冷热变形对金属组织和性能的影响

1、4.1.1冷冷塑性变形机理塑性变形机理 多晶体的塑性变形包括晶内变形和多晶体的塑性变形包括晶内变形和 晶界变形（晶间变形）两种。在冷态条晶界变形（晶间变形）两种。在冷态条 件下，由于晶界强度高于晶内，件下，由于晶界强度高于晶内，多晶体多晶体 的塑性变形主要是晶内变形的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形晶间变形 只起次要作用，而且需要有其它变形机只起次要作用，而且需要有其它变形机 制相协调。制相协调。 4-14-1金属冷态下的塑性变形金属冷态下的塑性变形 晶内变形方式有滑移和孪生。由 于滑移所需临界切应力小于孪生所需 临界切应力，故多晶体塑性变形的主 要方式是滑移变形，孪生变形是次要 的，一般仅起

2、调节作用。对于密排六 方金属，孪生变形起着重要作用。 coscos 图图4-1 晶体滑移时的应力分析晶体滑移时的应力分析 晶体的滑移过程，实质上是位 错的移动和增殖的过程。由于在这 个过程中位错的交互作用，位错反 应和相互交割加剧，产生固定割阶、 位错缠结等障碍，使位错难以越过 这些障碍。要使金属继续变形，就 需要不断增加外力，便产生了加工 硬化。 图图4-2 刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意刃型位错运动造成晶体滑移变形的示意 图图4-3 螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意螺型位错运动造成晶体滑移变形的示意 图图4-4 面心立方晶体孪生变形示意面心立方晶体孪生变形示意 冷冷塑性变形时，塑性变

3、形时，多晶体主要是多晶体主要是 晶内滑移晶内滑移变形变形;实质上是实质上是位错的移动位错的移动 和增殖的过程和增殖的过程;由于位错的交互作用由于位错的交互作用, 塑性变形时塑性变形时 产生了加工硬化。产生了加工硬化。 4.1.2 4.1.2 冷塑性变形特点冷塑性变形特点 （1）各晶粒变形的不同时性 塑性变形首先在位向有利的晶粒 内发生,位错源开动,但其中的位错却无 法移出此晶粒,而是在晶界处塞积。位 错塞积产生的应力场越过晶界作用到 相邻晶粒上,使其得到附加应力。随外 加应力的增大,最终使相邻位向不利的 晶粒中滑移系的剪应力分量达到临界 值而开动起来,同时也使原来的位错塞 积得到释放,位错运动

4、移出晶粒。如此 持续运作,使更多晶粒参与变形。 （2）各晶粒变形的相互协调性 晶粒的变形需要相互协调配合， 如此才能保持晶粒之间的连续性， 即变形不是孤立和任意的。 （3）变形的不均匀性 软位向的晶粒先变形，硬位向 的晶粒后变形，其结果必然是各晶 粒变形量的差异，这是由多晶体的 结构特点所决定的。 4.1.3 4.1.3 冷冷塑性变形对组织与性能的影响塑性变形对组织与性能的影响 1 1）对金属组织的影响对金属组织的影响 （1 1）在晶粒内部出现滑移带和孪生在晶粒内部出现滑移带和孪生 带等组织带等组织 铜多晶试样拉伸后形成的滑移带,x173倍(采 自C.Brady,美国国家标准局) 多晶铜拉伸后

5、，各个晶粒滑 移带的光学显微镜照片。铜是 FCC晶体，滑移系是 111/，有12种组合。由 图看出，每个晶粒有两个以上 的滑移面产生了滑移。由于晶 粒取向不同，滑移带的方向也 不同。 （2 2）形成了纤维组织形成了纤维组织 冷加工变形后，金属晶粒形状发 生了变化，变化趋势大体与金属宏 观变形一致。轧制变形时，原等轴 晶粒沿变形方向伸长。变形程度大 时，晶粒呈现为一片如纤维状的条 纹，称为纤维组织。当有夹杂或第 二相质点时，则它们会沿变形方向 拉长成细带状或粉碎成链状。 工业纯铁冷塑性变形后组织(150X) a)变形程度20% b)变形程度50% c)变形程度70% （3 3）变形织构变形织构

