冷塑性变形金属在加热过程中的组织与性能变化

冷塑性变形后的金属，其组织结构发生了改变，使金属处于不稳定状态，具有自发地恢复到原来稳定状态的趋势。常温下，原子活动能力比较弱，这种不稳定状态要经过很长时间才能逐渐过渡到稳定状态。对冷塑性变形后的金属加热(如进行退火处理)，由于原子活动能力增强就会迅速发生一系列组织与性能的变化，使金属恢复到变形前的稳定状态，如图2-29 所示。

冷塑性变形后的金属在加热过程中，随加热温度的升高，要经历回复、再结晶、晶粒长大三个阶段的变化。

1.回复

当加热温度较低时，金属中的原子有一定的活动能力。通过原子短距离的移动，可以使变形金属内部晶体缺陷的数量减少，晶格畸变程度减轻，残余应力降低，但造成冷变形强化的主要原因尚未消除，因而，冷加工纤维组织无明显变化，金属的力学性能也无明显变化，这一阶段称为回复。在回复阶段，金属的一些物理、化学性能部分地恢复到了变形前的状态。

工业生产中，常利用回复现象对冷塑性变形金属进行低温退火处理(又称为去应力退火)，目的是在保持冷变形强化的情况下，消除残余应力，提高塑性。例如，用冷拉弹簧钢丝制成的弹簧，在卷制后要进行一次250 ℃～300 ℃的低温退火处理，以消除残余应力并使弹簧定形； 冷拉黄铜制件，为了消除残余应力，避免应力腐蚀破坏，也需要进行280 ℃的低温退火处理。

图2-29　冷变形金属加热时组织和性能的变化

2.再结晶

随着加热温度的升高，原子的活动能力增强，当加热到一定温度(如纯铁加热到450 ℃以上)时，变形金属中的纤维状晶粒将重新变为等轴晶粒，这一阶段称为再结晶。

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图2-30　金属再结晶温度与其变形程度的关系

再结晶也是通过晶核形成和长大的方式进行的。新晶粒的核心首先在金属中晶粒变形最严重的区域形成，然后晶核吞并旧晶粒，向周围长大形成新的等轴晶粒。当变形晶粒全部转化为新的等轴晶粒时，再结晶过程就完成了。再结晶前后的晶格类型完全相同，因此，再结晶过程不是相变过程，只是改变了晶粒的形状和消除了因变形而产生的某些晶体缺陷，如位错密度下降、晶格畸变消失等。结果使冷塑性变形金属的组织与性能基本上恢复到了变形前的状态，金属的强度、硬度下降，塑性升高，冷变形强化现象完全消失。

再结晶不是在恒定温度下发生的，而是在一个温度范围内进行的过程。能进行再结晶的最低温度称为再结晶温度，用符号T再表示。实验证明，再结晶温度与金属的冷塑性变形程度有关，如图2-30 所示。金属的塑性变形程度越大，再结晶温度就越低。这主要是因为变形程度越大，则晶格畸变程度越大，位错密度越高，金属的组织越不稳定，开始再结晶的温度越低。纯金属的再结晶温度可根据其熔点按下式进行计算:

T再≈0.4T熔

式中，T再——金属的再结晶温度，单位为K^[1]；

T熔——金属的熔点，单位为K。

3.晶粒长大

冷塑性变形金属经再结晶后，一般都得到细小均匀的等轴晶粒。如果继续升高温度或延长保温时间，则再结晶后形成的新晶粒会逐渐长大，导致晶粒变粗，金属的力学性能下降，这一阶段称为晶粒长大。

晶粒长大可以使金属内部的晶界数量减少，组织处于更稳定的状态，因此，晶粒长大是一个自发的过程。晶粒长大的实质是一个晶粒的边界向另一个晶粒中迁移，把另一个晶粒的晶格位向逐步改变成与这个晶粒相同的位向，小晶粒变小直至消失( “吞并” )。大晶粒长大的过程如图2-29 所示。

影响晶粒长大的因素主要有加热温度、保温时间及冷塑性变形的程度。一般地，加热温度越高，保温时间越长，再结晶后的晶粒就越粗大； 冷塑性变形的程度越大，再结晶后的晶粒就越细小。但冷塑性变形程度在2%～10%时，再结晶后的晶粒会异常粗大，这主要是由于变形程度不大，变形仅在一部分晶粒中发生，再结晶时形核数量少造成的。