晶界凸出形核（变形量较小时,<20%） 晶界弓出形核，凸向亚晶粒小的方向.
再结晶
一 再结晶的形核与长大 驱动力：畸变能差 2 长大
方式:晶核向畸变晶粒扩展,至新晶粒相互接触。
1 固溶强化的机理 2． 试用位错理论解释低碳钢的屈服和应变 时效。举例说明吕德斯带对工业生产的影响 及防止办法。 3 弥散强化的机理
冷变形金属的组织和性能
冷变形金属的性能
力学性能 物理化学性能 残余应力
冷变形金属的组织
纤维组织 变形织构
冷变形金属对性能的影响
注：再结晶不是相变过程。
再结晶
二 再结晶动力学 （1）再结晶速度与温度的关系 v再＝Aexp(-QR/RT) （2）规律 有孕育期; 温度越高,变形量越大孕育期越短;在体 积分数为0.5时速率最大，然后减慢。
再结晶
三 再结晶温度 1 再结晶温度：经严重冷变形（变形量>70%）的金属或合 金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数>95%） 最低温度。 高纯金属：T再＝(0.25~0.35)Tm。 2 经验公式 工业纯金属：T再＝(0.35~0.45)Tm。 合金：T再＝(0.4~0.9)Tm。 注：再结晶退火温度一般比上述温度高100～200℃。
冷变形金属在加热时的 组织与性能变化
性能变化
冷变形金属在加热时的 组织与性能变化
三 性能变化
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
储存能变化（
冷变形金属在加热时的 组织与性能变化
四 储存能变化（示意图） 1 储存能：存在于冷变形金属内部的一小部分（～10％） 变形功。 弹性应变能（3～12％） 2 存在形式 位错（80～90％） 驱动力 点缺陷 3 储存能的释放：原子活动能力提高，迁移至平衡位置， 储存能得以释放。 再 结 回 晶 复
内应力变化
冷变形金属在加热时的 组织与性能变化
五 内应力变化 回复阶段：大部分或全部消除第一类内应力，部分消 除第二、三类内应力； 再结晶阶段：内应力可完全消除。
回复动力学
回复
一 回复动力学（示意图） 1 加工硬化残留率与退火温度和时间的关系 lnt=常数+Q/(RT)
回复
一 回复动力学（示意图） 2 动力学曲线特点
51B60钢1200℃奥 氏体化后，在920 ℃轧制变形后的再 结晶温度-时间曲线
低碳钢热轧 前后组织变 化
热变形对组织与性能的影响
热变形对组织与性能的影响
组织： 再结晶组织（等轴细晶）+锻造流线 性能 ： 强度、塑性等机械性能提高 原因：
• （1） 通过热加工，可使铸态金属中的气孔和疏松焊合， 从而使其致密度得以提高。 • （2）减小了显微（枝晶）偏析 • （3） 通过热加工，可使铸态金属中的粗大枝晶和柱状晶 粒破碎，控制好终轧温度和变形量,从而使其晶粒细化， 力学性能得以提高。 • （4）锻造流线（纤维组织） 的影响—当金属含有夹杂物 或第二相时，会出现各向异性
再结晶
三 再结晶温度 3 影响因素 变形量越大，驱动力越大，再结晶温度越低； 纯度越高，再结晶温度越低；
再结晶
四 影响再结晶的因素
1 退火温度。温度越高，再结晶速度越大。 2 变形量。变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶温 度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行。 3 原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。 4 微量溶质元素。阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。 5 第二分散相。间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核 心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁 移，阻碍再结晶。
实线-硅钢片含有少量MnS，在920度 某些晶粒突然长大现象 曲线1-其余晶粒的长大情况 曲线2-不含MnS夹杂的高纯度硅钢片
金属的热变形、蠕变与超塑性
金属热变形过程
动态回复和再结晶：高 温条件下，随着热变形 进行的同时所发生的回 复和再结晶 静态回复和再结晶：经 预变形具有加工硬化的 金属材料，若变形终止 温度较高，在随后自然 冷却降温过程也会发生
对物理、化学性能的影响
对物理、化学性能的影响
导电率、导磁率下降，比重、热导率下降； 结构缺陷增多，扩散加快； 化学活性提高，腐蚀加快。
残余应力
残余应力
约占变形功的10-15％
1 分类
第一类残余应力（Ⅰ）：宏观内应力，由整个物 体变形不均匀引起 1%。 第二类残余应力（Ⅱ）：微观内应力，由晶粒变 形不均匀引起。10% 第三类残余应力（Ⅲ）：点阵畸变，由位错、空 位等引起。80-90%。
显微组织变化（
冷变形金属在加热时的 组织与性能变化
二 显微组织变化（示意图）
回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可见变化； 再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变 的等轴晶粒。 晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化，达到相对稳定的形状和 尺寸。
冷变形金属在加热时的 组织与性能变化
二 显微组织变化（示意图）
冷变形金属的力学性能
什么是冷变形：再结晶温度温度以上的 变形 加工硬化严重 原因：塑性变形引起位错增殖，位错密 度增加，不同方向的位错发生交割，位 错的运动受到阻碍，使金属产生加工硬 化
加工硬化的实际意义
加工硬化的实际意义
利: 强化金属的重要途径； 材料加工成型的保证 提高材料使用安全性； 弊：变形阻力提高，给金属的进一 步塑性变形带来困难,动力消耗增大； 脆断危险性提高。
再结晶后晶粒的长大是一个 使系统界面自由能降低的自 发过程，并在驱动力作用下， 通过大角度晶界迁移来实现 减小表面能是晶粒长大的热 力学条件，动力学条件是晶 界的活动性，和温度有关 加入一些合金元素形成第二 相可阻止晶粒的长大
晶粒的反常长大
晶粒的反常长大—二次再结晶
当再结晶完成之后，随着温 度的提高或保温时间的增加， 在晶粒正常长大受到阻碍的 条件下，某些晶粒突然长大 形成粗大组织—二次再结晶 如硅钢片的二次再结晶 二次再结晶并不是重新形核、 长大过程，其驱动力仍是晶 界能 高斯织构：作为软磁材料
２形成形变织构
２形成形变织构
形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优 取向的组织。 类型：
丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成） 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平 行于主变形方向。（轧制时形成）
金属的形变织构
金属的形变织构
晶体结构
fcc -黄铜 纯铜 bcc
板织构
回复退火的应用
回复
三 回复退火的应用 1回复机制与性能的关系
内应力降低较细； 电阻率明显下降：空位减少，位错应变能降低。
2去应力退火 降低应力（保持加工硬化效果），防止工件变形、开 裂，提高耐蚀性。
再结晶
一 再结晶的形核与长大 1 形核 亚晶长大形核机制 （变形量较大时） 亚晶合并形核 亚晶界移动(长大)形核(吞并其它亚晶或变形部分)
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
性能变化
三 性能变化 1 力学性能（示意图） 回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高。 再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高。 晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降,塑性继续提高， 粗化严重时下降。 2 物理性能 密度:在回复阶段变化不大，在再结晶阶段急剧升高； 电阻：电阻在回复阶段可明显下降。