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金属在塑性变形中的组织结构与性能变化
金属在塑性变形中的组织结构与性能变化引言：金属是一类具有良好导电性和导热性的材料，广泛应用于各个领域。
在金属的加工过程中，常常需要进行塑性变形，以改善金属的性能和形状。
在塑性变形过程中，金属的组织结构和性能会发生一系列的变化。
本文将探讨金属在塑性变形中的组织结构与性能变化的过程和机制。
背景：金属的塑性变形主要指的是金属材料在外力的作用下发生永久性变形。
塑性变形分为单晶塑性变形和多晶塑性变形两种情况。
单晶塑性变形主要依赖于晶体内的滑移和蠕变机制，而多晶塑性变形则与晶界滑移和再结晶有关。
组织结构的变化：在金属的塑性变形过程中，材料的晶粒可能会发生变形和取向的改变。
当外力作用于金属的时候，晶格结构会发生滑移和滚动，使得晶粒边界发生位错的移动，从而导致晶粒的形状发生改变。
此外，金属的晶界也会发生滑移和滚动，使得晶粒之间的取向关系发生变化。
在单晶塑性变形中，晶体内的滑移和蠕变机制是主要的变形机制。
当外力作用于单晶时，晶体内的原子发生位移，晶面滑移，从而产生位错。
位错的运动和交互作用导致晶体内部形成一个滑移面网，进而引发位错的堆积和形成蠕变，使得晶体发生塑性变形。
在多晶塑性变形中，晶粒之间的滑移和晶界的滑移是主要的变形机制。
当外力作用于多晶材料时，晶界上的原子会发生位移，晶界就发生滑移。
通过晶界的滑移，晶粒会沿着滑移方向发生形状变化，进而导致整个材料的塑性变形。
性能变化的机制：金属的塑性变形会改变材料的力学性能和物理性能。
1.机械性能：塑性变形能够提高金属的强度和韧性。
在塑性变形过程中，位错的形成和滑移会增加内部结构的复杂性，从而提高金属的强度。
而由于晶界的滑移和晶粒的取向变化，金属的韧性也得到了改善。
2.热处理性：塑性变形在一定程度上会改善金属的热处理性。
由于塑性变形使晶粒形状发生改变，晶粒的大小和取向变化能够影响到金属的回火硬化行为和晶界再结晶的发生。
3.耐蚀性：塑性变形会改变金属的表面结构，从而影响其耐蚀性能。
第五节 冷塑性变形对金属组织结构和性能的影响
④形变织构产生
形成形变织构 （ 1 ）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。 丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成） （2）常见类型 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） 力学性能：利：深冲板材变形控制；弊：制耳。
（3）对性能的影响 (各向异性)
物理性能：硅钢片<100>织构可减少铁损。
制耳
二、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。
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。
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
击碎铸造柱状晶粒粗大枝晶及碳化物偏析减少晶粒细化夹杂物沿变形方向伸长形成流线组织缓慢冷却可形成带状组织力学性能提高
第五节 冷塑性变形对金属组织结构和性能的影响 1.热塑性变形：在金属的再结晶温 度以上的塑性变形加工
塑性变形
2.冷塑性变形：在金属的再结晶温 度以下的塑性变形加工
一、 冷塑性变形对金属组织结构的影响
塑性变形对金属组织和性能的影响
变形类 型 工艺方法 组织变化 性能变化 趋于各向异性； 强度提高，塑性 下降，造成加工 硬化。
冷变形
晶粒沿变形方向伸长，形成 冷轧、拉拔、冷 冷加工纤维组织；晶粒破碎， 挤压、冷冲压、 形成亚结构；位错密度增加 ； 冷镦 晶粒位向趋于一致，形成形 变织构。 焊合铸造组织中存在的气孔， 缩松等缺陷 ；击碎铸造柱状 晶粒、粗大枝晶及碳化物， 自由锻、模锻、 偏析减少，晶粒细化 夹杂物 热轧、热挤压 沿变形方向伸长，形成流线 组织，缓慢冷却可形成带状 组织
塑性变形对材料组织与性能的影响
变形量很大时，晶粒拉长，出现纤维组织
等轴晶
沿变形方向 晶粒拉长
2 亚结构的变化
