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
(5)金属塑性变形过程中组织与性能的变化规律
3.再结晶退火 在对金属材料进行塑性变形 加工（拉深、冷拔等）时为了消除加工 硬化需要进行再结晶退火。再结晶退火 是指：把变形金属加热到再结晶温度以 上的温度保温，使变形金属完成再结晶 过程的热处理工艺。为了尽量缩短退火 周期并且不使晶粒粗大，一般情况下把 退火工艺温度取为最低再结晶温度以上 100 C ～200C。
（a）变形前的退火状态组织
冷变形时金属显微组织的变化
（2）亚结构
冷变形时金属显微组织的变化
（3）变形织构
a. 丝织构
b. 板织构
冷变形时金属显微组织的变化
（4）晶内和晶间破坏
冷变形时金属 电阻 晶间物质的破坏使晶粒直接接触、晶粒位向有序化、 金属经冷变形后，因晶内及晶间出现了显微裂纹、裂
晶 粒 直 径 ， 微 米
500 450 晶 粒 直 径 300 ， 微 200 米 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 变形程度，%
500
450
400 350 300 250 200
300
200 100 0 300 250 200
400
350
变形温度，℃
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
§6. 1金属塑性加工中组织与性能的变化
6. 1. 1 冷变形 6. 1. 2 热变形 6. 1. 3 塑性变形对固态相变的影响
6. 1. 1 冷变形
Cold Deformation, Cold Working
冷变形：在再结晶温度以下变形
冷变形时金属显微组织的变化
（1）纤维组织
图6-2
冷轧前后晶粒形状变化 （b）变形后的冷轧变形组织
口、空洞等缺陷使金属的密度降低，且变形程度越高，降低的
金属在塑性变形中的组织结构与性能变化
第七章金属在塑性变形中的组织结构与性能变化练习与思考题1 冷变形使金属的组织结构和性能发生什么变化？有何意义？（1）冷变形使金属的组织结构发生如下变化：1）单晶体塑性变形:时，随着变形量增加，位错密度增加，从而引起加工硬化；2）多晶体塑性变形时，，随着变形量增加，与单晶体变形一样，位错密度增加。
但多晶体各晶粒即相互阻碍又相互促进，变形量到一定程度出现位错胞状结构；3）冷塑性变形后自由能高；4）晶粒外形、夹杂物和第二相的分布发生变化；5）性能上具有方向性：带状组织和纤维组织；6）形成形变织构；7）晶体可能被破坏，可能产生微裂纹，甚至宏观裂纹等；变形是不均匀的；存在残余内应力。
（2）冷变形对金属性能的变化体现在：1）强度指标增加；塑性指标降低，韧性也降低了；产生力学性能的方向性。
2）物理性能变化：由于在晶间和晶内产生微观裂纹和空隙以及点阵缺陷，因而密度降低，导热、导电、导磁性能降低。
3）化学性能变化：化学稳定性降低，耐腐蚀性能降低，溶解性增加。
（3）生产上经常利用冷加工提高材料的强度，通过加工硬化（或称形变强化）来强化金属。
冷加工是通过塑性变形改变金属材料性能的重要手段之一。
2 回复退火处理可能使冷变形后的金属组织结构发生什么变化？有何实际意义？回复对组织结构的影响与形变后的组织以及回复的温度和时间有关：（1）回复温度较低时，由于塑性变形所产生的过量空位就会消失；（2）回复温度稍高一些时，同一个滑移面上的异号位错，会在塞积位错群的长程应力场作用下，汇聚而合并消失，降低位错密度；（3）回复温度较高时，不但同一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。
回复退火在生产中主要作用：（1）去内应力退火，使冷加工的金属件，在基本上保持加工硬化的条件下降低其内应力，以避免变形和开裂，改善工件的耐蚀性。
（2）预先形变热处理工艺中，低温冷变形后进行的中间回火，也是一种回复性质的处理。
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。
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
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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
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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。
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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。
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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
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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
冷加工和热加工时金属组织的变化及对金属性能的影响
目录绪论 (3)1.1冷塑性变形对金属组织和性能的影响 (3)1.1.1金属组织的变化 (3)1.1.2金属性能的变化 (5)1.1.3冷塑性变形产生残余应力 (7)1.2冷变形金属在加热时组织和性能的变化 (7)2.1热加工变形对组织和性能的影响 (8)2.1.1热加工的变形特点 (8)2.1.2金属的组织性能的变化 (8)3.1影响塑性的因素 (10)3.1.1组织的影响 (10)3.1.2铸造组织的影响 (10)结束语 (1)冷加工和热加工时金属组织的变化及对金属性能的影响摘要：工业上使用的大部分金属制品，是在制成铸锭后在经压力加工形成半成品或成品的。
