7 金属组织性能变化规律

而热加工则无．加工硬化和软化（回复、 再结晶）同时出现，软化作用可以抵消 或超过硬化作用。 热加工中的软化过程按其性质分类： 动态回复 变形过程中进行 动态再结晶 亚动态再结晶 静态再结晶 热变形停止或中断时利用 静态回复 余热无载荷作用下发生的
• 高层错能金属热轧加工率较 小（50％）－动态回复 • 低层错能金属热轧加工率较 小（50％）－动态回复，随 后静态回复和静态再结晶 • 高层错能金属热挤压变形程 度大（99％）－挤压中动态 回复，出模孔后静态回复和 静态再结晶 • 低层错能金属热挤压变形程 度大（99％）－挤压中动态 回复和动态再结晶，出模孔 后静态回复、静态再结晶和 亚动态再结晶。
动态再结晶：应力－应变曲线如图所示
1
2
(1)高应变速时:曲线1 (2)低应变速时:曲线2，
曲线1：该曲线在高应变速率下，曲线迅速 升到一峰值，随后由于动态再结晶的发 生而引起软化，最后接近于平稳。此时 硬化过程和软化过程达到平衡，即处于 稳定变形阶段； 曲线2：在低应变速度下，应力应变曲线呈 2 波浪形。每一波峰对应于一新的动态再 结晶开始，此后由于软化作用大于硬化 作用，曲线下降；每一波谷则代表再结 晶完结。此后硬化作用大于软化作用， 而使曲线上升
（2）各向异性：由于织构的存在导致制品 在不同方向上性能的差异出现各向异 性． 制耳效应：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 凸起的部分称为制耳。由于织构而产生 的制耳现象。 利用和避免。
7.1.3．冷变形金属的储存能 储存能：冷变形时所消耗的能量，除变成热能散 失外而保留下来的能量． 存在形式：点缺陷，位错，层错等位能形式 影响储存能多少的因素如下： • 金属材料的内在因素：随金属的熔点降低而减 少，随溶质原子的增多而增大；随晶粒度的减 小而增高；随第二相与基体变形的不协调性的 增加而增加。． • 工艺条件：引起加工硬化的因素，都能使其增 大．变形温度、变形速度、变形程度、不均匀 变形程度。
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。
7.2.1回复 （1）组织的变化：金属的显微组织无显著 变化，晶粒仍保持纤维状或扁平状； （2）性能的变化： • 硬度和强度：对层错能低的金属（铜）， 由于扩展位错宽，难于产生攀移和交滑移， 使位错的密度和组态很少发生变化，因而 强度和硬度没有显著变化； • 电阻率明显下降---点缺陷明显减少 • 内应力：宏观内应力几乎可以消除，微观 内应力只能消除一部分。
（3）动态回复的条件：动态过程决定于金 属所处的变形条件和金属层错能． 变形温度高和应变速度慢动态回复速度越 快，达到稳定变形阶段越早，且变形应 力越低；相反，低温快速达到稳定变形 阶段越晚，且变形应力越高。 层错能：高层错能金属（铝），由于扩展 位错窄，易产生交滑移、攀移而相互抵 消，使位错密度降低，储存能降低，易 发生动态回复；低层错能金属易发生动 态再结晶。（溶质原子降低层错能，不 易动态回复，增加了动态再结晶的可能 性）
加工硬化的影响因素如下： • 晶体结构：密排六方单晶体加工硬化率低，单 系滑移，易滑移阶段长；立方晶系，滑移系多， 加工硬化率高。 • 层错能：层错能高的金属材料（铝），扩展位 错窄，易交滑移，故硬化曲线第二阶段短，第 三阶段硬化出现的早，层错能低的金属材料 （铜），扩展位错宽，不易交滑移，故硬化曲 线第二阶段长，第三阶段出现的晚。杂质和合 金元素大多数降低层错能，扩展位错宽。 • 晶粒大小：细晶比粗晶加工硬化率高。 • 变形温度和变形速度：---硬化和软化两个过程 的消长程度。
