第3讲冷热加工组织变化

纤维组织的形成过程
冷轧前后晶粒形状变化
(a)变形前的退火状态组织 (b)变形后的冷轧变形组织
3.1.1 显微组织的变化
亚结构 在变形量大而且层错能较高的金属中，位错的分
布是很不均匀的。纷乱的位错纠结起来，形成位错 缠结的高位错密度区(约比平均位错密度高五倍)，将 位错密度低的部分分隔开来，好像在一个晶粒的内 部又出现许多“小晶粒”似的，只是它们的取向差 不大(几度到几分)，这种结构称为胞状亚结构。
耐蚀性能的变化
冷变形后，金属的残余应力和内能增加，从 而使化学不稳定性增加，耐蚀性能降低。
例如，冷变形的纯铁在酸中的溶解速度要比 退火状态快；冷变形所产生的内应力是造成 的金属腐蚀(“应力腐蚀”)的一个重要原因， 在实际应用中是相当普遍而又严重的问题。
例如，冷加工后的黄铜，由于存在内应力， 在氨气、铵盐、汞蒸气以及海水中会发生严 重的腐蚀破裂(又称“季节病”)；高压锅炉、 铆钉发生的腐蚀破裂等等。应力腐蚀的主要 防止方法就是退火，消除内应力。
光洁；有氧化铁皮和冷却收缩。 薄或细的加工制品，由于温降快，尺寸精度
差，不易采用热加工。
从提高钢材的强度来看，热加工不及冷加工。 因为热加工时由于温度的作用使金属软化。
有些金属不宜进行热加工。例如，在一般的 钢中含有较多的FeS，或在铜中含有Bi时， 在热加工中由于晶界上由这些杂质所组成的 低熔点共晶体发生熔化，使晶间的结合遭到 破坏，而引起金属断裂。
多晶体Fe冷轧后的胞状亚结构，x 6850 (a)变形量16％； (b)变形量70％
铜中的形变亚结构
图中白色部分为低位错密度的亚晶， 黑色区域为高位错密度的亚晶界
3.1.1 显微组织的变化
变形织构 多晶体塑性变形时，各个晶粒滑移的同时，也伴
随有晶体取向相对于外力有规律的转动过程。尽管 由于晶界的联系，这种转动受到一定的约束，但当 变形量较大时，原来为任意取向的各个晶粒也会逐 渐调整，引起多晶体中晶粒方位出现一定程度的有 序化。这种多晶体由原来取向杂乱排列的晶粒，变 成各晶粒取向大体趋于一致的过程叫做“择优取 向”。具有择优取向的晶体组织称为“变形织构”。
热加工变形量大且不需要像冷加工那样要辅以中间退火， 因而流程短，效率高。
热加工可使室温下不能进行塑性加工的金属(如钛、镁、 钼及镍基超合金等)进行加工；
热加工作为开坯，可以改善粗大的铸造组织，使疏松和 微小裂纹愈合；
热加工的金属组织与性能，可以通过不同热加工温度、 变形程度、变形速度、冷却速度和道次间隙时间等加以 控制。
分显著， Ⅱ≈G/300，近乎常数。 Ⅲ阶段——抛物线型硬化阶段：随应变增加，应力
上升缓慢，呈抛物线型， Ⅲ逐渐下降。
三种典型晶体结构金属单晶体的硬化曲线
其中面心立方和体心立方晶体显示出典型的三阶段，至于密排六方金属单晶 体的第Ⅰ阶段通常很长，远远超过其他结构的晶体，以致于第Ⅱ阶段还未充分发 展时试样就已经断裂了。
冲压后制品如产生制耳，必须切除。这样不 仅增加了金属的损耗和切边工序，而且还会 因各向异性使冲压件产生壁厚不均，影响生 产效率与产品质量。因此，在生产上，必须 设法避免“制耳效应”的发生
深冲件上的制耳
金属密度的变化
冷变形后，在晶内或
晶间出现了显微裂纹、裂 口和空洞等缺陷，使金属 的密度降低，如图所示， 青铜退火后密度为8.915 克／厘米3，经80%冷变 形后其密度降至8.886克 ／厘米3。相应的铜的密 度 由 8.905 克 ／ 厘 米 3 降 至8.89克／厘米3。
(1)铸态金属组织中的缩孔、疏松、空隙、气泡 等缺陷得到压密或焊合。金属在变形中由于 加工硬化所造成的不致密现象，也随着再结 晶的进行而恢复。
(2)在热加工变形中可使晶粒细化和夹杂物破碎。
(3)形成纤维组织也是热加工变形的一个重要特 征。铸态金属在热加工变形中所形成的纤维 组织与金属在冷加工变形中由于晶粒被拉长 所形成的纤维组织不同。前者是由于铸态组 织中晶界上的非溶物质的拉长所造成。