由于压力加工中，可借助塑性变形使金属获得一定的形状和尺寸，而且还可以使铸态金属的组织与性能得到改善。
因此，本文通过研究冷加工与热加工时金属组织与性能的变化，可改进金属加工工艺，提高质量，合理使用金属。
关键字：冷加工、热加工、组织、性能绪论：本文根据金属学及热处理，材料成型与控制技术，塑性变形与轧制原理等教材，综合阐述金属材料组织与性能在经过塑性变形时产生的变化和影响。
主要通过三个方面：冷加工、热加工、影响塑性的因素来分别介绍金属组织的变化与性能的影响，分析了金属材料组织结构与性能相对塑性变形的关系和变化规律，以及提高金属材料性能，充分发挥材料潜力的途径。
1.1 冷塑性变形对金属组织和性能的影响经过冷变形（如冷轧、拉拔和冷冲等）后的金属，由于组织结构的特征表现为加工硬化，随着变形程度的增加，加工硬化现象也将更加显著，其性能也将相应的发生变化。
1.1.1 金属组织的变化1.1.1.1 晶粒被拉长成纤维状在冷变形中，随着金属外形的改变，其内部晶粒的形状也大体上发生相应的变化，即均沿最大主变形方向被拉长、拉细或压扁，如图1-1所示。
图1-1 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在晶粒被拉长的同时，京间夹杂物和第二相也跟着被拉长或拉碎呈点链状排列，这种组织称为纤维组织。
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。
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。
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分解
残余应力
物化性能
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冷变形对组织的影响
组织变化： 纤维组织
晶粒形状变化 晶体取向变化
亚结构
变形织构
晶内及晶间的破坏
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冷变形纤维组织
金属发生塑性变形后, 晶粒发生变形, 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 的夹杂物和第二相也被拉长, 形成纤维组织。
Q345(16Mn)钢的自行车链条经 五次轧制，总变形量为65%时性 能对比
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65Mn弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可 达2000~3000MPa,，比一般钢材的强 度提高4~6倍。
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金属塑性变形物理基础
加工硬化的意义-强化手段
高锰钢（ZGMn13)属于奥氏体钢，热处理不能强化，它的 主要强化手段就是加工硬化。 当高锰钢受到激烈摩擦或剧烈冲击时，其表面部分就会产生 微量塑性变形，随之产生强烈的加工硬化，使其硬度和强度 快速提高，从而能够作为耐磨钢使用。
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冷塑性变形机理（纯金属）
1、晶内变形 滑移
孪生
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冷塑性变形机理（纯金属）
Hale Waihona Puke 2、晶间变形晶粒间的相对滑动和转动
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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
冷变形、热变形中的组织性能演变
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。 用途：很多热处理不能强化 的金属材料的主要强化方法。
热变形的缺点
（1）对过薄或过细的工件，由于散热较快，生产中保持热加 工温度困难。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。 （2）工件的表面不如冷加工生产的光洁，尺寸也不如冷加工 生产的精确。 （3）由于在热加工结束时，产品内的温度难于均匀一致，温 度偏高处晶粒尺寸要大一些，大断面情况下更为突出。热加 工后产品的组织、性能常常不如冷加工的均匀。 （4）热加工金属材料的强度比冷加工的低。 （5）某些金属材料不宜热加工。例如铜中含Bi时，它们的低 熔点杂质分布在晶界上，热加工会引起晶间断裂。
2.冷变形的性能变化
（3）物理性能变化 由于在晶间和晶内产生微观裂纹和空隙以及点阵缺陷， 因而密度降低，导热、导电、导磁性能降低。 （4）化学性能变化 化学稳定性降低，耐腐蚀性能降低，溶解性增加。
二.金属热变形后组织和性能的变化
热变形或热塑性加工：从金属学的角度讲，指的是在 金属再结晶温度以上进行的塑性变形。
1.热变形的组织变化 2.热变形的性能变化
1.热变形的组织变化
（1）改造铸态组织 铸态金属组织中的缩孔、疏松、空 隙、气泡等缺陷等得到压缩式焊合， 铸态组织的物理、化学和结晶学方 面的不均匀性会得到改造。
（2）细化晶粒和破碎夹杂物
铸态金属中的柱状晶和粗大的等 轴晶经锻造或轧制等热变形和对再 结晶的有效控制，可变为较细小均 匀的等轴晶粒。 破碎夹杂物和第二相并能改变它 们的分布，这对改善性能十分有益。
冷加工和热加工时金属组织的变化及对金属性能的影响
目录绪论 (3)1.1冷塑性变形对金属组织和性能的影响 (3)1.1.1金属组织的变化 (3)1.1.2金属性能的变化 (5)1.1.3冷塑性变形产生残余应力 (7)1.2冷变形金属在加热时组织和性能的变化 (7)2.1热加工变形对组织和性能的影响 (8)2.1.1热加工的变形特点 (8)2.1.2金属的组织性能的变化 (8)3.1影响塑性的因素 (10)3.1.1组织的影响 (10)3.1.2铸造组织的影响 (10)结束语 (1)冷加工和热加工时金属组织的变化及对金属性能的影响摘要：工业上使用的大部分金属制品，是在制成铸锭后在经压力加工形成半成品或成品的。
