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。金属能够发生回复的最低温度称为该金属的回复温度，大约是0.25~0.3T熔。

在工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留了加工硬化，这种热处理方法称为

去应力退火。

2）再结晶组织变化——当冷变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒通过形核与晶核长大，变为完整的等轴晶粒。再结晶不是相变过程。

由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。

发生再结晶也有一最低温度，

称为再结晶温度，大约是0.4T熔。

3）晶粒长大组织与性能变化——再结晶完成后，若加热温度继续升高或延长加热时间，将发生晶粒长大。这是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。而晶粒粗大会使金属的强度有所降低。

1）热变形金属在最低再结晶温度以上进行的变形，变形中有再结晶现象。又称热加工。在最低再结晶温度以下进行的变形称为冷变形或者冷加工。

冷变形（冷轧）热变形（热轧）

2）高温蠕变材料在高温下长时间加载时发生的缓慢塑性变形过程。

1）热变形

变形过程中，加工硬化与再结晶软化同时进行。

完全热变形变形时，加工硬化组织被再结晶软化完全消除。

不完全热变形如果变形温度较低而变形速率较高，加工硬化组织则不能完全被再结晶软化消除，变形后仍残留硬化组织。不完全热变形变形抗力较低，产品精度和表面光洁度较高。

1）热变形Array“流线”热加工使铸态金属中的非

金属夹杂物沿变形方向伸长，形成彼

此平行的宏观条纹，称作流线，由这

种流线体现的组织称纤维组织。纤维

组织使钢产生各向异性，与流线平行

的方向强度高，而与其垂直的方向强

度低。在制定加工工艺时，应使流线

曲轴中的流线分布分布合理，尽量与拉应力方向一致。

2）高温蠕变

蠕变是金属在长时间较高温度

下（相对于其熔点）恒载荷作用

时发生的缓慢塑性变形现象。其

典型的蠕变过程可用右图的蠕变

曲线表示。

起始伸长率

蠕变三阶段

第Ⅰ阶段：减速蠕变阶段

第Ⅱ阶段：恒速蠕变阶段

第Ⅲ阶段：加速蠕变阶段

起始伸长率

蠕变机制

•位错滑移高温下更容易克服短程障碍。

•原子扩散高温下空位从压应力区定向扩散至拉应力区。•晶界滑动高温下晶界弱化，容易滑动。