金属在塑性变形中的组织结构与性能

6金属在塑性变形中的组织结构与性能变化„6.1冷形变后金属组织结构和性能的变化„„冷形变或冷加工冷形变或冷加工::金属和合金在低于再结晶温度进行压力加工„加工方法:常温下进行的冷轧、冷拔、冷挤、冷冲等;„在冷形变过程中组织和性能都会发生变化。6.1.16.1.1金属组织结构的变化金属组织结构的变化„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。（1）单晶体塑性变形:随着变形量增加，位错密度增加，引起加工硬化。21ρασGb=退火状态的金属，典型的位错密度值是105～108cm-2，而大变形后金属材料的典型数值是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——等干0.2～0.3范围的常数；G——剪切弹性模量；b——柏氏矢量。α„„多晶体塑性变形多晶体塑性变形::各个晶粒取向不同，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.„室温下变形时铁的胞状结构稳态变形时铁的胞子大小同变形量的关系（2）形成了位错胞状结构胞状结构形成的影响因素:①层错能层错能高的金属，其螺位错易于交滑移，位错密度低,便于排成胞壁结构；②②空位空位增多，可能使位错源增多，位错密度增大；位错运动受到阻碍不易排列成胞壁，形成胞状结构所需要的变形量就要增大；③③第二相质点第二相质点：间距大的粗质点，促进胞状结构的形成（起着位错源的作用）；细小的第二相，防碍胞状结构的形成；④变形温度：变形温度：对胞状结构形成有很大影响，变形温度降低，位错密度增大，胞内位错的数目增多，形成胞状结构的倾向降低；⑤应变速率：应变速率：增加应变速率有降低变形温度相类似的效果。（3）位错密度：同种材料细晶粒样品细晶粒样品变形后的位错密度比粗晶粒的大。（4）自由能高：金属塑性变形时所消耗的能量，大部分转化为热能而散发掉了，但仍有一小部分以点阵缺陷（空位、间隙位置原子、位错、层错等）的弹性畸变能的形式存贮在变形后的金属中，冷冷塑性变形后自由能高塑性变形后自由能高。（5）晶粒外形、夹杂物和第二相的分布：①拉伸时，各晶粒顺着拉伸方向伸长；压缩时，晶粒被压成扁平状。伸长与压缩的程度与变形量有关。变形量特别大时，晶粒组织成纤维状；②第二相或者有夹杂物偏聚时，变形后会引起这些偏聚区域的伸长而形成带状组织。如轴承钢中的夹杂物带状和碳化物带状那样。③由晶粒伸长而形成的纤维组织可用退火消除之，但夹杂物或碳化物集聚区因变形伸长而成的带状组织，虽经过高温退火也常常不能完全消除。（6）性能上具有方向性：冷变形后出现的带状组织和纤维组织使金属和合金在性能上具有方向性。（7）形成形变织构：产生择优取向的多晶体组织，即形成形变织构。（8）晶体可能被破坏，可能产生微裂纹，甚至宏观裂纹等；变形是不均匀的；存在残余内应力。6.1.26.1.2金属性能的变化金属性能的变化„„力学性能的变化体现在：力学性能的变化体现在：强度指标（比例极限、弹性极限、屈服极限、强度极限、硬度）增加；塑性指标（面缩率、延伸率等）降低，韧性也降低了；产生力学性能的方向性。„生产上经常利用冷加工提高材料的强度，通过加工硬化（或称形变强化）来强化金属。冷加工是通过塑性变形改变金属材料性能的重要手段之一。钢丝冷变形时的力学性能的变化„„物理性能变化：物理性能变化：由于在晶间和晶内产生微观裂纹和空隙以及点阵缺陷，因而密度降低，导热、导电、导磁性能降低。„„化学性能变化：化学性能变化：化学稳定性降低，耐腐蚀性能降低，溶解性增加。6.26.2冷变形金属的回复阶段冷变形金属的回复阶段„冷塑性变形后金属和合金的性能处于不稳定的亚稳状态。升高温度，使金属中的原子获得足够的活动能力，则经冷变形的金属将自发地通过点阵缺陷的减少和重新排列而恢复到冷变形前的稳定态。„冷塑性变形后的金属加热时，通常是依次发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化。