苏铁健
1. 冷变形金属的组织变化
（1）点缺陷（空位）密度增加位错在外力
作用下攀移的结果；
（2）位错密度增加金属塑性变形时，位错
源在外力作用下不断产生新的位错；
（3）晶粒碎化塑性变形足够大时，出现位
错缠结并进一步发展形成位错胞结构（中心位
错密度低，胞壁处位错密度很高），使得晶粒
分割成很多极小的碎块，称为晶粒碎化；
剧烈冷变形金属中的位错胞
（4）纤维组织随着变形量增加，晶粒沿着最大变形方向伸长，最后成为细条状，这种变形组织称为纤维组织；
（5）变形织构塑性变形量足够大时，各软取向晶粒逐渐转向为硬取向晶粒，各晶粒的取向逐渐趋向一致，这种组织称为变形织构。
变形前变形后的纤维组织变形织构
1）加工硬化金属随着变形量增加，其强度与硬度增加，塑性降低的现象。
原因：塑性变形中位错密度和点缺陷密度增加，使得位错滑移更为困难；软取向晶粒朝着硬取向变化。
加工硬化是不能用热处理强化的金属材料（如奥氏体不锈钢制品）提高强度的主要途径。
2）产生残余应力塑性变形在宏观和微观上的不均匀性，造成卸载后仍在其内部留存应力，称为残余应力。根据其作用范围大小分为：
宏观残余应力（第一类残余应力）遍及整个材料
微观残余应力（第二类残余应力）晶粒尺度
点阵畸变（第三类残余应力）晶粒内部
第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力一般都使金属强度降低。
3）出现各向异性
塑性变形产生的各晶粒取向趋于一致的组
织，即变形织构，导致其力学、物理等性能呈
现方向性（不同方向性能不同）。
板料的织构使板料沿不同方向变形不均匀，冲压
成的零件边缘出现凹凸不平的形状，称为制耳现象。
板料冲压件的制耳现象
4）物理、化学变化
电阻率提高；密度下降；耐蚀性降低。
加热会增强原子的活动能力，使金属的组织和性能会通过回复、再结晶等一系列变化过程重新回到冷变形前的状态。
1）回复组织变化——加热温度较低时，原子将获得一定扩散能力。通过原子的扩散，点缺陷密度下降，位错形成亚晶界。金属能够发生回复的最低温度称为该金属的回复温度，大约是0.25~0.3T熔。
在工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留了加工硬化，这种热处理方法称为
去应力退火。
2）再结晶组织变化——当冷变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒通过形核与晶核长大，变为完整的等轴晶粒。再结晶不是相变过程。
由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。
发生再结晶也有一最低温度，
称为再结晶温度，大约是0.4T熔。
3）晶粒长大组织与性能变化——再结晶完成后，若加热温度继续升高或延长加热时间，将发生晶粒长大。这是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。而晶粒粗大会使金属的强度有所降低。
1）热变形金属在最低再结晶温度以上进行的变形，变形中有再结晶现象。又称热加工。在最低再结晶温度以下进行的变形称为冷变形或者冷加工。
冷变形（冷轧）热变形（热轧）
2）高温蠕变材料在高温下长时间加载时发生的缓慢塑性变形过程。
1）热变形
变形过程中，加工硬化与再结晶软化同时进行。
完全热变形变形时，加工硬化组织被再结晶软化完全消除。
不完全热变形如果变形温度较低而变形速率较高，加工硬化组织则不能完全被再结晶软化消除，变形后仍残留硬化组织。不完全热变形变形抗力较低，产品精度和表面光洁度较高。
1）热变形Array“流线”热加工使铸态金属中的非
金属夹杂物沿变形方向伸长，形成彼
此平行的宏观条纹，称作流线，由这
种流线体现的组织称纤维组织。纤维
组织使钢产生各向异性，与流线平行
的方向强度高，而与其垂直的方向强
度低。在制定加工工艺时，应使流线
曲轴中的流线分布分布合理，尽量与拉应力方向一致。
2）高温蠕变
蠕变是金属在长时间较高温度
下（相对于其熔点）恒载荷作用
时发生的缓慢塑性变形现象。其
典型的蠕变过程可用右图的蠕变
曲线表示。
起始伸长率
蠕变三阶段
第Ⅰ阶段：减速蠕变阶段
第Ⅱ阶段：恒速蠕变阶段
第Ⅲ阶段：加速蠕变阶段
起始伸长率
蠕变机制
?位错滑移高温下更容易克服短程障碍。
?原子扩散高温下空位从压应力区定向扩散至拉应力区。?晶界滑动高温下晶界弱化，容易滑动。
实验五金属的冷塑性变形与再结晶 陈灵 一、实验目的 1.了解金属经冷塑性变形与再结晶后的显微组织变化。 2.了解变形程度对金属再结晶晶粒度的影响。 二、实验说明 当作用于金属的外力超过其屈服极限时金属产生塑性变形，使金属的外部尺寸，内部组织及其性能发生变化。 1. 冷塑性变形对金属组织与性能的影响 若金属在再结晶温度以下进行塑性变形，称为冷塑性变形。冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸，而且还将引起金属组织与性能的变化。 金属在发生塑性变形时，随着外形的变化，其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为沿变形方向伸长的晶粒，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带。当变形程度很大时，晶粒被显著地拉成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。同时，随着变形程度的加剧，原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得近于一致的位向，而形成了形变织构，使金属材料的性能呈现出明显的各向异性。图5-1为工业纯铁经不同程度变形的显微组织。 图5-1 工业纯铁冷塑性变形后组织150× a)变形程度20% b)变形程度50% c)变形程度70%
