金属塑性变形后的组织与性能变化分析

1.塑性变形对金属组织结构的影响

塑性变形后的多晶体金属除和单晶体一样在各个晶粒内产生不同程度的滑移和孪生外，还可能产生下列组织的变化。

1）纤维组织

如图8-36所示，金属发生很大程度的塑性变形后，所有的晶粒都发生变形，并由于滑移面的转向，所有晶粒沿同一变形方向被显著拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒变成细条状，金属中晶界上的夹杂物也被拉长，形成显微镜下可观察到的纤维状条纹，这种组织称为纤维组织。

图8-36　纤维组织的形成

（a）等轴状；（b）细长状；（c）纤维状

2）亚结构

如图8-37所示，金属经大塑性变形后，由于位错的密度增大和发生交互作用，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，而在晶粒内产生亚晶粒。亚晶粒之间有亚晶界，是两个亚晶粒间晶格不连续、位向差极小的过渡区。亚晶界上堆积有大量位错。

图8-37　亚结构

3）变形织构

金属塑性变形程度达到70%以上时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋近于一致，形成特殊的择优取向，这种有序化的结构叫做变形织构。变形织构一般分两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向，称为丝织构，例如低碳钢经大延伸率冷拔后，其<100>晶向平行于拔丝方向，如图8-38（a）所示。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，如低碳钢的板织构为{001}<110>，如图8-38（b）所示。

图8-38　变形织构示意图

（a）丝织构；（b）板织构

变形织构使金属材料的力学性能和物理性能表现出明显的各向异性。产生变形织构的金属经退火后，多数情况下仍存在织构，称为再结晶织构。通常不希望金属材料产生织构，因为织构会造成材料各向异性。例如，用于深冲压成形的板材，织构会造成各个方向变形的不均匀性，使冲出来的工件厚薄不均，沿口不齐，出现如图8-39所示的“制耳”现象。但在某些场合下，织构的存在是有利的，如电器上使用的硅钢片，采取适当的冷轧和退火工艺，可以获得高导磁性织构成分。

图8-39　拉深“制耳”

2.加工硬化现象

金属随着塑性变形程度的增大，其力学性能变化如图8-40所示，强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。其物理化学性能的变化是：导电性、导热性、抗腐蚀性均降低，并改变了铁磁金属的磁性。这样的现象称为加工硬化，也叫形变强化。

1）单晶体的加工硬化

图8-41所示是几种典型的金属单晶体的加工硬化曲线，可见不同的晶体结构其加工硬化曲线有明显的区别。密排六方金属单晶体只能沿一组滑移面进行滑移，加工硬化曲线的斜率很小，也就是加工硬化率很低；立方类金属可以同时开动多个滑移系统，呈现较强的加工硬化效应。因此，显著的加工硬化的根源在于位错在相交的滑移面上滑移时产生的相互干扰作用。

图8-42所示是概括了大量实验结果而得出的面心立方金属单晶体的加工硬化曲线，整个加工硬化可以分为3个阶段。

图8-40　两种常见金属材料的力学性能—变形度曲线

（a）工业纯铁；（b）45号钢

第Ⅰ阶段称为易滑移阶段，硬化率很低，与密排六方金属的硬化率相近，可发生较大塑性变形，位错间交互作用很少，滑移距离长。本阶段紧接在屈服之后发生。

图8-41　典型金属单晶体的应力—应变曲线

图8-42　面心立方单晶体的加工硬化曲线

第Ⅱ阶段称为线性硬化阶段，本阶段的特点是加工硬化迅速增加，其曲线斜率与外加应力、取向等的关系不大。实验观察表明，位错一般是以缠结的形式出现的，且主、次滑移系统中有位错交互作用的迹象。在本阶段后期，出现不规则的胞状组织，滑移线很短。

第Ⅲ阶段称为抛物线硬化阶段。此时胞状组织明显出现，本阶段的起点明显依赖于温度。滑移线变成滑移带，且滑移带发生碎化。螺型位错发生交滑移，使塞积位错得以松弛，加工硬化程度减弱。