• 金属晶体在塑性变形的同时，位错密度迅速提高 。 • 经塑性变形后，多数金属晶体中的位错分布不均匀，当形变 量较小时，形成位错缠结结构。 • 当变形量继续增加时，大量位错发生聚集，使晶粒分化成许 多位向略有不同的小晶块, 产生亚晶粒，即形成胞状亚结构。
• 第II阶段，滑移在几组相交的滑移面中发生，由于运动位错之间 的交互作用，形成不利于滑移的结构状态，在相交滑移面上形 成割阶扭折、固定为错，位错运动变得非常困难，故该阶段称
为线性硬化阶段。加工硬化现象显著。
第III阶段，在应力进一步增高的
条件下，已产生的滑移障碍将逐 渐被克服，并通过交滑移的方式 继续进行变形。由于该段曲线呈 抛物线变化，故称为抛物线型硬 化阶段。
不过加工硬化现象也存在不利之处，由于金属在
加工过程中塑性抗力不断增加，造成塑性变形困难。
另外由于加工硬化使金属变脆，因而在以
便继续变形加工而不致裂开。
用位错理论分析纯金属与合金在冷变形加工时，在产
生加工硬化机理上有何区别。
• 答：纯金属单晶体产生加工硬化的机理主要是：
• 问题：强化金属材料的方法有哪些？并指出其异同点。
• 加工硬化、固溶强化、弥散强化、沉淀强化、细晶强化。
• 共同点也就是金属强化的实质，在于塑性变形时增加了
位错运动的阻力。 • 不同点：（1）加工硬化：位错塞积、林位错阻力和形成 割阶阻碍位错运动（2）细晶强化：增加了晶界，增加了 位错塞积的范围（3）固溶强化：溶质原子沿位错聚集并 钉扎位错（4）第二相强化：分散的强化相颗粒迫使位错 切过或绕过强化相颗粒而额外做功，都是分散相强化的
第三章 金属塑性变形的物理基础
（1）塑性的基本概念
什么是塑性？ 塑性是金属在外力作用下产生永久变形 而不破坏其完整性的能力。
塑性与柔软性的区别是什么？ 塑性反映材料产生永久变形的能力。 柔软性反映材料抵抗变形的能力。
塑性与柔软性的对立统一
铅---------------塑性好，变形抗力小
不锈钢--------塑性好，但变形抗力高 白口铸铁----塑性差，变形抗力高
塑性指标的测量方法
拉伸试验法 压缩试验法 扭转试验法 轧制模拟试验法
拉伸试验法
Lh L0 100%
L0 F0 Fh 100%
F0
式中：L0——拉伸试样原始标距长度； Lh——拉伸试样破断后标距间的长度； F0——拉伸试样原始断面积； Fh——拉伸试样破断处的断面积
%
晶粒5 晶粒4 晶粒3
晶粒2
晶粒1
位置，mm
图5-6 多晶铝的几个晶粒各处的应变量。 垂直虚线是晶界，线上的数字为总变形量
四、合金的塑性变形
单相固溶体合金的变形 多相合金的变形
§3. 2 金属塑性加工中组织和性能变化 的基本规律
一、冷塑性变形时金属组织和性能的变化 二、热塑性变形时金属组织和性能的变化
2200
N/mm2
图4-6 正压力对摩擦系数的影响
0.5
μ
0.4
0.3
0.4
0.2 0.2
0.1
0
℃
200
400
600
800
图4-7 温度对钢的摩擦系数的影响
0
400
600
800 ℃
图4-8 温度对铜的摩擦系数的影响
测定摩擦系数的方法
夹钳轧制法 楔形件压缩法 塑性加工常用摩擦系数 圆环镦粗法
金属的塑性变形
在某些特定条件下，金属晶体的一部分相对于另一部分沿一定轴进 行镜像对称的移动，形成孪晶。
扩散机制
金属在高温下，原子扩散能力增强，通过原子间的相互移动实现塑 性变形。
应力-应变关系与曲线分析
应力-应变关系
描述金属在塑性变形过程中所受应力 与产生的应变之间的关系。应力是单 位面积上的内力，应变是物体形状或 体积的改变程度。
热处理工艺改进
退火处理
通过退火处理可以消除金属材料内部的残余应力，改善其组织结 构和力学性能，从而提高其塑性变形能力。
正火处理
正火处理可以使金属材料获得细化的晶粒和均匀的组织，提高其 强度和塑性。
回火处理
回火处理可以消除淬火应力，稳定金属材料的组织和性能，进一 步提高其塑性变形能力。
微观组织调控手段
热处理工艺对塑性影响
01
退火处理
退火处理可以消除金属内部的残余应力，改善组织结构，提高其塑性。
例如，冷加工后的金属经过退火处理，可以恢复其塑性和韧性。
02
正火处理
正火处理可以使金属获得细化的晶粒和均匀的组织，从而提高其塑性和
韧性。正火处理常用于改善中碳钢的切削性能和力学性能。
03
淬火处理
淬火处理可以使金属获得马氏体组织，提高其硬度和强度，但会降低其
金属的塑性变形
目 录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属塑性变形过程中的组织结构演变 • 影响金属塑性变形能力因素探讨 • 金属塑性变形实验方法及技术应用 • 提高金属材料塑性变形能力策略探讨 • 总结：金属塑性变形研究意义与未来发展趋势
