3.2冷变形加工对金属组织性能影响
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
论述冷轧和热轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响
论述冷轧和热轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响王笑洋摘要：冷轧和热轧使同一种金属的组织发生了不同的变化从而金属的性能也发生了很大的差异，冷轧是在再结晶温度以下进行的轧制，而热轧是在再结晶温度以上进行的轧制。
本文阐述了冷轧和热轧时金属显微组织的变化与冷轧和热轧对金属性能的影响。
冷轧时随着变形程度的增加出现亚结构、变形织构等，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降即产生了加工硬化。
热轧时金属内部缺陷被压合、金属内部夹杂物分布被改善、偏析被改善，使金属的致密度提高、力学性能提高、综合机械性能提高。
关键词：冷轧热轧组织性能前言我国钢铁企业要在竞争激烈的国际市场上与世界钢铁企业强国进行竞争并取得竞争优势，实现钢铁强国的目标，必须促进科技进步，提升企业技术装备和工艺水平。
随着科学技术的发展，轧钢生产过程中质量已经不仅仅局限于产品外型和尺寸精确的控制，而是追求对产品内部微观组织和最终性能的更为精确的把握。
冷轧和热轧使同一种金属的组织发生了不同的变化从而金属的性能也发生了很大的差异。
冷轧是变形温度低于金属再结晶温度的变形。
由于变形温度低、金属内部的组织结构发生很大的变化、晶粒随着变形量的增加沿变形方向被拉长、当变形程度很大时晶粒变为纤维状、使金属性能呈现方向性。
热轧是在再结晶温度以上进行的塑性变形。
热轧时在金属中同时进行着两个过程:一方面由于塑性变形而产生加工硬化，另一方面由于热轧的温度大大高于再结晶温度因此变形所引起的硬化又很快为随之产生的再结晶过程所消除。
本文从冷、热轧制工艺的角度出发，来研究冷、热轧制工艺与金属的组织以及性能之间的关系。
1冷轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响1.1冷轧时金属显微组织的变化1.1.1纤维组织显微组织的变化，多晶体金属经冷却变形后，用光学显微镜观察抛光与浸蚀后的试样，会发现原来等轴的晶粒沿着主变形的方向被拉长。
变形量越大，拉长的越显著。
当变形量很大时，各个晶粒已不能很清楚地辨别开来，呈现纤维状，故称纤维组织。
工程材料及热工艺课后习题答案
材料工程及热工艺（陈培里版）课后习题答案第二章2、金属具有哪些特性？请用金属键结合的特点予以说明。
答案要点：特性：好的导电、导热性能，好的塑性；强度、硬度有高有低，熔点有高有低，但机械行业常用那些好的综合力学性能（强度、硬度、塑性、韧性）、好的工艺性能的材料；金属键：由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。
在金属晶格中，自由电子作穿梭运动，它不专属于某个金属原子而为整个金属晶体所共有。
在外电场作用下，自由电子定向运动，产生电流，即导电。
这种结构，很容易温度变化时，金属原子与电子的振动很容易一个接一个传递，即导热。
当金属晶体受外力作用而变形时，尽管原子发生了位移，但自由电子的连接作用并没变，金属没有被破坏，故金属晶体有较好的塑性、韧性。
因为金属键的结合强度有高有低，故金属的强度、硬度、熔点有高有低。
6、实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对力学性能有何影响？答案要点：存在着点缺陷（空位、间隙原子、置换原子），线缺陷（位错），面缺陷（晶界、亚晶界）。
点缺陷引起晶格畸变，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。
线缺陷很少时引起各项力学性能均下降，当位错密度达一定值后，随位错密度升高，强度、硬度升高，塑性、韧性下降，机械制造用材中位错密度基本均大于这一值。
面缺陷的影响力：晶界越多(即晶粒越细)，四种机能均升高。