由于压力加工中，可借助塑性变形使金属获得一定的形状和尺寸，而且还可以使铸态金属的组织与性能得到改善。
因此，本文通过研究冷加工与热加工时金属组织与性能的变化，可改进金属加工工艺，提高质量，合理使用金属。
关键字：冷加工、热加工、组织、性能绪论：本文根据金属学及热处理，材料成型与控制技术，塑性变形与轧制原理等教材，综合阐述金属材料组织与性能在经过塑性变形时产生的变化和影响。
主要通过三个方面：冷加工、热加工、影响塑性的因素来分别介绍金属组织的变化与性能的影响，分析了金属材料组织结构与性能相对塑性变形的关系和变化规律，以及提高金属材料性能，充分发挥材料潜力的途径。
1.1 冷塑性变形对金属组织和性能的影响经过冷变形（如冷轧、拉拔和冷冲等）后的金属，由于组织结构的特征表现为加工硬化，随着变形程度的增加，加工硬化现象也将更加显著，其性能也将相应的发生变化。
1.1.1 金属组织的变化1.1.1.1 晶粒被拉长成纤维状在冷变形中，随着金属外形的改变，其内部晶粒的形状也大体上发生相应的变化，即均沿最大主变形方向被拉长、拉细或压扁，如图1-1所示。
图1-1 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在晶粒被拉长的同时，京间夹杂物和第二相也跟着被拉长或拉碎呈点链状排列，这种组织称为纤维组织。
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。
7 金属组织性能变化规律
εD -------开始发生动态再结晶的临界变形 εr--------动态再结晶产生核心到全部完成再 结晶所需变形量 当εD < εr 发生稳态变形---同时发生几轮动 态再结晶，每一轮处于再结晶的不同阶 段； 当εD > εr非稳态变形—第一轮再结晶结束， 第二轮未开始，软化不起作用。 εD εr受变形条件的影响 变形温度提高和应变速度降低使εD εr降低， 但εr降低的幅度大，结果使εD > εr
不足： 不足：
1、需要加热，不如冷加工简单易行 需要加热， 2、组织与性能不如冷加工均匀和易于控制 3、不如冷加工制品尺寸精确、表面光洁 不如冷加工制品尺寸精确、 4、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 薄或细的加工制品，由于温降快，尺寸精度差，
7.3.1热加工的特点
区别：冷加工有明显的加工硬化效应，
7.3.3 热加工后的软化过程
静态回复：热变形后的金属，若变形程度不
超过临界变形程度时，将会发生静态回复． 影响因素： • 变形温度---随温度的增加，回复速率减慢； • 变形程度—随变形前的变形量增加而增加； • 变形速度---应变速度越高，回复速度越快； • 合金元素---合金元素降低层错能，位错难以 进行攀移、交滑移，阻止回复进行； • 析出物------可以稳定亚晶界，使回复滞后。
亚晶的两种形成方式： 蜂窝状组织：由于多系滑移产生了位错的 交割和缠结，蜂窝状组织。 一方面蜂窝内位错被吸引到蜂窝壁上； 另一方面蜂窝壁上的位错重新调整和排布， 在晶粒内部形成许多亚晶。亚晶内部位错 密度相当低，且亚晶间取向差也很小。 多边化：弯曲的滑移面上，有许多同号刃 位错，使晶体处于较高的应变能状态--多边化过程的驱动力。位错重新分布抵 消，使金属的应变能降低，便把一个晶 粒分成了位向差很小的亚晶粒。
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。
金属在冷和热塑性加工过程中组织和性能变化规律之回复和再结晶
12/27
2.再结晶动力学
（1）再结晶速度与温度的关系：
v Aexp(Q / RT)
（2）特点：再结晶过程有一孕育期，开始速度慢， 然后逐渐增大，在体积分数为50%最大，然后减慢。
再结晶的体积分数/%
时间/min 经98%冷轧的纯铜（质量分数为ωCu=99.999%）在不同温度下的等温再结晶曲线
3.再结晶温度及其影响因素
（1）定义：冷变形金属开始进行再结晶的最 低温度。
经验公式
高纯金属：T再=0.25~0.35Tm 工业纯金属：T再=0.35~0.45Tm 合金：T再=0.4~0.9Tm
注：再结晶退火温度一般比上述温度高 100~200℃
15/27
（2）再结晶温度的影响因素
a. 变形量
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（3）动力学方程表达式
1 2.3R lg A 2.3R lg t
TQ
Q
作1/T~lgt图，直线的斜率为2.3R/Q
（1/T）/×10-3K-1
t(φR为50%所需的时间)/min
经98%冷轧的纯铜（质量分数为ωCu=99.999%）在不同温 度下等温再结晶时的1/T~lgt图
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长大方式
正常长大 异常长大（二次再结晶）
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1.正常长大
（1）定义：再结晶后晶粒的均匀连续长大。
（2）驱动力：界面能差。界面能越大，曲 率半径越小，驱动力越大。
(长大方向是指向曲率中心,而再结晶晶核的 长大方向相反.)
注：由于晶粒长大是通过大角度晶界的迁移
来进行的，因而所有影响晶界迁移的因素均
（2）再结晶：是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步 取代变形晶粒的过程；
（3）晶粒长大：是指再结晶结束之后晶粒的继续 长大。
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。
冷热变形对金属组织和性能的影响
冷热变形对金属组织和性能的影响冷热变形是金属加工过程中常用的一种方法，通过对金属样品进行冷热拉伸、压缩、扭曲等变形操作，可以改变金属的组织和性能，从而满足不同的工程需求。
