金属在塑性变形中的组织结构与性能变化

6塑性变形过程中材料微观结构和性能的变化本章仅简要介绍冷变形和后续加热过程的主要理论，以及热变形过程对金属和合金的微观结构和性能的影响。6.1冷变形后金属微观结构和性能的变化当金属和合金在低于再结晶温度的压力下加工时，它们通常被称为冷变形或冷加工。钢的冷轧、冷拉、冷挤压和常温冷冲压都是冷变形过程。冷变形过程中组织和性能会发生变化。6.1.1金属结构变化金属塑性变形的物理本质基本上是位错的运动，它导致塑性变形。在位错运动的过程中，位错之间、位错与溶质原子之间、间隙原子与空位之间、位错与第二相粒子之间会发生相互作用，导致位错的数量、分布和构型发生变化。从微观角度来看，这是塑性变形期间或之后金属结构的主要变化。塑性变形对位错数量、分布和形态的影响与金属材料本身的性质以及变形温度和变形速度等外部条件有关。单晶塑性变形过程中，随着变形量的增加，位错增加，位错密度增加，运动位错被阻挡在各种障碍物前。为了继续运动，需要增加压力，从而导致加工硬化。变形到一定程度后会发生横向滑移，从而导致动态恢复。这些塑性变形过程的变化对我们来说是众所周知的，将不再详细描述。在多晶体的塑性变形过程中，位错密度随着变形量的增加而增加，就像单晶一样。金属材料的位错密度可以通过测量电阻变化、储能变化、腐蚀坑和电子显微镜直接观察得到。退火金属的典型位错密度值为105 108 cm-2，大变形后的典型位错密度值为1010 1012 cm-1。通过实验获得的位错密度()和流变应力()之间的关系如下：(6-1)公式中：a-等压干重0.2-0.3范围内的常数；G剪切弹性模量；白石矢量。在多晶塑性变形过程中，由于各晶粒的取向不同，各晶粒的变形相互阻碍和促进，变形量稍大时形成位错胞结构。所谓的蜂窝状结构是指许多单个的小区域被紧密的位错分开，这些位错被束缚在各种变形晶粒的连接处。在每个小区域内，位错密度相对较低，可以认为没有位错。这个区域叫做细胞。这些小区域的边界称为细胞壁。细胞壁位错密度最大。细胞壁的排列看起来很混乱，但有一个共同的趋势是它们平行于低折射率晶面排列。细胞壁两侧的晶体之间的取向差通常小于2o。细胞直径一般为1 3。细胞的直径与原始的颗粒大小无关。随着变形量的增加，它会有一定程度的减小。例如，当铁在室温下变形时，泡孔尺寸和变形量之间的关系如图6-1所示，当铁在室温下变形时，泡孔结构如图6-2所示。变形金属中位错的数量、分布和构型受许多因素影响。图6-1铁的晶胞尺寸随稳定变形而变化图6-2室温变形时铁的晶胞结构性别和数量的关系对于具有高堆垛层错能的金属，扩展位错宽度小，螺旋位错容易滑移，不同数量的位错容易合并和消失。因此，对于具有高堆垛层错能的金属，在相同的变形量下，位错密度低于具有低堆垛层错能的金属。类似地，对于具有高堆垛层错能的金属，螺旋位错易于交叉滑移并改变它们所处的滑移面，从而促进细胞壁结构的形成。因此，具有高堆积的金属当空位与运动中的位错相互作用时，产生切割顺序，这阻碍了位错的运动。因此，空位的增加可能会增加位错的来源和密度。同时，由于空位的增加，位错运动受阻，并且不容易排列到细胞壁中，因此形成蜂窝状结构所需的变形量将增加。因此，位错密度在淬火时通常比在缓慢冷却时高，并且不容易形成蜂窝状结构。第二相粒子对位错的数量、分布和形态也有明显的影响。大间距的粗颗粒促进细胞结构的形成。因为它充当位错源，所以第二相粒子周围的位错增加，从而在第二相所处的滑动表面上形成胞壁。相反，细小的第二相对防止变形过程中的位错运动有很大的作用，从而防止了蜂窝状结构的形成。在这种情况下，形成蜂窝状结构所需的变形量相应地大于单相金属的变形量，位错密度相应地高于单相金属的位错密度，并且单元中的位错也增加。变形温度影响很大。对许多金属如铜、铝、金和铁的实验表明，变形温度降低，位错密度增加，胞内位错数量增加，形成胞状结构的趋势降低。也就是说，在变形温度降低之后，形成明显的蜂窝状结构所需的变形量更大。显然，这些都与脱位运动的难度有关。应变率效应的一般规律是，增加应变率与降低变形温度有相似的效果。