7、晶体的各向异性是如何产生的？为何实际晶体一般都显示不出各向异性？答案要点：因为理想晶体中原子作规则排列，不同方向的晶面与晶向的原子密度不同，导致不同方向的原子面的面间距、原子列的列间距不同，即不同方向的原子间的作用力不同，也就体现出各向异性。
实际晶体常为多晶体，各种晶面、晶向沿各个方向的分布机率均等，所以各向同性。
第三章1、从滑移的角度阐述为什么面心立方金属比体心立方和密排六方金属的塑性好？答案要点：塑性变形的实质是滑移面上的位错沿滑移方向滑移造成的，而滑移面是晶体中的密排面，滑移方向是密排方向。
学习情境三金属材料塑性变形对组织性能的影响
2. 晶粒位向的影响
由于各相邻晶粒位向不同，当一处利于滑移方向晶粒发生滑 移时，必然受到周围位向不同的其他晶粒的约束，使滑移受 到阻碍，从而提高金属塑性变形抗力。
（二） 晶粒大小的影响 晶粒越细，其强度和硬度越高。
细晶强化
晶粒越细晶界越 ，不同位向的晶粒也越 滑 移抗力 强度
晶粒越细晶粒数目越 变形均匀性 应力集 中，裂纹过早产生、扩展 塑性、韧性
一、金属材料变形特性
材料在外力的作用下，变形过程一般可分三个阶段：弹性 变形、塑性变形和断裂。其中对组织和性能影响最大的是 塑性变形阶段。
单晶体的滑移
多晶体
二、单晶体的塑性变形
单晶体塑性变形基本形式：滑移和孪生。
（一）滑移
1、滑移定义
滑移：指晶体在切应力的作用下， 晶体的一部分沿一定的晶面 (滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动。 滑移带：当试样经过塑性变形后，在显微镜下观察，可在表面 看到许多相互平行的线条，称之为滑移带。 若干条滑移线组成一个滑移带。
三、 多晶体的塑性变形
单个晶粒变形与单晶体相似。
而多晶体变形是一个不均匀的塑性变 形过程。
（一）晶界及晶粒位向差的影响
1. 晶界的影响
当位错运动到晶界附近时，由于 晶界处的原子排列紊乱，缺陷和 杂质多，能量高，对位错的滑移
起阻碍作用，位错受到晶界的阻
碍而堆积起来,称位错的塞积。使 位错运动阻力增大，从而使金属 的变形抗力提高。
位错运动使其由冷塑性变形时的 无序状态变为垂直分布，形成亚 晶界，这一过程称多边形化。
回复带来的组织性能变化 （1） 宏观应力基本去除，微观应
力仍然残存；
（2）力学性能，如硬度和强度稍 有降低，塑性稍有提高；
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
《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
塑性变形对金属组织性能的影响
塑性变形对金属组织性能的影响塑性变形是指金属在外力作用发生不可恢复的变形。
因为金属在变形过程中承受很大的外力，所以金属的组织和性能一定会发生变化。
由于金属发生塑性变形时的温度不同，所以金属塑性变形可以根据变形温度分为冷变形，温变形，热变形。
在不同的温度下，金属发生塑性变形时其组织和性能会发生不同的变化。
1.冷塑性变形对金属组织和性能的影响金属发生塑性变形时其变形机制主要有位错的滑移，孪生，扭折，高温下还有晶界滑动和扩散蠕变等方式。
在这些变形方式下，金属的组织会在晶粒形状尺寸，亚结构等方面产生变化，还会产生变形织构等。
在位错的运动过程中，位错之间，位错与溶质原子，间隙原子，空位之间，位错与第二相质点之间都会发生相互作用，引起位错数量，分布的变化。
从微观角度来看，这就是金属组织结构在塑性变形过程中发生的主要变化。
随着金属变形的进行及程度的增加，金属内部的位错密度开始增加，这是因为位错在运动到各种阻碍处如晶界，第二相质点等会受到阻碍，位错就会不断塞积和增值，直到可以使得相邻晶粒内的位错发动才能继续运动。
同时位错运动时所消耗的能量中会有一小部分没有转换成热能散发出去，反而会以弹性畸变能的形式存储在金属内部，使金属内部的点阵缺陷增加。
金属冷塑性变形后还会造成金属内部的亚结构发生细化，如原来在铸态金属中的亚结构直径约为0.01cm，经冷塑性变形后，亚结构的直径将细化至0.001-0.00001cm。
同样金属晶体在塑性变形过程中，随着变形程度的增大，各个晶粒的滑移面和滑移方向会逐渐向外力方向转动。
当变形量很大时，各晶粒的取向会大致趋向于一致，从而破坏了多晶体中各晶粒取向的无序性，也称为晶粒的择优取向，变形金属中这种组织状态则称为变形织构。