„„回复：回复：经冷塑性变形的金属在加热时，在大角度晶界扫过变形基体从而形成无畸变的组织（即再结晶晶粒组织）前所产生的某些亚结构和性能的变化阶段。„再结晶：经冷变形后的金属在加热时，通过再结晶核心的形成及随后的成长，直到变形基体全部被新晶粒消耗完毕，新晶粒互相接触为止的阶段。„晶粒长大阶段：初次再结晶阶段后进入晶粒长大阶段。回复过程中性能的变化：回复过程中性能的变化：„金属会释放出冷塑性变形过程所贮能量的一部分：残余内应力会降低或消除；电阻率、硬度、强度会降低，密度、塑性、韧性等会提高：∗密排六方金属Zn、Cd在室温下就可以绝大部分去除冷变形产生的加工硬化；∗Cu与α-黄铜直接加热到350℃，其硬度没有明显的变化；∗Fe在350℃以上就可观察到部分加工硬化的去除。回复过程中组织结构的变化„与形变后的组织结构以及回复的温度和时间有关„回复温度较低时，由于塑性变形所产生的过量空位就会消失；„回复温度稍高一些时，同一个滑移面上的异号位错，会在塞积位错群的长程应力场作用下，汇聚而合并消失，降低位错密度；„回复温度较高时，不但同一滑移面上的异号位错可以汇聚抵消，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。形成的多边化组织形成的多边化组织多边化示意图a）表示散乱分布的同号位错所引起的点阵弯曲；b）表示多边化前各层点阵弯曲；c）表示多边化后各层点阵弯曲，此时位错已有规则的排列成行，由原来无序状态变为垂直组合。这种刃位错的排列形式就构成了小角度的倾斜晶界，就形成了亚晶组织。影响回复过程进行速度的因素：„凡是能使变形金属中位错密度提高，畸变能增大的各种因素，例如增大变形量，降低变形温度，加大形变速度，减小晶粒直径等都加快回复。„加热温度高，恢复的速度快，同样的温度下，初期回复速度快，时间增长以后，回复速度降低了，是一种所谓的弛豫过程。回复退火在生产中主要作用：主要作用：主要作用：„去内应力退火，使冷加工的金属件，在基本上保持加工硬化的条件下降低其内应力，以避免变形和开裂，改善工件的耐蚀性。„预先形变热处理工艺中，低温冷变形后进行的中间回火，也是一种回复性质的处理。其目的是为了得到比较稳定的位错（亚晶组织），在进行快速淬火加热和最后的回火处理后，仍能够保持良好的形变强化的效果。6.36.3再结晶和晶粒长大再结晶和晶粒长大„退火温度升高冷变形材料将发生再结晶。„再结晶过程：形成无畸变的晶核开始，逐渐长大成位错密度很低的等轴状晶粒。当变形基体全部被无畸变的新晶粒消耗完毕时，就完成再结晶阶段，随后即进入晶粒长大阶段。材料组织从不稳定状态变成稳定状态。回复与再结晶对冷变形金属性能影响1-强度；2-电阻率；3-内应力；4-延伸率；5-晶粒大小再结晶阶段：冷塑性变形后的金属加热时，其组织和性能最显著的变化阶段。再结晶是消除加工硬化的重要软化手段。是控制晶粒大小、形态、均匀程度、获得或避免晶粒的择优取向的重要手段。通过各种影响因素对再结晶过程进行控制，将对金属材料的强韧性、热强性、冲压性和电磁性等发生重大的影响。6.3.1影响再结晶的主要因素：6.3.1.1温度„精确地确定再结晶温度比较困难，这是因为材料纯度及化学成分，晶粒尺寸，形变程度，退火保温时间等都是影响金属再结晶温度的因素。„测定再结晶温度通常采用硬度法。将冷变形金属加热退火保温30～60min后，测量硬度变化，将软化程度达到50％的温度定为再结晶温度。同时采用金相法及X射线法进行校核。形变量小于10％～15％时多采用金相法校核。再结晶温度受多种因素影响，材料再结晶温度并非固定值。金属纯度及形变量一定时，再结晶温度与加热时间的关系为：RTQAet−=1式中：t为保温时间，T为再结晶温度（K），Q是激活能，R为气体常数。加热温度越高，再结晶速度越快，开始再结晶到完成再结晶所需要的时间也越短。其规律如图：再结晶综合动力曲线1再结晶开始2再结晶终了6.3.1.2变形程度影响„金属的冷变形程度越大，其储存的能量也越高，再结晶的驱动力也越大。