同一材料的细晶样品变形后的位错密度大于粗晶。Christ根据实验数据提出了位错密度与晶粒尺寸之间的定量关系。(6-2)其中：d-粒径；，1，n与应变有关的常数。变形后小晶粒材料的高位错密度主要是由于晶界是位错运动的障碍。在变形过程中，运动位错在晶界前产生堵塞，而细晶粒结构的单位体积晶界面积更大，因此细晶粒材料中的位错密度更高。金属塑性变形中消耗的大部分能量被转化为热能并被耗散掉，但一小部分仍然以晶格缺陷(空位、间隙原子、位错、堆垛层错等)的弹性变形能的形式储存在变形金属中。)，从而使其自由能高于冷塑性变形前的自由能。随着变形的增加，位错密度增加，储存在金属中的能量增加。然而，其他晶格缺陷的增加也有助于能量储存的提高，因此能量储存的变化能够全面反映塑性变形引起的组织结构的变化。假设能量储存的大小与位错密度成比例，在一次再结晶过程中可能释放的能量储存：(6-3)其中，考虑到储能位错密度的比例关系，k2为常数，其他参数的含义与公式6-2相同。从上述公式可以看出，储能的大小与变形程度和晶粒大小有关。能量储存(严格的自由能)是变形金属恢复和再结晶的驱动力。金属冷变形后，晶粒形状、夹杂物和第二相的分布也会发生变化。在拉伸过程中，每个晶粒沿拉伸方向伸长；当被压缩时，颗粒被压缩成扁平的形状。伸长和压缩的程度与变形量有关。变形越大，伸长和变平的程度越大。当变形量特别大时，晶粒结构变成纤维状。在腐蚀后的金相样品中，晶粒难以区分，晶界模糊，但晶粒伸长和变平的趋势仍然清晰可见，这与金属的变形程度相适应。当金属或合金包含第二相或具有夹杂物偏析时，变形将导致这些偏析区域伸长并形成带状结构。如包容性金属和合金的多晶通常是各向同性的，但是在冷变形之后，出现带状结构和纤维状结构，这使得金属和合金在性质上具有方向性。在金属和合金的冷变形之后，结构中还有另一个重要的变化，即可以产生具有优选取向的多晶结构，即形成变形织构。此外，在金属材料的冷变形过程中，晶体可能被破坏，并产生微裂纹，甚至宏观裂纹等。可能在晶体和晶界中产生。多晶体各部分的变形是不均匀的，因此晶粒之间甚至晶粒中各部分之间的变形，因此变形后材料中仍然存在残余内应力。6.1.2金属性能的变化金属材料冷变形后，晶粒被拉长，根据显微镜可分辨的尺度形成纤维结构。夹杂物和第二相粒子呈带状或点链状分布，也可能出现变形织构。会产生各种各样的裂缝。在更微观的尺度上，金属冷变形后位错密度增加，产生蜂窝状结构。晶体缺陷如点缺陷和堆垛层错增加，自由能增加。这一系列的结构变化将影响金属材料的机械性能、物理性能和化学性能。机械性能的变化反映在：冷加工后，金属材料的强度指数(比例极限、弹性极限、屈服极限、强度极限、硬度)增加，塑性指数(表面结疤率、伸长率等)增加。)降低，韧性也降低。此外，随着变形程度的增加，机械性能的方向性也可能出现。在生产中，经常使用冷加工来提高材料的强度。加工硬化(或变形强化)用于强化金属材料，为用户提供冷轧、冷拉和冷挤压的高强度型材、带材、线材和钢丝，以冷硬状态交付。因此，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。近年来，加工硬化的应用有了很大发展。例如，预形变热处理就是使用加工硬化的一个例子。在室温(或负温)下对结构平衡的钢进行冷变形，获得一定程度的强化，然后进行中间回火(软化)，最后进行快速加热淬火和最终回火。这个过程被称为预形变热处理。与普通热处理相比，由于预变形的强化作用，钢的抗拉强度和屈服强度得到了显著提高(10 30%)，而塑性保持不变或略有增加或降低。冷加工后，变形材料的物理化学性质也发生了明显的变化。在冷变形之后，金属的密度降低，并且由于在晶间和晶内产生的微裂纹、空隙和晶格缺陷，热传导、导电和导磁率会降低。出于同样的原因，其金属材料的化学稳定性、耐腐蚀性和溶解性降低。6.2回应金属和合金的机械性能、物理性能和化学性能在冷塑性变形后发生了变化，但这些性能在冷变形状态下是不稳定的。冷变形过程中消耗的一小部分机械能储存在变形金属中，从而使其自由能高于变形前。因此，冷变形后的金属在热力学上处于不稳定的亚稳态。