金属经冷塑性变形后，会使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。此外，在金属内部还产生残余应力。一般情况下，残余应力不仅降低了金属的承载能力，而且还会使工件的形状与尺寸发生变化。 2. 冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化 金属经冷塑性变形后，由于其内部亚结构细化、晶格畸变等原因，处于不稳定状态，具有自发地恢复到稳定状态的趋势。但在室温下，由于原子活动能力不足，恢复过程不易进行。若对其加热，因原子活动能力增强，就会使组织与性能发生一系列的变化。 （1）回复：当加热温度较低时，原子活动能力尚低，故冷变形金属的显微组织无明显变化，仍保持着纤维组织的特征。此时，因晶格畸变已减轻，使残余应力显著下降。但造成加工硬化的主要原因未消除，故其力学性能变化不大。 （2）再结晶：当加热温度较高时，将首先在变形晶粒的晶界或滑移带、孪晶带等晶格畸变严重的地带，通过形核与长大方式进行再结晶，图5-2反映了冷塑性变形工业纯铁的再结晶过程的显微组织。冷变形金属在再结晶后获得了新的等轴晶粒，因而消除了冷加工纤维组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形前的状态。 图5-2 工业纯铁再结晶过程的显微组织150× a)550℃再结晶b)600℃再结晶c) 850℃再结晶 金属的再结晶过程是在一定温度范围内进行的。通常把变形程度在70%以上的冷变形金属经1h加热能完全再结晶的最低温度，定为再结晶温度。实验证明，金属的熔点愈高，在其他条件相同时，其再结晶温度也愈高。金属的再结晶温度(T再)与其熔点(T熔)间的关系，
金属材料热处理变形原因及防止变形的技术措施 摘要：在金属加工制造行业中，对热处理技术进行应用，能够从根本上实现对金属物理性质、化学性质的提升，满足了当前各项工业生产、制造事宜。在调查中发现，当前金属材料的热处理工作，主要山金属加热、保温和冷却等儿项工作流程所构成，但山于金属热处理工艺对于整体的工作环境、技术应用有着较高标准的要求，所以在实际操作的过程中，材料时常会发生变形的问题，这就需要相关工作人员在传统金属加工制造的基础上，实现热处理工艺技术的高效化应用，提升我国金属材料加工制造的整体质量与水平，进而推动社会的发展。 关键词：金属材料；热处理变形原因；防止变形 对于金属工件而言，基本的变形问题主要集中在尺寸变形以及形状变形两方面，但是，无论是哪种变形情况，都和热处理过程导致的工件内部应力息息相关。结合内应力的相关因素对问题因素进行分析，从而制定具有针对性的监督和管控措施，就能从根本上减少金属材料热处理变形和开裂导致的工件质量缺失性问题。 1金属材料性能分析 在当前的社会生产生活中，金属材料的应用范圉十分的广泛。曲于金属材料具有韧性强、塑性好以及高强度的特点，因此其在诸多行业中均有所应用。当前常用的金属材料主要包括两种：即多孔金属材料以及纳米金属材料。纳米金属材料：一般情况下，只有物质的尺寸达到了纳米的级别，那么该物质的物理性质和化学性质均会发生改变。在分析与研究金属材料性能的过程中，主要分析金属材料的如下两种性能：其一，硬度。一般情况下，金属材料的硬度主要指的是金属材料的抗击能力。其二，耐久性。耐久性能和腐蚀性是金属材料需要着重考虑的一对因素。在应用金属材料的过程中不可避免的会受到各种物质的腐蚀，山此就会导致金属材料出现缝隙等问题。 2金属材料热处理变形的影响因素 在对金属材料热处理变形的影响因素进行探究时，工作人员需要对金属材料热处理过程中各项工艺技术特点，进行全面化的掌握，并在此基础上，釆取一些具有针对性的改善措施，进而才能实现对金属材料变形的有效控制，也为金属材料热处理过程中变形控制工作的开展，起到了一定的促进作用。在对金属材料进行热处理的过程中，山于材料自身的密度构成、结构特点，以及在外界因素的影响下，材料本身可能会出现不等时性、冷热分布不均匀的问题。在金属材料受热的过程中，温度会发生较为明显的变化，这就会使金属材料内部结构的受力情况发生改变，金属材料变形的儿率增大，而这种山于内部应力分布所导致的变形，被称之为是内应力塑性变形。这种变形的特征性较为明显，会表现岀一定的方向性，且发生的频率较高，每一次对金属材料进行热加工，都会对其内部应力结构造成改变，进行热处理的频率越高，内部应力的变化情况越明显。在一般情况下, 金属材料的内应力一般被分成热应力和组织应力变形着两类，在相应的温度条件下，对金属材料展开加热、冷却操作后，可以获得纯热应力变形，组织应力变形和金属材料自身的性能、形状，以及加热冷却方式有着紧密的关联。从实际的操作流程中可以了解到，要想对金属材料的使用性能进行高效化的提升，整个热处理工序将会包含较多的工艺内容，并且在操作过程中，需要根据金属材料的种类、操作规范展开适当的调整，收集各项参数内容。但是在实际执行过程中，山于我国在温度控制、监测精度方面具备局限性，所以温度监测精度难以得到有效的把控，一旦在热处理过程中对温度的控制未能合理实现，那么就会导致比容变形的问题发生，增加金属材料变形儿率。 3金属材料热处理变形控制时需要遵循的原则