塑性变形基本概念与
01
原理
塑性变形定义及特点
塑性变形定义
利用电子显微镜的高分辨率和 高放大倍数，观察金属的微观 组织和结构缺陷，如位错、层 错、孪晶等。这些信息有助于 深入了解金属的塑性变形机制 和强化机制。
塑性变形对金属组织和性能的影响
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）晶粒发生变形金属发生塑性变形后,晶粒沿形变方向被拉长或压扁。
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。
变形前后晶粒形状变化示意图（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。
金属经变形后的亚结构（3）形变织构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。
形变织构一般分两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向, 称为丝织构, 例如低碳钢经高度冷拔后, 其<100>平行于拔丝方向; 另一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向, 称为板织构, 低碳钢的板织构为{001}<110>。
形变织构示意图2. 塑性变形对金属性能的影响（1）形变强化金属发生塑性变形, 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。
（2）产生各向异性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”。
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[100]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。
《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能
重冷塑性变形的金属,经1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：
T再=0.4T熔点 式中温度单位为绝对温度(K)。
8
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
(3)再结晶温度影响因素：
1）变形程度 ➢2）金金属属再纯结度晶前：塑纯性度变越形高的, 最相低对再变结形晶量温称度为也预就先越变低形 度➢。3）预；加先热变速形度越大, 金属的晶体缺陷就越多, 组织越不 稳➢➢杂再定质结, 最和晶低合是再金一结元扩晶素散温（过度高程也熔, 需就点一越元定低素时；）间阻才碍能原完子成扩；散和晶 ➢界➢当提迁预高移先加, 可变热显形速著度度提达会高一使最定再低大结再小晶结后在晶,较最温高低度温再；度结下晶发温生度；趋于某 一➢高原稳纯始定度晶值铝粒。(越99粗.9大9,9再%结)最晶低温再度结越晶高温。度为80 ℃； ➢工业纯铝(99.0%)最低再结晶温度提高到290 ℃。
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、热加工晶粒大小控制措施
（1）.控制较低的加工终了温度 （2）.控制较大的变形程度 （3）.控制较快的冷却速度
0
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、产生残余内应力 ➢定义：外力去除后，金属内部残留下来的应力。
产生原因：金属发生塑性变形时，内部变形不均匀， 位错、空位等晶体缺陷增多，会产生残余内应力。
➢1）宏观内应力 ➢2）微观残余应力 ➢3）晶格畸变应力
1
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1
第一节 金属的塑性变形
金属在塑性变形中的组织结构与性能变化
6 材料在塑性变形中的组织结构与性能变化本章仅将简要地介绍冷形变及其后的加热过程、以及热形变过程对金属和合金的组织结构与性能的影响的主要理论。