6、多晶体塑性变形时伴随着晶粒的多晶体塑性变形时伴随着晶粒的 转动，当变形量很大时，多晶体中转动，当变形量很大时，多晶体中 原为任意取向的各个晶粒，会逐渐原为任意取向的各个晶粒，会逐渐 调整其取向而彼此趋于一致，这种调整其取向而彼此趋于一致，这种 由于塑性变形而使晶粒具有择优取由于塑性变形而使晶粒具有择优取 向的组织，称为向的组织，称为“变形织构变形织构”。 丝织 构示意图 a）拉拔前 b）拉拔后 板织构示意 a) 轧制前 b）轧制后 因板织构所造成的“制耳” a) 无制耳 b) 有制耳 （4 4）晶粒内产生胞状亚结构晶粒内产生胞状亚结构 塑性变形主要是借位错的运动塑性变形主要是借位错的运动 而进

7、行的。经大变形后，位错密度而进行的。经大变形后，位错密度 可从退火状态的可从退火状态的106106107cm-2107cm-2增加到增加到 101110111012cm-21012cm-2。位错运动及交互作用。位错运动及交互作用 结果，其分布是不均匀的。它们先结果，其分布是不均匀的。它们先 是比较纷乱地纠缠成群，形成是比较纷乱地纠缠成群，形成“位位 错缠结错缠结”。如果变形量增大，就形。如果变形量增大，就形 成胞状亚结构。成胞状亚结构。 金属经变形后的亚结构金属经变形后的亚结构 2 2）对金属对金属性能的影响的影响 随着变形程度的增加，金属强度、随着变形程度的增加，金属强度、 硬度增加，而塑性

8、、韧性降低。硬度增加，而塑性、韧性降低。 金属的性能将显示各向异性金属的性能将显示各向异性 。 45号钢力学性能与变形程度的关系曲线 青铜的加工硬化 青铜的加工硬化非常严重，在冷拉拔时需反复退火以改 善其塑性。 因加工硬化严重，塑性下降，青铜在拉拔时发生脆断。 4-2金属热态下的塑性变形金属热态下的塑性变形 4.2.1热热塑性变形时软化过程塑性变形时软化过程 （1）动态回复 动态回复是在热变形过程中发生的 回复，金属即使在远高于静态再结晶 温度下塑性变形时一般也只发生动态 回复。 （2）动态再结晶 动态再结晶是在热变形过程中发生 的再结晶，与静态再结晶一样，也是 通过形核和生长来完成的。它容易

9、发 生在层错能较低且有较大热变形程度 的金属上。 （3）静态回复 在较低的温度下、或在较早阶段发生 在较低的温度下、或在较早阶段发生 转变的过程成为静态回复。它是变形后的转变的过程成为静态回复。它是变形后的 金属自发地向自由能降低的方向转变的过金属自发地向自由能降低的方向转变的过 程。程。 （4）静态再结晶 在再结晶温度以上，金属原子有更大在再结晶温度以上，金属原子有更大 的活动能力，会在原变形金属中重新形成的活动能力，会在原变形金属中重新形成 新的无畸变等轴晶，并最终取代冷变形组新的无畸变等轴晶，并最终取代冷变形组 织，此过程称为金属的静态再结晶。冷变织，此过程称为金属的静态再结晶。冷变 形

10、金属加热时组织和性能的变化如图（形金属加热时组织和性能的变化如图（4 4 9 9） 冷变形金属加热时组织和性能的变化 （5）亚动态再结晶 热变形中已经形成但未长大的 再结晶晶核以及长大途中遗留下的 再结晶晶粒，但变形停止后温度足 够高时，会继续长大，此过程称为 亚动态再结晶。它不需形核，所以 进行得很快。 图4-10为热轧和热挤时，动、 静态回复和再结晶的示意图。 图4-10 动、静回复和再结晶示意 4.2.2热热塑性变形机理塑性变形机理 变形机理主要有：晶内滑移与孪 生、晶界滑移和扩散蠕变。高温时原 子间距加大，热振动和扩散速度增 加，位错滑移、攀移、交滑移及节点 脱锚比低温容易；滑移系增多