金属材料与热处理陈健 晶体的缺陷第二章金属材料的性能 ⑴了解金属材料的失效形式， ⑵了解塑性变形的基本原理， ⑶提高对金属材料的性能的认识。 正确理解载荷，内力、应力的含义。 应力的应用意义。 ⑴与变形相关的概念 ⑵金属的变形 讲授、提问引导、图片展示、举例分析、
一，晶体的缺陷： 1点缺陷：间隙原子，空位原子，置代原子，在材料上表现为：使材料强度，硬度和电阻增加。 2线缺陷：刃位错（如图：P-6），在材料上表现为：使得金属材料的塑性变形更加容易。 3面缺陷：有晶界面缺陷和亚晶界面缺陷，表现为金属的塑性变形阻力增大，内部具有更高的强度和硬度。因此晶界越多，金属材料的力学性能越好。 第二章金属材料的性能 导入新课： 我们经常见到一些机械零件因受力过大被破坏，而失去了工作能力。大家能否举些身边的例子呢？ ——如：弯曲的自行车辐条，断掉的锯条、滑牙的螺栓等。 机械零件常见的损坏形式有三种： 变形：如铁钉的弯曲。 断裂：如刀具的断崩。 磨损：如螺栓的滑扣。 本次课给大家介绍金属材料损坏的形式、变形概念与本质等等，首先我们来了解一些基本概念。
一、与变形相关的概念 ㈠、载荷 1、概念 金属材料在加工及使用过程中所受的外力。 2、分类：根据载荷作用性质分，三种： ⑴、静载荷：大小不变或变化过程缓慢的载荷。 ——如：桌上粉笔盒的受力，用双手拉住一根粉笔两端慢慢施力等。 ⑵、冲击载荷：突然增加的载荷。 ——如：用一只手捏住粉笔的一端，然后用手去弹击粉笔。 ⑶、变交载荷：大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。 ——如：通过在黑板上绘图分析自行车轮转动时辐条的受力。 根据载荷作用形式分，载荷又可以分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭曲载荷等。 拉伸载荷压缩载荷弯曲载荷 剪切载荷扭曲载荷 ㈡、内力 见车工工艺书 P32， 图2—20
实验名称：金属的塑性变形与再结晶实验类型： 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、实验步骤与实验结果（必填） 五、讨论、心得（必填） 一、实验目的 1.了解冷塑性变形对金属材料的内部组织与性能的影响； 2.了解变形度对金属再结晶退火后晶粒大小的影响。 二、实验原理 金属塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种。在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对于另一部分滑动，这种变形方式称为滑移；在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对另一部分产生剪切变形，且变形部分与未变形部分的位向形成了镜面对称关系，这种变形方式称为孪生。 (一) 冷塑性变形对金属组织与性能的影响 若金属在再结晶温度以下进行塑性变形，称为冷塑性变形。冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸，而且还将引起金属组织与性能的变化。金属在发生塑性变形时，随着外形的变化，其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为沿变形方向伸长的晶粒，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带。当变形程度很大时，晶粒被显著地拉成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。同时，随着变形程度的加剧，原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得近于一致的位向，而形成了形变织构，使金属材料的性能呈现出明显的各向异性。金属经冷塑性变形后，会使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。 (二) 冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化 金属经冷塑性变形后，由于其内部亚结构细化、晶格畸变等原因，处于不稳定状态，具有自发地恢复到稳定状态的趋势。但在室温下，由于原子活动能力不足，恢复过程不易进行。若对其加热，因原子活动能力增强，就会使组织与性能发生一系列的变化。 1．回复当加热温度较低时，原子活动能力尚低，故冷变形金属的显微组织无明显变化，仍保持着纤组织的特征。此时，因晶格畸变已减轻，使残余应力显著下降。但造成加工硬化的主要原因未消除，故其机械性能变化不大。 2．再结晶当加热温度较高时，将首先在变形晶粒的晶界或滑移带、孪晶带等晶格畸变严重的地带，通过晶核与长大方式进行再结晶。冷变形金属在再结晶后获得了新的等轴晶粒，因而消除了冷加工纤维组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形前的状态。 金属的再结晶过程是在一定温度范围内进行的。通常把变形程度在70%以上的冷变形金属经1h加热能完全再结晶的最低温度，定为再结晶渡。实验证明，金属的熔点愈高，在其他条件相同时，其再结晶温度也愈高。金属的再结晶温度(T再)与其熔点(T熔)间的关系，大致可用下式表示： T再≈0.4 T熔 3．晶粒长大冷变形金属再结晶后，一般都得到细小均匀的等轴晶粒。但继续升高加热温度或延长保温时间，再结晶后的晶粒又会逐渐长大，使晶粒粗化。 (三) 变形程度对金属再结晶后晶粒度的影响 冷变形金属再结晶后晶粒度除与加热温度、保温时间有关外，还与金属的预先变形程度有关。金属再结晶后的晶粒度与其预先变形程度间的关系如下图所示：