2）多晶体的加工硬化

多晶体与单晶体相比，出现了大面积的晶界，由于晶界的作用，多晶体的加工硬化不同于单晶体。晶界对塑性变形的作用表现为：①阻碍晶内滑移的进行。②为了保持晶界上不出现裂纹，被迫在小变形时局部区域产生多滑移。(www.xing528.com)

多晶体由于晶界的约束，塑性变形没有与单晶体类似的第Ⅰ阶段硬化，而是一开始就进入第Ⅱ阶段，且不久就进入第Ⅲ阶段。

多晶体加工硬化的位错组态与单晶体类似。原始的位错与次滑移的位错交互作用，可以产生偶极位错和位错环，发生局部位错缠结区，并逐步发展成为亚晶界的三维网络。亚晶胞的尺寸随着应变的增加而减小。各类金属间的结构差别，主要在于亚晶界的显著程度不同。在具有高层错能的体心立方和面心立方金属中，位错缠结区重新排列为明显的亚晶界。但是，在具有低层错能的金属中，位错因扩散而使交滑移受到限制，即使在有很大应变时，也不能形成明显的亚晶界。

当滑移从某晶粒转入相邻晶粒时，晶界起着阻碍作用。所以，晶界必然对加工硬化产生影响。此外，由于多晶体的连续性，使得在晶界附近区域内随着变形的增加而产生复杂的滑移。当延伸率不超过百分之几时，加工硬化是与晶粒尺寸相关的，此后，加工硬化就不再依赖于晶粒尺寸了。

3）加工硬化的原因及利弊

根据前述内容并结合近年来的研究成果，归纳加工硬化产生的原因包括：晶粒内产生滑移带和孪晶带；因滑移面转向引起的晶粒旋转；变形程度很大时形成纤维组织；晶粒被破碎而形成亚结构；当变形程度很大时各晶粒位向趋于一致，形成变形织构；由于晶间变形在晶界造成许多破损；由于变形不均匀引起各种内应力；因位错密度增加，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等。

加工硬化现象的发生使金属后续塑性加工难度加大，亦或使产品力学和理化性能受到不良影响，通常可采用退火处理来加以消除；但另一方面，加工硬化也是一种重要的强化金属的工艺措施。例如，大型发电机上的护环零件，其材料是不能用热处理强化的无磁钢，生产上常采用液压胀形、楔块扩孔、芯轴扩孔、爆炸成形等工艺，即利用加工硬化来提高其强度。例如，用16Mn钢板冲裁制成的自行车链条的链片时，若经五道冷轧，厚度由3.5mm减至1.2mm，其形变强化效果明显，材料的硬度、抗拉强度可成倍提高，且重量亦有所减轻。加工硬化还有利于金属进行均匀变形，因为金属变形部分得到强化时，后续变形将向未变形部分转移，可防止变形集中而引起塑性失稳，这对板材的深冲成形很有利。

3.回复与再结晶

金属的加工硬化微观上造成位错运动阻力的增大，宏观上造成后续塑性加工难度加大，采用再加热的办法可以消除或者部分消除加工硬化的影响。

1）冷变形金属的静态回复和静态再结晶

在对经冷变形产生加工硬化效应的金属进行加热时，随着温度的升高，其组织和性能会发生一系列的变化，通常经历3个阶段：静态回复、静态再结晶和二次再结晶。图8-43所示是冷变形金属加热时组织和性能变化示意图。

图8-43　冷变形金属的静态回复与再结晶

所谓静态回复和再结晶是指金属在变形停止或中断的无外力状态下发生的回复和再结晶。

（1）静态回复。静态回复的实质是原子排列从高能态的杂乱排列向低能态的规则排列的转变过程，如图8-43所示。此阶段晶体的内应力大大下降，强度稍有下降，塑性稍有提高。

