冷变形金属组织和性能
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
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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。
一文看懂回复和再结晶
一文看懂回复和再结晶回复和再结晶一、冷变形金属在加热时的组织与性能变化金属和合金经塑性变形后，由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能（晶体缺陷所储存的能量）的升高将使其处于热力学不稳定的高自由能状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势，但在室温下，因温度低，原子活动能力小，恢复很慢，一旦受热，温度较高时，原子扩散能力提高，组织、性能会发生一系列变化。
这一变化过程随加热温度的升高可表现为三个阶段：回复：指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。
在此阶段，组织：由于不发生大角度晶界的迁移，晶粒的形状和大小与变形态相同，仍为纤维状或扁平状。
性能：强度与硬度变化很小，内应力、电阻明显下降。
（回复是指冷塑性变形的金属在（较低温度下进行）加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。
）再结晶：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程。
在此阶段，组织：首先在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。
性能：强度与硬度明显下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢复到变形前的程度。
晶粒长大：指再结晶结束之后晶粒的继续长大。
在此阶段，在晶界表面能的驱动下，新晶粒相互吞食而长大，最后得到较稳定尺寸的晶粒。
显微组织的变化：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。
性能变化：回复阶段：强度、硬度略有下降，塑性略有提高；密度变化不大，电阻明显下降。
再结晶阶段：强度、硬度明显下降，塑性明显提高；密度急剧升高。
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。
二、回复1. 回复动力学上图同一变形程度的多晶体铁在不同温度退火时，屈服强度的回复动力学曲线特点：（1）没有孕育期；（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，随后即逐渐变慢，直至趋近于零；（3）每一温度的恢复程度有一极限值，退火温度越高，这个极限值也越高，而达到此一极限值所需的时间则越短；（4）预变形量越大，起始的回复速率也越快，晶粒尺寸减小也有利于回复过程的加快。
金属在冷和热塑性加工过程中组织与性能变化规律的异同
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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冷变形对组织与性能的影响
组织变化： 纤维组织 亚结构 变形织构 晶内及晶间的破坏
性能变化： 力学性能 残余应力 物化性能
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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冷变形力学性能
金属发生塑性变形时，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， 也叫形变强化或冷作硬化。
制 耳 现 象
但是，变压器用硅钢片，由于α-Fe<100>方向最易磁化，生产中通 过轧制可获得具有（110）[001]织构和磁化性能优异的硅钢片。
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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冷变形晶内及晶间破坏
在冷变形过程中不发生软化过程的愈合作用，因滑移（位错 的运动及其受阻、双滑移、交叉滑移等），孪晶等过程的复 杂作用以及各晶粒所产生的相对转动与移动，造成了在晶粒 内部及晶粒间界处出现一些显微裂纹、空洞等缺陷使金属密 度减少，是造成金属显微裂纹的根源。
9/49
冷变形形变织构
在塑性变形中，随着变形大程度的增加，各个晶粒的滑移面 和滑移方向都要向主形变方向转动，使各晶粒的位向呈现一 定程度的规律性，这一现象称为择优取向，这种组织状态称 为形变织构。
典 型 织 构
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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形变织构的影响与应用
一般来说，不希望金属板材存在织构，尤其是用于深冲压成型的板 材，由于织构会造成其沿各方向变形的不均匀性，使工件的边缘出 现高低不不平，所谓的“制耳”。
消除畸变能，控制晶粒大 小，形态，均匀度
界面能，表面能 作为驱动力
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。
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。
冷塑性变形对金属性能与组织的影响
冷塑性变形对金属性能与组织的影响摘要］金属的冷塑性变形可使金属的性能发生明显变化，这种变化是由塑性变形时金属内部组织变化所决定的。
［关键词］冷塑性变形；金属性能；影响金属的冷塑性变形可使金属的性能发生明显变化，这种变化是由塑性变形时金属内部组织变化所决定的。
一、形成纤维组织，性能趋于各向异性金属塑性变形时，在外形变化的同时，晶粒的形状也发生变化。
通常是晶粒沿变形方向压扁或拉长，如图1所示。
当变形程度很大时，晶粒形状变化也很大，晶粒被拉成细条状，金属中的夹杂物也被拉长，形成纤维组织，使金属的力学性能具有明显的方向性。
例如纵向（沿纤维组织方向）的强度和塑性比横向（垂直于纤维组织方向）高得多。
图1冷塑性变形后的组织二、产生冷变形强化冷塑性变形除了使晶粒外形变化外，还会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，这就是冷塑性变形对金属造成形变强化，也称加工硬化的主要原因。
即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。
形变强化在生产中具有很重要的意义。
如图2所示为纯铜和低碳钢的强度和塑性随变形程度增加而变化的情况。