金属材料性能知识大汇总 1、关于拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线的问题 低碳钢的应力－应变曲线 a、拉伸过程的变形：弹性变形，屈服变形，加工硬化（均匀塑性变形），不均匀集中塑性变形。 b、相关公式：工程应力σ=F/A0；工程应变ε=ΔL/L0；比例极限σP；弹性极限σ ε；屈服点σS；抗拉强度σb；断裂强度σk。 真应变e=ln(L/L0)=ln(1+ε) ；真应力s=σ(1+ε)= σ*eε指数e为真应变。 c、相关理论：真应变总是小于工程应变，且变形量越大，二者差距越大；真应力大于工程应力。弹性变形阶段，真应力—真应变曲线和应力—应变曲线基本吻合；塑性变形阶段两者出线显著差异。
2、关于弹性变形的问题 a、相关概念 弹性：表征材料弹性变形的能力 刚度：表征材料弹性变形的抗力 弹性模量：反映弹性变形应力和应变关系的常数，E=σ/ε；工程上也称刚度，表征材料对弹性变形的抗力。 弹性比功：称弹性比能或应变比能，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，评价材料弹性的好坏。 包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形，再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。 滞弹性：（弹性后效）是指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。 弹性滞后环：非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线。 金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫内耗 b、相关理论： 弹性变形都是可逆的。 理想弹性变形具有单值性、可逆性，瞬时性。但由于实际金属为多晶体并存在各种缺陷，弹性变形时，并不是完整的。 弹性变形本质是构成材料的原子或离子或分子自平衡位置产生可逆变形的反映
金属塑性变形与断裂集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
金属材料塑性变形与断裂的关系 摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。 关键词：塑性变形解理断裂准解理断裂沿晶断裂冷脆疲劳应力腐蚀 氢脆高温断裂 一、解理断裂与塑变的关系 解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。 第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。
第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。 从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。 二、准解理断裂与塑变的关系 准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。产生原因： （1）、从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的组织，回火温度低，易产生此类断裂。 （2）、构件的工作温度与钢材的脆性转折温度基本相同。 （3）、构件的薄弱环节处处于平面应变状态。 （4）、材料的尺寸比较粗大。 （5）、回火马氏体组织的缺陷，如碳化物在回火时的定向析出。 准解理断裂往往开始是因为碳化物，析出物或者夹杂物在外力作用下产生裂纹，然后沿某一晶面解理扩展，之后以塑性变形方式撕裂，其断裂面上显现有较大的塑性变形，特征是断口上存在由于几个地方的小裂纹分别扩展相遇发生塑性撕裂而形成的撕裂岭。准解理断裂面不是一
第四章塑性变形（含答案） 一、填空题（在空白处填上正确的内容） 1、晶体中能够产生滑移的晶面与晶向分别称为________和________，若晶体中这种晶面与晶向越多，则金属的塑性变形能力越________。 答案：滑移面、滑移方向、好（强） 2、金属的再结晶温度不仅与金属本身的________有关，还与变形度有关，这种变形度越大，则再结晶温度越________。 答案：熔点、低 3、晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象称为________。答案：滑移 4、由于________和________的影响，多晶体有比单晶体更高的塑性变形抗力。 答案：晶界、晶粒位向（晶粒取向各异） 5、生产中消除加工硬化的方法是________。 答案：再结晶退火 6、在生产实践中，经冷变形的金属进行再结晶退火后继续升高温度会发生________现象。答案：晶粒长大 7、金属塑性变形后其内部存在着残留内应力，其中________内应力是产生加工硬化的主要原因。 答案：第三类（超微观） 8、纯铜经几次冷拔后，若继续冷拔会容易断裂，为便于继续拉拔必须进行________。 答案：再结晶退火 9、金属热加工时产生的________现象随时被再结晶过程产生的软化所抵消，因而热加工带来的强化效果不显著。 答案：加工硬化 10、纯铜的熔点是1083℃，根据再结晶温度的计算方法，它的最低再结晶温度是________。答案： 269℃ 11、常温下，金属单晶体塑性变形方式有________和________两种。 答案：滑移、孪生 12、金属产生加工硬化后会使强度________，硬度________；塑性________，韧性________。答案：提高、提高、降低、降低 13、为了合理地利用纤维组织，正应力应________纤维方向，切应力应________纤维方向。答案：平行（于）、垂直（于） 14、金属单晶体塑性变形有________和________两种不同形式。 答案：滑移、孪生 15、经过塑性变形的金属，在随后的加热过程中，其组织、性能和内应力将发生一系列变化。大致可将这些变化分为________、________和________。 答案：回复、再结晶、晶粒长大 16、所谓冷加工是指金属在________以下进行的塑性变形。 答案：再结晶温度
