第三章-金属冷塑性变形解析

第三章金属在冷塑性变形中的组织结构与性能变化本章重点关注以下几个方面的问题：A、变形和退火时位错、储存能的变化；B、变形和退火时晶粒形状、取向等微观组织结构的改变；C、变形和退火时材料性能的变化。3.1冷加工的储存能一、储存能的产生金属变形时，外力作功大部分以热的形式散失，只有大约1%的功以能量形式存储于材料内部（储存能）。储存能、材料特性的变化、点缺陷和位错等几方面之间必然存在一定的联系。储存能主要来源于位错。在不同的加工阶段，主要关注位错密度、分布和排列。在变形过程中，随着变形程度的增加，位错密度的变化规律如下：二、储存能的测定方法储存能的确定是很难的。其测量的方法有：热量法、X-射线法，还可根据某些物理或机械性能来间接确定。bL采用热量法测定储存能，我们还必须关注材料的化学成分、晶粒尺寸、变形程度和变形温度。总体情况是：1）变形程度增加，储存能增大；2）变形方式不同，剩余功的变化会导致储存能的变化；如铜，拉伸时是3.2-5.7J/mol，压缩时是3.8-8.3J/mol，拉拔时是-95J/mol。3）低和中应变条件下，细晶的储存能比粗晶大，但高应变条件下，储存能与晶粒无关。三、储存能与微观组织结构的关系1、储存能与位错密度的关系式中常数c-0.52、储存能与亚结构的关系或式中常数α-1.5，K是常数2GbcEDREsDDKED3、储存能与取向的关系E110E111E112E100图3.1Variationofcellsize图3.2StoredenergiesofdeformationAndcellboundarymisorientationfordifferentorientationsintheα-Inrolledironasafounctionoffibreofcold-rolledironandsteellocalorientation3.2金属组织结构的变化•金属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。•在位错的运动过程中，位错、溶质原子、间隙位置原子、空位、第二相质点都会发生相互作用，引起位错的数量、分布和组态的变化。从微观角度来看，这就是金属组织结构在塑性变形过程中或变形后的主要变化。•塑性变形对位错的数量、分布和组态的影响是和金属材料本身的性质以及变形温度、变形速度等外在条件有关的。一、冷变形与晶粒外形的改变金属材料外形的改变必然反映在内部晶粒形状的改变。晶粒形状的变化与变形方式、变形程度有关；严重变形后，金属内部组织形貌是纤维组织；当金属内部有第二相的聚集，或杂质的偏析时，变形会引起这些区域的伸长而呈带状组织特征。一般由晶粒伸长而形成的纤维组织可通过退火来消除，但由杂质或夹杂物伸长而形成的带状组织，虽经高温退火也难完全消除。随着变形程度的增加，晶粒的表面积和晶界面积增大。如：对于等轴晶粒在轧制过程中，50%压下变形，晶粒表面积增加16%，90%压下，面积增加270%，99%压下，面积增加3267%。下图为不同变形方式，晶界面积的增长率情况。图3.3RateofgrowthboundaryareaperunitvolumefordofferentmodesofdeformationassuminganinitialcubicgrainofsizeD0二、冷变形与亚结构的形成金属晶体经充分塑性变形后，在晶粒内部出现了许多取向不同的小区域，取向差不大，这些小区域称为亚晶粒，这种组织称为亚结构。图3.4冷变形引起的亚晶模型亚结构是如何形成的？亚晶的大小、完整的程度和亚晶间的取向差随材料的纯度、变形量和变形温度而异。亚晶的特点和规律都可以从位错理论得到满意的解释。图3.5在亚晶堆积的同号位错示意图亚结构与加工硬化和再结晶成核有密切关系。三、冷变形与位错冷变形过程中，变形程度增加，材料位错密度。变形金属中位错的数量、分布和组态要受到许多因素的影响。A.层错能B.空位C.第二相质点D.变形温度E.应变速率F.晶粒大小奇尔斯特(Christ)根据实验资料提出了位错密度和晶粒大小的数量关系：式中d-晶粒直径-和应变有关的常数ndbk11nk,,1四、冷变形与织构金属和合金的多晶体一般说来是各向同性的，但经冷变形，出现了带状组织和纤维组织后，就使金属和合金在性能上具有方向性。金属和合金冷变形后，组织结构上还有一个重要的变化，就是可能产生择优取向的多晶体组织，即形成形变织构。A、纤维织构（丝织构）这种类型的织构是单轴变形工艺的特征。纤维织构的特点在于指数低的结晶学方向平行于轴向，体心立方金属的丝织构为110，无论其成分和纯度如何变化，其丝织构一般是相同的；面心立方金属的丝织构有111和100，其组成变化是与试样内杂质、加工条件及材料内原始取向有关；B、轧制织构（板织构）轧制织构不仅有平行于轧制方向的特殊结晶学方向，而且在轧制面上还有一个低指数平面。面心立方晶格金属和合金有相当简单而又显著的轧制织构，这就是{110}112；同时带有各不相同的大量次级织构，在铜金属中，直到变形很大而接近{112}111时，这些次级织构还都是杂乱的。次级织构对再结晶织构退火的生长有影响。体心立方晶格金属最主要的择优取向是轧制平面内的立方体平面{001}110，而且还有其它织构类型，如{112}110和{111}112。密排六方晶格金属通常会使底面平行于轧制平面和密排方向11-20平行于轧制方向。交叉轧制对织构有影响。对于不同晶体结构的材料，其影响是不同的。大量的研究表明：在面心立方晶格金属中，堆垛层错能对决定变形织构起一定作用。高纯度铜轧制织构测定表明没有形成任何简单织构，可以用{146}211织构类型作出最好的描述。纯银在轧制期间形成一个{110}112简单织构，这种织构称为“黄铜”织构。织构的形成是与温度有关的。提高变形温度，促进铜型织构而不利于黄铜型织构，以致于堆垛层错能很低的金属或合金，仅当提高温度（如达到0.5TM）时，才能保持黄铜织构。