塑性变形时组织性能与变化

金属在塑性变形中的组织结构与性能变化引言：金属是一类具有良好导电性和导热性的材料，广泛应用于各个领域。

在金属的加工过程中，常常需要进行塑性变形，以改善金属的性能和形状。

在塑性变形过程中，金属的组织结构和性能会发生一系列的变化。

本文将探讨金属在塑性变形中的组织结构与性能变化的过程和机制。

背景：金属的塑性变形主要指的是金属材料在外力的作用下发生永久性变形。

塑性变形分为单晶塑性变形和多晶塑性变形两种情况。

单晶塑性变形主要依赖于晶体内的滑移和蠕变机制，而多晶塑性变形则与晶界滑移和再结晶有关。

组织结构的变化：在金属的塑性变形过程中，材料的晶粒可能会发生变形和取向的改变。

当外力作用于金属的时候，晶格结构会发生滑移和滚动，使得晶粒边界发生位错的移动，从而导致晶粒的形状发生改变。

此外，金属的晶界也会发生滑移和滚动，使得晶粒之间的取向关系发生变化。

在单晶塑性变形中，晶体内的滑移和蠕变机制是主要的变形机制。

当外力作用于单晶时，晶体内的原子发生位移，晶面滑移，从而产生位错。

位错的运动和交互作用导致晶体内部形成一个滑移面网，进而引发位错的堆积和形成蠕变，使得晶体发生塑性变形。

在多晶塑性变形中，晶粒之间的滑移和晶界的滑移是主要的变形机制。

当外力作用于多晶材料时，晶界上的原子会发生位移，晶界就发生滑移。

通过晶界的滑移，晶粒会沿着滑移方向发生形状变化，进而导致整个材料的塑性变形。

性能变化的机制：金属的塑性变形会改变材料的力学性能和物理性能。

1.机械性能：塑性变形能够提高金属的强度和韧性。

在塑性变形过程中，位错的形成和滑移会增加内部结构的复杂性，从而提高金属的强度。

而由于晶界的滑移和晶粒的取向变化，金属的韧性也得到了改善。

2.热处理性：塑性变形在一定程度上会改善金属的热处理性。

由于塑性变形使晶粒形状发生改变，晶粒的大小和取向变化能够影响到金属的回火硬化行为和晶界再结晶的发生。

3.耐蚀性：塑性变形会改变金属的表面结构，从而影响其耐蚀性能。

第七章金属在塑性变形中的组织结构与性能变化练习与思考题1 冷变形使金属的组织结构和性能发生什么变化？有何意义？（1）冷变形使金属的组织结构发生如下变化：1）单晶体塑性变形:时，随着变形量增加，位错密度增加，从而引起加工硬化；2）多晶体塑性变形时，，随着变形量增加，与单晶体变形一样，位错密度增加。

但多晶体各晶粒即相互阻碍又相互促进，变形量到一定程度出现位错胞状结构；3）冷塑性变形后自由能高；4）晶粒外形、夹杂物和第二相的分布发生变化；5）性能上具有方向性：带状组织和纤维组织；6）形成形变织构；7）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。

（2）冷变形对金属性能的变化体现在：1）强度指标增加；塑性指标降低，韧性也降低了；产生力学性能的方向性。

2）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。

3）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。

（3）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。

2 回复退火处理可能使冷变形后的金属组织结构发生什么变化？有何实际意义？回复对组织结构的影响与形变后的组织以及回复的温度和时间有关：（1）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；（2）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；（3）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。

回复退火在生产中主要作用：（1）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。

（2）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。

2 金属在塑性加工变形中组织性能的变化2.1 在冷加工变形中组织性能的变化一、金属组织的变化1、晶粒被拉长在冷变形中，随着金属外形的改变，其内部晶粒的形状也大体上发生相应的变化，即均沿最大主变形方向被拉长、拉细或压扁，如图2-1在晶粒被拉长的同时，晶间夹杂物和第二相也跟着被拉长或拉碎呈点链状排列，这种组织称为纤维组织。

变形程度越大，纤维组织越明显。

由于纤维组织的存在，使变形金属的横向（垂直于延伸方向）机械性能降低，而呈现各向异性。

2、亚结构亚结构是指金属经过冷变形后，其各个晶粒被分割成许多单个的小区域，如图3-2图2-1 冷轧前后晶粒形状变化（a ）变形前的退火状态组织；（b ）变形后的冷轧变形组织图2-2 塑性变形时的亚结构3、变形织构（1）定义：由原来位向紊乱的晶粒到出现有序化，并有严格位向关系的组织结构，称为变形织构。

（2）种类：按照坯料或产品的外形可分为丝织构和板织构。

1）丝织构在拉拔和挤压条件下形成的织构称为丝织构。

特点：各晶粒有一共同晶向相互平行，并与拉伸轴线一致，以此晶向来表示丝织构。

如图2-3所示。

2）板织构在轧制过程中形成的织构称为板织构。

特点：晶面与轧制面平行，晶向又与轧制方向一致（见图3-3）。

二、金属性能的变化1.机械性能的改变金属的变形抗力指标随变形程度的增加而升高，金属的塑性指标随变形程度的增加而降低。

2、物理及物理-化学性质的变化（1）金属的密度降低（2）金属的导电性降低（或电阻增大）（3）导热性降低（4）化学稳定性降低（5）金属与合金经冷变形后所出现的纤维组织及结构，皆会使变形后的金属与合金产生各向异性，即材料的不同方向上具有不同的性能。

