第五节 冷变形金属的组织与性能 金属经冷塑性变形后，发生的变化： 外形 尺寸 显微组织 性能

一、显微组织的变化 光学显微组织的变化： 塑性变形后，每个晶粒内部出现大量滑移带、孪生带； 随变形量的增加，原来的等轴晶粒逐渐沿变形方向伸长为扁平晶粒。 当变形量很大时，成为纤维组织(晶粒变得模糊不清，晶粒已难以分辨，而成为的一片纤维状条纹)。

亚结构的变化(透射电镜下观察)： 晶体的塑性变形时，是位错在应力作用下运动和不断增殖。 随变形量的增加，晶体中的位错密度迅速增加，经严重冷变形后，位错密度可从原先退火态的1010~1012m-2增至1015~1016m-2。 经一定量的塑性变形后，晶体中的位错通过运动和交互作用，开始呈现纷乱的不均匀分布，并形成位错缠结。进一步增加变形度，大量位错聚集，并由缠结的位错组成胞状亚结构（位错胞，胞壁上有大量位错，胞内位错密度较低）。 随变形量增大，位错胞也沿变形方向伸长，且数量增多，尺寸减小。

QTi3.5棒材拉伸后的滑移带 锌中的变形孪晶

铜材经不同程度冷轧后的光学显微组织

变形10% 100× 变形40% 100× 工业纯铁不同变形度的显微组织 变形80%　纤维组织　100× 6

α铁于冷变形过程中位错缠结和胞状组织的发展过程 (a)应变1%；(b)应变3.5%；(c)应变9%；(d)应变20% 黑线表示位错

铜材经不同程度冷轧后的薄膜透射电镜像

二、变形织构 多晶体变形时，各晶粒的滑移同样伴随有晶面 的转动，随变形量的增加，各晶粒的滑移面和滑 移方向都要向主变形方向转动。 结果：产生变形织构，变形量越大，织构越强。 形变织构：多晶体中原来任意取向的晶粒，在 空间位向上呈现一定程度的规律性的组织状态。 择优取向：形成形变织构的现象。 变形织构

织构类型与金属的晶体结构和变形方式有关。主要有两种： 丝织构：拉拔时形成。 特征：各晶粒的某一晶向大致与拉拔方向平行。 表示方法：用与线轴平行的晶向<uvw>表示。 板织构：轧制时形成。 特征：各晶粒的某一晶面和晶向分别趋于与轧制平面和轧制方向相平行。 表示方法：用{hkl}<uvw>表示。 形变织构示意图 (b)板织构 拉丝方向 (a)丝织构 轧制方向 变形织构

Cu，Ni，Ag，Al，Cu-Ni，Cu-Zn 几种金属及合金的变形织构 晶体结构 金属或合金 丝织构 板织构 面心立方 Cu，Ni，Ag，Al，Cu-Ni，Cu-Zn <111>+ <100> {110}<112> 体心立方 α-Fe，Mo，W 铁素体钢 <110> {001}<110> {110}<100> {111}<110> 密排六方 Mg，Zn <1010> {0001}<1120> 变形织构

织构对材料性能和加工工艺的影响： 对性能的影响：形成了织构，使材料呈现出晶 体的各向异性。 对深冲板：织构使板材各方向变形能力不同， 工件产生“制耳”(边缘不齐，壁厚不均)，不希 望出现织构。 对变压器硅钢片：沿<100>方向最易磁化，采 用具有(110)[001]织构(GOSS织构)或(100)[001] 织构(立方织构)的硅钢片制作电机时，可以减小 铁损，提高效率。 变形织构

变形织构

三、残余应力和点阵畸变 储存能：金属塑性变形时，约有10%被保留 于金属内部的外力所作的功。 表现形式：残余内应力和点阵畸变。 内应力：平衡于金属内部的应力。 产生原因：由不均匀的内部变形引起。 残余内应力：经过塑性变形后， 外力对金 属所作功的一部分残留于金属内部，转化为的内 应力。 残余应力

残余内应力表现为两类： 宏观内应力(第一类内应力)：工件各部分之间的变形量不同而产生的内应力。 作用范围：工件的整体范围，在工件的整个体积上保持平衡。 （mm级） 如弯曲金属棒：上部，受拉伸长，塑性变形的外力去除后，伸长一边存在压应力；下部，残留拉应力。 金属拉丝后，外缘变形较心部少，残留拉应力，心部残留压应力。 残余应力

宏观内应力的影响 残留拉应力，降低材料强度； 若表层残留压应力，对提高疲劳寿命有 利，用喷丸或滚压实现。 残余应力

微观内应力(第二类内应力)：晶粒之间或 晶内不同区域之间不均匀变形而形成的内应力。 作用范围：作用尺寸与晶粒尺寸为同一数 量级，在晶粒内或晶粒间保持平衡。（μm级） 结果：微观内应力可达很大数值，甚至造 成显微裂纹并导致工件的破坏。 残余应力