本文将详细探讨冷热变形对金属组织和性能的影响。
首先，冷热变形可以改变金属的晶粒结构和布局。
金属的晶粒是由原子排列有序组成的，晶粒的大小和形状直接影响到金属的力学性能。
在冷热变形过程中，金属样品会经历塑性变形，使原有晶粒在局部区域发生滑移和重结晶的过程，从而产生新的晶粒。
冷热变形的变形温度和变形速度会对晶粒重结晶的细化和形状有所影响，高温下的快速变形能够促进晶粒生长，形成较大的晶粒，而低温下的慢速变形则容易形成较小的晶粒。
其次，冷热变形可以改变金属的晶界特征。
晶界是相邻晶粒之间的界面区域，晶界的性质与金属的力学、电学、热学等性能密切相关。
在冷热变形过程中，晶粒的形态和尺寸变化会导致晶界的面积和长度发生变化，进而影响晶界的性质。
此外，冷热变形还可以通过调控晶粒的取向和旋转，来改变晶界的导电性和热导性能，提高金属的导电和导热性能。
再次，冷热变形对金属的力学性能具有显著的影响。
金属的力学性能包括强度、延伸性和韧性等指标。
冷热变形可以通过改变晶粒的形态和尺寸，来调节金属的强度和延伸性能。
一般来说，较小尺寸的晶粒具有较高的强度和硬度，而较大尺寸的晶粒则具有较好的延伸性能。
因此，冷热变形可以根据具体的工程需求来调节金属的力学性能，使之达到最佳的工作状态。
此外，冷热变形还对金属的残余应力和晶体缺陷有所影响。
金属在冷热变形过程中，由于晶格变形和晶界运动等原因，会引起残余应力的积累。
这些残余应力会对金属的力学性能和耐腐蚀性能产生不利影响。
同时，冷热变形还会引起金属中的晶体缺陷，如位错和孔洞等，这些缺陷也会对金属的机械性能产生影响。
因此，冷热变形需要在合适的工艺参数下进行，以控制残余应力和晶体缺陷的生成和分布。
综上所述，冷热变形对金属组织和性能具有显著的影响。
(金属塑性成形原理课件)第3讲冷热加工组织变化
2021/1/14
4
纤维组织的形成过程
Lesson Three
2021/1/14
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Lesson Three
等轴状
晶粒伸长
纤维状
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
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Lesson Three
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。
Lesson Three
17
Lesson Three
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。
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。
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Lesson Thre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。
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：
冷变形加工金属在加热时组织和性能变化
3 3 2 再结晶
Recrystallization
黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片
冷变形量为38％的组织 580ºC保温3秒后的组织 580ºC保温4秒后的组织
580ºC保温8秒后的组织 580ºC保温15分后的组织 700ºC保温10分后的组织
3 3 2 再结晶
Recrystallization
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℃
➢空位的逸出 ——空位比较容易移动;如可以移至晶界或位错处而消
失;也可聚合起来形成空位对 空位群;还可与间隙原子相互作用而消失; 结果使点缺陷密度明显下降;
➢多边形化 ——由于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;称为多边形化过程;
多边形化过程 是位错从高能态的混乱排列 向低能态的规则排列移动的
3 3 冷变形加工的金属在加热时组织与性能的变化
The Microstructure and Property Changes of Cold Deformed Metals during Heating 塑性变形时;有一小部分能量储存在金属内部;成为储存能;
储存能使塑性变形的金属的自由能升高;热力学上处于亚稳状 态;有自发恢复到变形前低自由能的稳定状态的趋势;
➢ 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TZ比再结晶温度高100~200℃;即
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金属塑性变形物理基础
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再结晶过程
大角度晶界扫过变形组织，以新生无畸变 晶粒取代变形晶粒的过程。 静态再结晶 动态再结晶 亚动态再结晶
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再结晶过程
静态再结晶
指冷变形后的金属在足够高的温度下，通 过新晶核的形成及长大，以无畸变的新晶粒 逐步取代变形晶粒的过程．
与冷变形相似
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金属塑性变形物理基础
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回复过程
回复
热态变形及随后过程中金属内所发生的大角度 晶界移动之前的一切位错运动过程。 静态回复与动态回复的区别 动态回复发生在变形之时 静态回复发生在变形之后
