冷塑性变形对金属组织和性能的影响

1）冷塑性变形对金属组织结构的影响

（1）晶粒变形，形成纤维组织

金属在外力作用下产生塑性形变时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒形状也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长成纤维状，晶界变得模糊不清，杂质呈现细带状或链状分布，如图3－12所示。图3－12变形前后晶粒形状的变化示意图

（2）亚结构形成，细化晶粒

冷塑性变形会使晶粒内部的亚结构发生变化。金属经过大的塑性变形后，由于位错的运动和交互作用，位错堆积在局部的区域，使晶粒分化成许多位向略有差异的亚晶粒，如图3－13所示。亚晶粒边界上聚集大量位错，而内部的位错密度相对低得多。随着变形量的增大，产生的亚结构也越细。

图3－13　金属经变形后形成亚结构示意图

（3）产生形变织构

当金属变形量很大时（变形量达到70%以上），由于晶粒的转动，多晶材料中的晶粒位向会趋于一致，形成择优取向，也称形变织构。形变织构有两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向，称为丝织构。例如低碳钢经大变形冷拔后，＜100＞方向平行于拔丝方向；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＞，如图3－14所示。

图3－14　形变织构示意图

2）冷塑性变形对金属性能的影响

在塑性变形的过程中，随着金属内部组织的变化，金属的性能也将产生变化。

（1）产生加工硬化(www.xing528.com)

材料在变形后，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降，这一现象称为“加工硬化”或“形变强化”。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，造成位错的运动阻力增加，引起金属塑性变形抗力的增加；另一方面，由于亚结构的形成，晶粒的细化，使金属的强度得以提高。加工硬化对金属的工程应用具有十分重要的意义：

①加工硬化是强化材料的重要手段，尤其是对于那些不能用热处理方法强化的金属材料。

②加工硬化有利于金属进行均匀变形。因为金属已变形部分产生硬化，将使继续的变形主要在未变形或变形较少的部分发展。

③加工硬化给金属的继续变形造成了困难，加速了模具的损耗，在对材料要进行较大变形量的加工中将是不希望的，在金属的变形和加工过程中常常要进行“中间退火”以消除这种不利影响，因而增加了能耗和成本。

图3－15　工业纯铜和45钢的加工硬化现象

（2）产生各向异性

由于纤维组织和形变织构的形成，使金属的性能产生了各向异性。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，由于不同方向上的塑性差别很大，造成工件边缘不齐，壁厚不均的现象，这种现象称为“制耳”。工业中也可以有效利用织构获得所需的性能。硅钢片是利用织构的一个典范。冷辗轧后的硅钢片沿＜100＞晶向（碾压方向）的磁化率μm最高，铁损最小，应力中使铁芯中的磁力线与晶粒的＜100＞取向相同，可节省材料和降低铁损。

（3）金属的物理、化学性能的变化

经冷塑性变形后，使金属的物理和化学性能发生了显著变化。如金属的磁导率、电导率、电阻温度系数等下降；磁矫顽力增加，提高了金属的化学活性，耐蚀性下降。

（4）产生残余内应力

残余内应力是指去除外力之后，残留于材料内部、且自身平衡于材料内部的应力。冷塑性变形后材料内部的残余内应力明显增加，主要是由于材料在外力作用下内部变形不均匀所造成的。残余内应力会使材料的耐腐蚀性能下降，严重时可导致零件的变形或开裂，如黄铜弹壳腐蚀开裂。残余拉应力还会降低承载能力，尤其是降低疲劳强度。

图3－16　形变织构造成深冲筒形制品的制耳