冷加工时组织性能变化与特征
(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
GH159执行标准 GH159冷变形下的组织和性能
48%冷变形下GH159合金的组织和性能GH159合金是依照美国MP159合金仿制的。
而MP159合金又是70年代中期在MP35N合金的基础上研发出来的一种新型多相Ni-Co-Cr基高温合金。
该合金的明显特点是在十分高的强度水平下具有优异的耐蚀性和抗应力腐蚀才能。
它既有相当于高强度钢的强度，同时又保持着低强度不锈钢的优良耐蚀性。
可以说MP159合金是一种超高强度、高塑性和耐蚀性杰出配合的多相合金。
它是当今最高牌号的航空航天紧固件用合金。
90年代初我国开始试制该合金，并命名为GH159合金。
长钢三厂先后试制了两批，并完全交付使用。
本文介绍了长钢三厂对该合金的研发状况，以便往后对该合金进行更深人的研究。
实验用料和实验办法1实验用料实验选用的GH159合金实验料由真空感应炉+真空自耗电极重熔双联工艺生产。
其化学成分(质量分数)2实验办法实验用料为通过(48±1)%冷拔变形的中10.2mm棒材。
用金相显微镜对棒材进行了纵、横低倍照相和高倍安排照相；对经不同固溶热处理的试样进行了TEM透射电子显微镜调查；对通过时效处理的试样进行了不同温度下的拉伸功能测试。
实验成果及讨论通过(48±1)%冷拔变形后，GH159合金的低倍安排细密，无任何缺陷，如图1所示。
高倍金相安排显示出很多的滑移、李品状安排。
这说明经(48±1)%冷拔变形后GH159合金中构成了很多位钳4.。
从冷拔态的GH159合金通过所示的热处理制度处理后的电镜照片可以看出，该合金的晶界处有Mz：C，分出，基体上弥散分出球形的'相和平行四边形的密排六方：相，。
这说明强烈的冷加工变形后，GH159合金中构成的密排六方c相在固溶热处理时部分转化为y相。
通过(48±1)%冷拔变形+665℃×4h空冷时效处理后，GH159合金在不同温度下的拉伸功能，拉伸曲线。
可以看出，GH159合金在700℃下具有高的强度和杰出的耐性。
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。
加工工艺对材料性能的影响
冷加工或冷变形: 在材料再结晶温度以下进行的（塑性）加工
特点
冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象。由 于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次的冷 变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生断裂破 坏。
7
▲钢板冲压成各种封头后，由于塑性变形，厚度会发生变化。 例如，钢板冲压成半球形封头后，底部变薄，边缘增厚。 在压力容器设计时，应注意这种厚度的变化。
◇因结晶是从熔池边缘的半熔化区开始的，低熔点的硫磷杂质和氧化 铁等易偏析集中在焊缝中心区，影响焊缝的力学性能。
4
2、熔合区 焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。
组织： 熔合区的加热温度在合金的固相和液相线之间，其 化学成分和组织性能有很大的不均匀性
性能： 塑性差、强度低、脆性大、易产生焊接裂纹，是焊 接接头中最薄弱的环节之一
填充金属
熔池 冷却结晶后
形成牢固的原子间结合，使待连接件成为一体
2
一、焊接接头的组织和性能 二、焊接应力与变形 三、减少焊接应力和变形的措施 四、焊接接头常见缺陷 五、焊接接头检查
3
一、焊接接头的组织和性能
焊缝
焊接接头组成
熔合区
热影响区
1、焊缝
◇由熔池的液态金属凝固结晶而成，通常由填充金属和部分母材金属组成。
5
一、应变硬化
见应力-应变曲线图
从该曲线可以看到，从d 卸载后， d′g表示消失了的弹性变形而od′表示 不再消失的塑性变形。
材料屈服后应力应 变曲线呈上升趋势
卸载后，在短时间内再次加载，则 应力应变关系按照dd′变化，到了d 以后，按照def变化。到d以前材料都 是弹性的，以后才出现塑性变形。 相当于形成了新的材料曲线。比较 ，可见在第2次加载时，其比例极限 提高了，但塑性变形和延伸率却有 所减低，表明，在常温下把材料拉 伸到塑性变形，然后卸载，当再次 加载时，将使材料的比例极限提高 ，而塑性减低。这种现象称为冷做 硬化。（加工硬化、应变硬化）— —材料力学
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。
《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
金属在塑性变形中的组织结构与性能变化
6 材料在塑性变形中的组织结构与性能变化本章仅将简要地介绍冷形变及其后的加热过程、以及热形变过程对金属和合金的组织结构与性能的影响的主要理论。
6.1 冷形变后金属组织结构和性能的变化金属和合金在低于再结晶温度进行压力加工时，通常就称为冷形变或冷加工。