点阵畸变(第三类内应力)：由于塑性变形 时产生的大量晶格缺陷（位错、空位等）引起。 作用范围：几十至几百nm。占总储存能的 80%~90%。（nm级） 结果：点阵畸变提高了变形晶体的能量，使 之处于热力学不稳定状态，有着向稳定状态转变 的趋向，成为“回复与再结晶”的驱动力。 残余应力

四、塑性变形对性能的影响 1、力学性能的变化 组织的变化，必然导致性能的变化。 加工硬化（应变硬化） ：金属冷变形时，随变形量增加，其强度、硬度上升，而塑性、韧性下降的现象。 性能变化

加工硬化

加工硬化的意义： 有利处： 可用作强化金属的一种方法；如：奥氏体不锈钢等。 使变形均匀； 保证工件在使用中的安全性。如：局部过载因变形而自行停止。 不利处： 使金属变形抗力增加，增加动力和设备消耗； 限制了塑性变形 加工量，增加了工序(需中间退火后再加工)； 经深度冷加工的零件，需经退火后使用(塑、韧性降低，不可直接使用) 。 加工硬化

2、单晶体的加工硬化曲线 典型的单晶体的加工硬化曲线显示塑性变形 的3个阶段。 加工硬化速率(系数)：应力随应变而提高的速 率，即加工硬化曲线的斜率θ=dτ/dγ。 一组滑移系发生滑移时，在平行滑移面上移动的位错很少受到其他位错的干扰，可移动相当长的距离并可能到达晶体表面，位错源能不断增殖出新位错，产生较大的应变。 两组或多组滑移系同时滑移，相交滑移系上位错的交互作用，生成割阶，固定位错等障碍，晶体中位错密度迅速增高，产生塞积群或形成缠结和胞状亚结构，使位错不能越过这些障碍而被限制在一定范围之内移动，使继续变形所需应力显著升高。 单晶体的切应力-切应变曲线 加工硬化

Ⅰ阶段：易滑移阶段； 只有一组滑移系发生滑移， 位错滑移无干扰，应力增加 小，产生应变大，硬化效应 小，θⅠ≈10-4G。 Ⅱ阶段：线性硬化阶段； 有两组或多组滑移系同时滑 移，位错交互作用强，应力 急剧增加，加工硬化显著， θⅡ≈3×10-3G。 单晶体的切应力-切应变曲线 Ⅲ阶段：抛物线性硬化阶段；螺位错可交滑移饶过障碍，异号位错相遇相互抵消，随应变增加，应力增加缓慢，加工硬化率θⅢ逐渐下降，硬化曲线呈抛物线状。 加工硬化

高层错能的材料，在较小应力下就能 交滑移，第二阶段很短； 层错能低的材料，交滑移难以发生， 而有明显的第二阶段。 加工硬化

实际晶体的加工硬化曲线 实际晶体的加工硬化曲线，因其晶体结 构类型、晶体取向、杂质含量及试验温度不 同而有变化。 总的说，其基本特征相同，只是各阶段 的长短通过位错的运动、增殖和交互作用而 受影响，甚至某一阶段可能不再出现。 加工硬化

常见晶格类型金属单晶体的加工硬化曲线 面心立方：典型三阶段； 体心立方：也有三个阶 段，若含有微量杂质，将产 生屈服现象，并使曲线有所 变化。 密排六方：只有两个阶 段，第一阶段很长，第二阶 段未充分发展就断了。(因为 滑移系少，位错相互交割形 成障碍的机会 少。) 加工硬化

3、多晶体的加工硬化曲线 加工硬化曲线上不会出现第一阶段，其加工 硬化曲线通常更陡，加工硬化率更高，并且，晶 粒越细，硬化效果越明显。 原因：多晶体塑性变形时，由于晶界的阻碍 作用和晶粒之间的协调配合要求，各晶粒不可能 以单一滑移系变形，而必然有多组滑移系同时作 用。 加工硬化

加工硬化

铜单晶与多晶的应力-应变曲线 加工硬化

金属的流变应力与位错密度的关系 已被许多实验证实。 因此，塑性变形过程中位错密度的增加及其所产生的钉扎作用是导致加工硬化的决定性因素。 α——常数，在0.1～1.0之间； G——切变模量； b——柏氏矢量的模。 已被许多实验证实。 因此，塑性变形过程中位错密度的增加及其所产生的钉扎作用是导致加工硬化的决定性因素。 加工硬化

4、其他物理和化学性能的变化 物理性能：塑性变形使金属导磁率、导电 率和电阻温度系数下降，而矫顽力及电阻率提 高，比热、导热性也有所降低。 化学性能：塑性变形使金属化学活性增大， 电位势提高，腐蚀速度加快，抗蚀性降低。 性能变化

金属的4种基本强化机制 细晶强化（界面强化）：多晶体的强度随晶 粒细化而提高的现象。 固溶强化：溶质原子溶入基体后，使其强度、 硬度提高，塑性、韧性下降的现象。 弥散强化：细小弥散分布的第二相质点显著 提高材料强度的现象。 加工硬化（应变强化、位错强化） ：金属冷 变形时，随变形量增加，其强度、硬度上升，而 塑性、韧性下降的现象。