塑性变形对金属组织和性能的影响
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。
塑性变形对组织和性能的影响
④ 引起磁性变化
⑤ 化学活性↑ 溶解性↑ 耐蚀性 ↓
The End
思考： 塑性变形会对组织 和性能产生什么影响
I live in a small world.
３．变形织构 原来紊乱的位向出现了有序化，具有严格的 位向性。这个过程叫做“择优取向”。 具有择优取向的晶体组织称为 “变形织构”。
思考： 塑性变形会对组织 和性能产生什么影响
I live in a small world.
思考： 塑性变形会对组织 和性能产生什么影响
I live in a small world.
２．亚结构 随ε↑，ρ↑，位错缠结→形成胞状组织 →亚结构，使一个晶粒分割成许多位向差 很小的亚晶粒。 1
亚晶界 = 位错墙
ε↑，胞的数量↑，晶块的尺寸↓， 位向差 ↑
2
思考： 塑性变形会对组织 和性能产生什么影响
思考： 塑性变形会对组织 和性能产生什么影响
I live in a small world.
பைடு நூலகம்
亚结构细化，位错密度增加，产生加工硬化
Q：什么是加工硬化
A：随着塑性变形程度的增加，金属的强度硬度增加，而塑性、韧性 下降，产生所谓“加工硬化”现象
Q：加工硬化产生的原因
A：随着塑性变形的进行，位错运动和互相交割，产生塞积群、割阶、 固定位错、缠结网等，阻碍了位错进一步运动，即提高了进一步变 形的抵抗力
金属或合金经塑性变形过程中， 为什么要进行中间退火处理？？
思考： 塑性变形会对组织 和性能产生什么影响
I live in a small world.
2、亚结构细化，位错密度增加，产生加工硬化
Q：加工硬化现象的优点？
A：它是工业上用于提高金属强度、硬度和耐磨性的重要 手段之一，特别是对那些不能以特处理方法强化的纯金 属和某些合金尤为重要！
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。
金属的塑性变形、纤维组织及其对金属性能的影响
金属的塑性变形、纤维组织及其对金属性能的影响一、金属的塑性变形金属受力时，其原子的相对位置发生改变，宏观上表现为形状、尺寸的变化，此种现象称为变形。
金属变形按其性质分为弹性变形和塑性变形。
当受力不大时，去除外力后原子立即恢复到原来的平衡位置，变形立即消失，这种变形称为弹性变形。
当应力超过一定值时（≥бs），金属在弹性变形的同时还会产生塑性变形。
1、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形，主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动，滑动后原子处于新的稳定位置，不再回到原来位置。
研究表明，滑移总是优先沿晶体中一定的晶面和晶向发生，晶体中能够发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。
滑移面和滑移方向越多，金属的塑性越好。
晶体的滑移是借助于位错的移动来实现的。
大量的位错移出晶体表面，就产生了宏观的塑性变形。
2、多晶体的塑性变形常用金属材料都是多晶体。
每个晶粒内的塑性变形主要仍以滑移方式进行。
但多晶体中各相邻晶粒的位向不同，各晶粒之间有一晶界相连接，因此，具有下列特点：（1）晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利位置。
产生滑移的晶粒必然会受到周围位向不同晶粒的阻碍，使滑移阻力增加，从而提高了塑性变形的抗力。
所以多晶体的塑性变形是逐步扩展和不均匀的，其结果之一便是产生内应力。
（2）晶界的作用晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。
试样在晶界附近不易发生变形，出现所谓“竹节”现象。
这是因为晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移的缘故。
很显然，晶界越多，多晶体的塑性变形抗力越大。
（3）晶粒大小的影响在一定体积的晶体内晶粒数目越多，晶粒越细，晶界越多，不同位向的晶粒也越多。
因而塑性变形抗力也就越大，表现出较好的塑性和韧性。
故生产中都尽一切努力细化晶粒。
二、金属的冷塑性变形对性能的影响冷塑性变形对金属性能的主要影响是造成加工硬化，即随着变形度的增加，金属强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。
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>。
（购只构形变织构示意图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。
因形变织构造成深冲制品的制耳示意图(3)物理、化学性能变化塑性变形可影响金属的物理、化学性能。
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；
《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。
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。
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。
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。
塑性变形再结晶对组织性能的影响
塑性变形再结晶对组织性能的影响试验一塑性变形再结晶对Q235钢组织性能的影响一引言1、塑性变形对金属组织与性能的影响金属经塑性变形后，不仅形状和尺寸上发生变化，其组织和性能也发生变化。
