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。
冷塑性变形
1．第一类内应力，又称宏观残余应力
2．第二类内应力， 属微观内应力
3．第三类内应力--1．第一类内应力
又称宏观残余应力，作用范围为整个工件，它是由金属材料 （或零件）各个部分（如表面和心部）的宏观形变不均匀而 引起的。 第一类内应力使工件尺寸不稳定，严重时甚至使工件 在受力之下变形产生断裂。
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
加工硬化是利用塑性成形技术来加工工件的主要因素
加工硬化还可以在一定程度上提高构件在使用过程中的安全性。
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
优 点：
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
等轴晶粒
受拉伸力
纤维状
性能的变化：有明显的方向性，其纵向的力学性能高于横向的性能
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 金属内部组织的变化，是冷塑性变形引起金属性能变化的 主要原因 （一）形成纤维组织 （二）亚组织的细化
晶粒破碎，亚晶界和位错密度增加，晶粒破碎的程度愈大，亚晶界的量便愈多
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
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。
塑形变形实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解金属塑性变形的基本原理和规律；2. 掌握金属塑性变形实验的基本操作方法；3. 分析塑性变形对金属组织和性能的影响；4. 探讨塑性变形过程中的再结晶现象。
二、实验原理金属塑性变形是指金属在受力作用下，发生永久变形的过程。
在塑性变形过程中，金属内部晶粒会发生位错运动、滑移、孪晶等变形机制，导致晶粒发生塑性变形。
塑性变形对金属的组织和性能有重要影响，如强度、硬度、韧性等。
再结晶是指塑性变形过程中，晶粒发生重新排列、晶界移动、位错密度降低等现象，从而恢复金属的原始性能。
三、实验材料与设备1. 实验材料：纯铜棒；2. 实验设备：万能材料试验机、光学显微镜、电子天平、加热炉、砂纸等。
四、实验步骤1. 将纯铜棒加工成直径为10mm、长度为100mm的圆柱形试样；2. 对试样进行表面处理，去除氧化层；3. 使用万能材料试验机对试样进行拉伸实验，记录拉伸过程中的应力、应变数据；4. 将拉伸后的试样进行磨光、抛光，观察其显微组织；5. 使用光学显微镜观察试样变形前后的晶粒、位错等特征；6. 记录实验数据，分析塑性变形对金属组织和性能的影响。
五、实验结果与分析1. 拉伸实验结果根据实验数据，绘制应力-应变曲线，如图1所示。
从图中可以看出，纯铜棒在拉伸过程中，应力与应变呈线性关系，当应力达到屈服极限后，进入塑性变形阶段，应力与应变曲线出现非线性变化。
图1 纯铜棒应力-应变曲线2. 显微组织观察结果在光学显微镜下观察纯铜棒变形前后的显微组织，发现变形后的试样晶粒发生了明显变形，晶界模糊，位错密度增加，如图2所示。
图2 纯铜棒变形前后显微组织3. 再结晶现象分析在塑性变形过程中，试样发生再结晶现象，晶粒发生重新排列、晶界移动、位错密度降低等。
再结晶后的试样晶粒细化，位错密度降低，如图3所示。
图3 纯铜棒再结晶后显微组织六、结论1. 金属塑性变形是指金属在受力作用下，发生永久变形的过程；2. 塑性变形对金属的组织和性能有重要影响，如强度、硬度、韧性等；3. 塑性变形过程中的再结晶现象可以恢复金属的原始性能；4. 通过实验研究，掌握了金属塑性变形的基本原理和规律，为金属加工和材料设计提供了理论依据。