在塑性变形过程中随着金属内部组织的变化，金属的机械性能将产生明显的变化。
随着变形程度的增大，金属的硬度，强度显著升高，而塑性韧性则显著下降，这一变化称为加工硬化。
加工硬化认为是与位错的运动和交互作用有关。
变形量和时效对TB9钛合金丝材组织和性能影响
154 世界有色金属 2020年 6月下
(a)
（b）
(a)
（b）
(c)
（d）
(c)
图 3 不同冷拉拔变形量的 TB9 合金时效后 SEM 照片（×6000）：
（a）0%，（b）30%，（c）49%，（d）64%
（d）
升高到 64%，抗拉强度从 1368MPa 升高到 1458MPa，升高 90MPa，延伸率从 12.4% 降至 8.4%。而未经过时效的样品， 抗拉强度从 1025MPa 升高到 1247MPa，升高 222MPa，延 伸率从 16% 降至 3%。对比后发现，时效处理消除了加工硬 化的部分影响。当拉拔量达到 30% 以上时，强化效果明显， 延伸率显著下降，降至 10% 以下。拉拔量 30% 时强度和塑 性配比适中，具有良好的拉伸性能。
采用 shimudz 电子万能试验机测量不同冷拉拔变形 量和不同热处理制度 TB9 丝材的室温拉伸性能 ；采用岛津 SSX-550 钨丝扫描电子显微镜观察不同冷拉拔变形量和不
收稿时间 ：２０２０－０５ 作者简介 ：高文静，女，１９７７ 年生，重庆人，本科，工程师，研究方向 ：材 料工艺。
图 1 不同拉拔量的 TB9 合金时效后室温拉伸性能 图 2 不同时效温度的 TB9 合金室温拉伸性能
同热处理制度 TB9 丝材的显微组织。
3 结果与分析 3.1 冷拉拔变形量对时效后 TB9 钛合金性能及组织影响
图 1 是 TB9 丝材经不同冷拉拔变形量 540℃ /8h 时效 后的室温拉伸性能。从图中可以看出随冷拉拔变形量的升 高，强度逐渐升高，塑性呈下降趋势。冷拉拔变形量从 0%
2 材料和实验方法 按 TB9 名义成分（Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr）配料、
冷塑性变形对金属性能与组织的影响
复习提问
什么叫加工硬化？
作业布置
P33习题6
教学方法
主要教学内容和过程
附记
§3-2冷塑性变形对金属性能与组织的影响
冷塑性变形不仅改变了金属的外形，而且使其内部性能与组织产生了一系列的变化。
一、对金属性能的影响
形变强化：（加工硬化）随塑性变形程度的增加，金属的强度，硬度提高，而塑性韧性下降。
理论课教案附页
编制/时间：
教学方法
主要教学内容和过程
附记
形变强化的作用：
1形变强化可以提高金属的强度，是强化金属的重要手段（对于不能用热处理强化的材料尤为重要）
2形变强化可以使金属具有偶然的抗超载能力，一定程度上提高了构件在使用中的安全性。
3形变强化是工件能用塑性变形方法成型的必要条件。
4材料塑性的降低，给材料进一步冷塑性变形带来困难。（须进行中间热处理，以消除形变强化，增加了成本，降低了效率。）
5塑性变形使金属某些物理化学性能发生变化。
二、冷塑性变形对金属组织结构的影响（教材P29）
1、产生纤维组织，使金属的力学业性能具有明显的方向性。
2、使晶粒内部的亚晶粒尺寸碎化，位错密度增加，晶格畸变加剧，因而增加了滑移阻力，（塑性变形抗力增加），从而导致产生了加工硬化现象。
理论课教案
编号：NGQD-0707-09版本号：A/0页 码：
编制/时间：审核/时间：批准/时间：
学科
金属材料及热处理
第三章金属的塑性变形与再结晶
第二节冷塑性变形对金属性能与组织的影响
教学类型
授新课
授课时数
0.5
授课班级级
教学目的
和求
1、掌握冷塑性变形对金属性能的影响。
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。
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
THANK YOU FOR WATCHING
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。
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。
