冷热变形对金属组织和性能的影响
金属的塑性变形、纤维组织及其对金属性能的影响
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。
《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。
金属塑性成形原理期末复习
塑性指标：拉伸率δ和断面收缩率Ψ。 概 念： 金属在破坏前产生的最大
变形程度，即极限变形量。
H0 - Hk
塑性指标ε= ------------- ×100%（压缩法）
H0
塑性指标衡量金属塑性高低的指标。 塑性状态图及其应用 概念：表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的关系曲线图形，简称塑性图。 应用：合理选择加工方法
静态回复 动态回复——主要通过位错的攀移、交滑移来实现。 2.再结晶
静态再结晶：利用金属变形余热发生 动态再结晶：热塑性变形过程中发生 亚动态再结晶：动态再结晶晶粒在热变形停止后的长大过程 (二)热塑性变形后金属组织和性能的变化 1.改善铸造组织，锻合内部缺陷 2.形成纤维组织 3 产生带状组织 超塑性的分类：恒温超塑性或第一类超塑性。
提高塑性的主要途径有以下几个方面： (1)控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性； (2)采用合适的变形温度—速度制度； (3)选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态； (4)避免加热和加工时周围介质的不良影响
第二节 金属的流动及其影响因素
第三节 金属塑性成形中的摩擦和润滑
几个基本概念 弹性(Elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。 塑性(Plasticity)：固体金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整 性的能力 屈服(Yielding)：开始产生塑性变形的临界状态 损伤(Damage)：材料内部缺陷产生及发展的过程 断裂(Fracture)：宏观裂纹产生、扩展到变形体破断的过程
一般讲，如果变形速度大，有没有足够时间完成塑性变形，金属的变形抗力会提高，塑 性降低。变形速度对塑性的影响概括为变形速度的增大，金属和合金的变形抗力提高； 随变形速度提高，塑性变化的一般趋势如图；变形速度对锻压工艺也有广泛的影响。
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。
热加工对金属的组织和性能有何影响？
什么是冷变形和热变形,各有何特点?答:据变形温度和变形后的组织不同,通常把在再结晶温度以下进行的变形称为冷变形,在再结晶温度以上进行的变形称为热变形,冷变形的金属表现出加工硬化现象,热变形金属的加工硬化随即被再结晶所消除。
11 冷变形强化对金属的组织和性能有何影响,在生产中如何利用其有利因素?答:金属在冷变形时,随着变形程度的增加,强度和硬度提高,塑性和韧性下降,这种现象称为冷变形强化,又称加工硬化或冷硬化,冷变形强化时,金属内对称面附近的晶格发生畸变,甚至产生晶粒破碎现象,金属的强度和硬度越来越高,而塑性和韧性越来越低,冷变形强化是强化金属材料的手段之一,尤其是一些不能通过热处理方法强化的金属可通过冷轧,冷挤压,冷拔和冷冲压方法,在变形的同时提高其强度和硬度12 再结晶对金属的组织和性能有何影响?答:如将变形金属;加热到更高温度,使原子具有更强的的扩散能力,就能以滑移而上的碎晶块或其它质点为晶核,成长出与变形前晶格结构相同的新的等细晶粒,这个过程称为再结晶,再结晶可以完全消除塑性变形变形所引起的硬化现象,并使晶粒得到硬化,力学性能甚至比塑性变形前更好。
焊接接头包括哪几个区?力学性能差的薄弱区在哪儿?为什么?答:(1)焊接接头包括焊缝,熔合区和焊热影响区(2)熔合区化学成分不均匀,组织粗大,往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织。
帮其性能是焊接接头中最差的20 影响焊接接头性能的因素有哪些?答:影响因素有:(1)焊接材料(2)焊接方法(3)焊后热处理。
此外,接头形式,工件厚度,施焊环境温度和预热等均会影响焊后冷却速度,从而影响接头的组织性能。
21 焊条型号E4303,E5015和焊条牌号J422,J507各部分的含义是什么?答:(1)E4303:E表示焊条,43表示熔敷金属抗拉强度430MPa,0表示焊条适合于金属位置焊接,03表示焊接电流种类为交流或直流区反接,及药皮为钛(2) E5015 E 表示焊条,50 表示熔敷金属抗拉强度500MPa,,1 表示焊条适用于全位置焊接,15 表示焊条为低氢钠型药皮,直流反接。
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（2）形成了纤维组织 冷加工变形后，金属晶粒形状发
生了变化，变化趋势大体与金属宏 观变形一致。轧制变形时，原等轴 晶粒沿变形方向伸长。变形程度大 时，晶粒呈现为一片如纤维状的条 纹，称为纤维组织。当有夹杂或第 二相质点时，则它们会沿变形方向 拉长成细带状或粉碎成链状。
工业纯铁冷塑性变形后组织(150X) a)变形程度20% b)变形程度50% c)变形程度70%
贡献，也对晶界滑移其调节作用。
热塑性变形的主要机理仍然是晶 内滑移；由于晶界滑动和扩散蠕变作 用的增加，再加之变形时会产生动态 回复和再结晶。因此，热态下金属塑 性变形能力比冷态下高，变形抗力较