《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。
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。
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）
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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。
工程材料及成型技术基础第3章 金属的塑性变形
吊钩内部的纤 维组织 （左：合理； 右：不合理， 应使纤维流线 方向与零件工 作时所受的最 大拉应力的方 向一致）
43
3）热加工常会使复相合金中的各个相沿着加工变形 方向交替地呈带状分布，称为带状组织。 带状组织会使金属材料的力学性能产生方向性，特 别是横向塑性和韧性明显降低。一般带状组织可以通过 正火来消除。
滑移面 +
滑移方向
=
滑移系
原子排列 密度最大的 晶面
滑移面和 该面上的一 个滑移方向
三种典型金属晶格的滑移系
晶格 滑移面 {110}
体心立方晶格 {111} {110}
面心立方晶格
密排六方晶格
{111}
滑移 方向
滑移系
6个滑移面
×
2个滑移方向
=
12个滑移系
BCC
4个滑移面
×
3个滑移方向
=
12个滑移系
35
这是因为此时的变形量较小，形 成的再结晶核心较少。当变形度 大于临界变形度后,则随着变形度 的增大晶粒逐渐细化。当变形度 和退火保温时间一定时，再结晶 退火温度越高，再结晶后的晶粒 越粗大。
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再结晶晶粒大小随加热温 度增加而增加。
临界变形度处的再结晶 晶粒特别粗大
变形度大于临界变形 度后,随着变形度的增 大晶粒逐渐细化
41
(2) 出现纤维组织 在热加工过程中铸态金属的偏析、 夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变 形方向延展，在宏观工件上勾画出 一个个线条，这种组织也称为纤维 组织。纤维组织的出现使金属呈现 各向异性，顺着纤维方向强度高， 而在垂直于纤维的方向上强度较低。 在制订热加工工艺时，要尽可能使 纤维流线方向与零件工作时所受的 最大拉应力的方向一致。
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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塑性变形对组织结构的影响
多晶体金属塑性变形后，除晶粒内出现滑移带和孪晶等特征外
()一晶粒形状的变化
1. 外形尺寸改变是内部晶粒变形的总和
2. 晶粒形状发生变化，变形方式和变形量不同，晶粒形状变化也不同
3. 如轧制时
a) 晶粒沿变形方向伸长
b) 变形程度越大，伸长程度越大
c) 变形量很大时，形成纤维组织，纤维组织的方向就是金属的伸展方向 d) 当金属中含有杂质时，杂质沿变形方向被拉长为细带状或粉碎成链状，
在光滑显微镜下分辨不出晶粒和杂质
()二亚结构的细化
亚结构的细化数据
1. 铸态金属的亚结构直径为cm 210-
2. 冷塑性变形后亚结构直径为cm 6410~10--
凸6.30为低碳钢的形变亚结构
形变亚结构元素：
1. 形变亚结构的边界和内部：
2. 胞块间的夹角和胞壁的厚度：
3. 位错的分布：
4. 变形量越大，胞块数量越多，胞块尺寸越小，胞块间取向差越大
5. 胞状亚结构的形状随晶粒形状改变而改变，沿变形方向伸长
形变亚结构：
高密度缠结位错分割开的位错密度较低的区域
形变亚结构的形成原因：
位错源产生的位错在运动过程中遇到各种障碍物如晶界，第二相颗粒及割阶等形成位错缠结，便形成高密度缠结位错分割开的位错密度较低的区域
