塑性变形对材料组织与性能的影响
塑性变形对组织和性能的影响
④ 引起磁性变化
⑤ 化学活性↑ 溶解性↑ 耐蚀性 ↓
The End
思考： 塑性变形会对组织 和性能产生什么影响
I live in a small world.
３．变形织构 原来紊乱的位向出现了有序化，具有严格的 位向性。这个过程叫做“择优取向”。 具有择优取向的晶体组织称为 “变形织构”。
思考： 塑性变形会对组织 和性能产生什么影响
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２．亚结构 随ε↑，ρ↑，位错缠结→形成胞状组织 →亚结构，使一个晶粒分割成许多位向差 很小的亚晶粒。 1
亚晶界 = 位错墙
ε↑，胞的数量↑，晶块的尺寸↓， 位向差 ↑
2
思考： 塑性变形会对组织 和性能产生什么影响
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பைடு நூலகம்
亚结构细化，位错密度增加，产生加工硬化
Q：什么是加工硬化
A：随着塑性变形程度的增加，金属的强度硬度增加，而塑性、韧性 下降，产生所谓“加工硬化”现象
Q：加工硬化产生的原因
A：随着塑性变形的进行，位错运动和互相交割，产生塞积群、割阶、 固定位错、缠结网等，阻碍了位错进一步运动，即提高了进一步变 形的抵抗力
金属或合金经塑性变形过程中， 为什么要进行中间退火处理？？
思考： 塑性变形会对组织 和性能产生什么影响
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2、亚结构细化，位错密度增加，产生加工硬化
Q：加工硬化现象的优点？
A：它是工业上用于提高金属强度、硬度和耐磨性的重要 手段之一，特别是对那些不能以特处理方法强化的纯金 属和某些合金尤为重要！
塑性变形对金属组织和性能的影响
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>。
（购只构形变织构示意图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。
因形变织构造成深冲制品的制耳示意图(3)物理、化学性能变化塑性变形可影响金属的物理、化学性能。
塑性变形对金属组织和性能的影响
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。
《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能
重冷塑性变形的金属,经1小时加热后能完全再结晶的 最低温度来表示。
最低再结晶温度：
T再=0.4T熔点 式中温度单位为绝对温度(K)。
8
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
(3)再结晶温度影响因素：
1）变形程度 ➢2）金金属属再纯结度晶前：塑纯性度变越形高的, 最相低对再变结形晶量温称度为也预就先越变低形 度➢。3）预；加先热变速形度越大, 金属的晶体缺陷就越多, 组织越不 稳➢➢杂再定质结, 最和晶低合是再金一结元扩晶素散温（过度高程也熔, 需就点一越元定低素时；）间阻才碍能原完子成扩；散和晶 ➢界➢当提迁预高移先加, 可变热显形速著度度提达会高一使最定再低大结再小晶结后在晶,较最温高低度温再；度结下晶发温生度；趋于某 一➢高原稳纯始定度晶值铝粒。(越99粗.9大9,9再%结)最晶低温再度结越晶高温。度为80 ℃； ➢工业纯铝(99.0%)最低再结晶温度提高到290 ℃。
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、热加工晶粒大小控制措施
（1）.控制较低的加工终了温度 （2）.控制较大的变形程度 （3）.控制较快的冷却速度
0
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、产生残余内应力 ➢定义：外力去除后，金属内部残留下来的应力。
产生原因：金属发生塑性变形时，内部变形不均匀， 位错、空位等晶体缺陷增多，会产生残余内应力。
➢1）宏观内应力 ➢2）微观残余应力 ➢3）晶格畸变应力
1
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1
第一节 金属的塑性变形
塑性变形对金属组织性能的影响
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。
塑性变形对材料组织和性能的影响
0.9 μm
Adapted from Fig. 4.6, Callister 6e. (Fig. 4.6 is courtesy of M.R. Plichta, Michigan Technological University.)
