冷热变形对金属组织和性能的影响

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。§4-1金属冷态下的塑性变形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。对于密排六方金属，孪生变形起着重要作用。coscos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)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。（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%（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）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发生的再结晶，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。（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）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1）对组织的影响（1）改善晶粒组织，细化晶粒对于铸态金属，粗大的树枝状晶经塑性变形及再结晶而变成等轴（细）晶粒组织；对于经轧制、锻造或挤压的钢坯或型材，在以后的热加工中通过塑性变形与再结晶，其晶粒组织一般也可得到改善。挤压+轧制对Nb棒组织影响1-2T1-3T1-3W1-6W1-6T1-2T1-31-6200mm600mm挤压后下料示意图3800mm5.5级8-10级7-9级8-10级7-9级※下图为TC11钛合金铸锭开坯后，320mm大规格棒材的高低倍组织。TC11合金φ320毫米棒材低倍照片（原始β粗大的网篮组织）※后经过三火加热，8镦8拔，锻后水冷的改锻工艺，低倍为模糊晶，高倍为双态组织。GT25000舰用发动机盘饼坯（直径之半）低倍照片GT25000舰用发动机盘高倍照片（双态组织）（2）锻合内部缺陷铸态金属中疏松、空隙和微裂纹等缺陷被压实，提高金属致密度。锻合经历两个阶段：缺陷区发生塑性变形，使空隙两壁闭合；在压应力作用下，加上高温，使金属焊合成一体。没有足够大的变形，不能实现空隙闭合，很难达到宏观缺陷焊合。足够大三向压应力，能实现微观缺陷锻合。（3）形成纤维组织在热变形过程中，随变形程度增加，钢锭内粗大树枝晶沿主变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也逐渐与主变形方向一致，形成流线。由于再结晶的结果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而流线却很稳定地保留下来直至室温。性能特点：具有各向异性a）纵向（平行纤维方向），韧、塑性增加b）横向（垂直于纤维方向），韧、塑性降低但抗剪切能力显著增强热轧对晶粒组织的影响图4-12钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意低碳钢热加工后的流线吊钩中的流线分布（左）正确（右）不正确FWP-7甲发动机Ⅴ级盘970℃(常规)锻后空冷的低倍流线（4）破碎改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布高速钢、高铬钢、高碳工具钢等，其内部含有大量的碳化物。通过锻造或轧制，可使这些碳化物被打碎、并均匀分布，从而改善了它们对金属基体的削弱作用。2）对性能的影响细化晶粒、锻合内部缺陷、破碎并改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布可提高材料的强度、硬度、塑性和韧性。纤维组织形成，使金属力学性能呈各向异性，沿流线方向比垂直流线方向具有较高的力学性能，其中尤以塑性、韧性指标最为显著。变形类型工艺方法组织变化性能变化冷变形冷轧、拉拔、冷挤压、冷冲压、冷镦晶粒沿变形方向伸长，形成冷加工纤维组织；晶粒破碎，形成亚结构；位错密度增加；晶粒位向趋于一致，形成形变织构。趋于各向异性；强度提高，塑性下降，造成加工硬化。热变形自由锻、模锻、热轧、热挤压焊合铸造组织中存在的气孔，缩松等缺陷；击碎铸造柱状晶粒、粗大枝晶及碳化物，偏析减少，晶粒细化夹杂物沿变形方向伸长，形成流线组织，缓慢冷却可形成带状组织力学性能提高；密度提高；趋于各向异性，沿流线方向力学性能提高塑性变形对金属组织和性能的影响