与冷加工相比较，热加工变形一般不易产生织构。这是 由于在高温下发生滑移的系统较多，使滑移面和滑移方 向不断发生变化。因此，在热加工工件中的择优取向或 方向性小。
热加工在实际生产上，尚有如下不足：
热加工需要加热，不如冷加工简单易行； 热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和
易于控制；温度的均匀性控制差。 热加工制品不如冷加工制品尺寸精确、表面
热加工与冷加工的主要区别
金属在热加工时，硬化(加工硬化)和软化(回 复与再结晶)两种对抗过程同时出现。在热加 工中，由于软化作用可以抵消和超过硬化作 用，故无加工硬化效应，而冷加工则与此相 反，有明显的加工硬化效应。
金属组织及性能的变化
热加工虽然不能引起加工硬化，但它能使金 属的组织和性能发生显著的变化。热加工变 形可认为是加工硬化和再结晶两个过程的相 互重叠。在此过程中由于再结晶能充分进行 和在变形时靠三向压应力状态等因素的作用， 可以使金属产生如下的变化：
丝织构
丝织构系在拉拔和挤 压加工中形成。这种加 工都是在轴对称情况下 变形，其主变形图为两 向压缩，一向拉伸。变 形后晶粒有一共同晶向 趋向与最大主变形方向 平行。以此晶向来表示 丝织构。
试验表明，对于面心立方金属如金、银、铜、
铝、镍等，经较大变形程度的拉拔后，所获 得的丝织构为<111>和<100>。对于面心立方
从改善金属材料性能的角度来看，加工硬化 是主要的手段之一。特别是对那些用一般热 处理手段无法使其强化的无相变的金属材料， 形变硬化是更加重要的强化手段。
加工硬化也有其不利的一面，如在冷轧、冷 拔等冷加工过程中由于变形抗力的升高和塑 性的下降，往往使继续加工发生困难，需在 工艺过程中增加退火工序。
热加工变形的特点
金属的热加工与冷加工相比具有如下优点：
热加工时金属的塑性好，断裂倾向小，可采用较大的变 形量；因为变形温度升高后，由于完全再结晶使加工硬 化消除，在断裂与愈合的过程中使愈合加速以及为具有 扩散性质的塑性机制的同时作用创造了条件。
热加工时，变形抗力低，塑性高，变形达到需要尺寸时， 所消耗的能量少。因为在高温时，原子的运动及热振动 增强，扩散过程和溶解过程加速，使金属的临界切应力 降低；许多金属的滑移系统数目增多，使变形更为协调； 加工硬化现象因再结晶完全而被消除。
单晶与多晶的应力一应变曲线比较（室温） （a）Al （b）Cu
多晶体的塑性变形由于晶界的阻碍作用和晶 粒之间的协调配合要求，各晶粒不可能以单 一滑移系动作而必然有多组滑移系同时作用， 因此多晶体的应力一应变曲线不会出现单晶 曲线的第I阶段，而且其硬化曲线通常更陡， 细晶粒多晶体在变形开始阶段尤为明显
金属，丝织构与金属的堆垛层错能有关。层 错能越高的金属，[111]丝织构越强烈。对于
体心立方金属，不论成分如何，其丝织构是 相同的。如经过拉拔的α铁、铜、钨等金属都 具有[110]丝织构。
板织构
板织构是在轧制或者宽展很小的矩形件镦 粗时形成。其特征是各个晶粒的某一晶向趋 向于与轧向平行，某一晶面趋向于与轧制平 面平行。因此板织构用其晶面和晶向共同表 示。
单晶体的切应力一应变曲线 显示塑性变形的三个阶段
Ⅰ阶段——易滑移阶段：当t达到晶体的c后，应力 增加不多，便能产生相当大的变形。此段接近于直线，
其斜率 ，即加工硬化率低，一般 为～10-4G数量级 （G为材料的切变模量）。
Ⅱ阶段——线性硬化阶段：随着应变量增加，应力 线性增长，此段也呈直线，且斜率较大，加工硬化十
轧制过程中择优取向的形成
各晶粒中的“→”表示某晶向
(a)、(b)、(c)分别表示轧制前、轧制时与轧制后的晶粒取向
板织构示意图
(a) 轧制前 (b)轧制后
织构不是描述晶粒的形状，而是描述多晶体 中的晶体取向的特征。应当指出，若使变形 金属中的每个晶粒都转到上述所给出织构的 晶向和晶面，这只是一种理想情况。实际上 变形金属的晶粒取向只能是趋向于这种织构， 一般是随着变形程度的增加，趋向于这种取 向的晶粒越多，这种织构就越完整。织构可 用x射线衍射的方法来测定。