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。
论述冷轧和热轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响
论述冷轧和热轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响王笑洋摘要：冷轧和热轧使同一种金属的组织发生了不同的变化从而金属的性能也发生了很大的差异，冷轧是在再结晶温度以下进行的轧制，而热轧是在再结晶温度以上进行的轧制。
本文阐述了冷轧和热轧时金属显微组织的变化与冷轧和热轧对金属性能的影响。
冷轧时随着变形程度的增加出现亚结构、变形织构等，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降即产生了加工硬化。
热轧时金属内部缺陷被压合、金属内部夹杂物分布被改善、偏析被改善，使金属的致密度提高、力学性能提高、综合机械性能提高。
关键词：冷轧热轧组织性能前言我国钢铁企业要在竞争激烈的国际市场上与世界钢铁企业强国进行竞争并取得竞争优势，实现钢铁强国的目标，必须促进科技进步，提升企业技术装备和工艺水平。
随着科学技术的发展，轧钢生产过程中质量已经不仅仅局限于产品外型和尺寸精确的控制，而是追求对产品内部微观组织和最终性能的更为精确的把握。
冷轧和热轧使同一种金属的组织发生了不同的变化从而金属的性能也发生了很大的差异。
冷轧是变形温度低于金属再结晶温度的变形。
由于变形温度低、金属内部的组织结构发生很大的变化、晶粒随着变形量的增加沿变形方向被拉长、当变形程度很大时晶粒变为纤维状、使金属性能呈现方向性。
热轧是在再结晶温度以上进行的塑性变形。
热轧时在金属中同时进行着两个过程:一方面由于塑性变形而产生加工硬化，另一方面由于热轧的温度大大高于再结晶温度因此变形所引起的硬化又很快为随之产生的再结晶过程所消除。
本文从冷、热轧制工艺的角度出发，来研究冷、热轧制工艺与金属的组织以及性能之间的关系。
1冷轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响1.1冷轧时金属显微组织的变化1.1.1纤维组织显微组织的变化，多晶体金属经冷却变形后，用光学显微镜观察抛光与浸蚀后的试样，会发现原来等轴的晶粒沿着主变形的方向被拉长。
变形量越大，拉长的越显著。
当变形量很大时，各个晶粒已不能很清楚地辨别开来，呈现纤维状，故称纤维组织。
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。
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）
3.2冷变形加工对金属组织性能影响
3.2.1 冷变形加工（冷塑性变形）对金属组织、结 构的影响
1. 显微组织的变化；2. 亚结构的碎化； 3. 变形织构的形成
塑性变形对金属组织、结构的影响（如 右图所示）→ 金属发生塑性变形时，不仅外形发生变 化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长 或压扁。 当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维 状，晶界变得模糊不清. 塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。
加工硬化现象
图3.15
加 工 硬 化 的 原 因位错密度与强度关 系来自变形20%纯铁中的位错
↑
未变形纯铁
3.2.3 残余内应力
残余内应力
是指平衡于金属内部的应力,由于金属受力时，内部变形 不均匀而引起的。塑性变形时，外力所做的功只有10%转化为内应力残留 于金属中。内应力分为三类： 第一类内应力 平衡于表面与心部之间 (宏观内应力)。 第二类内应力 平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间, (微观内应力)。 第三类内应力 是由晶格缺陷引起的畸变应力。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。 残余应力的主要危害 i 降低工件的承载能力 当残余应力与工作应力一致时会