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，
7.1金属在冷塑性加工中组织与性能的变化 7.1.1显微组织的变化 纤微组织: 冷变形后，等轴晶粒沿主变形方 向拉长．变形量很大时，各个晶粒已不 能清楚地辨别出，呈现纤状．如图7-1 亚结构：变形使位错密度迅速提高．当变 形达１０％左右时，高位错密度区将低 位错密度区分隔开来，像在一个晶粒的 内部又出现许多“小晶粒”似的，且取 向差不大．此结构称为胞状亚结构．如 图7-2．当变形量很大时，会形成长条状 的“形变胞”．----亚晶强化金属
εD 的意义：当ε< εr ，发生硬化同时只有动 的意义： 态回复；当ε> εr，发生动态再结晶 态回复；
影响动态再结晶发生的条件： 层错能低，位错密度高，易发生动态再结 晶； 晶界的迁移的难易，金属越纯，动态再结 晶的能力越强，因溶质原子和第二相阻 止晶界迁移，所以妨碍动态再结晶的进 行。
变形温度降低和应变速度提高，使εr增大结 果使εD < εr 。
7.1.4．其它性能的变化 • 金属密度的变化：冷变形使密度降低． • 导电性能的变化：一般电阻增加，增加 导电性．应综合考虑：位错密度增加和 有向性。 • 耐蚀性能的变化：降低耐蚀性．冷变形
产生的内应力使造成金属腐蚀的一个重 要原因。退火来消除。 要原因。
• 导热下降和改变磁性。
7.2冷塑性加工后金属在加热时组织与性能变化 中间退火---实现冷加工，恢复其工艺塑性。 最终产品热处理----控制成品性能 • 软化的三个阶段： 回复阶段-----加热温度较低时，观察不出组织 的变化； 再结晶阶段-----加热温度超过一定值，组织和 性能发生明显变化，生成无畸变的新晶粒； 晶粒长大-----温度继续升高，晶粒相互吞并和 长大。
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。
（1）加工硬化：随着变形程度的增wk.baidu.com，强
度和硬度明显增加，塑性迅速下降的现 象．加工硬化率：硬化曲线之斜率，表 示应力随应变提高的速率，θ。图7-9：
单晶体加工硬化曲线分为： 弹性变形阶段：τ< τ c 塑性变形阶段：又分为： • 第一阶段：易滑移阶段， θI很小，为单 系滑移； • 第二阶段：线性硬化阶段， θII远高于θI， 为多系滑移； • 第三阶段：抛物线硬化阶段，θIII有所减 小，为交滑移。 多晶体无单系滑移，由于多系滑移在起 作用，所以加工硬化率比较高。
7.2.4再结晶织构：具有变形织构的冷加工 金属，经过再结晶退火后，仍具有择优 取向． 定向生长理论 形成机理： 定向形核理论
7.2.5再结晶退火后金属材质的控制 １晶粒大小的控制 • 取决于冷变形量和退火温度，与晶粒尺 寸关系用再结晶图表示；杂质和合金元 素含量越高，再结晶后晶粒越细小；原 始晶粒越细再结晶后晶粒越细；加热时 间越长，晶粒越大． 2.再结晶织构的控制 恰当地选择塑性加工工艺和退火制度，适 当调整化学成分．
7.2.3晶粒长大 • 正常晶粒长大：大多数晶粒同时均匀长 大。晶界迁移规律如下： a．小晶粒被大晶粒吞并 b．弯曲晶界总是趋向于平直化。 c．三个晶粒的晶界的交角趋于120°使晶 界处于平衡状态。 d.使晶界外形趋于稳定的正六边形． 异常晶粒长大：由于阻碍晶界迁移的第二 异常晶粒长大： 相或杂质溶人基体金属中，使晶界得以 迁移而急剧长大；或位向差大引起异常 晶粒长大．---降低机械性能，应避免。
