金属在冷和热塑性加工过程中组织与性能变化规律的异同
(5)金属塑性变形过程中组织与性能的变化规律
3.再结晶退火 在对金属材料进行塑性变形 加工（拉深、冷拔等）时为了消除加工 硬化需要进行再结晶退火。再结晶退火 是指：把变形金属加热到再结晶温度以 上的温度保温，使变形金属完成再结晶 过程的热处理工艺。为了尽量缩短退火 周期并且不使晶粒粗大，一般情况下把 退火工艺温度取为最低再结晶温度以上 100 C ～200C。
（a）变形前的退火状态组织
冷变形时金属显微组织的变化
（2）亚结构
冷变形时金属显微组织的变化
（3）变形织构
a. 丝织构
b. 板织构
冷变形时金属显微组织的变化
（4）晶内和晶间破坏
冷变形时金属 电阻 晶间物质的破坏使晶粒直接接触、晶粒位向有序化、 金属经冷变形后，因晶内及晶间出现了显微裂纹、裂
晶 粒 直 径 ， 微 米
500 450 晶 粒 直 径 300 ， 微 200 米 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 变形程度，%
500
450
400 350 300 250 200
300
200 100 0 300 250 200
400
350
变形温度，℃
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
§6. 1金属塑性加工中组织与性能的变化
6. 1. 1 冷变形 6. 1. 2 热变形 6. 1. 3 塑性变形对固态相变的影响
6. 1. 1 冷变形
Cold Deformation, Cold Working
冷变形：在再结晶温度以下变形
冷变形时金属显微组织的变化
（1）纤维组织
图6-2
冷轧前后晶粒形状变化 （b）变形后的冷轧变形组织
口、空洞等缺陷使金属的密度降低，且变形程度越高，降低的
金属在塑性变形中的组织结构与性能变化
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。
冷变形热变形中的组织性能演变PPT课件
对材料性能的影响： 沿纤维方向性能高， 垂直于纤维方向性 能低，产生各向异 性
工业用钢强烈冷变形后的显微组织
.
6
2.冷变形的性能变化
（1）力学性能—加工硬化
原因：塑性变形引起位错增 值，位错密度增加，不同方 向的位错发生交割，位错运 动收到阻碍，要继续运动需 要增加应力，从而引起加工 硬化。
随着变形程度的增加，金属 的强度指标上升，塑性指标 下降。这就是加工硬化。
1.冷变形的组织变化 2.冷变形的性能变化
.
2
1.冷变形的组织变化
（1）位错等缺陷密度增加
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。
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-2。通过实验得到的位
错密度（ρ）同流变应力（σ）之间的关系是：
式中：α—等干0．2～0．3范围的常数；
G—剪切弹性模量；
b—柏氏矢量。
除了位错，同时冷变形产生的缺陷还有空位、间隙原子、堆 垛层错、孪晶界、亚晶界等。
.
3
1.冷变形的组织变 化
（2）形成位错胞状结构
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。
胞状结构：是变形的各种晶粒中， 被密集的位错缠结区分成许多个单 个的小区域。小区域的内部，位错 密集度较低，称为胞子。区域的边 界称为胞壁，位错密度最大。
（1）铁在室温下变形时胞的大小同变形量的关系
（2）铁在室温下变形的胞状结构
.
