冷塑性变形对金属性能与组织的影响
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。
冷塑变形
1.塑性变形
金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变形， 去除外力后，永远残留的那部分变形叫塑性变形
2.弹性变形
金属或合金在外力作用下，都能或多或少地发生变形， 去除外力后，能恢复到原来状态的变形叫塑性变形
3.单晶体塑性变形的主要形式：
滑移 孪生
即在加热温度较低时，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和 形状没有明显的变化，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位错的迁移 等变化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性等机械性能变化不大， 而只是使内应力及电阻率等性能显著降低。
再结晶 晶粒长大
三、变形后金属中的残余应力 ----- 2 ．第二类内应力 属微观内应力 作用尺度与晶粒尺寸为同一数量级，往往在晶粒内或 晶粒之间保持平衡，是由于晶粒或亚晶粒之间变形 不均匀而引起的。
第二类内应力使金属更容易腐蚀，以黄铜最为 典型，加工以后由于内应力存在，于春季或潮湿环 境下发生应力腐蚀开裂。
6.3 冷变形金属在加热时的变化
6.2 冷塑性变形对金属组织与性能的影响
一.冷塑性变形对金属组织和性能的影响
(二）加工硬化在工程技术中的意义
可以利用加工硬化来强化金属，提高金属强度、硬度和耐磨性；
加工硬化是利用塑性成形技术来加工工件的主要因素
6.2 冷塑性变形对金属组织与性能的影响
一.意义
6.2 冷塑性变形对金属组织与性能的影响
二.冷塑性变形对金属组织 （一）形成纤维组织 （二）亚组织的细化
（三）晶粒位向改变（变形织构）
定义：
F F
当变形量很大， 原来位向不相同 的晶粒会取得接 近于一致的方向
三、变形织构
1．定义：多晶体中位向不同的晶粒取向变成大体一致， 这个过程称为“择优取向”。择优取向后的晶体结 构称为“织构”，由变形引起的织构称为变形织构。 2．丝织构 在拉丝时形成，使各个晶粒的某一晶向转 向与拉伸方向平行，以与线轴平行的晶向 <uvw> 表 示。
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；
工程材料 5 塑性变形
(c) 变形80%
2. 亚组织的细化 塑性变形使晶粒碎化，内部 形成更多位向略有差异的亚晶粒 （亚结构），在其边界上聚集着 大量位错。 3. 产生形变织构 由于塑性变形过程中 晶粒的转动，当变形量达 到一定程度（70％～90％） 以上时，会使绝大部分晶 粒的某一位向与外力方向 趋于一致，形成织构。
产生加工硬化
由于塑性变形的变形度增加， 使金属的强度、硬度提高，而塑 性下降的现象称为加工硬化。
二、冷塑性变形对金属组织的影响 1. 形成纤维组织 金属在外力作用下产生塑性变形时，随着外形变化，而且其 内部的晶粒形状也相应地被拉长或压偏。当变形量很大时，晶粒 将被拉长为纤维状。
(a) 未变形
(b) 变形40%
2. 再结晶退火
把冷变形金属加热到再结晶温度以上，使其产生再结晶的热处 理称为再结晶退火。 生产中金属的再结晶退火温度比其再结晶温度高100～200℃。
三、晶粒长大
再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，金 属晶粒将继续长大是通过晶界的迁移进行的，是大晶粒吞食小 晶粒的过程。这是一个自发的过程。 影响晶粒大小的因素除加热温度和保温时间外，还有晶粒 原始尺寸、杂质的分布、预先变形度等。加热温度和预先变形 度影响最大。
晶粒粗大会使金属的强度，特别是塑性和冲击韧性降低。
1. 加热温度和保温时间的影响 加热温度越高，保温时间越长， 金属晶粒越粗大。
黄铜再结晶后晶粒的长大
580º C保温8秒后的组织
580º C保温15分后的组织
700º C保温10分后的组织
2. 预变形度的影响
对一般金属，当变形度为2%～10%时，由于变形很不均匀， 会造成晶粒异常长大，应予避免。变形度过大（＞90%），因织 构，晶粒也会粗大。通常变形度为30%～60%。
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>。
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。
05 金属材料热处理 实验五 冷塑性变形对金属再结晶退火前后显微组织影响
实验冷塑性变形对金属再结晶退火前后显微组织影响一、实验目的1、认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化；2、研究形变程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。
二、实验说明1、金属冷塑性变形后的显微组织和性能变化金属冷塑性变形为金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。
金属在发生塑性变形时，外观和尺寸发生了永久性变化，其内部晶粒由原来的等轴晶逐渐沿加工方向伸长，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带，当变形程度很大时，晶界消失，晶粒被拉成纤维状。
相应的，金属材料的硬度、强度、矫顽力和电阻等性能增加，而塑性、韧性和抗腐蚀性降低。
这一现象称为加工硬化。
为了观察滑移带，通常将已抛光并侵蚀的试样经适量的塑性变形后再进行显微组织观察。
注意：在显微镜下滑移带与磨痕是不同的，一般磨痕穿过晶界，其方向不变，而滑移带出现在晶粒内部，并且一般不穿过晶界。
2、冷塑性变形后金属加热时的显微组织与性能变化金属经冷塑性变形后，在加热时随着加热温度的升高会发生回复、再结晶、和晶粒长大。
（1）回复当加热温度较低时原子活动能力尚低，金属显微组织无明显变化，仍保持纤维组织的特征。
但晶格畸变已减轻，残余应力显著下降。
但加工硬化还在，固其机械性能变化不大。
（2）再结晶金属加热到再结晶温度以上，组织发生显著变化。
首先在形变大的部位（晶界、滑移带、孪晶等）形成等轴晶粒的核，然后这些晶核依靠消除原来伸长的晶粒而长大，最后原来变形的晶粒完全被新的等轴晶粒所代替，这一过程为再结晶。
由于金属通过再结晶获得新的等轴晶粒，因而消除了冷加工显微组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形以前的状态。