6.1 冷形变后金属组织结构和性能的变化金属和合金在低于再结晶温度进行压力加工时，通常就称为冷形变或冷加工。
钢在常温下进行的冷轧、冷拔、冷挤、冷冲等压力加工过程皆为冷形变过程。
在冷形变过程中组织和性能都会发生变化。
6.1.1 金属组织结构的变化金属塑性变形的物理实质基本上就是位错的运动，位错运动的结果就产生了塑性变形。
在位错的运动过程中，位错之间、位错与溶质原子、间隙位置原子以及空位之间、位错与第二相质点之间都会发生相互作用，引起位错的数量、分布和组态的变化。
从微观角度来看，这就是金属组织结构在塑性变形过程中或变形后的主要变化。
塑性变形对位错的数量、分布和组态的影响是和金属材料本身的性质以及变形温度、变形速度等外在条件有关的。
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，运动位错在各种障碍前受阻，要继续运动需要增加应力，从而引起加工硬化。
变形到一定程度后产生交滑移，因而引起动态回复，这些塑性变形过程中的变化已是我们所熟知的，不再细述。
多晶体塑性变形时，随着变形量增加和单晶体变形一样，位错的密度要增加。
用测量电阻变化、储能变化的方法，或者用测量腐蚀坑的方法以及电镜直接观测的方法都可以出金属材料的位错密度。
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 -1。
通过实验得到的位错密度（ρ）同流变应力（σ）之间的关系是：21ρασGb = （6-1） 式中：a —等干0．2～0．3范围的常数；G —剪切弹性模量；b —柏氏矢量。
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。
所谓胞状结构，是变形的各种晶粒中，被密集的位错缠给结区分许多个单个的小区域。
塑性变形对材料组织与性能的影响
塑性变形对材料组织与性能的影响晶体发生塑性变形后，不仅其外形发生了变化，其内部组织以及各种性能也都发生了变化。
（1）显微组织的变化经塑性变形后，金属材料的显微组织发生了明显的改变，各晶粒中除了出现大量的滑移带、孪晶带以外，其晶粒形状也会发生变化，随着变形量的逐步增加，原来的等轴晶粒逐渐沿变形方向被拉长，当变形量很大时，晶粒已变成纤维状。
变形量很大时，晶粒拉长，出现纤维组织2 亚结构的变化•金属晶体在塑性变形的同时，位错密度迅速提高。
•经塑性变形后，多数金属晶体中的位错分布不均匀，当形变量较小时，形成位错缠结结构。
•当变形量继续增加时，大量位错发生聚集，使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块, 产生亚晶粒，即形成胞状亚结构。
•冷变形过程中形成亚结构是许多金属（例如铜、铁、钼、钨、钽、铌等）普遍存在的现象。
•一般认为亚结构对金属的加工硬化起重要作用，由于各晶块的方位不同，其边界又为大量位错缠结，对晶内的进一步滑移起阻碍作用。
因此，亚结构可提高金属和合金的强度。
•利用亚晶来强化金属材料是措施之一。
研究表明，胞状亚结构的形成与否与材料的层错能有关，一般来说，高层错能晶体易形成胞状亚结构。
而低层错能晶体形成这种结构的倾向较小。
这是由于对层错能高的金属而言，在变形过程中，位错不易分解，在遇到阻碍时，可以通过交滑移继续运动，直到与其它位错相遇缠结，从而形成位错聚集区域（胞壁）和少位错区域（胞内）。
层错能低的金属由于其位错易分解，形成扩展位错，不易交滑移，其运动性差，因而通常只形成分布较均匀的复杂网络结构。
3 性能的变化•（1）加工硬化（形变强化）•金属发生塑性变形, 随变形度增大, 金属的强度和硬度显著升高, 塑性和韧性明显下降。
这种现象称为加工硬化。
冷轧对铜及钢性能的影响强度指标增加、塑性指标下降。
金属的加工硬化特性可以从其应力－应变曲线上反映出来。
图是单晶体的应力－应变曲线，单晶体的塑性变形可划分为三个阶段描述：▪第I阶段，当切应力达到晶体的临界分切应力值时，滑移首先从一个滑移系中开始，由于位错运动所受的阻碍很小，因此该阶段称为易滑移阶段。
7金属在塑性变形中的组织结构与性能变化
室温下变形时铁的胞状结构稳态变形时铁的胞子大小同变形量的关系①层错能高的金属，其螺位错易于构拉伸时，各晶粒顺着拉伸方向伸长；压缩时，晶粒被压成扁平钢丝冷变形时的力学性能的变化经冷塑性变形的金属在加热时，在大角度晶界扫回复温度较低时，由于塑性变形所产生的过量空位就会消多边化示意图冷塑性变形后的金属加热时，其回复与再结晶对冷变形金属性能影响1-强度；2-电阻率；3-内应力；4-延伸率；5-晶粒大小通过各种影响因素对再结晶过程进行控制，将对金属材料的强韧性、热强性、冲压性和电磁性等发生重大的影响。