图2 纯铜和低碳钢的冷轧变形度对力学性能的影响实线——冷轧的纯铜虚线——冷轧的低碳钢．形变强化可以提高金属的强度，是强化金属的重要手段，尤其对于那些不能用热处理强化的金属材料显得更为重要。
形变强化也是工件能用塑性变形方法成型的必要条件。
例如在图3所示冷冲压过程中，由于r处变形最大，当金属在r处变形到一定程度后，首先产生形变强化，使随后的变形转移到其他部分，这样便可得到壁厚均匀的冲压件。
此外，形变强化还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。
形变强化也有不利的一面。
由于材料塑性的降低，给金属材料进一步冷塑性变形带来困难。
为了使金属材料能继续变形加工，必须进行中间热处理，以消除形变强化。
塑性变形除了影响力学性能外，还会使金属某些物理、化学性能发生变化，如电阻增加、化学活性增大、耐蚀性降低等。
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
冷变形金属在退火过程中组织与性能的变化精品PPT课件
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
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回 复
再结 晶
晶粒 长大
冷塑性变形金属在加热时，在光学显微组织 改变前所产生的某些亚结构和性能的变化过程
7
力学性能的变化
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能
强度
性
学
力
塑性 硬度
冷变形晶粒
新晶粒
小
大
粒
晶
回复
再结晶
晶粒长大
温度→ 图4 退火过程中力学性能的变化
位错密度
8
其他性能的变化
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点缺陷
温度→
图5 退火过程中其他性能的变化
5
储存能及内应力的变化
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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
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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
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
材料科学基础I__第九章-2__(回复与再结晶)
3、凸出形核
当冷变形量较 小时，再结晶在 原晶界处形核。
对于多晶体，不同晶粒的变形 程度不同，变形大的位错密度高， 畸变能高；变形小的位错密度低， 畸变能低。低畸变区向高畸变区 伸展，以降低总的畸变能。
三、再结晶核心的长大
再结晶核心形成后，在变形基体中长大。实质是具有临界曲 率半径的大角度晶界向变形基体迁移，直至再结晶晶粒相遇， 变形基体全部消失。 温度越高，扩散越快，再结晶速度越快，时间越长，再结晶 晶粒越粗大。
其他条件相同时，原始晶粒越细，冷变形抗力越大，变形后 储存能越多，再结晶温度越低。 同样变形度，原始晶粒越细，晶界总面积越大，可供再结晶 形核的地方越多，形核率高，再结晶速度快。
5、第二相粒子
根据粒子尺寸和间距的大小，可分为二种情况： 1）粒子较粗大，间距较远——促进再结晶 原因：粒子对位错运动、亚晶界迁移的阻碍作用小；另一方 面，加速再结晶形核。 2）粒子细小，间距小——阻碍再结晶 原因：粒子阻碍位错运动和亚晶界迁移，使亚晶粒生长减慢 或停止，就阻碍了再结晶的形核与长大。
退火温度对临界变形度影响很大，温度越高，临界变形度越小。
注意：图中纵坐标，向上表示晶粒数少，尺寸大。
§9-9 再结晶后的晶粒长大
冷变形金属完成再结晶后，继续加热时会发生晶粒长大。 晶粒长大又可分为正常长大和异常长大（二次再结晶）。
一、晶粒的正常长大
再结晶刚完成时得到的是细小的、无畸变和内应力的等轴晶 粒。温度继续升高或延长保温时间，晶粒仍可以继续长大，若 是均匀地连续生长，就称为正常长大。
晶粒特别粗大。此变形度称为临界变形度。 超过临界变形度后，随变形量增加，储存能增加，使再结晶驱 所以再结晶后晶粒细化。
动力增加，形核率和长大速率同时提高，但由于形核率增加更快，
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。
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
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。
冷变形对BT-14钛合金组织和性能的影响
2 试验材料和方案 本 实 验 采 用 2 次 真 空 自 耗 电 弧 熔 炼 铸 锭，经 锻 造，制
The effect of cold deformed on microstructure and properties of BT-14 Titanium alloy
WANG Wen-jun，CHEN Meng，YUE Xi-xing
（Ｂａｏｊｉ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｂａｏｊｉ，７２１０１４） Abstract ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＢＴ－１４ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｓｈｅｅｔｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｒａｔｅｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ，Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｌｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＢＴ－１４ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ：Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ＢＴ－１４ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｉｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｘｃｅｅｄｓ ３０％，ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｂｒｅａｋａｇｅ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｕｎｉｆｏｒｍ ａｎｄ ｅｑｕｉａｘｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ａｆｔｅｒ ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｎｅａｌｉｎｇ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｇｒｏｗｔｈ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆａｓｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｒａｔｅ，ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ａｆｔｅｒ ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｂｅｃｏｍｅｓ ｔｈｉｎｎｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ；Ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ． Keywords ：ＢＴ－１４ Ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ，Ｃｏｌｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
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）
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▪
材料加工成型的保给金属的进一 步塑性变形带来困难,动力消耗增大；
▪ 脆断危险性提高。
▪
冷变形金属组织和性能
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。
▪ 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 ▪
冷变形金属组织和性能
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
再结晶阶段：内应力可完全消除。
冷变形金属组织和性能
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)
冷变形金属组织和性能
回复
一 回复动力学（示意图） 2 动力学曲线特点
（1）没有孕育期； （2）开始变化快，随后变慢； （3）长时间处理后，性能趋于一平衡值。
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
回结 复晶
冷变形金属组织和性能
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；
物理性能:硅钢片{100}[001]织构可减少铁损。
冷变形金属组织和性能
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。)
冷变形金属组织和性能
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
冷变形金属组织和性能
回复
二 回复机理
1 低温回复（0.1－0.3Tm）
移至晶界、位错处 点缺陷运动 空位＋间隙原子 消失 缺陷密度降低
空位聚集（空位群、对）
冷变形金属组织和性能
中温回复
回复
二 回复机理
冷变形金属组织和性能
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）
冷变形金属组织和性能
金属的形变织构
金属的形变织构
晶体结构
冷变形金属组织和性能
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）
Smith W F. Foundations of Materials
SM冷cciGe变nRcA形eWa金.nHd属ILEL组n.3g织/iEn和ee性rin能g.
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 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。
冷变形金属组织和性能
冷变形金属对性能的影响
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
冷变形金属组织和性能
▪
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；
▪ 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
冷变形金属组织和性能
冷变形金属在加热时的组织与性能变化
冷变形金属在加热时的
组织与性能变化
一 回复与再结晶
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。
残余应力对材料的影响
三 残余应力（约占变形功的10％-15%）
利：预应力处理，如汽车板簧的生产。 2 利弊
弊：引起变形、开裂,如黄铜弹壳的腐蚀开裂。
3 消除：去应力退火。
6h
冷变形金属组织和性能
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
再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的 无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除 的过程。
冷变形金属组织和性能
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。
板织构
丝织构
fcc
-黄铜 (110)[112]
[110]
纯铜
(146)[211]或 [111] (123)[121]
bcc
(100)[011]
[110]
hcp
(0001)[1010]
冷变形金属组织和性能
[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。
冷变形金属组织和性能
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冷变形金属组织和性能
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）
冷变形金属组织和性能
残余应力
残余应力
约占变形功的10-15％
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%。
1 分类 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%。
Ⅰ
冷变形金属组织和性能
残余应力对材料的影响