17
二、冷变形金属的加工硬化
定义： 金属屈服后，欲使之继续变形必须增加应力的 现象。表现为强度显著提高、塑性明显下降。 发生加工硬化时应力-应变经验关系式：
材料的变形与再结晶
2. 多晶体的加工硬化 （1）加工硬化率明显高于单晶体，无第一阶段。 （2）加工硬化率高。 要使处于硬取向的滑移系启动，必须增大外力； 塑性变形过程中各晶粒内部运动位错的强烈交互 作用使位错塞积严重，晶界处应力集中，硬化曲 线很陡，加工硬化率高。
材料的变形与再结晶
三、形变织构 在外加应力的作用下，各晶粒发生转动， 结果使每个晶粒的某个取向都转动到力轴 方向上来，形成择优取向。具有择优取向 的组织称为织构。
材料的变形与再结晶
DIlloy after cold working: • Dislocations entangle with one another during cold work. • Dislocation motion becomes more difficult.
机制： 位错缠结，主次滑移系间交互作用强烈，形成位 错胞。多个滑移系统被激活，位错运动障碍增 大，使位错运动的自由程缩短，变形进行困难。
材料的变形与再结晶
（3）第三阶段
θ 抛物线硬化阶段， 值呈减小趋势。滑移 线变成滑移带，且滑移带发生碎化。螺位错 发生交滑移，使塞积位错得以松弛，加工硬 化程度减弱。
材料的变形与再结晶
金属塑性变形对组织和性能的影响
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。
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
图1-12 面心立方晶格金属形变织构示意图
织构的形成使多晶体金属出现各向异性，在冲压复杂形 状零件(如汽车覆盖件等)时，产生不均匀塑性变形则可能导致 工件报废。但是，也可利用织构现象来提高硅钢板的某一方向 的磁导率。
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
二、 冷塑性变形对金属性能的影响 1. 产生加工硬化
金属材料随着冷塑性变形程度的增大，强度 和硬度逐渐升高，塑性和韧性逐渐降低的现象称 为加工硬化或冷作硬化，这也是冷塑性变形后的 金属在力学性能方面最为突出的变化。
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
显然，加工硬化是金属内部组织结构发生变化的宏观表 现。经冷变形后，晶界总面积增大，位错密度也增大，位错 线间的距离减小，彼此干扰作用明显增强，使得能够产生滑 移变形的潜在部位减少，从而导致滑移阻力增加，塑性变形 能力降低。再则，金属冷变形后，原来的晶粒破碎了，形成 许多亚结构，在亚晶粒边界上聚集着大量位错，产生严重的 晶格畸变，也对滑移过程产生巨大阻碍。所有这些都使金属 变形抗力升高，塑性和韧性降低。图1-13是ωC=0.3%碳钢冷 轧后力学性能的变化。
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
图1-14 制耳现象
但是织构现象在有些方面是 可以利用的。例如，生产变压器 硅钢片时，其晶格为体心立方， 沿［100］晶向最易磁化，如采 用具有织构取向的硅钢片制作铁 芯，使其［100］晶向平行于磁 场方向，则其磁导率显著增大， 从而提高变压器效率金属组织和性能的影响
图1-13 ωC=0.3%碳钢冷轧后力学性能的变化
冷塑性变形对金属组织和性能的影响
加工硬化使金属强化是以牺牲金属的塑性、韧性为 代价的，而且在冷变形加工过程中随着加工硬化现象的 产生要不断增加机械功率，故对设备和工具的强度提出 了较高要求，随着材料塑韧性的下降，也可能发生脆性 破坏。此外，加工硬化也使冷轧、冷拔、冲压等成形工 艺增加能耗，为恢复塑性继续进行冷变形往往要进行中 间退火，这就使生产周期延长，成本增加。
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变形量很大时，晶粒拉长，出现纤维组织
等轴晶
沿变形方向 晶粒拉长
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。
• 第II阶段，滑移在几组相交的滑移面中发生，由于运动位错之间 的交互作用，形成不利于滑移的结构状态，在相交滑移面上形 成割阶扭折、固定为错，位错运动变得非常困难，故该阶段称