随着塑性变形量的增大，金属材料的由原始的等轴晶组织向纤维状组织转变，即晶粒将沿变形方向逐渐伸长，变形度越大，则伸长也越显著；当变形度很大时，其组织呈纤维状。
组织影响性能，由于变形产生了大量的位错和孪晶，对金属起到了强化作用，金属的强度和硬度有所提高，塑性下降，即产生了所谓的“加工硬化”现象。
另外，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。
2、塑性变形后再结晶对组织性能的影响塑性变形金属加热温度到再结晶温度时，原子活动能力增大，金属的显微组织发生明显的变化，由破碎拉长或压扁的晶粒变为均匀细小的等轴晶粒。
由于加热温度低于相变温度，故没有发生相变，只是一个新晶粒形核和长大的过程，即再结晶。
再结晶消除了冷加工纤维组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形前的状态，纤维组织消失，取而代之的是均匀细小的等轴晶粒。
再结晶温度与金属本性、杂质含量、冷变形程度、保温时间、材料的原始晶粒度等有关。
再结晶所产生的晶粒大小在很大程度上取决于冷变形程度的大小。
工业生产中则常以经过大变形量（约70%以上度的变形金属经1h 保温，能完成再结晶（﹥95%转变量）的最低温度，定为该金属的再结晶温度。
实验证明，金属的熔点愈高，在其他条件相同时，其再结晶温度也愈高。
金属的再结晶温度(T再) 与其熔点(T熔) 间的关系，大致可用下式表示：T 再=0.4 T熔其中，T 再、T 熔按绝对温度计算，以铜为例，纯铜的熔点是1083℃，系数取0.40时，计算如下：T 再=0.40T熔=0.40×(1083+273)K=542.4K=269.4℃金属的纯度越高，再结晶温度就越低，再结晶过程也就越快。
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。
第二章 塑性变形--第二节 塑性变形对组织和性能的影响
8
三、织构现象的产生
（ 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。变形量达到70-90%时 产生。 （2）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）
9
形变织构对性能的影响 力学性能：深冲板材变形易产生制耳。(各向异性) 物理性能:硅钢片{100}[100]织构可减少铁损。
6
加工硬化的利弊 （1）利 强化金属的重要途径（如铝、铜、不锈 钢）； 材料加工成型的保证（如冷拔钢丝）； 提高材料使用安全性。 （2）弊 变形阻力提高，动力消耗增大.
7
塑性变形对材料物理、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。
Ⅰ 残余应力易引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂体的加工硬化效应比单晶体强。晶粒越细，硬化效应越 强。
5
总结
1.固溶体的加工硬化：主要通过柯氏气团对位错 的钉扎作用。 2.单晶体的加工硬化：主要通过位错间的相互纠 缠作用。 3.多晶体的加工硬化：除了位错间的相互纠缠作 用外，还有晶界对位错运动的阻碍作用。多晶体 的加工硬化效应比单晶体的加工硬化效应强。
三个阶段组成： I阶段——易滑移阶 段； Ⅱ阶段——线性硬化 阶段； Ⅲ阶段——抛物线型 硬化阶段
3
位错的交割 晶体中位错线的方位各式 各样，不同滑移面上运动的位 错在运动中相遇就有可能发生 位错互相切割现象，称之为位 错的交割． 位错的交割的结果在原来 是直的位错线上形成一段一个 或几个原子间距大小的折线 （割阶），使原来的位错线变 长，能量增加，因此交割过程 对位错运动具有阻碍作用，使 变形过程中产生应变硬化。
第二章4 晶体结构与塑性变形之小结
冷加工: 冷加工: 在金属的再结晶温度以下的塑性 变形加工。如低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲等， 变形加工。如低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲等， 有加工硬化的现象产生。 有加工硬化的现象产生。 热加工: 热加工 在金属的再结晶温度以上的塑性变 形加工。如碳钢的热轧、锻造等， 形加工。如碳钢的热轧、锻造等，因有动态再 结晶发生, 无加工硬化现象产生。 结晶发生 无加工硬化现象产生
一﹑金属的晶体结构
1.三种常见的金属晶体结构: 三种常见的金属晶体结构:
体心立方晶格; 面心方晶格; 体心立方晶格; 面心方晶格; 密排六方立方晶格 单晶体：晶体内部的晶格位相完全一致。 单晶体：晶体内部的晶格位相完全一致。 多晶体：由许多小单晶体组合成的晶体。 多晶体：由许多小单晶体组合成的晶体。实际金属 晶体是多晶体结构。 晶体是多晶体结构。
三、回复和再结晶
(一).回复 加热温度较低，晶内原子移动,点线缺陷复合消失、减少。 加热温度较低，晶内原子移动,点线缺陷复合消失、减少。晶 粒和显微组织仍保持变形后的形态，不发生明显变化。 粒和显微组织仍保持变形后的形态，不发生明显变化。 强度和硬度只略有降低， 塑性有所增高， 残余应力大大降低。 强度和硬度只略有降低 ， 塑性有所增高 ， 残余应力大大降低 。 去应力退火就是利用回复过程、 消除冷变形金属残余内应力， 去应力退火就是利用回复过程 、 消除冷变形金属残余内应力 ， 保留加工硬化效果的工艺方法。 保留加工硬化效果的工艺方法。 (二).再结晶 加热温度较高，原子扩散能力增大，被压扁拉长、 加热温度较高，原子扩散能力增大，被压扁拉长、破碎的晶 粒重新生核、长大变成新的均匀、 粒重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶称再结晶 再结晶后，内应力全部消失，金属的强度和硬度明显降低， 再结晶后，内应力全部消失，金属的强度和硬度明显降低， 而塑性和韧性大大提高,加工硬化现象被消除。 而塑性和韧性大大提高,加工硬化现象被消除。 物理、化学性能基本上恢复到变形前的水平,晶格类型不变。 物理、化学性能基本上恢复到变形前的水平,晶格类型不变。 ).晶粒长大 (三).晶粒长大 继续加热保温会发生晶粒长大。 继续加热保温会发生晶粒长大。粗大的晶粒组织使金属的强 硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。 度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