实验3. 金属冷变形及再结晶对组织和性能的影响 一、实验概述 金属塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种。在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对于另一部分滑动，这种变形方式称为滑移；在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对另一部分产生剪切变形，且变形部分与未变形部分的位向形成了镜面对称关系，这种变形方式称为孪生。 (一) 冷塑性变形对金属组织与性能的影响 若金属在再结晶温度以下进行塑性变形，称为冷塑性变形。冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸，而且还将引起金属组织与性能的变化。 金属在发生塑性变形时，随着外形的变化，其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为沿变形方向伸长的晶粒，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带。当变形程度很大时，晶粒被显著地拉成纤维状，这种组织称为冷加工纤维组织。同时，随着变形程度的加剧，原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得近于一致的位向，而形成了形变织构，使金属材料的性能呈现出明显的各向异性。图6-1为工业纯铁经不同程度变形的显微组织。 图6-1 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% 金属经冷塑性变形后，会使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为加工硬化。此外，在金属内部还产生残余应力。一般情况下，残余应力不仅降低了金属的承载能力，而且还会使工件的形状与尺寸发生变化。 (二) 冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化 金属经冷塑性变形后，由于其内部亚结构细化、晶格畸变等原因，处于不稳定状态，具有自发地恢复到稳定状态的趋势。但在室温下，由于原子活动能力不足，恢复过程不易进行。若对其加热，因原子活动能力增强，就会使组织与性能发生一系列的变化。 1．回复当加热温度较低时，原子活动能力尚低，故冷变形金属的显微组织无明显变化，仍保持着纤组织的特征。此时，因晶格畸变已减轻，使残余应力显著下降。但造成加工硬化的主要原因未消除，故其机械性能变化不大。 2．再结晶当加热温度较高时，将首先在变形晶粒的晶界或滑移带、孪晶带等晶格畸变严重的地带，通过形核与长大方式进行再结晶，图6-2反映了冷塑性变形工业纯铁的再结晶过程的显微组织。冷变形金属在再结晶后获得了新的等轴晶粒，因而消除了冷加工纤维组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形前的状态。 图6-2 工业纯铁再结晶过程的显微组织(150X)
塑性变形对金属组织和性能的影响 1. 塑性变形对金属组织结构的影响 （1）晶粒发生变形金属发生塑性变形后,晶粒沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时, 晶粒变成细条状(拉伸时), 金属中的夹杂物也被拉长, 形成纤维组织。 变形前后晶粒形状变化示意图 （2）亚结构形成金属经大的塑性变形时, 由于位错的密度增大和发生交互作用, 大量位错堆积在局部地区, 并相互缠结, 形成不均匀的分布, 使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块, 而在晶粒内产生亚晶粒。 金属经变形后的亚结构 （3）形变织构产生金属塑性变形到很大程度(70%以上)时, 由于晶粒发生转动, 使各晶粒的位向趋近于一致, 形成特殊的择优取向, 这种有序化的结构叫做形变织构。形变织构一般分两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向, 称为丝织构, 例如低碳钢经高度冷拔后, 其<100>平行于拔丝方向; 另