温度并非固定值。
金属纯度及形变量一定时，再结晶温度与加热时间的关系为：再结晶综合动力曲线1再结晶开始2再结晶终了微量溶质元素会阻碍再结晶，提高再结晶温度。
原因：因为溶质原子与位错及晶界间存在着交互作用，使溶质原子多偏聚在位错及晶界处，对位错的滑移和晶界的迁移温度一定时变形量于晶粒大小的关系低碳钢（0.06%C）变形量及退火甚至不形核，而且没有足够的动力推动再结晶过程的进行，不发生再结晶，只是晶粒长大，提高退火温度，不仅使再结晶晶粒度增大，而且还会影响到临界变形程度。
热形变或热加工是指在再结晶温度以上进行的变形过程。
是由于在高温下发生滑移的系统比较多，使滑移面和滑移方向不断发生变化，因此，工件的择优取向性较小。
目前生产薄的或细的金属材料，一般仍采用冷加工（冷轧、冷拉）的方法。
分布的状态，尽可能的使其分布在较大的范围内，就可分散它的不利氧化物夹杂的数量与接触疲劳寿命的关系热加工形成的带状组织可表现为晶粒带状和碳化物带状两类缓冷的热轧低碳钢：高碳钢（如轴承钢）的轧前加热温度一般都高于A 线，加热时碳化物几乎全部溶解到奥氏体区内。
在奥氏体热变形的真实应力－应变曲线及结构变化示意图况：呈稳态变形a ）；非稳态变形b ）。
a）连续动态再结晶的稳态变形：连续动态再结晶与间断动态再结晶应力应变曲线第一轮动态再结晶完成时，晶粒的形变量尚未达到值，还不能立即发生第二轮动态再结晶。
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。
金属塑性变形对组织和性能的影响
金属塑性变形对组织和性能的影响多晶体金属经塑性变形后，除了在晶粒内出现滑移带和孪晶等组织特征外，还具有以下组织结构的变化：①形成纤维组织，塑性变形后，晶粒沿变形方向逐渐伸长，变形量越大，晶粒伸长的程度也越大。
当变形量很大时，晶粒呈现出一片如纤维状的条纹，称为纤维组织．当金属中有杂质存在时，杂质也沿变形方向拉长为细带状（塑性杂质）或粉碎成链状（脆性杂质）．②形变亚结构的形成及细化．●形变亚结构的形成机理：在切应力作用下，位错源所产生的大量位错沿滑移面运动时，将遇到各种阻碍位错运动的障碍物，如晶界、亚晶界、第二相颗粒及割阶等，造成位错缠结．这样，金属中便出现了由高密度的缠结位错分隔开的位错密度较低的区域，即形变亚结构。
●亚结构的细化，形变亚结构的边界是严重晶格畸变区，堆积大量位错，而内部的晶格则相对完整，仅有稀疏的位错网络，这种亚结构也称为胞状亚结构或形变胞．（内部完整，外部包满位错）③产生变形织构，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，故当变形量很大时，多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整其取向而趋于一致，这种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优取向的组织叫做形变织构。
同种材料随着加工方式的不同，可能出现不同类型的织构：●丝织构：在拉拔时形成，其特征是各晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行。
●板织构：在轧制时形成，其特征是各晶粒的某一晶面与平行于轧制平面，而某一晶向平行于轧制方向。
性能特点：显示出各向异性。
塑性变形对金属性能的影响金属产生加工硬化（也称形变强化）在塑性变形过程中，随着金属内部组织的变化，金属的力学性能也将产生明显的变化，即随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，这一现象即为加工硬化或形变硬化。
加工硬化的原因：与位错的交互作用有关。
随着塑性变形的进行，位错密度不断增大，位错运动时的相互交割加剧，产生固定割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大．引起形变抗力的增加，金属的强度提高．加工硬化的是强化金属材料的方法之一。
(5)金属塑性变形过程中组织与性能的变化规律
热变形过程中的回复与再结晶
（1）热变形时的动态回复与动态再结晶
动态回复
(a)
动态再结晶