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金属塑性变形物理基础
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回复过程中的位错运动 • 点缺陷运动和结合 • 位错重新组合与抵消
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金属塑性变形物理基础
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加工硬化的意义-金属的冷成型加工的保证
金属的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性变形 均匀地分布于整个工件上，而不致于集中在某些局部而导致 最终断裂；
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金属塑性变形物理基础
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加工硬化的意义-提高了构件的安全性
构件在使用过程中，往往不可避免地会某些部位出现应力集 中和过载现象，在这种情况下，由于金属能加工硬化，使局 部过载部位在产生少量塑性变形之后，提高了屈服强度并与
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金属塑性变形物理基础
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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
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金属塑性变形物理基础
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热变形主要机理
晶 内 滑 移
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晶 内 孪 生
晶 界 滑 移
扩 散 蠕 变
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金属塑性变形物理基础
热变形主要机理发生条件
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热塑性变形机理——扩散蠕变
σ σ σ
a)
b)
c)
a) 空位和原子的移动方向 b) 晶内扩散 c) 晶界扩散 温度高（能量大），晶粒细（路程短），应变速率低（时间多） 扩散蠕变作用大
特点：变形后发生、迅速、无孕育期 与动态再结晶的区别：变形后发生 与静态再结晶的区别：无孕育期
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金属塑性变形物理基础
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再结晶条件
层错能+晶界迁移难易程度
层错能低 集束成特征位错困难 不 易于攀移和交滑移 回复作用不显著， 并形成高位错密度差 晶界迁移能力强 密度区域迁移容易
回复机制低/中/高温 再结晶过程形核/长大 再结晶温度影响因素
再结晶晶粒度
电阻率降→空位/位错应变能 内应力降→晶体内弹性变形 硬度及强度保持→位错密度 界面能，表面能 作为驱动力 消除畸变能，控制晶粒大 小，形态，均匀度
金属塑性变形物理基础 23/49
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冷变形金属在加热时的组织与性能变化
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大角度晶界向高位错 再结晶
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金属塑性变形物理基础
回复和再结晶对组织性能的影响：
回复 再结晶 晶粒长大 密度
电阻率
空位密度 性质
伸长率
硬度和强度
结晶晶粒大小
位错密度
加热温度
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金属塑性变形物理基础
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热塑性变形中的软化过程
a)
轧制 变 形 率 50
冷 加 工
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冷塑性变形机理（纯金属）
1、晶内变形 滑移
孪生
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金属塑性变形物理基础
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冷塑性变形机理（纯金属）
2、晶间变形
晶粒间的相对滑动和转动
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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
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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
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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。
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金属塑性变形物理基础
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加工硬化的意义-强化手段