11、，滑移 灵便性提高，各晶粒之间变形更加协 调；晶界对位错运动阻碍作用减弱。 因此，其主要机理仍然是晶内滑移。 热塑性变形时，由于晶界强度 降低，使得晶界滑动易于进行；温 度越高，原子动能和扩散能力就越 大，扩散蠕变既直接为塑性变形作 贡献，也对晶界滑移其调节作用。 热塑性变形的主要机理仍然是晶 内滑移；由于晶界滑动和扩散蠕变作 用的增加，再加之变形时会产生动态 回复和再结晶。因此，热态下金属塑 性变形能力比冷态下高，变形抗力较 低。 图4-11 扩散蠕变示意 a）空位和原子的移动方向 b）晶内扩散 c）晶界扩散 4.2.34.2.3热塑性变形对金属组织和性能的影响热塑性变形对金属组织和性能的影

12、响 1）对组织的影响）对组织的影响 （1）改善晶粒组织，细化晶粒改善晶粒组织，细化晶粒 对于铸态金属，粗大的树枝状晶对于铸态金属，粗大的树枝状晶 经塑性变形及再结晶而变成等轴经塑性变形及再结晶而变成等轴 （细）晶粒组织；对于经轧制、锻（细）晶粒组织；对于经轧制、锻 造或挤压的钢坯或型材，在以后的造或挤压的钢坯或型材，在以后的 热加工中通过塑性变形与再结晶，热加工中通过塑性变形与再结晶， 其晶粒组织一般也可得到改善。其晶粒组织一般也可得到改善。 挤压+轧制对Nb棒组织影响 1-2 T 1-3 T1-3 W 1-6 W1-6 T 1-2 T 1-3 1-6 200mm600mm 挤压后下料示意图

13、3800mm 5.5级 8-10级 7-9级 8-10级 7-9级 下图为TC11钛合金铸锭开坯后，320mm大规格棒 材的高低倍组织。 TC11合金320毫米棒材 低倍照片 （原始粗大的网篮组织） 后经过三火加热，8镦8拔，锻后水冷的改锻工艺， 低倍为模糊晶，高倍为双态组织。 GT25000舰用发动机盘饼坯 （直径之半）低倍照片 GT25000GT25000舰用发动机盘舰用发动机盘 高倍照片（双态组织）高倍照片（双态组织） （2 2）锻合内部缺陷锻合内部缺陷 铸态金属中疏松、空隙和微裂纹 等缺陷被压实，提高金属致密度。锻 合经历两个阶段：缺陷区发生塑性变 形，使空隙两壁闭合；在压应力作用 下

14、，加上高温，使金属焊合成一体。 没有足够大的变形，不能实现空隙闭 合，很难达到宏观缺陷焊合。足够大 三向压应力，能实现微观缺陷锻合。 （3 3）形成纤维组织形成纤维组织 在热变形过程中，随变形程度增加，钢锭内粗大树枝晶在热变形过程中，随变形程度增加，钢锭内粗大树枝晶 沿主变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂沿主变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂 物的走向也逐渐与主变形方向一致，形成流线。由于再结晶的物的走向也逐渐与主变形方向一致，形成流线。由于再结晶的 结果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而流线却很稳定地保结果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而流线却很稳定地保 留

15、下来直至室温。留下来直至室温。 性能特点：具有各向异性 a）纵向（平行纤维方向），韧、塑性增加 b）横向（垂直于纤维方向），韧、塑性降低但抗剪切能 力显著增强 热轧对晶粒组织的影响 图4-12 钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意 低碳钢热加工后的流线 吊钩中的流线分布 （左）正确（右）不正确 FWP-7甲发动机级盘970(常规)锻后空冷的低倍流线 （4）破碎改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布 高速钢、高铬钢、高碳工具钢等， 其内部含有大量的碳化物。通过锻造 或轧制，可使这些碳化物被打碎、并 均匀分布，从而改善了它们对金属基 体的削弱作用。 2）对性能的影响）对性能的影响 细化晶粒、细化晶粒、锻合内部缺陷、破锻合内部缺陷、破 碎并改善碳化物和非金属夹杂在钢碎并改善碳化物和非金属夹杂在钢 中分布可提高材料的强度、硬度、中分布可提高材料的强度、硬度、 塑性和韧性。塑性和韧性。 纤维组织形成，使金属力学性能纤维组织形成，使金属力学性能 呈各向异性，沿流线方向比垂直流呈各向异性，沿流线方向比垂直流 线方向具有较高的力学性能，其中线方向具有较高的力学性能，其中 尤以塑性、韧性指标最为显著。尤以塑性、韧性指标最为显著。 变形类型工艺方法组织变化性能变化 冷变形 冷轧、拉拔、冷 挤压、冷冲压、 冷镦 晶粒沿