100μ m
热变形过程中的回复与再结晶
（a）
（b） 动态回复 （c）
动态回复
静态回复
静态回复
（d） 静态再结晶 静态再结晶 动态回复
动态回复
静态再结晶
静态再结晶 静态再结晶 静态再结晶
动态再结晶 动态再结晶
热变形过程中的回复与再结晶
三、晶粒长大
当变形金属再结晶完成之后，若继续加热保温，则新生 晶粒之间还会大晶粒吞并小晶粒，使晶粒长大，见图 4-15。 晶粒长大会减少晶体中晶界的总面积，降低界面能。因 此，只要有足够原子扩散的温度和时间条件，晶粒长 大是自发的、不可避免的。 晶粒长大其实质是一种晶界的位移过程。在通常情况下， 这种晶粒的长大是逐步的缓慢进行的，称为正常长大。 但是，当某些因素（如：细小杂质粒子、变形织构等） 阻碍晶粒正常长大，一旦这种阻碍失效常会出现晶粒 突然长大，而且长大很大。对这种晶粒不均匀的现象 称为二次结晶。对于机械工程结构材料是不希望出现 二次结晶的。但是对硅钢片等电气材料常利用这个二 次结晶得到粗晶来获得高的物理性能。
二、再结晶
1．变形金属的结晶 当变形金属被加工到一定高度，原 子活动能力较强时，会在变形晶粒或晶粒内的亚晶界 处以不同于一般结晶的特殊成核方式产生新晶核。随 着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶 粒中推进，使新晶核不断消耗原晶粒而长大。最终是 一批新生的等轴晶粒取代了原来变形的晶粒，完成了 一次新的结晶过程。这种变形金属的重新结晶称为再 结晶。再结晶没发生晶格类型的变化，只是晶粒形态 和大小的变化。也可以说只有显微组织变化而没有晶 格结构变化，故称为再结晶，以有别于各种相变的结 晶（重结晶）。 变形金属再结晶后，显微组织由破碎拉长的晶粒变成新 的细小等轴晶粒，残余内应力全部消除、加工硬化现 象也全部消失。金属恢复到变形前的力学性能，物理 化学等性能也恢复到变形前的水平。
塑性变形对金属组织和性能的影响
塑性变形对组织结构的影响多晶体金属塑性变形后，除晶粒内出现滑移带和孪晶等特征外()一晶粒形状的变化1. 外形尺寸改变是内部晶粒变形的总和2. 晶粒形状发生变化，变形方式和变形量不同，晶粒形状变化也不同3. 如轧制时a) 晶粒沿变形方向伸长b) 变形程度越大，伸长程度越大c) 变形量很大时，形成纤维组织，纤维组织的方向就是金属的伸展方向 d) 当金属中含有杂质时，杂质沿变形方向被拉长为细带状或粉碎成链状，在光滑显微镜下分辨不出晶粒和杂质()二亚结构的细化亚结构的细化数据1. 铸态金属的亚结构直径为cm 210-2. 冷塑性变形后亚结构直径为cm 6410~10--凸6.30为低碳钢的形变亚结构形变亚结构元素：1. 形变亚结构的边界和内部：2. 胞块间的夹角和胞壁的厚度：3. 位错的分布：4. 变形量越大，胞块数量越多，胞块尺寸越小，胞块间取向差越大5. 胞状亚结构的形状随晶粒形状改变而改变，沿变形方向伸长形变亚结构：高密度缠结位错分割开的位错密度较低的区域形变亚结构的形成原因：位错源产生的位错在运动过程中遇到各种障碍物如晶界，第二相颗粒及割阶等形成位错缠结，便形成高密度缠结位错分割开的位错密度较低的区域()三形变织构晶粒择优取向现象多晶体塑性变形也会发生转动，当变形量很大时原来任意取向的晶粒逐渐趋于一致，这种现象就叫做晶粒的择优取向织构和形变织构1.具有择优取向的组织就叫做织构2.在金属变形后形成的织构就叫做形变织构，当然还有其他的织构同一种材料加工方式不同类型织构类型不同1.丝织构：拉拔时形成，各晶粒的某一晶向平行或近似平行拉拔方向2.板织构：轧制时形成，各晶粒的某一晶面平行于轧制平面，某一晶向平行于轧制方向表6.3常见金属的丝织构与板织构织构的出现：1.多晶体组织性能出现各向异性，例如2.但在某些情况下织构的存在是有利的，例如将有织构的板材冲压成杯状零件产生制耳现象：板材各方向变形能力不同工件边缘不齐壁厚不均匀变压器铁心用的硅钢片：1.100方向最易磁化2.用此硅钢片制作电机电器：减少铁损，提高设备效率，减轻设备重量，节约钢材二，塑性变形对金属性能的影响()一加工硬化消除加工硬化进一步冷加工需要进行再结晶退火处理加工硬化现象：变形程度增加，强度硬度增加，塑性韧性减小加工硬化数据：σ由原来的500MPa增加到700MPa 1.0.3%的碳钢变形度为20%时抗拉强度bσ由原来的500MPa增加到900MPa 2.0.3%的碳钢变形度为70%时抗拉强度b加工硬化原因或强度增加的原因：并没有解释塑性韧性降低的原因总起来说是和位错的交互作用有关。