4
1.冷变形的组织变化
（3）形成形变织构
形变织构：多晶体塑性变形时，伴随着晶粒的转动。当变形量 较大时，原为任意取向的各个晶粒会逐渐调整取向而趋于一致。 使得晶粒具有择优取向的组织。
金属在冷和热塑性加工过程中组织与性能变化规律的异同
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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冷变形对组织与性能的影响
组织变化： 纤维组织 亚结构 变形织构 晶内及晶间的破坏
性能变化： 力学性能 残余应力 物化性能
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金属塑性变形物理基础
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冷变形力学性能
金属发生塑性变形时，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， 也叫形变强化或冷作硬化。
制 耳 现 象
但是，变压器用硅钢片，由于α-Fe<100>方向最易磁化，生产中通 过轧制可获得具有（110）[001]织构和磁化性能优异的硅钢片。
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金属塑性变形物理基础
11/49
冷变形晶内及晶间破坏
在冷变形过程中不发生软化过程的愈合作用，因滑移（位错 的运动及其受阻、双滑移、交叉滑移等），孪晶等过程的复 杂作用以及各晶粒所产生的相对转动与移动，造成了在晶粒 内部及晶粒间界处出现一些显微裂纹、空洞等缺陷使金属密 度减少，是造成金属显微裂纹的根源。
9/49
冷变形形变织构
在塑性变形中，随着变形大程度的增加，各个晶粒的滑移面 和滑移方向都要向主形变方向转动，使各晶粒的位向呈现一 定程度的规律性，这一现象称为择优取向，这种组织状态称 为形变织构。
典 型 织 构
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金属塑性变形物理基础
10/49
形变织构的影响与应用
一般来说，不希望金属板材存在织构，尤其是用于深冲压成型的板 材，由于织构会造成其沿各方向变形的不均匀性，使工件的边缘出 现高低不不平，所谓的“制耳”。
消除畸变能，控制晶粒大 小，形态，均匀度
界面能，表面能 作为驱动力
冷加工和热加工时金属组织的变化及对金属性能的影响
目录绪论 (3)1.1冷塑性变形对金属组织和性能的影响 (3)1.1.1金属组织的变化 (3)1.1.2金属性能的变化 (5)1.1.3冷塑性变形产生残余应力 (7)1.2冷变形金属在加热时组织和性能的变化 (7)2.1热加工变形对组织和性能的影响 (8)2.1.1热加工的变形特点 (8)2.1.2金属的组织性能的变化 (8)3.1影响塑性的因素 (10)3.1.1组织的影响 (10)3.1.2铸造组织的影响 (10)结束语 (1)冷加工和热加工时金属组织的变化及对金属性能的影响摘要：工业上使用的大部分金属制品，是在制成铸锭后在经压力加工形成半成品或成品的。
由于压力加工中，可借助塑性变形使金属获得一定的形状和尺寸，而且还可以使铸态金属的组织与性能得到改善。
因此，本文通过研究冷加工与热加工时金属组织与性能的变化，可改进金属加工工艺，提高质量，合理使用金属。
关键字：冷加工、热加工、组织、性能绪论：本文根据金属学及热处理，材料成型与控制技术，塑性变形与轧制原理等教材，综合阐述金属材料组织与性能在经过塑性变形时产生的变化和影响。
主要通过三个方面：冷加工、热加工、影响塑性的因素来分别介绍金属组织的变化与性能的影响，分析了金属材料组织结构与性能相对塑性变形的关系和变化规律，以及提高金属材料性能，充分发挥材料潜力的途径。
1.1 冷塑性变形对金属组织和性能的影响经过冷变形（如冷轧、拉拔和冷冲等）后的金属，由于组织结构的特征表现为加工硬化，随着变形程度的增加，加工硬化现象也将更加显著，其性能也将相应的发生变化。
1.1.1 金属组织的变化1.1.1.1 晶粒被拉长成纤维状在冷变形中，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1-1所示。
图1-1 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在晶粒被拉长的同时，京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。
冷变形后金属的变化
冷变形后金属的变化
金属在冷变形后，组织和性能会发生一系列变化。
具体来说，随着冷变形程度的增加，金属的强度和硬度会上升，而塑性和韧性会下降。
这是因为在冷变形过程中，金属内
部的晶格结构会发生扭曲，产生大量的晶体缺陷，如位错和畸变，这些缺陷会导致金
属的强化。
同时，由于冷变形过程中金属的晶粒被拉长、破碎和细化，导致金属的塑
性和韧性下降。
此外，冷变形后的金属在加热时，组织和性能也会发生变化。
具体来说，随着温度的
升高，原子扩散能力增加，金属将经历回复、再结晶和晶粒长大等过程。
在回复阶段，金属中的位错和空位等缺陷会重新排列，形成较为稳定的晶格结构，导致金属的力学
性能变化不大，但塑性略有提高。
当温度继续升高，金属将发生再结晶，形成新的等
轴晶粒组织。
在这个过程中，金属的强度和硬度会进一步上升，而塑性和韧性会明显
改善。
金属在冷变形后组织和性能会发生变化，具体变化程度取决于变形程度和加热温度等
因素。
了解这些变化对于材料的加工、选材和应用都具有重要意义。
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。
金属在冷和热塑性加工过程中组织与性能变化规律的异同分解
残余应力
物化性能
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金属塑性变形物理基础
6/49
冷变形对组织的影响
组织变化： 纤维组织
晶粒形状变化 晶体取向变化
亚结构
变形织构
晶内及晶间的破坏
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金属塑性变形物理基础
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冷变形纤维组织
金属发生塑性变形后, 晶粒发生变形, 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 的夹杂物和第二相也被拉长, 形成纤维组织。
Q345(16Mn)钢的自行车链条经 五次轧制，总变形量为65%时性 能对比
2011-11-5