低。
图4-11 扩散蠕变示意 a）空位和原子的移动方向 b）晶内扩散 c）晶界扩散
4.2.3热塑性变形对金属组织和性能的影响
2）对金属性能的影响
随着变形程度的增加，金属强度、 硬度增加，而塑性、韧性降低。
金属的性能将显示各向异性 。
45号钢力学性能与变形程度的关系曲线
青铜的加工硬化
青铜的加工硬化非常严重，在冷拉拔时需反复退火以改 善其塑性。
因加工硬化严重，塑性下降，青铜在拉拔时发生脆断。
§4-2金属热态下的塑性变形
硬化。
图4-2 刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意
图4-3 螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意
图4-4 面心立方晶体孪生变形示意
冷塑性变形时，多晶体主要是 晶内滑移变形;实质上是位错的移动 和增殖的过程;由于位错的交互作用,
塑性变形时 产生了加工硬化。
4.1.2 冷塑性变形特点
（1）各晶粒变形的不同时性
§4-1金属冷态下的塑性变形
4.1.1冷塑性变形机理
多晶体的塑性变形包括晶内变形和 晶界变形（晶间变形）两种。在冷态条 件下，由于晶界强度高于晶内，多晶体 的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形 只起次要作用，而且需要有其它变形机 制相协调。
晶内变形方式有滑移和孪生。由 于滑移所需临界切应力小于孪生所需 临界切应力，故多晶体塑性变形的主 要方式是滑移变形，孪生变形是次要 的，一般仅起调节作用。对于密排六
冷变形金属加热时组织和性能的变化
（5）亚动态再结晶
热变形中已经形成但未长大的 再结晶晶核以及长大途中遗留下的 再结晶晶粒，但变形停止后温度足 够高时，会继续长大，此过程称为 亚动态再结晶。它不需形核，所以 进行得很快。
图4-10为热轧和热挤时，动、 静态回复和再结晶的示意图。
图4-10 动、静回复和再结晶示意
塑性变形首先在位向有利的晶粒 内发生,位错源开动,但其中的位错却无 法移出此晶粒,而是在晶界处塞积。位 错塞积产生的应力场越过晶界作用到 相邻晶粒上,使其得到附加应力。随外 加应力的增大,最终使相邻位向不利的 晶粒中滑移系的剪应力分量达到临界 值而开动起来,同时也使原来的位错塞 积得到释放,位错运动移出晶粒。如此
（3）静态回复
在较低的温度下、或在较早阶段发生 转变的过程成为静态回复。它是变形后的 金属自发地向自由能降低的方向转变的过 程。
（4）静态再结晶
在再结晶温度以上，金属原子有更大 的活动能力，会在原变形金属中重新形成 新的无畸变等轴晶，并最终取代冷变形组 织，此过程称为金属的静态再结晶。冷变 形金属加热时组织和性能的变化如图（4－ 9）
4.2.1热塑性变形时软化过程
（1）动态回复
动态回复是在热变形过程中发生的 回复，金属即使在远高于静态再结晶 温度下塑性变形时一般也只发生动态 回复。
（2）动态再结晶
动态再结晶是在热变形过程中ห้องสมุดไป่ตู้生 的再结晶，与静态再结晶一样，也是 通过形核和生长来完成的。它容易发 生在层错能较低且有较大热变形程度 的金属上。
1）对金属组织的影响
（1）在晶粒内部出现滑移带和孪生 带等组织
多晶铜拉伸后，各个晶粒滑
移带的光学显微镜照片。铜是 FCC晶体，滑移系是 {111}/<110>，有12种组合。 由图看出，每个晶粒有两个以 上的滑移面产生了滑移。由于 晶粒取向不同，滑移带的方向 也不同。
铜多晶试样拉伸后形成的滑移带,x173倍(采 自C.Brady,美国国家标准局)
方金属，孪生变形起着重要作用。
cos cos
图4-1 晶体滑移时的应力分析
晶体的滑移过程，实质上是位 错的移动和增殖的过程。由于在这 个过程中位错的交互作用，位错反 应和相互交割加剧，产生固定割阶、 位错缠结等障碍，使位错难以越过 这些障碍。要使金属继续变形，就 需要不断增加外力，便产生了加工
（3）变形织构
多晶体塑性变形时伴随着晶粒的 转动，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 调整其取向而彼此趋于一致，这种 由于塑性变形而使晶粒具有择优取 向的组织，称为“变形织构”。
丝织 构示意图 a）拉拔前 b）拉拔后
板织构示意 a) 轧制前 b）轧制后
因板织构所造成的“制耳” a) 无制耳 b) 有制耳
4.2.2热塑性变形机理
变形机理主要有：晶内滑移与孪 生、晶界滑移和扩散蠕变。高温时原 子间距加大，热振动和扩散速度增 加，位错滑移、攀移、交滑移及节点 脱锚比低温容易；滑移系增多，滑移 灵便性提高，各晶粒之间变形更加协 调；晶界对位错运动阻碍作用减弱。 因此，其主要机理仍然是晶内滑移。
热塑性变形时，由于晶界强度 降低，使得晶界滑动易于进行；温 度越高，原子动能和扩散能力就越 大，扩散蠕变既直接为塑性变形作
（4）晶粒内产生胞状亚结构
塑性变形主要是借位错的运动 而进行的。经大变形后，位错密度 可从退火状态的106～107cm-2增加到 1011～1012cm-2。位错运动及交互作用 结果，其分布是不均匀的。它们先 是比较纷乱地纠缠成群，形成“位 错缠结”。如果变形量增大，就形 成胞状亚结构。
金属经变形后的亚结构
持续运作,使更多晶粒参与变形。
（2）各晶粒变形的相互协调性
晶粒的变形需要相互协调配合， 如此才能保持晶粒之间的连续性， 即变形不是孤立和任意的。
（3）变形的不均匀性
软位向的晶粒先变形，硬位向 的晶粒后变形，其结果必然是各晶 粒变形量的差异，这是由多晶体的 结构特点所决定的。
4.1.3 冷塑性变形对组织与性能的影响