变形程度与密度的关系 （1）青铜 （2）铜
导电性的变化
一般来说，金属随着冷变形程度的增加位错密度增 加，点阵发生畸变会使电阻增高。例如，冷变形量 达到82％的铜丝，比电阻增加2％；冷变形99％的 钨丝，比电阻增加50％
但有时随着冷变形程度的增加，电阻不但不升高反 而显著降低。比如冷拔钢丝。这是因为片状珠光体 取向于钢丝的轴向，这是由于有向性所引起的电阻 降低超过基体冷加工所引起的电阻升高所致。冷变 形还会使晶间物质破坏，使晶粒彼此接触也可减少 电阻增加导电性。所以冷变形对导电性的影响应综 合考虑。
带状组织不仅降低金属的强度，而且还降 低塑性和冲击韧性，对性能极为不利。轻微 的带状组织可以通过正火来消除。
低碳钢中的带状组织
课后作业 Homework
（1）分别画出体心立方与面心立方金属 的丝织构。
（2）分别画出体心立方与面心立方金属 的板织构。
（3）冷加工与热加工的纤维组织有何异 同？能否消除？如何避免？
各向异性
金属材料经塑性变形以后，不同加工方式， 会出现不同类型的织构。由于织构的存在而 导致制品在不同方向上性能的差异出现各向 异性。
具有各向同性的金属板材，经深冲后，冲杯 边缘通常是比较平整的。具有织构的板材冲 杯的边缘则出现高低下平的波浪形。把具有 波浪形凸起的部份称为“制耳”。把由于织 构而产生的制耳现象称为“制耳效应”。
3.1.2 金属性能的变化
机械性能的变化
1）加工硬化 2）各向异性
物理化学性能的变化
1）金属密度的变化 2）导电性的变化 3）耐蚀性能的变化 4）导热性降低 5）改变磁性
加工硬化
金属材料经冷加工变形后，强度（硬度）显 著提高，而塑性则很快下降，即产生了加工 硬化现象。
加工硬化是金属材料的一项重要特性，可被 用作强化金属的途径。特别是对那些不能通 过热处理强化的材料如纯金属，以及某些合 金，如奥氏体不锈钢等，主要是借冷加工实 现强化的。
（a）
（ b）
由于纤维组织的出现，使变形金属在纵向和横向具有 不同的力学性能。在生产实际中为利用纤维组织使金属具 有方向性这一特点，可设法使纤维组织所形成的流线在工 件内有更为适宜的分布。如图（a）所示。
(4)金属在热变形过程中产生带状组织。
复相合金中的各个相，在热加工时沿着 变形方向交替地呈带状分布，这种组织称为 带状组织。
第三章 塑性加工时组织性能的变化
主要内容
Main Content
冷加工时组织性能的变化 热加工时组织性能的变化
3.1 冷加工变形中组织性能的变化
显微组织的变化
纤维组织 亚结构 变形织构
金属性能的变化
机械性能变化 物理化学性能变化
3.1.1 显微组织的变化
纤维组织
多晶体金属经冷变形后，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。 当变形且很大时，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。
金属塑性变形理论
Theory of metal plastic deformation
第三讲 Lesson Three
Zhang Guijie
Tel： E-Mail：
Department of Metal Material and Process Engineering Hebei Polytechnic University, Tangshan 063009
导热性wenku.baidu.com磁性的改变
冷变形还会使金属的导热性降低。如铜冷变 形后，其导热性降低到78%。
冷变形还可以改变磁性。如锌和铜，冷变形 后可减少其抗磁性。高度冷加工后，铜可以 变为顺磁性的金属。对顺磁性金属冷变形会 降低磁化敏感性等等。
3.2 热加工变形中组织性能的变化
热加工变形的特点 金属组织的变化 金属性能的变化