钢在常温下进行的冷轧、冷拔、冷挤、冷冲等压力加工过程皆为冷形变过程。
在冷形变过程中组织和性能都会发生变化。
6.1.1 金属组织结构的变化金属塑性变形的物理实质基本上就是位错的运动，位错运动的结果就产生了塑性变形。
在位错的运动过程中，位错之间、位错与溶质原子、间隙位置原子以及空位之间、位错与第二相质点之间都会发生相互作用，引起位错的数量、分布和组态的变化。
从微观角度来看，这就是金属组织结构在塑性变形过程中或变形后的主要变化。
塑性变形对位错的数量、分布和组态的影响是和金属材料本身的性质以及变形温度、变形速度等外在条件有关的。
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，运动位错在各种障碍前受阻，要继续运动需要增加应力，从而引起加工硬化。
变形到一定程度后产生交滑移，因而引起动态回复，这些塑性变形过程中的变化已是我们所熟知的，不再细述。
多晶体塑性变形时，随着变形量增加和单晶体变形一样，位错的密度要增加。
用测量电阻变化、储能变化的方法，或者用测量腐蚀坑的方法以及电镜直接观测的方法都可以出金属材料的位错密度。
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 -1。
通过实验得到的位错密度（ρ）同流变应力（σ）之间的关系是：21ρασGb = （6-1） 式中：a —等干0．2～0．3范围的常数；G —剪切弹性模量；b —柏氏矢量。
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。
所谓胞状结构，是变形的各种晶粒中，被密集的位错缠给结区分许多个单个的小区域。
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。
实验三 金属塑性变形与再结晶
实验三金属塑性变形与再结晶一、实验目的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；研究形变程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。
加深对加工硬化现象和回复再结晶的认识。
二、基本原理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。
冷加工与热加工区别
冷加工与热加工区别冷加工和热加工是两种不同的制造工艺，它们的主要区别在于加工过程中材料的状态和温度。
首先，让我们了解一下冷加工。
冷加工是指在室温下进行的加工过程，不涉及加热或热处理。
它包括许多不同的工艺，如车削、铣削、钻孔、冲压和切割等。
这种加工方式通常用于金属材料和非金属材料的加工。
在冷加工过程中，材料被加工成所需形状，而不会发生化学成分的改变。
因此，冷加工的优点在于不会改变材料的化学性质和微观结构。
然而，由于冷加工过程中工具和机器产生的热量，可能会影响加工精度和表面质量。
此外，冷加工的劳动强度较高，需要大量的劳动力和工具。
接下来，让我们讨论热加工。
热加工是涉及加热或热处理的加工过程，如熔炼、铸造、锻造、热轧和热处理等。
热加工过程中，材料被加热到高温状态，通常高于其熔点或再结晶温度。
这种加工方式通常用于金属材料的加工，因为金属在高温下具有良好的塑性和流动性。
在热加工过程中，材料会发生相变和化学反应，从而导致其成分、组织和性能发生变化。
因此，热加工的优点在于可以改变材料的微观结构和性能，从而提高其机械性能和耐久性。
此外，热加工可以大幅度提高材料的塑性和韧性，有利于材料的变形和加工。
总结冷加工和热加工的主要区别如下：1.温度：冷加工在室温下进行，不涉及加热或热处理，而热加工涉及将材料加热到高温状态。
2.工艺：冷加工包括车削、铣削、钻孔、冲压和切割等工艺，而热加工包括熔炼、铸造、锻造、热轧和热处理等工艺。
3.材料：冷加工适用于金属材料和非金属材料的加工，而热加工主要适用于金属材料的加工。
4.性质：冷加工不会改变材料的化学性质和微观结构，而热加工可以改变材料的微观结构和性能，从而提高其机械性能和耐久性。
5.效率：相对于冷加工而言，热加工可以大幅度提高材料的塑性和韧性，有利于材料的变形和加工。
6.劳动强度：相比之下热加工更加轻松，可以减少工业步骤与劳动强度；而冷加工因为需要在没有加热的条件下进行所以相对要难一些劳动强度也较大一些。
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。
(金属塑性成形原理课件)第3讲冷热加工组织变化
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。
2020/10/4
20
Lesson Three
单晶体的切应力一应变曲线 显示塑性变形的三个阶段
2020/10/4
21
Lesson Three
2020/10/4
7
TEM and EBSDmicrographs of the 87% deformed sample.