在织构转变中，特别注意的是：黄铜织构{110}112是在所有面心立方晶格金属中小变形时首先形成的。但是对于同样的变形工艺，在堆垛层错能高的金属中，黄铜织构被较复杂的织构代替。只有堆垛层错能低的金属内才保持最初形成的清晰轮廓织构。如工业用铝经过45%左右压缩变形后，形成{110}112织构，但是又立即由一种近似于{112}111织构所代替。从上面的分析可知，对面心立方金属，在堆垛层错能的高低、交滑移的容易程度和由黄铜型织构到纯金属轧制织构的转变之间，存在着很好的相关性。此外，金属材料在冷变形过程中，晶体可能被破坏，晶内、晶界可能产生微裂纹，甚至宏观裂纹等。多晶体的各个部分，以至于晶粒间甚至晶粒内各部分间的变形是不均匀的，因而变形后材料内部还有残余内应力存在。3.3金属性能的变化点缺陷和层错等晶体缺陷增多，自由能增大。组织结构上这一系列的变化，就会使金属材料的力学性能、物理性能和化学性能发生显著变化。力学性能的变化体现在：冷加工后，金属材料的强度指标增加，塑性指标降低，韧性也降低了。此外，随着变形程度的增加，还可能产生力学性能的方向性。冷加工后，形变材料的物理、化学性能也发生明显变化。经冷变形后的金属，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。同样原因，使金属材料的化学稳定性降低，耐腐蚀性能降低，溶解性增加。3.4冷变形金属的回复阶段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。这三个阶段不是截然分开的，常有部分重叠。回复是指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。回复过程中，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.回复过程中组织结构的变化状态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。其消失至少存在着四种可能的机理：空位迁移到金属的自由表面或晶界而消失；空位与塑性变形所产生的间隙位置原子重新合并而消失；空位与位错发生相互作用而消失；空位聚集成空位片，然后崩塌成位错环而消失。电阻率和密度对空位、间隙位置原子等点缺陷的变化很敏感，而机械性能对这些点缺陷的变化却不很敏感。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。由于位错的移动和攀移等过程的进行，在金属内部形成亚晶。因此，静态回复的后期是空位和位错的进一步消失和亚晶的长大及亚晶的完整过程。亚晶的形成方式主要有：多边化、多系滑移产生的位错的交割和缠结等。回复过程进行的速度与各种因素有关。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。加热温度和加热时间是影响回复速度的外部条件。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。3.5再结晶和晶粒长大一、影响再结晶的主要因素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。由于形变金属的再结晶温度受多种因素影响，所以材料再结晶温度并非固定值。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。2、变形程度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。图3.6开始再结晶温度与图3.7再结晶综合动力曲线预先冷变形量的关系3、微量溶质原子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。不同的溶质元素其提高再结晶温度的程度也不相同。微量溶质元素阻碍再结晶，其原因为何？4、弥散相颗粒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。金属发生冷塑性变形时，基体中的弥散相硬颗粒直径较大、间距较大时，位错在颗粒附近塞积，增大了加工硬化速率，增加了冷变形储存的能量，使再结晶的驱动力增大。此外，位错在颗粒附近的塞积，在基体中产生了许多有利于再结晶形核的局部晶格畸变区，因而促进了再结晶。反之,阻碍再结晶。二、影响再结晶后晶粒大小的主要因素1、变形量的影响当退火工艺一定时，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。当变形量达到一定值时，再结晶后的晶粒特别粗大，此变形程度称为临界变形程度。当变形程度超过临界变形程度以后，变形量越大再结晶后的晶粒越细。2、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。原始晶粒的大小及夹杂的存在都对再结晶后的晶粒大小有影响。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。三、再结晶织构1、基本理论1）定向成核理论该理论认为初次再结晶的核心具有一定的同形变织构有规律地联系着的晶体学取向。2）定向生长理论这个理论的根据是晶界迁移率M和相应的晶界迁移速度明显地依赖于相邻晶粒的相互取向和一系列其它因素。3）定向成核和生长的联合理论研究表明，再结晶核的取向实际上总是按一定的方式与变形基体内形成晶核的局部区域的取向相联系的。核心实际上是在重复这些取向。但是，在织构基体中，不同核心的生长速度是不同的。联合理论能用于以下三种织构变化研究，即：（1）保持了形变织构。（2）形变织构全部或部分地被其它织构所代替。（3）形变织构全部或部分被无序取向的新晶粒所代