一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向, 称为板织构, 低碳钢的板织构为{001}<110>。 形变织构示意图 2. 塑性变形对金属性能的影响 （1）形变强化金属发生塑性变形, 随变形度的增大, 金属的强度和硬度显著提高, 塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化, 也叫形变强化。 产生加工硬化的原因是：金属发生塑性变形时, 位错密度增加, 位错间的交互作用增强, 相互缠结, 造成位错运动阻力的增大, 引起塑性变形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎细化, 使强度得以提高。在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。 （2）产生各向异性由于纤维组织和形变织构的形成, 使金属的性能产生各向异性。如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的。用有织构的板材冲制筒形零件时, 即由于在不同方向上塑性差别很大, 零件的边缘出现“制耳”。在某些情况下, 织构的各向异性也有好处。制造变压器铁芯的硅钢片, 因沿[100]方向最易磁化, 采用这种织构可使铁损大大减小, 因而变压器的效率大大提高。
二、金属的塑性变形 材料受力后要发生变形，变形可分为三个阶段：弹性变形；弹－塑性变形；断裂。外力较小时产生弹性变形，外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。在整个变形过程中，对材料组织、性能影响最大的是弹－塑性阶段的塑性变形部分。如：锻造、轧制、拉拔、挤压、冲压等生产上的许多加工方法，都要求使金属产生变形，一方面获得所要求的形状及尺寸，另一方面可引起金属内部组织和结构的变化，从而获得所要求的性能。因此研究塑性变形特征与组织结构之间相互关系的规律性，具有重要的理论和实际意义。 弹性变形(Elastic Deformation) 1.1 弹性变形特征(Character of Elastic Deformation) 1．变形是可逆的； 2．应力与应变保持单值线性函数关系，符合Hooke定律：σ＝Eε，τ＝Gγ，G＝E/2(1-ν) 3．弹性变形量随材料的不同而异。 1.2 弹性的不完整性(Imperfection of Elastane) 工程上应用的材料为多晶体，内部存在各种类型的缺陷，弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变的发展跟不上应力的变化等现象，称为弹性的不完整性，包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后等。 1．包申格效应(Bauschinger effect) 现象：下图为退火轧制黄铜在不同载荷条件下弹性极限的变化情况。 曲线A：初次拉伸曲线，σe＝240Pa 曲线B：初次压缩曲线，σe＝178Pa 曲线C：B再压缩曲线，σe↑，σe＝278Pa 曲线D：第二次拉伸曲线，σe↓，σe＝85Pa 可见：B、C为同向加载，σe↑；C、D为反向加载，σe↓。 定义：材料经预先加载产生少量塑性变形,然后同向加载则σe升高，反向加载则σe降低的现象，称为包申格效应。对承受应变疲劳的工件是很重要的。 2．弹性后效(Anelasticity) 理想晶体(Perfect crystals)：
苏铁健
1. 冷变形金属的组织变化 （1）点缺陷（空位）密度增加位错在外力 作用下攀移的结果； （2）位错密度增加金属塑性变形时，位错 源在外力作用下不断产生新的位错； （3）晶粒碎化塑性变形足够大时，出现位 错缠结并进一步发展形成位错胞结构（中心位 错密度低，胞壁处位错密度很高），使得晶粒 分割成很多极小的碎块，称为晶粒碎化； 剧烈冷变形金属中的位错胞
（4）纤维组织随着变形量增加，晶粒沿着最大变形方向伸长，最后成为细条状，这种变形组织称为纤维组织； （5）变形织构塑性变形量足够大时，各软取向晶粒逐渐转向为硬取向晶粒，各晶粒的取向逐渐趋向一致，这种组织称为变形织构。 变形前变形后的纤维组织变形织构
1）加工硬化金属随着变形量增加，其强度与硬度增加，塑性降低的现象。 原因：塑性变形中位错密度和点缺陷密度增加，使得位错滑移更为困难；软取向晶粒朝着硬取向变化。 加工硬化是不能用热处理强化的金属材料（如奥氏体不锈钢制品）提高强度的主要途径。
2）产生残余应力塑性变形在宏观和微观上的不均匀性，造成卸载后仍在其内部留存应力，称为残余应力。根据其作用范围大小分为： 宏观残余应力（第一类残余应力）遍及整个材料 微观残余应力（第二类残余应力）晶粒尺度 点阵畸变（第三类残余应力）晶粒内部 第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力一般都使金属强度降低。
3）出现各向异性 塑性变形产生的各晶粒取向趋于一致的组 织，即变形织构，导致其力学、物理等性能呈 现方向性（不同方向性能不同）。 板料的织构使板料沿不同方向变形不均匀，冲压 成的零件边缘出现凹凸不平的形状，称为制耳现象。 板料冲压件的制耳现象
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。位错运动时的相互交割加剧，产生位错塞积群，割阶，缠结网等障碍，阻碍位错的进一步运动，引起变形抗力增加，从而提高了硬度。同时金属的物理化学性能也会发生变化。如使金属的比电阻增加，电阻温度系数下降，导热系数也略有下降。塑性变形也使导磁率，磁饱和度下降，但磁滞和矫顽力增加。塑性变形提高金属的内能，使化学活性提高，腐蚀速度加快。塑性变形后由于金属中晶体缺陷增加，因而扩散激活能减少，扩散速度增加。 2.热塑性变形对金属组织和性能的影响 热变形由于温度较高，会对金属内部的组织造成不同于冷加工的变化。 首先热加工可以改善金属中的铸态组织的缺陷如缩孔，疏松，空隙，气泡等。其次热塑性变形还可以细化晶粒。铸态金属中的柱状晶和粗大的等轴晶经锻造或轧制等热变形和对再结晶的有效控制，可变为较细小均匀的等轴晶粒。变形金属中（如各种坯料）的粗大不均匀