(a), (b)TEMmicrographs with
different magnification; (c)EBSD-micrographs
ห้องสมุดไป่ตู้
Lesson Three
Huang Y C, Liu Y, Li Q, et al. Relevance between microstructure and texture during cold rolling of AA83104 aluminum alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 673: 383-389.
2020/10/4
14
轧辊
Lesson Three
轧面
(a)
(b)
(c)
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
2020/10/4
15
Lesson Three
板织构示意图
(a) 轧制前 (b)轧制后
2020/10/4
16
2020/10/4
冷轧和热轧时金属组织和性能的变化研究
三、冷轧和热轧对金属的影响
３ ． １ 处理 工 艺 的影 响
ｌ ＿ ２ 观察形态 ： 组织组成物的形态是我们判别组成物的极其重要的依 据之一。一些特定组织具有极显著的特征 ，如典型的珠光体具有层片状 （ 或称指纹状 ） 特征 ， 一看就知道是珠光体 ；羽毛状物是上贝 氏体。白
色的块状物不是铁素体就是奥氏体或碳化物 ， 黑色针状物不是马氏体就 是下贝氏体 ，沿晶分布的白色块状或针状肯定是铁素体或碳化物 （ 渗碳 体） 两者之一等等 。 要观察组织物是片状 、 针状 、块状 、 颗粒状 、 条状、 网状或者是其它什么形状。有时 ， 还要精细观察是单一相还是复合相 。 在观察 中要注意试样的浸蚀程度 ，只有合理 的浸蚀 ， 各种组织才会 正确 的显现出来 ，同时 ，制样也很关键 ，错误的制样可能导致对组成物 的错误判断。由于制样和浸蚀 问题 ， 导致 的判断错误在新手 中屡见不鲜。 在观察 中还要注意 ，对于观察到的白色或黑色物，不要轻易就认为是一 种组成物。对 于白色的可能是奥氏体或铁素体 ， 更有可能是碳化物 ；对 于黑色物，可能由于其极其细密 ， 在常规倍数下观察根本无法分开。
径为 ６ １ ０ ｍ ｒ ｎ 。
成或化合物 ， 如珠 光体是铁索体与渗碳体的机械混合物 ， 各种碳化物等 。
１ ． １不 同的组成物有不 同的形态特征 ，利用这些特征可以快速 的识
总之热轧是最初成型的板类 ，酸洗 ， 冷轧以及镀锌彩涂之类 的都是 由此一项一项加工 出来的。热轧 ，是以板坯为原料，经加热后由粗轧机 组及精轧机组制成带钢 。
种或多种。金相观察时 ， 首先要判断被观察组织中有几种组织组成物 ， 是单一组成物 ，还是两种或多种组成物。在组织组成物 中，某一组成物 可以是单一相 ，如铁素体或奥氏体等单相；也可以是两相或多相混合组
钢筋冷加工
冷拔
冷拔低碳钢丝
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1、钢筋冷拔工艺
轧头
剥壳
通过润滑剂进入拔丝模冷拔
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2、影响钢筋冷拔质量的因素
（1）原材料质量：
普通低碳热轧光圆钢筋强度变化较大。
甲级冷拔低碳钢丝采用符合HPB235级热轧钢筋标准的 圆盘条拔制。
提高钢筋的设计强度，节约钢材，满足预
应力筋的需要，检验焊接接头质量。
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（一）钢筋的冷拉
1、冷拉原理：
在常温下，以超过钢筋屈服点的拉应力拉伸钢筋， 使钢筋产生塑性变形，以提高强度，节约钢材，适用于 HPB235、HRB335、HRB400、HRB500级钢筋。
钢筋拉伸实验
2、冷拉特性：
安全：端头不站人，不跨越，设防护设备；
冬施：温度≮-20℃，且σ提高30N/mm2。
7、冷拉筋的质量：
表面无裂纹颈缩；
拉力试验达标；
冷20弯21/4/9试验无裂纹、起层。
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（二）钢筋的冷拔
冷拔是将φ6～8的HPB235级光圆钢筋在常温下强力 拉过拔丝模孔，使其轴向伸、颈向缩，产生较大塑性变形， 晶格大位错，提高强度50～90%。
HRB400，RRB400级钢筋 更宜用人工时效。
时效后特性
强度更高、塑性更低、
弹模202恢1/4/复9 。
3
4、钢筋冷拉参数及控制方法
（1）钢筋冷拉参数 ①冷拉应力 ②冷拉率
（2）控制方法： Ｐ＝σｇ＊Ａｇ ①应力控制法（双控）：质量高，常用于制作预应力筋
回复与再结晶
2 回 复
三、回复动力学（退火温度和时间对回复过程的影响） 如图为变形锌在不同温度 下等温回复时，屈服强度的 衰减曲线，其中：
0 y m 0
ln ln A 讨论：
1 t
QR RT