金属在塑性变形时外力所做功的大部分用来使金属发生变形并转化为热能而消失，1%～10%的能量则以各种应变能的方式储存于金属内。例如，产生晶格畸变、点缺陷、位错等，因而使晶体内能上升，处于热力学上的不稳定状态，这种不稳定状态随时有自发向稳定状态转变的趋势。但在室温情况下由于原子扩散慢，很难观察到这种变化。但当加热时，由于原子动能增加，这种潜在的转化趋势就显现出来，首先发生的就是静态回复过程。

静态回复发生时，由于温度不高，晶体内只有间隙原子和空位的运动。大量空位移到晶界或晶体表面，或与间隙原子合并而同时消失。此时变形金属晶粒的外形无明显变化，仍呈条纹状，因只消除了晶格畸变，因此金属的力学性能并无显著变化，而诸如导电性、导热性、抗腐蚀性等物理化学性能则大部分恢复。

产生静态回复的温度为

式中，T熔点表示该金属的熔点温度，单位为绝对温度K。

静态回复亦即热处理中的低温退火，在工业生产中被广泛应用。例如，冷变形后的机械零件由于存在内应力，使用时易因工作应力与内应力迭加而断裂，又如精密零件由于内应力的长期作用易引起尺寸的不稳定等，均可利用回复效应消除这些不良影响。这样既消除了内应力，又保持了形变强化所获得的高硬度和高强度。另外如导电材料冷变形后，获得了必要的强度，但电阻亦显著增大，此时亦可利用回复效应在保持其强度的同时恢复其导电性。

（2）静态再结晶。当变形金属继续加热到较高温度时，由于原子获得了更大的活动能力，首先在变形晶粒的晶界或滑移带、孪晶带等变形剧烈的地区产生结晶核心，即一些原子规则排列的小晶块，然后晶核逐渐长大，成为具有正常晶格的新晶粒，新晶粒长大到彼此边界相遇，结晶过程结束。这一阶段的生核、成长的过程称为静态再结晶。静态再结晶过程使变形金属的晶粒外形改变：破碎晶粒变成完整晶粒，伸长晶粒变成等轴晶粒。再结晶使力学、物理和化学性能完全恢复，加工硬化全部消除。

凭借电子显微镜的观察发现，静态再结晶核心的形成服从低能区生核理论，即认为在回复后，原来剧烈变形区上的破碎晶块中，总可以找到大于临界晶核的无畸变小晶块，以它作为再结晶核心，向周围长大；或者是由于亚晶粒间位向差极小，高畸变的亚晶粒向低畸变的亚晶粒转动，使位向趋于一致，合并成一体成为再结晶核心。这就是说，静态再结晶的生核过程是低能晶块通过高能晶块的供养完成，所以没有高能区就没有低能区的晶核形成。

静态再结晶过程的实质是亚晶粒的合并和晶界的迁移。回复后的亚晶组织中有大角度晶界和小角度晶界。静态再结晶过程中只有小角度晶界的亚晶组织能合并长大。这些小角度晶界亚晶的合并长大，实际上是亚晶界上位错逸出的过程，其主要推动力是亚晶粒之间的应变能差。当亚晶粒之间的应变能差和界面能减少、变形金属完全变成了无畸变的等轴晶粒后，静态再结晶过程便结束。