如果升高温度以使金属中的原子获得足够的迁移率来克服亚稳态和稳态之间的势垒，冷变形金属将通过晶格缺陷的减少和重排自发地返回到冷变形之前的稳定状态。晶格缺陷的减少和重排，即组织结构向其预变形状态的改变，也相应地导致各种性质的恢复。冷塑性变形后的金属受热时，通常经历三个结晶阶段：回复、再结晶和晶粒长大。这三个阶段不是完全分开的，并且经常重叠。回复是指冷塑性变形金属在加热时扫过大角度晶界处的变形基体以形成无变形结构(即再结晶晶粒结构)之前，其某些子结构和性质的变化阶段。再结晶是指冷变形金属被加热的阶段，通过再结晶核心的形成和随后的生长，直到变形基体被新晶粒完全消耗并且新晶粒彼此接触。这一阶段也称为初级再结晶阶段。然后它进入谷物生长阶段。在恢复过程中，金属将释放冷塑性变形过程中储存的部分能量。残余内应力将减少或消除，电阻率、硬度和强度将降低，密度、塑性和韧性将提高，但各种性能对不同结构的敏感性不同，因此各种性能的变化率也不同。组织结构在恢复过程中的变化状态与变形的组织结构以及恢复温度和时间有关。当回复温度较低时，由于塑性变形产生的多余空位将消失。它的消失至少有四种可能的机制：空位迁移到金属的自由表面或晶界并消失；空位与塑性变形产生的间隙原子重新结合并消失：空位与位错相互作用并消失。z空位聚集成空位片，然后塌陷成位错环并消失。电阻率和密度对点缺陷如空位和间隙原子的变化非常敏感，而机械性能对这些点缺陷的变化不太敏感。因此，低温退火时，力学性能变化不大，但电阻率有不同程度的降低。当回复温度稍高时，同一滑移面上不同数量的位错将在累积位错群的长程应力场作用下汇聚消失，从而降低位错密度。在同一个滑移面上不同数量的位错会聚之前，必须用热激活来拦截它们所在滑移面上的森林位错。由于这一过程的活化能不大，它可以在很低的温度下发生。图6-3多边化示意图图6-4回复和再结晶对冷变形性能的影响图6-5再结晶综合动态曲线当回复温度较高时，不仅同一滑移面上不同数量的位错可以会聚和偏移，而且不同滑移面上的位错也容易爬升和交叉滑移，从而相互偏移或重新排列成能量较低的结构。恢复温度越高，相互抵消的位错越多，位错密度越低。正是因为位错通过滑动和爬升运动重新结合，位错数相互抵消，形成多边形结构。奥罗万用位错模型来表示多边形，如图6-3所示。a)表示由相同数量的分散位错引起的晶格弯曲；表示每一层的晶格在多层化之前是弯曲的；c)表示多层化后各层的晶格曲线，此时位错已规则地排列成行，从初始无序状态变为垂直组合。这一过程只能在较高的温度下进行(例如锌单晶为400)。不同金属的多层化速度不同，铝比铜快100倍。这可能是由于位错爬升的速度很快。边缘位错的这种排列形成了小角度倾斜的晶界，并形成了亚晶结构。回复过程的速度与各种因素有关。所有能增加变形金属中位错密度和变形能的因素，如增加变形量、降低变形温度、提高变形速度、减小晶粒直径等。加速恢复。加热温度和加热时间是影响恢复速度的外部条件。加热温度高，恢复速度快。在相同温度下，初始恢复速度较快，随着时间的增加，恢复速度逐渐减小恢复退火主要用于生产中消除内应力退火，以在基本保持加工硬化的情况下降低冷加工金属零件的内应力，从而避免变形和开裂，提高工件的耐蚀性。在预变形热处理过程中，低温冷变形后的中间回火也是一种回复处理。目的是获得相对稳定的位错(亚晶结构)，并且在快速淬火加热和最终回火处理之后仍然保持良好的变形强化效果。6.3再结晶和晶粒生长当退火温度升高时，冷变形材料会发生再结晶。再结晶始于未变形晶核的形成，并逐渐成长为位错密度极低的等轴晶粒。更具体地说，它是通过形成无畸变再结晶核和可移动的大角度晶界以及随后的晶界移动来形成无畸变新晶粒结构的过程。这个过程类似于固态相变，但没有相变。当变形后的基体被新晶粒完全消耗而没有变形时，再结晶阶段完成，然后进入晶粒生长阶段。此时，材料结构从不稳定状态变为稳定状态。当冷塑性变形后的金属被加热时，其结构和性能的最显著变化发生在再结晶阶段。如图6-4所示。再结晶是消除加工硬化的重要软化方法。再结晶也是控制晶粒尺寸、形态、均匀性以及获得或避免晶粒择优取向的重要手段