冷塑性变形对金属性能与组织的影响

金属的塑性变形、纤维组织及其对金属性能的影响一、金属的塑性变形金属受力时，其原子的相对位置发生改变，宏观上表现为形状、尺寸的变化，此种现象称为变形。

金属变形按其性质分为弹性变形和塑性变形。

当受力不大时，去除外力后原子立即恢复到原来的平衡位置，变形立即消失，这种变形称为弹性变形。

当应力超过一定值时（≥бs），金属在弹性变形的同时还会产生塑性变形。

1、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形，主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动，滑动后原子处于新的稳定位置，不再回到原来位置。

研究表明，滑移总是优先沿晶体中一定的晶面和晶向发生，晶体中能够发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。

滑移面和滑移方向越多，金属的塑性越好。

晶体的滑移是借助于位错的移动来实现的。

大量的位错移出晶体表面，就产生了宏观的塑性变形。

2、多晶体的塑性变形常用金属材料都是多晶体。

每个晶粒内的塑性变形主要仍以滑移方式进行。

但多晶体中各相邻晶粒的位向不同，各晶粒之间有一晶界相连接，因此，具有下列特点：（1）晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利位置。

产生滑移的晶粒必然会受到周围位向不同晶粒的阻碍，使滑移阻力增加，从而提高了塑性变形的抗力。

所以多晶体的塑性变形是逐步扩展和不均匀的，其结果之一便是产生内应力。

（2）晶界的作用晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。

试样在晶界附近不易发生变形，出现所谓“竹节”现象。

这是因为晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移的缘故。

很显然，晶界越多，多晶体的塑性变形抗力越大。

（3）晶粒大小的影响在一定体积的晶体内晶粒数目越多，晶粒越细，晶界越多，不同位向的晶粒也越多。

因而塑性变形抗力也就越大，表现出较好的塑性和韧性。

故生产中都尽一切努力细化晶粒。

二、金属的冷塑性变形对性能的影响冷塑性变形对金属性能的主要影响是造成加工硬化，即随着变形度的增加，金属强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。

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。

实验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。

冷变形强化机理及在生产中的实际应用金属材料在常温或再结晶温度以下的加工产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒产生剪切、滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，减少表面层金属变形的塑性，称为冷变形强化。

金属与合金经冷变形强化后，其材料的组织，性能都会发生较大的改变，物理和化学性质也会发生一定的改变。

其机理与金属塑性变形时的阶段与内部的变化息息相关。

这种各种强化的方式有其利弊之处，许多年来，人们以此为基础不断探索，开发出了冷变形强化在实际生产中的各种应用方法。

金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象，称作冷变形强化，又称加工硬化或冷作硬化。

产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。

加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示。

在纳米材料中也会出现加工硬化现象，此时的硬化行为多认为和位错运动密切相关。

加工硬化给金属件的进一步加工带来困难。

如在冷轧钢板的过程中会愈轧愈硬以致轧不动，因而需在加工过程中安排中间退火，通过加热消除其加工硬化。

又如在切削加工中使工件表层脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削力等。

但有利的一面是，它可提高金属的强度、硬度和耐磨性，特别是对于那些不能以热处理方法提高强度的纯金属和某些合金尤为重要。

如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等，就是利用冷加工变形来提高其强度和弹性极限。

又如坦克和拖拉机的履带、破碎机的颚板铁路的道岔等也是利用加工硬化来提高其硬度和耐磨性的。

1冷塑性变形对材料组织和性能的影响1.1冷塑性变形对组织结构的影响1.1.1显微组织的变化金属与合金经塑性变形后，其外形、尺寸的改变是内部晶粒的总和。

原来没有变形的晶粒，经过加工变形后，晶粒形状逐渐发生变化，随着变形方式和变形量的不同，晶粒形状的变化也不一样，如在轧制时，各晶粒沿变形方向逐渐伸长，变形量越大，晶粒伸长的程度也越大。

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。

金属塑性变形对组织和性能的影响（一）变形程度的影响塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。

变形程度过小，不能起到细化晶粒提高金属力学性能的目的；变形程度过大，不仅不会使力学性能再增高，还会出现纤维组织，增加金属的各向异性，当超过金属允许的变形极限时，将会出现开裂等缺陷。

对不同的塑性成形加工工艺，可用不同的参数表示其变形程度。

锻造比Y锻：锻造加工工艺中，用锻造比Y锻来表示变形程度的大小。

拔长：Y锻=SO/S （S0 S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）；镦粗：Y锻=HO/H（H0 H分别表示镦粗前后金属坯料的高度）。

碳素结构钢的锻造比在2~3 范围选取，合金结构钢的锻造比在3~4 范围选取，高合金工具钢（例如高速钢）组织中有大块碳化物，需要较大锻造比（Y 锻=5~12），采用交叉锻，才能使钢中的碳化物分散细化。

以钢材为坯料锻造时，因材料轧制时组织和力学性能已经得到改善，锻造比一般取1.1~1.3 即可。

表示变形程度的技术参数：相对弯曲半径（r/t ）、拉深系数（m）、翻边系数（k）等。

挤压成形时则用挤压断面缩减率（ & p）等参数表示变形程度。

（二）纤维组织的利用纤维组织：在金属铸锭组织中的不溶于金属基体的夹杂物（如FeS等），随金属晶粒的变形方向被拉长或压扁呈纤维状。

当金属再结晶时，被压碎的晶粒恢复为等轴细晶粒，而夹杂物无再结晶能力，仍然以纤维状保留下来，形成纤维组织。

纤维组织形成后，不能用热处理方法消除，只能通过锻造方法使金属在不同方向变形，才能改变纤维的方向和分布。

纤维组织的存在对金属的力学性能，特别是冲击韧度有一定影响，在设计和制造零件时，应注意以下两点：（1）零件工作时的正应力方向与纤维方向应一致，切应力方向与纤维方向垂直。

（2）纤维的分布与零件的外形轮廓应相符合，而不被切断。

例如，锻造齿轮毛坯，应对棒料镦粗加工，使其纤维呈放射状，有利于齿轮的受力；曲轴毛坯的锻造，应采用拔长后弯曲工序，使纤维组织沿曲轴轮廓分布，这样曲轴工作时不易断裂（三）冷变形与热变形通常将塑性变形分为冷变形和热变形。