加工硬化是金属材料五大强化手段之一；在生产中可通过冷轧、冷 拔提高钢板或钢丝的强度。特别是对于纯金属和不能热处理强化的 材料，冷变形加工是强化它们的主要手段；
1200 1000 800 600 400 200 0 ² È ¨ © Ó ¶ £ HBS£ ¹ ¿ È ¨ ¿ À Ç ¶ £ Mpa) ä Î ° ±Ð Ç ä Î ó ±Ð º
金属冷变形使材料内部空位、位错等结构缺陷密度增加，畸 变能升高，使其处于热力学不稳定的高自由能状态。因此材 料具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势。当冷变形金 属加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。
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金属塑性变形物理基础
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冷变形金属加热时性能影响
在回复阶段，各材料释放的存储能量均较小，再结晶晶粒出现的温度对应于储能释放曲线的高峰处。
残余应力
物化性能
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金属塑性变形物理基础
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冷变形对组织的影响
组织变化： 纤维组织
晶粒形状变化 晶体取向变化
亚结构
变形织构
晶内及晶间的破坏
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金属塑性变形物理基础
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冷变形纤维组织
金属发生塑性变形后, 晶粒发生变形, 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 的夹杂物和第二相也被拉长, 形成纤维组织。
“金属塑性变形的物理基础”课程
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
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金属塑性变形物理基础
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金属材料性能及其影响因素
金属材料性能
力学性能；物化性能
在一定的使用条件下 温度、加载速度、应力状态、环境介质等 影响因素 成分与组织结构
材料设计与材料加工工艺设计
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”。
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。
所承受的应力达到平衡，变形就不会继续发展，从而在一定
程度上提高了构件的安全性。
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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冷变形残余应力（储存能）
塑性变形中外力所作的功除大部分转化成热外，还有一小部 分以畸变能的形式存储在材料内部，这部分存储能的具体表 现方式为：宏观残余应力、微观残余应力、点阵畸变。
变形前的退火状态组织
变形后的冷轧变形组织
沿垂直变形方向截取试样则不能真实反映晶粒变形情况
2011-11-5 金属塑性变形物理基础 8/49
冷变形亚结构的变化
金属经大的塑性变形时， 由于位错的密度增大并发生交互 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， 从而 在晶粒内产生亚结构（亚晶粒）。
宏观表现0.1%
晶粒获亚晶 粒之间变形 不均匀性
空位、间隙 原子、位错 等 80%-90%
金属经塑性变形后的残余应力是不可避免的，这对工件的变形、开 裂和应力腐蚀产生影响和危害。
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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残余内应力的消除与应用
金属塑性变形后的残余应力，可以通过去应力退火来消除；
2011-11-5 金属塑性变形物理基础 28/49
热变形软化机制与相关概念 热塑性变形过程中加工硬化和软化过程并存
1. 外力和温度的共同作用下发生 动态回复 ----高层错能（Al/Mo/W/a-Fe）易交滑移/攀移 动态再结晶 ----底层错能（Cu/Ni/SS/γFe）扩展位错宽
2. 去除外力后 亚动态再结晶 静态回复 静态再结晶
Cu丝冷变形的力学性能变化
2011-11-5
常温变形对低碳钢力学性能的影响
金属塑性变形物理基础 14/49
加工硬化的本质原因：
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。 晶粒破碎细化, 使强度得以提高。（细晶效应）
Q345(16Mn)钢的自行车链条经 五次轧制，总变形量为65%时性 能对比
2011-11-5
65Mn弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可 达2000~3000MPa,，比一般钢材的强 度提高4~6倍。
金属塑性变形物理基础
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加工硬化的意义-强化手段
高锰钢（ZGMn13)属于奥氏体钢，热处理不能强化，它的 主要强化手段就是加工硬化。 当高锰钢受到激烈摩擦或剧烈冲击时，其表面部分就会产生 微量塑性变形，随之产生强烈的加工硬化，使其硬度和强度 快速提高，从而能够作为耐磨钢使用。