（a ） （b ）图2-3 多晶体晶粒的排列情况（a ）晶粒的紊乱排列；（b ）晶粒的整齐排列2.2 在热加工变形中对组织与性能的影响一、热加工的变形特点在一定的条件下，热加工变形较其冷加工方法，具有一系列的优点：（1）变形抗力低（2）塑性升高，产生断裂的倾向性减少（3）不易产生织构（4）生产周期短（5）组织与性能基本满足要求不足之处：（1）生产细或薄的产品时较困难（2）产品表面质量差（3）组织与性能的不均匀（4）产品的强度不高（5）金属的消耗较大（6）对含有低熔点的合金不宜加工二、金属组织性能的变化（1）使铸态组织得到压密和焊合。

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。

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。

6 材料在塑性变形中的组织结构与性能变化本章仅将简要地介绍冷形变及其后的加热过程、以及热形变过程对金属和合金的组织结构与性能的影响的主要理论。

6.1 冷形变后金属组织结构和性能的变化金属和合金在低于再结晶温度进行压力加工时，通常就称为冷形变或冷加工。

钢在常温下进行的冷轧、冷拔、冷挤、冷冲等压力加工过程皆为冷形变过程。

在冷形变过程中组织和性能都会发生变化。

6.1.1 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，位错之间、位错与溶质原子、间隙位置原子以及空位之间、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。

单晶体塑性变形时，随着变形量增加，位错增多，位错密度增加，运动位错在各种障碍前受阻，要继续运动需要增加应力，从而引起加工硬化。

变形到一定程度后产生交滑移，因而引起动态回复，这些塑性变形过程中的变化已是我们所熟知的，不再细述。

多晶体塑性变形时，随着变形量增加和单晶体变形一样，位错的密度要增加。

用测量电阻变化、储能变化的方法，或者用测量腐蚀坑的方法以及电镜直接观测的方法都可以出金属材料的位错密度。

退火状态的金属，典型的位错密度值是105～108 cm -2，而大变形后的典型数值是1010～1012cm -1。

通过实验得到的位错密度（ρ）同流变应力（σ）之间的关系是：21ρασGb = （6-1） 式中：a —等干0．2～0．3范围的常数；G —剪切弹性模量；b —柏氏矢量。

多晶体塑性变形时，因为各个晶粒取向不同，各晶粒的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。

所谓胞状结构，是变形的各种晶粒中，被密集的位错缠给结区分许多个单个的小区域。

塑性变形对材料组织与性能的影响晶体发生塑性变形后，不仅其外形发生了变化，其内部组织以及各种性能也都发生了变化。

（1）显微组织的变化经塑性变形后，金属材料的显微组织发生了明显的改变，各晶粒中除了出现大量的滑移带、孪晶带以外，其晶粒形状也会发生变化，随着变形量的逐步增加，原来的等轴晶粒逐渐沿变形方向被拉长，当变形量很大时，晶粒已变成纤维状。

变形量很大时，晶粒拉长，出现纤维组织2 亚结构的变化•金属晶体在塑性变形的同时，位错密度迅速提高。

•经塑性变形后，多数金属晶体中的位错分布不均匀，当形变量较小时，形成位错缠结结构。

•当变形量继续增加时，大量位错发生聚集，使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块, 产生亚晶粒，即形成胞状亚结构。

•冷变形过程中形成亚结构是许多金属（例如铜、铁、钼、钨、钽、铌等）普遍存在的现象。

•一般认为亚结构对金属的加工硬化起重要作用，由于各晶块的方位不同，其边界又为大量位错缠结，对晶内的进一步滑移起阻碍作用。

因此，亚结构可提高金属和合金的强度。

•利用亚晶来强化金属材料是措施之一。

研究表明，胞状亚结构的形成与否与材料的层错能有关，一般来说，高层错能晶体易形成胞状亚结构。

而低层错能晶体形成这种结构的倾向较小。

这是由于对层错能高的金属而言，在变形过程中，位错不易分解，在遇到阻碍时，可以通过交滑移继续运动，直到与其它位错相遇缠结，从而形成位错聚集区域（胞壁）和少位错区域（胞内）。

层错能低的金属由于其位错易分解，形成扩展位错，不易交滑移，其运动性差，因而通常只形成分布较均匀的复杂网络结构。

3 性能的变化•（1）加工硬化（形变强化）•金属发生塑性变形, 随变形度增大, 金属的强度和硬度显著升高, 塑性和韧性明显下降。

这种现象称为加工硬化。

冷轧对铜及钢性能的影响强度指标增加、塑性指标下降。

金属的加工硬化特性可以从其应力－应变曲线上反映出来。

图是单晶体的应力－应变曲线，单晶体的塑性变形可划分为三个阶段描述：▪第I阶段，当切应力达到晶体的临界分切应力值时，滑移首先从一个滑移系中开始，由于位错运动所受的阻碍很小，因此该阶段称为易滑移阶段。