65Mn弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可 达2000~3000MPa,，比一般钢材的强 度提高4~6倍。
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金属塑性变形物理基础
加工硬化的意义-强化手段
高锰钢（ZGMn13)属于奥氏体钢，热处理不能强化，它的 主要强化手段就是加工硬化。 当高锰钢受到激烈摩擦或剧烈冲击时，其表面部分就会产生 微量塑性变形，随之产生强烈的加工硬化，使其硬度和强度 快速提高，从而能够作为耐磨钢使用。
2011-11-5 金属塑性变形物理基础 3/49
冷塑性变形机理（纯金属）
1、晶内变形 滑移
孪生
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
4/49
冷塑性变形机理（纯金属）
Hale Waihona Puke 2、晶间变形晶粒间的相对滑动和转动
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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冷变形对组织与性能的影响
组织变化：
纤维组织
亚结构 变形织构 晶内及晶间的破坏 性能变化： 力学性能
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金属塑性变形物理基础
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再结晶过程
大角度晶界扫过变形组织，以新生无畸变 晶粒取代变形晶粒的过程。 静态再结晶 动态再结晶 亚动态再结晶
2011-11-5 金属塑性变形物理基础 33/49
再结晶过程
静态再结晶
指冷变形后的金属在足够高的温度下，通 过新晶核的形成及长大，以无畸变的新晶粒 逐步取代变形晶粒的过程．
与冷变形相似
2011-11-5
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回复过程
回复
热态变形及随后过程中金属内所发生的大角度 晶界移动之前的一切位错运动过程。 静态回复与动态回复的区别 动态回复发生在变形之时 静态回复发生在变形之后
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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回复过程中的位错运动 • 点缺陷运动和结合 • 位错重新组合与抵消
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金属塑性变形物理基础
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加工硬化的意义-金属的冷成型加工的保证
金属的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性变形 均匀地分布于整个工件上，而不致于集中在某些局部而导致 最终断裂；
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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加工硬化的意义-提高了构件的安全性
构件在使用过程中，往往不可避免地会某些部位出现应力集 中和过载现象，在这种情况下，由于金属能加工硬化，使局 部过载部位在产生少量塑性变形之后，提高了屈服强度并与
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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冷变形形变织构
在塑性变形中，随着变形大程度的增加，各个晶粒的滑移面 和滑移方向都要向主形变方向转动，使各晶粒的位向呈现一 定程度的规律性，这一现象称为择优取向，这种组织状态称 为形变织构。
典 型 织 构
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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2011-11-5 金属塑性变形物理基础 25/49
热变形主要机理
晶 内 滑 移
2011-11-5
晶 内 孪 生
晶 界 滑 移
扩 散 蠕 变
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金属塑性变形物理基础
热变形主要机理发生条件
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热塑性变形机理——扩散蠕变
σ σ σ
a)
b)
c)
a) 空位和原子的移动方向 b) 晶内扩散 c) 晶界扩散 温度高（能量大），晶粒细（路程短），应变速率低（时间多） 扩散蠕变作用大
特点：变形后发生、迅速、无孕育期 与动态再结晶的区别：变形后发生 与静态再结晶的区别：无孕育期
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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再结晶条件
层错能+晶界迁移难易程度
层错能低 集束成特征位错困难 不 易于攀移和交滑移 回复作用不显著， 并形成高位错密度差 晶界迁移能力强 密度区域迁移容易
回复机制低/中/高温 再结晶过程形核/长大 再结晶温度影响因素
再结晶晶粒度
电阻率降→空位/位错应变能 内应力降→晶体内弹性变形 硬度及强度保持→位错密度 界面能，表面能 作为驱动力 消除畸变能，控制晶粒大 小，形态，均匀度
金属塑性变形物理基础 23/49
2011-11-5
冷变形金属在加热时的组织与性能变化
2011-11-5
大角度晶界向高位错 再结晶
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金属塑性变形物理基础
回复和再结晶对组织性能的影响：
回复 再结晶 晶粒长大 密度
电阻率
空位密度 性质
伸长率
硬度和强度
结晶晶粒大小
位错密度
加热温度
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热塑性变形中的软化过程
a)
轧制 变 形 率 50
冷 加 工
2011-11-5 金属塑性变形物理基础 3/49
冷塑性变形机理（纯金属）
1、晶内变形 滑移
孪生
2011-11-5