V再＝Aexp （ QR / RT）
①T℃↑，V再↑。
②已知T1、T2温度下完成再结晶
ln
1 t
lnA'
斜率＝－QR/R
（X再＝0.95）的时间分别为t1、t2。
t1 QR 1 1 则： ln t R ( T T ) 2 1 2
ln 1 Q ln A R t1 RT1 ln 1 Q ln A R t2 RT2
1 T
可求再结晶激活能QR
③可以估算不同等温温度下再结晶到一定数量（如 50
％）
3 再结晶
三、再结晶温度及其影响因素
1、再结晶温度Tk ①一小时再结晶温度Tk（一般定义）
• 退火一小时能完成再结晶（X再≥95％），所对应的 最低温度称一小时TK。 • 测量不同T℃下，完成再 结晶所需时间, 终了线，找出TK。 • 得再结晶温度 但随变形量不同TK 不同。
2 回 复
一、回复机制 2、中温回复 0.3～0.5Tm 与位错的滑移有关： 使位错密度略有衰减 导致材料的加工硬化有所减少
（1）同一滑移面上异号位错相消。
（2）位错偶极子的两根位错相消。
此阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消，位错 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。
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。
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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
二、 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）磁性的改变
（一）、加工硬化
☆加工硬化的定义 ☆加工硬化产生的原因 ☆加工硬化的利用 ☆加工硬化的消除
（六）、导热性和磁性的改变
化来实现强化。 ☆材料利用:用低强度材料替代高强度材料 冷挤压成形 ☆有利于金属均匀变形 拉钢丝、冲压成形零件→变形均匀、减少局部变薄
3、加工硬化的不利影响及消除
不利影响：
☆增加变形难度
☆屈强比增加，载荷控制要求严格，生存操作困难
☆塑性、韧性大大降低——脆
消除方法：
☆增加退火工序
工序增多、生产率降 低、生产成本提高
☆控制加热及冷却
使用场合受限制
（二）、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不平的波浪形。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”。
1、加工硬化的定义
加工硬化的定义：
金属在塑性变形过程中， 随着变形程度增加，其强 度和硬度提高而塑性（延 伸率、面缩率）则降低， 这种现象称为加工硬化。
加工硬化的实质
加工硬化的实质：位错运动受阻 滑移系的多少 晶粒大小
其他位错对运动位错的阻碍是产生加工硬化的根本原因
2、加工硬化的利用
加工硬化的利用： ☆重要的强化手段 自行车链条链片→五道冷轧→硬度、强度、负荷↑ 不能用热处理强化的材料,借助冷塑变产生的加工硬
• 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
（三）、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。
（五）、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。
冷加工时组织性能 变化和特征
一、显微组织的变化
• 1.各晶粒出现大量的滑移带，易发生孪 生变形的金属中还会出现孪晶带。
• 2.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
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。
开来，呈现纤维状，故称纤维组织。
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.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”。
• 4.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。
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％
变形程度与密度的关系 （1）青铜 （2）铜
（四）、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。
• 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。
• 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。