金属塑性变形对微观结构和力学性能的影响
金属塑性变形对微观结构和力学性能的影响金属塑性变形定义 (plastic deformation of metals )金属零件在外力作用下产生不可恢复的永久变形。
单晶体产生塑性变形的原因是原子的滑移错位。
多晶体（实际使用的金属大多是多晶体）的塑性变形中，除了各晶粒内部的变形（晶内变形）外，各晶粒之间也存着变形（称为晶间变形）。
多晶体的塑性变形是晶内变形和晶内变形的总和。
人类很早就利用塑性变形进行金属材料的加工成形，但只是在一百多年以前才开始建立塑性变形理论。
1864～1868年，法国人特雷斯卡（H.Tresca）在一系列论文中提出产生塑性变形的最大切应力条件。
1911年德国卡门（T.von Karman）在三向流体静压力的条件下，对大理石和砂石进行了轴向抗压试验；1914年德国人伯克尔(R.B?ker)对铸锌作了同样的试验。
他们的试验结果表明：固体的塑性变形能力(即塑性指标)不仅取决于它的内部条件（如成分、组织）,而且同外部条件(如应力状态条件)有关。
1913年德国冯·米泽斯(R.von Kises)提出产生塑性变形的形变能条件；1926年德国人洛德(W.Lode)、1931年英国人泰勒(G.I.Taylor)和奎尼(H.Quinney) 分别用不同的试验方法证实了上述结论。
金属晶体塑性的研究开始于金属单晶的制造和 X射线衍射的运用。
早期的研究成果包括在英国伊拉姆(C.F.Elam)(1935年)、德国施密特(E.Schmidt)(1935年)、美国巴雷特(C.S.Barrett)(1943年)等人的著作中。
主要研究了金属晶体内塑性变形的主要形式──滑移以及孪晶变形。
以后的工作是运用晶体缺陷理论和高放大倍数的观测方法研究塑性变形的机理。
塑性变形微观结构变化图 1塑性变形中产生的滑移塑性变形中最基本的微观变化是位错滑移和滑移带的产生。
分为单滑移，双滑移，多滑移等。
另外，还有孪生等现象的产生。
金属塑性变形对组织和性能的影响
金属塑性变形对组织和性能的影响（一)变形程度的影响塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响.变形程度过小,不能起到细化晶粒提高金属力学性能的目的；变形程度过大,不仅不会使力学性能再增高，还会出现纤维组织，增加金属的各向异性，当超过金属允许的变形极限时,将会出现开裂等缺陷.对不同的塑性成形加工工艺，可用不同的参数表示其变形程度。
锻造比Y锻：锻造加工工艺中，用锻造比Y锻来表示变形程度的大小.拔长:Y锻=S0/S（S0、S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）;镦粗：Y锻=H0/H（H0、H分别表示镦粗前后金属坯料的高度)。
碳素结构钢的锻造比在2~3范围选取，合金结构钢的锻造比在3～4范围选取，高合金工具钢（例如高速钢）组织中有大块碳化物，需要较大锻造比（Y锻=5~12）,采用交叉锻,才能使钢中的碳化物分散细化。
以钢材为坯料锻造时，因材料轧制时组织和力学性能已经得到改善，锻造比一般取1.1～1。
3即可。
表示变形程度的技术参数：相对弯曲半径（r/t)、拉深系数（m)、翻边系数(k）等.挤压成形时则用挤压断面缩减率（εp）等参数表示变形程度。
(二）纤维组织的利用纤维组织：在金属铸锭组织中的不溶于金属基体的夹杂物（如FeS等)，随金属晶粒的变形方向被拉长或压扁呈纤维状.当金属再结晶时，被压碎的晶粒恢复为等轴细晶粒，而夹杂物无再结晶能力，仍然以纤维状保留下来，形成纤维组织。
纤维组织形成后，不能用热处理方法消除，只能通过锻造方法使金属在不同方向变形，才能改变纤维的方向和分布。
纤维组织的存在对金属的力学性能，特别是冲击韧度有一定影响,在设计和制造零件时，应注意以下两点:（1）零件工作时的正应力方向与纤维方向应一致,切应力方向与纤维方向垂直。
（2）纤维的分布与零件的外形轮廓应相符合，而不被切断.例如，锻造齿轮毛坯，应对棒料镦粗加工，使其纤维呈放射状，有利于齿轮的受力；曲轴毛坯的锻造,应采用拔长后弯曲工序,使纤维组织沿曲轴轮廓分布,这样曲轴工作时不易断裂（三)冷变形与热变形通常将塑性变形分为冷变形和热变形.冷变形:再结晶温度以下的塑性变形。
第三章_金属冷塑性变形
图3.7 再结晶综合动力曲线