冷变形金属的再结晶的观察和分析 张问 冷形变金属处于高能量的不稳定状态，力求在适当的条件下过渡到无畸变能（形变储存能）的更稳定状态。在室温或远低于材料的再结晶温度的条件下，原子活动能力不足，冷变形状态的组织和性能可以长时间维持不变；退火加热则为上述向更稳定状态的过渡创造了外界条件，从而可能出现回复、再结晶和晶粒长大等组织变化及相应的性能变化过程。回复是在新的无畸变晶粒出现之前的退火过程。在回复阶段，光学显微镜下尚看不出冷形变晶粒组织形貌的明显变化，但通过点缺陷的运动和消失，位错的调整、对消、攀移，亚晶的长大、合并以及多边形化等方式导致变形储存能的部分释放，导致材料的宏观性能开始发生变化。 再结晶是在退火加热时无畸变晶粒在冷形变后的畸变基体中的生核和晶核长大的过程，是一个显微组织彻底重新改组的过程（但不会导致晶体结构类型的改变），在光学显微镜下即可清楚的观测再结晶过程中显微组织的明显变化。退火加热时的再结晶阶段也是位错密度显著下降、储存能释放最快、材料宏观性能变化最激烈的阶段，可以一直进行到畸变基体被完全消耗掉为止。回复和再结晶导致的材料硬度下降总量中，回复阶段仅约占1/5，再结晶阶段则高达约4/5。材料强度的变化亦与此类似[1]。 1 实验材料及方法 1.1实验材料 变形60％的黄铜，分别于270Ｃ，350Ｃ，550Ｃ，750Ｃ退火30min后组织变化 变形68％的纯铁，在560Ｃ分别保温9，12，20，27，38，42min的组织变化 变形68％的纯铁，分别于200Ｃ，300Ｃ，400Ｃ，500Ｃ，600Ｃ，700Ｃ退火1小时形变量不同，退火温度和时间相同的铝片一组 金相显微镜，TH320全洛氏硬度计 1.2实验方法 用金相显微镜直接观察不同退火温度的纯铜和不同退火时间的纯铁组织。用肉眼直接观察不同形变量的纯铝组织。 用洛氏硬度计测量不同退火温度的纯铁，每组测量8个数据，处理时舍去第一个数据。 1.选取纯铜合适区域放在样品台上，摩擦样品下表面使与样品台紧密接触； 2.缓慢转动手轮至样品与测试触头接触，直至显示屏箭头完全指向右方； 3.等待仪器自动加载及卸载，读取数据； 4.重复测量8组 2 实验结果 2.1纯铝 纯铝的晶粒随着变形量的增加逐渐变细增多。 2.2纯铁 分组进行纯铁的硬度测试，测试结果见表1，利用Origin作图，见图1： Table 1 Hardness of pure iron with different annealing temperatures 表1不同退火温度的纯铁硬度 temperature 200℃300℃400℃500℃600℃700℃ /hardness 1 92.1 91.9 87.3 85. 2 57.5 64.7
第五章金属及合金的塑性变形与断裂一名词解释 固溶强化，应变时效，孪生，临界分切应力，变形织构 固溶强化：固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高，应力－应变曲线升高，塑性下降的现象； 应变时效：具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后，在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况； 孪生：金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另外一部分晶体作均匀的切变，使相邻两部分的晶体取向不同，以孪晶面为对称面形成镜像对称，孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。形成孪晶的过程称为孪生； 临界分切应力：金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最小
分切应力； 变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构。 二填空题 1．从刃型位错的结构模型分析，滑移的 移面为{111}，滑移系方向为<110>，构成12 个滑移系。P166. 3. 加工硬化现象是指随变形度的增 大，金属强度和硬度显著 提高而塑性和韧性显著下降的现象 ，加工硬化的结果，使金属对塑性变形的抗力增大，造成加工硬化的
根本原因是位错密度提高，变形抗 力增大。 4．影响多晶体塑性变形的两个主要因素是晶界、晶格位向差。 5．金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生，冷变形后金属的 强度增大，塑性降低。6．常温下使用的金属材料以细小晶粒为好，而高温下使用的金属材 料以粗一些晶粒为好。对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。因为在高温下原子沿晶界 的扩散比晶内快，晶界对变形的阻 力大为减弱而致 7．内应力可分为宏观内应力、微观内应力、点阵畸变三种。 三判断题 1．晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。（√） 2 在体心立方晶格中，滑移面为｛111｝×6，滑移方向为〈110〉×2，所以其滑