静态再结晶温度通常定义为：经过70%变形量变形的金属，在均匀温度中保持1小时能完成静态再结晶过程的最低温度。通常，工业用纯金属静态再结晶温度可认为是：

影响静态再结晶过程的因素主要有加热温度、保温时间、变形程度、原始晶粒度和金属的化学成分等。在相同条件下提高加热温度，会加快静态再结晶速度，因而可以缩短静态再结晶的时间。保温时间长，原子的扩散能充分进行，因而静态再结晶温度就低。金属发生静态再结晶的必要条件是一定的变形程度，低于这一变形程度就不会发生静态再结晶；而变形程度越大，储存的应变能便越高，静态再结晶所需温度也越低，静态再结晶过程也越易发生。原始晶粒细小，则变形抗力大，变形后储存的应变能较高，静态再结晶温度便较低。而且，原始晶粒越细小，晶界总面积越大，经同样程度变形后的金属导致的晶格畸变的区域也越多，从而提供更多的生核场所，静态再结晶生核率便更高，形成的新晶粒也越细小。通常，金属纯度越高，其静态再结晶温度则越低；而合金中化学成分越复杂，含量越高，静态再结晶温度便越高。例如，工业纯铁的静态再结晶温度为450℃，低碳钢为450～550℃，亚共析钢为450～650℃，钢中如加入W、Mo、V、Ti等元素，可显著提高静态再结晶温度。

（3）二次再结晶。由静态再结晶得到的无畸变的等轴细晶粒，在加热温度继续升高或长时间保温的条件下，会发生互相吞并而急剧长大，形成粗大晶粒，称为二次再结晶。从热力学条件看，在一定体积中晶粒越粗大，则总的晶界面积越小，界面能也就越低。当温度很高时，原子有足够的扩散能力，较大晶粒的晶界会向相邻较小晶粒的晶界推进，将较小晶粒吞併而长大，处于界面能更低的较稳定状态。所以二次再结晶是晶体界面能减小的自发过程。分布在晶界上的第二相粒子能够有效钉扎晶界，从而抑制晶界的迁移。但当温度很高时，第二相粒子溶解，使大小晶粒能互相吞倂而发生二次再结晶。二次再结晶造成的粗大晶粒使金属和合金的强度、塑性和冲击韧性变坏，特别是使冲击韧性大大下降，故生产上应特别重视再结晶后的晶粒度。

2）热变形金属的动态回复和动态再结晶

所谓动态回复和动态再结晶是指金属在热变形过程中，在温度和外力联合作用下发生的回复和再结晶。

动态回复主要发生在层错能高的金属的热加工过程中，如铝、铁素体钢以及一些密排六方结构金属锌、锡等。由于温度持续升高，原子获得了更大的活动能，于是位错开始运动，经合并、组合后位错密度降低甚至完全消失，当由变形所引起的位错增加速率与动态回复所引起的位错消失速率几乎相等时，硬化现象消失。所以，动态回复是金属在热变形中发生的一种软化过程。

动态再结晶易发生在层错能低的金属中，如奥氏体不锈钢、镍及镍基高温合金、镁、铜、银、金等合金。这类材料容易产生层错，扩展位错中的层错带较宽，不易产生动态回复，因而在热加工过程中，会局部积累足够高的位错密度，导致发生动态再结晶。动态再结晶的能力还与晶界迁移的难易有关。金属越纯，发生动态再结晶的能力越强，当溶质原子固溶于金属基体中时会使动态再结晶的能力有所增加。弥散的第二相因能阻碍晶界的移动，所以它阻碍动态再结晶的进行。

动态再结晶与静态再结晶原理基本一样，也是通过成核和长大来完成的。其机制是大角度晶界或亚晶界向高位错密度区域的迁移。动态再结晶的晶粒是由具有低位错密度的再结晶刚刚结束的晶粒到具有高位错密度的即将开始再结晶之前的晶粒所构成。由于变形的不断进行，再结晶后的每个晶粒仍处于变形状态。

图8-44所示是普通25号钢在1 100℃发生动态再结晶时的真应力—真应变曲线，从中可以看出，在高应变速度下，流变应力迅速上升，然后由于动态再结晶的发生而引起软化，并逐渐达到平稳态，此时硬化过程和软化过程达到平衡，即处于稳定变形阶段。在低应变速率情况下，应力应变曲线呈波浪形。波峰对应新的动态再结晶的开始，此后由于软化作用大于硬化作用，而使曲线下降。波谷则代表再结晶完结。此后硬化作用大于软化作用，而使曲线上升。当储存能积累到一定程度后又开始新的再结晶，如此反复进行，就出现了波浪形的应力应变曲线。

图8-44　发生动态再结晶的真应力-真应变曲线