再结晶温度就越低；„同时等温退火的再结晶速度也就越快，开始再结晶和完成再结晶需要的时间间隔越短。„晶粒越细小，晶界的总面积越大，在晶界附近塞积而导致晶格强烈弯曲的区域也就越多，提供更多的形核场所，因此再结晶的形核率更大，再结晶速率更快，形成晶粒也就越小。开始结晶温度与预先冷变形量的关系再结晶综合动力曲线6.3.1.3微量溶质原子的影响微量溶质原子的存在对金属的再结晶有很大的影响。微量溶质元素会阻碍再结晶，提高再结晶温度。原因：因为溶质原子与位错及晶界间存在着交互作用，使溶质原子多偏聚在位错及晶界处，对位错的滑移和晶界的迁移起阻碍作用，不利再结晶的形核和核长大，就阻碍了再结晶。6.3.1.46.3.1.4弥散相颗粒的影响弥散相颗粒的影响„弥散相质点对再结晶的影响主要取决于基体上弥散相颗粒的大小及其分布。„弥散相硬颗粒直径较大、间距较大时，位错在颗粒附近塞积，加工硬化速率大，冷变形储能高，增大了再结晶驱动力。及在基体中产生了许多形核畸变区，促进促进了再结晶。„硬颗粒直径和间距都较小时，虽然冷变形后的位错密度更大，但是这种弥散分布的细小的第二相颗粒阻碍了加热时位错重新排列构成亚晶界，也阻碍了晶界的迁移过程（即核的生长过程），从而使再结晶受到阻碍阻碍。。6.3.2影响再结晶后晶粒大小的主要因素„晶粒大小对材料的力学性能和加工性能都有很大的影响。„晶粒细小均匀的材料：（1）变形均匀，变形容易协调，塑性韧性好；（2）金属的流变应力高，材料的强度高；（3）晶粒细化，晶界面积增加，使单位面积上偏聚的杂质原子数量减少，可降低脆性转化温度。„晶粒细化是提高材料性能的重要手段，对没有相变重结晶的金属和合金来说，形变和再结晶是细化晶粒的唯一途径。决定再结晶退火后晶粒大小的最主要因素是预先变形量、退火温度，其次是原始晶粒度、杂质及退火时间等。6.3.2.16.3.2.1变形量的影响变形量的影响温度一定时变形量于晶粒大小的关系低碳钢（0.06%C）变形量及退火温度对再结晶晶粒大小的影响„当变形量很小时，晶格畸变能低，形核率低，甚至不形核，而且没有足够的动力推动再结晶过程的进行，不发生再结晶，只是晶粒长大，出现粗晶组织。„临界变形程度:当变形量达到一定值（如碳钢为2～10％）时，再结晶后的晶粒特别粗大，此变形程度称为临界变形程度。为了细化晶粒，条件允许时，应尽量采用大变形量，避免在临界变形程度加工。6.3.2.26.3.2.2退火温度的影响退火温度的影响„提高退火温度，不仅使再结晶晶粒度增大，而且还会影响到临界变形程度。„随着退火温度升高，其临界变形程度变小，且再结晶晶粒明显长大。原始晶粒的大小及夹杂对再结晶后的晶粒原始晶粒的大小及夹杂对再结晶后的晶粒大小有影响大小有影响„在同样变形程度和温度下，原始晶粒越细，再结晶后的晶粒也越细；„杂质妨碍再结晶晶粒长大，对组织细化有一定影响，特别是分布在晶界上的杂质成连续膜时，造成的障碍作用更大。6.46.4热变形过程中金属组织结构和性热变形过程中金属组织结构和性能的变化能的变化热形变或热加工是指在再结晶温度以上进行的变形过程。6.4.16.4.1热变形的特点热变形的特点与其它加工方法相比，热加工所具有优点是与其它加工方法相比，热加工所具有优点是::（（11）处于热变形时的金属，其变形抗力低，因此能量消耗少）处于热变形时的金属，其变形抗力低，因此能量消耗少;;（（22）在加工硬化过程的同时存在着回复或再结晶的软化过程。材料塑）在加工硬化过程的同时存在着回复或再结晶的软化过程。材料塑性、韧性好，产生断裂的倾向性减少性、韧性好，产生断裂的倾向性减少,,使金属中密闭的孔洞、气泡、使金属中密闭的孔洞、气泡、裂纹等缺陷易于焊合。但避免裂纹等缺陷易于焊合。但避免““红脆红脆””现象现象..„（3）与冷加工相比，热加工变形一般不易产生织构。这是由于在高温下发生滑移的系统比较多，使滑移面和滑移方向不断发生变化，因此，工件的择优取向性较小。„（4）生产过程中，不需要像冷加工那样的中间退火，从而可简化生产工序，提高生产率，降低成本。„„（（55）通过控制热加工