为线性硬化阶段。加工硬化现象显著。
第III阶段，在应力进一步增高的
条件下，已产生的滑移障碍将逐 渐被克服，并通过交滑移的方式 继续进行变形。由于该段曲线呈 抛物线变化，故称为抛物线型硬 化阶段。
不过加工硬化现象也存在不利之处，由于金属在
加工过程中塑性抗力不断增加，造成塑性变形困难。
另外由于加工硬化使金属变脆，因而在以
便继续变形加工而不致裂开。
用位错理论分析纯金属与合金在冷变形加工时，在产
生加工硬化机理上有何区别。
• 答：纯金属单晶体产生加工硬化的机理主要是：
• 问题：强化金属材料的方法有哪些？并指出其异同点。
• 加工硬化、固溶强化、弥散强化、沉淀强化、细晶强化。
• 共同点也就是金属强化的实质，在于塑性变形时增加了
位错运动的阻力。 • 不同点：（1）加工硬化：位错塞积、林位错阻力和形成 割阶阻碍位错运动（2）细晶强化：增加了晶界，增加了 位错塞积的范围（3）固溶强化：溶质原子沿位错聚集并 钉扎位错（4）第二相强化：分散的强化相颗粒迫使位错 切过或绕过强化相颗粒而额外做功，都是分散相强化的
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
在体心立方纯金属铌中，微量的间隙原子(C、N、0等)，
由于会发生与位错的交互作用而产生屈服现象，从而使曲
线第一阶段几乎消失。
密排六方纯金属镁由于只沿
一组相平行的滑移面作单系
滑移，位错的交截作用很弱， 故第1阶段曲线很长，以至几 乎第II阶段还没充分发展时试 样就已经断裂了。
多晶体的塑性变形由于晶界的阻碍作用和晶粒之间的协 调配合作用，各晶粒不可能以单一滑移系动作，而必然有多 组滑移系同时作用，因此多晶体的应力——应变曲线不会出
• （1）当外力在滑移面及滑移方向上的分切应力达到临界分 切应力时位错源开动，位错增殖使位错密度增加。 • （2）在发生多系滑移后，在两个相交滑移面上运动的位错 必然会互相交割，形成割阶、扭结，使其运动阻力增大。 • （3）位错之间发生反应，形成固定位错，造成位错塞积， 使位错运动阻力进一步增大。
• 对纯金属多晶体，其加工硬化机理比单晶体多出了晶界
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。
强度指标增加、塑
性指标下降。
冷轧对铜及钢性能 的影响
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。此阶段加工硬 化率低。
• 而各种晶体由于其结构类型、取向、杂质含量以及试验温度
等因素的影响，实际曲线有所改变 。 • 具有低层错能的铜显示了典型的应力－应变曲线持征；而具 有高层错能的铝，则由于其位错不易扩展，容易交滑移，故 应力－应变曲线的第III阶段开始较早，第II阶段极短 。 晶体中的杂质可使应力—应 变曲线的硬化系数有所增大， 曲线第I阶段将随杂质含量的 增加而缩短，甚至消失。
造成的位错塞积作用，阻碍了位错的运动。
• 对于合金，若是单相固溶体，其加工硬化机理比纯金属
多晶体又多出了固溶强化作用，即溶质原子与位错的弹 性相互作用形成柯氏气团，化学相互作用形成铃木气团， 阻碍位错的运动。 • 若是多相合金，其加工硬化机理比固溶体合金又多出来 沉淀强化、弥散强化机制，强化机理分别是位错的绕过 机制和切过机制，使位错运动阻力更进一步增大。
• 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，
位错机制。
（2）其它性能变化
经塑性变形后的金属，由于点阵畸变、位错与 空位等晶体缺陷的增加，其物理性能和化学性能也 会发生一定的变化。如电阻率增加，电阻温度系数 降低，磁导率、热导率下降。此外，由于原子活动
现单晶体曲线的第1阶段，而且其硬化曲线更陡。
• 塑性变形过程中位错密度的不断增加极其所产生的钉扎作用
是导致加工硬化的决定性因素。 • 加工硬化现象作为变形金属的一种强化方式，有其实际应用 意义，如许多不能通过热处理强化的金属材料，可以利用冷 变形加工同时实现成形与强化的目的。 • 例如对于工业上广泛应用的铜导线，由于要求导电性好，不 允许加合金元素，加工硬化是提高强度的唯一方法。
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。