()三形变织构
晶粒择优取向现象
多晶体塑性变形也会发生转动，当变形量很大时原来任意取向的晶粒逐渐趋于一致，这种现象就叫做晶粒的择优取向
织构和形变织构
1.具有择优取向的组织就叫做织构
2.在金属变形后形成的织构就叫做形变织构，当然还有其他的织构
同一种材料加工方式不同类型织构类型不同
1.丝织构：拉拔时形成，各晶粒的某一晶向平行或近似平行拉拔方向
2.板织构：轧制时形成，各晶粒的某一晶面平行于轧制平面，某一晶向平行于
轧制方向
表6.3常见金属的丝织构与板织构
织构的出现：
1.多晶体组织性能出现各向异性，例如
2.但在某些情况下织构的存在是有利的，例如
将有织构的板材冲压成杯状零件产生制耳现象：
板材各方向变形能力不同工件边缘不齐壁厚不均匀
变压器铁心用的硅钢片：
1.100方向最易磁化
2.用此硅钢片制作电机电器：减少铁损，提高设备效率，减轻设备重量，节约
钢材
二，塑性变形对金属性能的影响
()一加工硬化
消除加工硬化进一步冷加工需要进行再结晶退火处理
加工硬化现象：
变形程度增加，强度硬度增加，塑性韧性减小
加工硬化数据：
σ由原来的500MPa增加到700MPa 1.0.3%的碳钢变形度为20%时抗拉强度
b
σ由原来的500MPa增加到900MPa 2.0.3%的碳钢变形度为70%时抗拉强度
b
加工硬化原因或强度增加的原因：并没有解释塑性韧性降低的原因
总起来说是和位错的交互作用有关。
随塑性变形进行，位错密度增加，位错相互交割，形成固定割阶位错缠结，位错运动阻力增加，变形抗力增加，金属强度增加
加工硬化的实际意义和不利影响
1.自行车链条用的链板：负荷能力调高了将近一倍
2.不能用热处理强化的材料：塑性很好强度较低的铜铝及某些不锈钢，往往生
产成冷轧棒材和冷轧板材
3.某些工件或半成品必须产生加工硬化才能成型：冷拔钢丝和金属薄板的拉伸
过程，变形转移到未变形部分
4.提高某些零件或构件在使用过程中的安全性：各个部位的受力不均匀，偶尔
过载部位的变形自行停止，应力集中自行减弱
5.冷加工时，塑性变形到一定程度，变形抗力极大，进一步变形异常困难，需
要增加设备功率，增加动力消耗
6.加工硬化，塑性降低，继续变形导致开裂
()二塑性变形对其他物理化学性能的影响
1.金属及合金的比电阻增加，导电性能和电阻温度系数降低，热导率略微降低
2.磁导率和磁饱和度降低，磁滞和矫顽力增加
3.提高金属的内能和化学活性，腐蚀速度增加
4.晶体缺陷增加，扩散激活能减小，扩散速度增加
三，残留应力
金属塑性变形外力所作的功：
1.大部分转化为热能
2.小部分约为10%保留在金属内部，形成残留内应力和点阵畸变
()一宏观内应力
原因：
材料或工件各部分不均匀变形
宏观内应力：
它是使整个物体范围内维持平衡的力，消除一部分，平衡破坏产生变形
举例：
冷拉圆钢车去一层，平衡破坏产生变形
()二微观内应力
原因：
晶粒和亚晶粒不均匀变形
微观内应力：
晶粒或亚晶粒范围内维持平衡的力
潜在危害：
局部区域可能很大，使工件在不大的外力作用下产生显微裂纹，甚至断裂()三点阵畸变
原因：
塑性变形使金属内部产生大量位错和空位，点阵中的原子偏离平衡位置
点阵畸变产生的内应力：
作用范围更小，只在晶界和滑移面等附近不多的原子群范围内维持平衡
性能：
强度硬度升高，塑性和耐腐蚀能力下降
()四其他
残留应力的存在对金属材料的性能是有害的：
材料工件变形开裂和应力腐蚀
当工件表面残留拉应力时对性能有害
1.害处：材料或工件变形开裂，显微裂纹，应力腐蚀
2.害处：工件表面存在拉应力时，和外加应力叠加，使工件变形开裂
3.例如：应力腐蚀导致深冲黄铜弹壳季裂
当工件表面残留压应力时反而对使用寿命有利
1.弹簧或齿轮：喷丸或化学热处理使工件表面残留压应力层，提高疲劳寿命
2.承受单向扭转载荷的零件如汽车中的扭力轴：沿载荷方向进行适量超载预
扭，工件表面层产生与载荷方向相反的残余应力，在工作时可抵消部分外加载荷，提高使用寿命。