因形变织构造成深冲制品的制耳示意图
（3）物理、化学性能变化塑性变形可影响金属的物理、化学性能。
如使电阻增大, 耐腐蚀性降低。
（4）产生残余内应力由于金属在发生塑性变形时, 金属内部变形不均匀, 位错、空位等晶体缺陷增多，金属内部会产生残余内应力。
即外力去除后，金属内部会残留下来应力。
残余内应力会使金属的耐腐蚀性能降低，严重时可导致零件变形或开裂。
齿轮等零件，如表面通过喷丸处理，可产生较大的残余压应力，则可提高疲劳强度。
2.3.2 金属的再结晶
金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化。
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。
变形金属加热时组织和性能变化示意图
一、回复
变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程。
产生回复的温度T回复为：
T
=(0.25～0.3)T熔点
回复
式中T熔点表示该金属的熔点, 单位为绝对温度(K)。
由于加热温度不高, 原子扩散能力不很大, 只是晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少，而晶粒仍保持变形后的形态，变形金属的显微组织不发生明显的变化。
此时材料的强度和硬度只略有降低，塑性有增高，但残余应力则大大降低。
工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火、以降低残余内应力，保留加工硬化效果。
二、再结晶
1. 再结晶过程及其对金属组织、性能的影响
变形后的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）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。
这个过程称为再结晶。
变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除，此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。
再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。
2. 再结晶温度
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(T再), 通常用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属,经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
=(0.35～0.4)T熔点
再
式中的温度单位为绝对温度(K)。
最低再结晶温度与下列因素有关：（1）预先变形度金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度。
预先变形度越大, 金属的晶体缺陷就越多, 组织越不稳定, 最低再结晶温度也就越低。
当预先变形度达到一定大小后, 金属的最低再结晶温度趋于某一稳定值。
（2）金属的熔点熔点越高, 最低再结晶温度也就越高。
（3）杂质和合金元素由于杂质和合金元素特别是高熔点元素, 阻碍原子扩散和晶界迁移, 可显著提高最低再结晶温度。
如高纯度铝(99.999%)的最低再结晶温度为80 ℃, 而工业纯铝(99.0%)的最低再结晶温度提高到了
290 ℃。
（4）加热速度和保温时间再结晶是一个扩散过程, 需要一定时间才能完成。
提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生, 而保温时间越长, 再结晶温度越低。
3. 再结晶后晶粒的晶粒度
晶粒大小影响金属的强度、塑性和韧性, 因此生产上非常重视控制再结晶后的晶粒度, 特别是对那些无相变的钢和合金。
影响再结晶退火后晶粒度的主要因素是加热温度和预先变形度。
（1）加热温度加热温度越高, 原子扩散能力越强, 则晶界越易迁移, 晶粒长大也越快。
加热温度对再结晶后晶粒大小的影响
（2）预先变形度变形度的影响主要与金属变形的均匀度有关。
变形越不均匀, 再结晶退火后的晶粒越大。
变形度很小时，因不足以引起再结晶，晶粒不变。
当变形度达到2～10%时，金属中少数晶粒变形，变形分布很不均匀，所以再结晶时生成的晶核少，晶粒大小相差极大，非常有利于晶粒发生吞并过程而很快长大，结果得到极粗大的晶粒。
使晶粒发生异常长大的变形度称作临界变形度。
生产上应尽量避免在临界变形度范围内的塑性变形加工。
超过临界变形度之后，随变形度的增大，晶粒的变形更加强烈和均匀，再结晶核心越来越多，因此再结晶后的晶粒越来越细小。
但是当变形度过大（约≥90%)时, 晶粒可能再次出现异常长大,一般认为它是由形变织构造成的。
预先变形度对再结晶后晶粒大小的影响
三、晶粒长大
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(例如尺寸较大, 取向有利等)优先长大, 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, 它大大降低金属的机械性能。