7金属在加工中组织和性能变化的基本规律 7.1金属在冷塑性加工中组织与性能的变化 7.2冷塑性加工后金属在加热时的组织与性 能变化 7.3金属在热塑性加工中组织与性能的变化 冷变形---低于回复和再结晶温度的变形 温变形---高于室温低于再结晶温度的变形 热变形---高于再结晶温度的变形
位错增殖 密度提高 塑性变形时 位错与位错之间 位错与溶质原子之间 相互 位错与第二相 作用 位错数量、分布和组态的变化，使组织结 构发生变化。
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
（3）回复机制 不同温度阶段，机制不同 低温回复：温度较低（0.1∼0.3）Tm，其主 要机制是空位运动和空位与其它缺陷的 结合，空位消失，有四种机理：结果使 点缺陷密度下降，电阻率降低，内应力 降低。 高温回复：温度较高（ 0.3∼0.5）Tm，回 复的主要机制是位错的运动，不仅同一 滑移面上异号位错可以相互吸引抵消而 且不同滑移面上的位错也易于攀移和交 滑移，从而互相抵消或重新排列成一种 能量较低的结构---亚晶。
（3）再结晶温度：经过大量变形的金属在 约1h的保温时间内，能够完成再结晶的 最低加热温度。---温度范围 合理选择退火温度范围 其作用： 选择变形规程重要参数-耐热合金 影响再结晶温度的因素： 变形程度：变形程度 越大，再结晶温度越低
金属的纯度：纯度越高，再结晶温度越低溶质原子阻碍晶界迁移； 原始晶粒尺寸：在其它条件相同的情况时， 原始晶粒越细，再结晶温度越低-变形抗 力大，储存能高； 加热时间和速度：退火加热保温时间越长， 可降低再结晶温度---有利于新的再结晶 晶粒充分形核和生长。提高加热速度使 再结晶温度升高，但若加热非常缓慢， 会使再结晶温度升高—回复。
7.2.2再结晶：加热到一定温度，在原来变 形的金属中重新形成新的无畸变等轴 晶．此过程称为再结晶．是通过形核和 长大的方式来完成的。 （1）组织和性能变化：由破碎的晶粒变成 整齐，由拉长变成等轴；强度，硬度下 降；塑性提高；加工硬化消除；无内应 力． （2）形核机制：晶界弓出（凸出）形核或 亚晶形核。 晶界弓出形核：图7-24 亚晶形核：图7-24
7.3金属在热塑性加工中组织与性能的变化 7.3.1热加工的特点 优点：
1、塑性好，断裂倾向小，可采用较大变形量 2、变形抗力低，塑性高，变形达到需要尺寸时，消耗的能量少 3、变形量大，无需中间退火，流程短，效率高 4、可使室温下不能进行塑性加工的金属进行加工 5、开坯，可改善粗大的铸造组织，使疏松和微波裂纹愈合 6、金属组织和性能，可通过不同热加工温度、变形程度、变形速度、 冷却速度和道次间隙时间等加以控制。
7.3.2热变形中的软化过程
动态回复：应力－应变曲线如图7-38所示，
（1）过程，分为三个阶段： 第一阶段：微变形阶段，曲线为直线 第二阶段：加工硬化率渐低 第三阶段：稳定变形阶段，动态平衡， 为一水平线。
7.3.2热变形中的软化过程 （2）动态回复机制 动态回复是通过位错的攀移、交滑移 和位错从结点脱盯来实现的。
变形织构 : 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“择优取向”．具有择优取向的 晶体组织为“变形织构”．描述多晶体 中晶体取向的特征． 塑性加工方式不同，织构分为： • 丝织构：(挤压和拉拔)晶向表示。 • 板织构：(轧制和镦粗)晶向和晶面表示。
7.1.2 性能的变化