降低工件承受的实际应力；当残余应力很大时，在随后的加工过程中，则会使工件产生宏观 或微观破坏。ii 改变工件的尺寸及形状 工件在加工或使用过程中，通常其内存的残 余应力的平衡状态会受到破坏，致使工件的应力状态重新分布，从而引起工件形状和尺寸的 改变。iii 降低工件的耐蚀性 残余应力的存在，使金属晶体处于高能量状态，且易与周 围介质发生化学反应，而导致金属耐蚀性降低。
因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。
亚结构的碎化
形变织构
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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。
3.2.3 残余内应力
利：预应力处理，如汽车板簧的生产。 可通过抛丸强化提高板簧表层残余压应力来 提高其疲劳强度
6h
3.2.3 残余内应力
残余应力的主要危害 ： i 降低工件的承载能力 ii 改变工件的尺寸及形状 iii 降低工件的耐蚀性
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。
3.2.3 残余内应力
残余内应力 是指外力去除后，残留在金属内部且平衡于 金属内部的应力。
塑性变形时，外力所做的功有10%转化为内应力残留于金
属中。
产生原因：金属受力时，内部变形不均匀。
3.2 冷变形加工对金属组织与性能的影响
3.2.1 冷变形加工（冷塑性变形） 对金属组织、结构的影响 1. 显微组织的变化； 2. 亚结构的碎化； 3. 变形织构的形成
1. 显微组织的变化
外形发生变化，内部晶粒也相应地被拉长或压扁。 变形量很大时（>70%) ，晶粒被拉长为纤维状，形成 纤维组织，晶界模糊不清。 沿纤维方向的力学性能高于垂直于纤维方向的，呈现出 各向异性。 塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。
金属在塑性变形后，通常进行退火处理，以消除或降低内应力。
3.2.3 残余内应力
残余内应力的分类
第一类残余应力（Ⅰ）：平衡于表面与心部之间，宏观内应力， 由整个物体变形不均匀引起。 10% 第二类残余应力（Ⅱ）：平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间, 微观内应力，由晶粒变形不均匀引起。 第三类残余应力（Ⅲ）：是由晶格缺陷引起的畸变应力。点阵畸变 包括位错、空位等。占总内应力的80-90%。
加工强化（形变强化)产生的原因 （1）位错密度不断增加 → 交互作用，使变形抗力增加； （2）亚结构碎化，亚晶界阻碍位错运动 → 强度硬度提高。
位错密度与强度关系
变形20%纯铁中的位错
未变形纯铁
3.2.2 冷变形加工对金属性能的影响 —— 加工硬化（形变强化）
加工硬化在生产中的重要意义
3.2.2 冷变形加工对金属性能的影响 —— 加工硬化（形变强化）
3.2.1 冷变形加工（冷塑性变形）对金属组织、结构的影响 1. 显微组织的变化
3.2.1 冷变形加工（冷塑性变形）对金属组织、结构的影响 2. 亚结构的碎化
经大量塑性变形后，由于位错运动及位错间的相互作用，
位错分布不均，晶粒碎化成许多位相略有差异的亚晶块， 称为亚晶粒。
亚晶界上聚集着大量位错，而亚晶粒内部位错数量很少。
亚晶粒亦随变形量的增大而沿变形方向伸长，数量增多、 尺寸减少。
3.2.1 冷变形加工（冷塑性变形）对金属组织、结构的影响 3. 变形织构的形成
• 变形量70~90%时，各晶粒的位向变得趋于一致。
• 由于塑性变形而使晶粒具有择优取向的组织叫做“变形织构” • 轴向拉拔或压缩→丝织构 锻压、压缩多晶材料→面织构 轧制板材→板织构 • 织构的形成使金属呈现各向异性。 “制耳”
铝板的“制耳”
3.2.2 冷变形加工对金属性能的影响 —— 加工硬化（形变强化）
加工硬化的定义 塑性变形对金属性能的主要影响是产生加工硬化 塑形变形过程中，随着变形程度的增加，金属强度硬度增加 而塑性、韧性降低的现象称为加工硬化。
3.2.2 冷变形加工对金属性能的影响 —— 加工硬化（形变强化）