3、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。微量溶质元素会阻碍再结晶，提
高再结晶温度。不 同的溶质元素其提高再结 晶温度的程度也不相同。 微量溶质元素阻碍再结晶，其原因为何？
4、弥散相颗粒
弥散相质点对再结晶的影响主要取决于基体上弥
散相颗粒的大小及其分布。金属发生冷塑性变形时，
二、冷变形与亚结构的形成 金属晶体经充分塑性变形后，在晶粒内部出现了 许多取向不同的小区域，取向差不大，这些小区域 称为亚晶粒，这种组织称为亚结构。
图3.4 冷变形引起的亚晶模型
亚结构是如何形成的？
亚晶的大小、完整的程度和亚晶间的取向差随 材料的纯度、变形量和变形温度而异。 亚晶的特点和规律都可以从位错理论得到满意 的解释。
三储存能与微观组织结构的关系1储存能与位错密度的关系式中常数c052储存能与亚结构的关系式中常数15k是常数3储存能与取向的关系e110e111e112e100图31variationcellsize图32storedenergiescellboundarymisorientationdifferentorientationsrolledironcoldrolledironsteellocalorientation32金属组织结构的变化金属塑性变形的物理实质基本上就是位错的运动位错运动的结果就产生了塑性变形
• 塑性变形对位错的数量、分布和组态的影响是和 金属材料本身的性质以及变形温度、变形速度等 外在条件有关的。
一、冷变形与晶粒外形的改变 金属材料外形的改变必然反映在内部晶粒形状的 改变。 晶粒形状的变化与变形方式、变形程度有关； 严重变形后，金属内部组织形貌是纤维组织； 当金属内部有第二相的聚集，或杂质的偏析时， 变形会引起这些区域的伸长而呈带状组织特征。 一般由晶粒伸长而形成的纤维组织可通过退火来 消除，但由杂质或夹杂物伸长而形成的带状组织， 虽经高温退火也难完全消除。
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室温下变形时铁的胞状结构稳态变形时铁的胞子大小同变
形量的关系
①层错能高的金属，其螺位错易于构
拉伸时，各晶粒顺着拉伸方向伸长；压缩时，晶粒被压成扁平
钢丝冷变形时的力学性能的变化
经冷塑性变形的金属在加热时，在大角度晶界扫
回复温度较低时，由于塑性变形所产生的过量空位就会消
多边化示意图
冷塑性变形后的金属加热时，其
回复与再结晶对冷变形金属性能
影响
1-强度；2-电阻率；3-内应力；
4-延伸率；5-晶粒大小通过各种影响因素对再结晶过程进行控制，将对金属材料的强韧性、热强性、冲压性和电磁性等发生重大的影响。
温度并非固定值。
金属纯度及形变量一定时，再结晶温度与加热时间的关系为：
再结晶综合动力曲线1再结晶开始
2再结晶终了
微量溶质元素会阻碍再结晶，提高再结晶温度。
原因：因为溶质原子与位错及晶界间存在着交互作用，使溶质原子多偏聚在位错及晶界处，对位错的滑移和晶界的迁移
温度一定时变形量于晶粒大小的关系低碳钢（0.06%C）变形量及退火
甚至不形核，而且没有足够的动力推动再结晶
提高退火温度，不仅使再结晶晶粒度增大，而且还会影响到临界变形程度。
热形变或热加工是指在再结晶温度以上进行的变形过程。
是由于在高温下发生滑移的系统比较多，使滑移面和滑移方向不断发生变化，因此，工件的择优取向性较小。
目前生产薄的或细的金属材料，一般仍采用冷加工（冷轧、冷拉）的方法。
分布的状态，尽可能的使其分布在
较大的范围内，就可分散它的不利
氧化物夹杂的数量与接触疲
劳寿命的关系
热加工形成的带状组织可表现为晶粒带状和碳化物带状两类缓冷的热轧低碳钢：
高碳钢（如轴承钢）的轧前加热温度一般都高于A 线，加热时碳化物几乎全部溶解到奥氏体区内。
在
奥氏体热变形的真实应力－应变曲线及结
构变化示意图
况：呈稳态变形a ）；非稳态变形b ）。
a）连续动态再结晶的稳态变形：
连续动态再结晶与间
断动态再结晶应力应
变曲线
第一轮动态再结晶完成时，晶粒的形变量尚未达到值，还不能立即发生第二轮动态再结晶。
第二轮再结晶未开始前，这时动态再结晶这种软化机理已失效，流变应力要增加直到第二轮动态再结晶开始为止，因此应力－应
奥氏体在热加工间隔时间内应力-应变曲线的变化
0.68%C钢在780℃热变形应力-应变曲线
奥氏体在热加工中及其后的间隔时间内的变化示意图
晶粒大小直接影响到材料的性能，对热加工后的再。