金属的再结晶过程是在一定的温度范围能进行的，通常规定在一小时内再结晶完成95％所对应的温度为再结晶温度，实验证明，金属熔点越高，再结晶温度越高，其关系大致。
为：T＝0.4T熔（3）晶粒长大再结晶完成后，继续升温（或保温），则等轴晶粒以并容的方式聚集长大，温度越高，晶粒越大。
冷变形强化的机理及在生产中的实际应用
冷变形强化机理及在生产中的实际应用金属材料在常温或再结晶温度以下的加工产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒产生剪切、滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，减少表面层金属变形的塑性，称为冷变形强化。
金属与合金经冷变形强化后，其材料的组织，性能都会发生较大的改变，物理和化学性质也会发生一定的改变。
其机理与金属塑性变形时的阶段与内部的变化息息相关。
这种各种强化的方式有其利弊之处，许多年来，人们以此为基础不断探索，开发出了冷变形强化在实际生产中的各种应用方法。
金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象，称作冷变形强化，又称加工硬化或冷作硬化。
产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。
加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示。
在纳米材料中也会出现加工硬化现象，此时的硬化行为多认为和位错运动密切相关。
加工硬化给金属件的进一步加工带来困难。
如在冷轧钢板的过程中会愈轧愈硬以致轧不动，因而需在加工过程中安排中间退火，通过加热消除其加工硬化。
又如在切削加工中使工件表层脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削力等。
但有利的一面是，它可提高金属的强度、硬度和耐磨性，特别是对于那些不能以热处理方法提高强度的纯金属和某些合金尤为重要。
如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等，就是利用冷加工变形来提高其强度和弹性极限。
又如坦克和拖拉机的履带、破碎机的颚板铁路的道岔等也是利用加工硬化来提高其硬度和耐磨性的。
1冷塑性变形对材料组织和性能的影响1.1冷塑性变形对组织结构的影响1.1.1显微组织的变化金属与合金经塑性变形后，其外形、尺寸的改变是内部晶粒的总和。
原来没有变形的晶粒，经过加工变形后，晶粒形状逐渐发生变化，随着变形方式和变形量的不同，晶粒形状的变化也不一样，如在轧制时，各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。
《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=SO/S （S0 S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）；镦粗：Y锻=HO/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（ & p）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。
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。
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
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
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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
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。
9.金属在塑性变形中的组织结构与性能变化
9.金属在塑性变形中的组织结构与性能变化9．金属在塑性变形中的组织结构与性能变化1.冷变形导致金属材料的微观结构和机械性能发生了哪些变化？在实际生产中采用冷变形是必要的何意义？物理化学性能有何变化金属材料冷变形后，微观结构发生变化：晶粒拉长形成纤维结构，夹杂物和第二相颗粒呈带状或点链状分布。
它还可能产生变形织构，产生各种裂纹，增加位错密度，产生胞状结构，增加点缺陷和核层错等晶体缺陷的数量，并增加自由能。
力学性能的变化反映在：冷加工后，金属材料的强度指数（比例极限、弹性极限、屈服极限、强度极限和硬度）增加，塑性指数（面积收缩、伸长率等）降低，韧性也降低。
随着变形程度的增加，力学性能也可能发生方向性变化。
冷加工通常用于生产中，通过加工硬化来提高材料强度和增强金属材料。
物理和化学性质也发生了显著变化：密度降低，导热系数和磁导率降低，化学稳定性和耐腐蚀性降低，溶解性增加。
2．回复处理使冷变形后金属材料的组织结构和力学性能发生哪些变化？这种变化有何实际意义？在恢复过程中，金属将释放冷塑性变形过程中储存的部分能量，降低或消除残余内应力，降低电阻率、硬度和强度，提高密度、塑性和韧性，能保持良好的变形强化效果。
当回复温度较低时，塑性变形产生的多余空位将消失，力学性能变化不大，电阻率将大幅度降低。
当回复温度稍高时，同一滑移面上不同数量的位错会聚并消失，降低了位错密度。
当回复温度较高时，不仅同一滑移面上不同数量的位错可以会聚和偏移，而且不同滑移面上的位错也容易爬升和交叉滑移，从而相互偏移或重新排列成能量较低的结构。
温度越高，形成多边形结构或亚晶体。
恢复退火在生产中的实际意义主要是用于消除内应力退火，以在基本保持加工硬化的条件下降低冷加工金属零件的内应力，避免变形和开裂，提高耐腐蚀性。
3．结晶和晶粒长大的组织性能变化和意义。
再结晶从形成无畸变的晶核开始，逐渐长大成位错密度很低的等轴晶粒，当变形基体全部消耗完即进入晶粒长大阶段。
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。
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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。
教具准备
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。）
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
和要求
1、掌握冷塑性变形对金属性能的影响。
教学重点
和难点
1、重点：加工硬化的作用与意义。