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4/49
冷塑性变形机理（纯金属）
2、晶间变形
晶粒间的相对滑动和转动
2011-11-5
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冷变形对组织与性能的影响
组织变化：
纤维组织
亚结构 变形织构 晶内及晶间的破坏 性能变化： 力学性能
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冷变形对组织与性能的影响
组织变化：
纤维组织
亚结构 变形织构 晶内及晶间的破坏 性能变化： 力学性能
残余应力
物化性能
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冷变形力学性能
金属发生塑性变形时，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， 也叫形变强化或冷作硬化。
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加工硬化的意义-强化手段
加工硬化是金属材料五大强化手段之一；在生产中可通过冷轧、冷 拔提高钢板或钢丝的强度。特别是对于纯金属和不能热处理强化的 材料，冷变形加工是强化它们的主要手段；
1200 1000 800 600 400 200 0 ² È ¨ © Ó ¶ £ HBS£ ¹ ¿ È ¨ ¿ À Ç ¶ £ Mpa) ä Î ° ±Ð Ç ä Î ó ±Ð º
金属冷变形使材料内部空位、位错等结构缺陷密度增加，畸 变能升高，使其处于热力学不稳定的高自由能状态。因此材 料具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势。当冷变形金 属加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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冷变形金属加热时性能影响
在回复阶段，各材料释放的存储能量均较小，再结晶晶粒出现的温度对应于储能释放曲线的高峰处。
残余应力
物化性能
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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冷变形对组织的影响
组织变化： 纤维组织
晶粒形状变化 晶体取向变化
亚结构
变形织构
晶内及晶间的破坏
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冷变形纤维组织
金属发生塑性变形后, 晶粒发生变形, 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 的夹杂物和第二相也被拉长, 形成纤维组织。
“金属塑性变形的物理基础”课程
金属在冷和热塑性加工过程中 组织与性能变化规律的异同
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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金属材料性能及其影响因素
金属材料性能
力学性能；物化性能
在一定的使用条件下 温度、加载速度、应力状态、环境介质等 影响因素 成分与组织结构
材料设计与材料加工工艺设计
形变织构的影响与应用
一般来说，不希望金属板材存在织构，尤其是用于深冲压成型的板 材，由于织构会造成其沿各方向变形的不均匀性，使工件的边缘出 现高低不不平，所谓的“制耳”。
制 耳 现 象
但是，变压器用硅钢片，由于α-Fe<100>方向最易磁化，生产中通 过轧制可获得具有（110）[001]织构和磁化性能优异的硅钢片。
所承受的应力达到平衡，变形就不会继续发展，从而在一定
程度上提高了构件的安全性。
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
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冷变形残余应力（储存能）
塑性变形中外力所作的功除大部分转化成热外，还有一小部 分以畸变能的形式存储在材料内部，这部分存储能的具体表 现方式为：宏观残余应力、微观残余应力、点阵畸变。
变形前的退火状态组织
变形后的冷轧变形组织
沿垂直变形方向截取试样则不能真实反映晶粒变形情况
2011-11-5 金属塑性变形物理基础 8/49
冷变形亚结构的变化
金属经大的塑性变形时， 由于位错的密度增大并发生交互 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， 从而 在晶粒内产生亚结构（亚晶粒）。
宏观表现0.1%
晶粒获亚晶 粒之间变形 不均匀性
空位、间隙 原子、位错 等 80%-90%
金属经塑性变形后的残余应力是不可避免的，这对工件的变形、开 裂和应力腐蚀产生影响和危害。
2011-11-5
金属塑性变形物理基础
20/49
残余内应力的消除与应用
金属塑性变形后的残余应力，可以通过去应力退火来消除；
2011-11-5 金属塑性变形物理基础 28/49
热变形软化机制与相关概念 热塑性变形过程中加工硬化和软化过程并存
1. 外力和温度的共同作用下发生 动态回复 ----高层错能（Al/Mo/W/a-Fe）易交滑移/攀移 动态再结晶 ----底层错能（Cu/Ni/SS/γFe）扩展位错宽
2. 去除外力后 亚动态再结晶 静态回复 静态再结晶
Cu丝冷变形的力学性能变化
2011-11-5
常温变形对低碳钢力学性能的影响
金属塑性变形物理基础 14/49
加工硬化的本质原因：
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。 晶粒破碎细化, 使强度得以提高。（细晶效应）
Q345(16Mn)钢的自行车链条经 五次轧制，总变形量为65%时性 能对比
2011-11-5
65Mn弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可 达2000~3000MPa,，比一般钢材的强 度提高4~6倍。
金属塑性变形物理基础
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加工硬化的意义-强化手段
高锰钢（ZGMn13)属于奥氏体钢，热处理不能强化，它的 主要强化手段就是加工硬化。 当高锰钢受到激烈摩擦或剧烈冲击时，其表面部分就会产生 微量塑性变形，随之产生强烈的加工硬化，使其硬度和强度 快速提高，从而能够作为耐磨钢使用。