实验五冷塑性变形对金属再结晶退火前后 显微组织影响 一、 实验目的 1、认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化； 2、研究形变程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。 二、实验说明 1、金属冷塑性变形后的显微组织和性能变化 金属冷塑性变形为金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。金属在发生塑性变形时，外观和尺寸发生了永久性变化，其内部晶粒由原来的等轴晶逐渐沿加工方向伸长，在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带，当变形程度很大时，晶界消失，晶粒被拉成纤维状。相应的，金属材料的硬度、强度、矫顽力和电阻等性能增加，而塑性、韧性和抗腐蚀性降低。这一现象称为加工硬化。 为了观察滑移带，通常将已抛光并侵蚀的试样经适量的塑性变形后再进行显微组织观察。注意：在显微镜下滑移带与磨痕是不同的，一般磨痕穿过晶界，其方向不变，而滑移带出现在晶粒内部，并且一般不穿过晶界。 2、冷塑性变形后金属加热时的显微组织与性能变化 金属经冷塑性变形后，在加热时随着加热温度的升高会发生回复、再结晶、和晶粒长大。（1）回复当加热温度较低时原子活动能力尚低，金属显微组织无明显变化，仍保持纤维组织的特征。但晶格畸变已减轻，残余应力显著下降。但加工硬化还在，固其机械性能变化不大。 （2）再结晶金属加热到再结晶温度以上，组织发生显著变化。首先在形变大的部位（晶界、滑移带、孪晶等）形成等轴晶粒的核，然后这些晶核依靠消除原来伸长的晶粒而长大，最后原来变形的晶粒完全被新的等轴晶粒所代替，这一过程为再结晶。由于金属通过再结晶获得新的等轴晶粒，因而消除了冷加工显微组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形以前的状态。 金属的再结晶过程是在一定的温度范围能进行的，通常规定在一小时内再结晶完成95％所对应的温度为再结晶温度，实验证明，金属熔点越高，再结晶温度越高，其关系大致为：T＝0.4T熔。 （3）晶粒长大再结晶完成后，继续升温（或保温），则等轴晶粒以并容的方式聚集长大，温度越高，晶粒越大。当再结晶退火温度一定时，变形量大小对再结晶的晶粒大小起决定性的影响。当变形量很小时晶粒大小毫不变化。当达到某一变形量时，再结晶获得异常粗大的晶粒，对应着一组大晶粒的变形度，称为临界变形度。一般铁5-10％，钢约为5％，铝2-3％。由于粗大晶粒将显著降低金属的机械性能，故应避免金属材料在临界变形程度范围内进行压力加工。超过临界变形量，由于各晶粒变形愈趋均匀，再结晶时形核率愈大，因而再结晶的晶粒越细。 三、实验设备及材料 1、拉力试验机、加热炉、吹风机； 2、工业纯铝片一套（试样尺寸200х101mm）、NaON碱液、王水。 四、实验内容及步骤 1、每组一套铝片，经350℃、30ˊ退火，以消除内应力； 2、于铝片两端打上组号，在其中部垂直纵轴的方向画两条相距100mm的平行线，定出原始 长度L0； 3、按规定的变形量在拉伸机上进行拉伸
金属材料冷变形与退火过程的组织和性能分析 张问 作为对于力作用的响应，材料发生的几何形状和尺寸的变化称为变形。根据除去载荷后材料是否恢复到原始形状和尺寸，变形由可分为弹性变形和索性百年行。本实验进行观察的是塑性变形对材料微观组织和力学性能的影响规律，且仅涉及在低于材料再结晶温度的条件下以滑移、孪生等基本形式发生的塑性变形，因为材料冷变形所引起的组织结构变化和力学性能变化可以在变形后保留下来。 首先，冷形变导致晶粒组织呈现方向性，且其程度随变形量的增大而增大。在形变前显微组织为等轴晶粒，经受较大程度的方向性形变后则导致晶粒沿受力方向伸展，变形程度越大则晶粒被拉得越长。当变形程度很大时，晶粒不但被拉长，晶粒内部还会被许多的滑移带分割成细的小块，晶界与滑移带分辨不清，呈纤维状组织。通过对本实验中冷形变后的一组纯铁金相样品以及冷变形黄铜未退火样品的光学显微镜观察可以容易地证实这一点。而对于冷形变材料中晶体缺陷密度的增大和变化等的观测，光学显微镜是无能为力的；若确实必须进行观测，则需要电子显微镜及其它研究手段才行。冷变形导致的形变织构的形成等重要微观组织变化特征研究，则更超出了本实验的观测与讨论范围。 1 实验材料及方法 1.1实验材料 α-Fe:经0%、20%、40%、60%常温变形和经低温高速冲击变形样品各1块，均为经化学浸蚀好的金相样品（光学显微镜观察用），浸蚀剂：4%硝酸酒精。另备经退火并电解抛光后常温微量变形的α-Fe样品1块，变形后不浸蚀。 Al：经退火和电解抛光后常温微量变形的Al片1组;(变形后不抛磨、不浸蚀)。 Zn：经常温变形且经化学浸蚀好的金相样品1块。浸蚀剂：HNO3:HCl=1:1。（光学显微镜观察用）纯Cu：经0%、20%、40%、60%常温变形样品各1块（测量变形量与硬度的对应曲线用）。 金相显微镜，TH320全洛氏硬度计 1.2实验方法 用金相显微镜直接观察经0%、20%、40%、60%常温变形和经低温高速冲击变形的α-Fe，常温变形的Zn，电解抛光后拉伸的Al。 用洛氏硬度计测量不同形变量的纯铜，每组测量8个数据，处理时舍去第一个数据。 1.选取纯铜合适区域放在样品台上，摩擦样品下表面使与样品台紧密接触； 2.缓慢转动手轮至样品与测试触头接触，直至显示屏箭头完全指向右方； 3.等待仪器自动加载及卸载，读取数据； 4.重复测量8组。 2 实验结果 2.1纯铝 纯铝的晶粒随着变形量的增加逐渐变细增多。 2.2纯铜 硬度测试： Table 1 The relationship between pure copper shape variable and hardness 表1纯铜的形变量与硬度关系