金属在塑性变形中的组织结构与性能变化

练习与思考题

1 冷变形使金属的组织结构和性能发生什么变化？有何意义？

（1）冷变形使金属的组织结构发生如下变化：

1）单晶体塑性变形:时，随着变形量增加，位错密度增加，从而引起加工硬化；

2）多晶体塑性变形时，，随着变形量增加，与单晶体变形一样，位错密度增加。但多晶体各晶粒即相互阻碍又相互促进，变形量到一定程度出现位错胞状结构；

3）冷塑性变形后自由能高；

4）晶粒外形、夹杂物和第二相的分布发生变化； 5）性能上具有方向性：带状组织和纤维组织； 6）形成形变织构；

7）晶体可能被破坏，可能产生微裂纹，甚至宏观裂纹等；变形是不均匀的；存在残余内应力。

（2）冷变形对金属性能的变化体现在：

1）强度指标增加；塑性指标降低，韧性也降低了；产生力学性能的方向性。 2）物理性能变化：由于在晶间和晶内产生微观裂纹和空隙以及点阵缺陷，因而密度降低，导热、导电、导磁性能降低。

3）化学性能变化：化学稳定性降低，耐腐蚀性能降低，溶解性增加。 （3）生产上经常利用冷加工提高材料的强度，通过加工硬化（或称形变强化）来强化金属。冷加工是通过塑性变形改变金属材料性能的重要手段之一。

2 回复退火处理可能使冷变形后的金属组织结构发生什么变化？有何实际意义？

回复对组织结构的影响与形变后的组织以及回复的温度和时间有关： （1）回复温度较低时，由于塑性变形所产生的过量空位就会消失； （2）回复温度稍高一些时，同一个滑移面上的异号位错，会在塞积位错群

的长程应力场作用下，汇聚而合并消失，降低位错密度 ；

（3）回复温度较高时，不但同一滑移面上的异号位错可以汇聚抵消，而且不同滑移面上的位错也易于攀移和交滑移，从而互相抵消或重新排列成一种能量较低的结构。

回复退火在生产中主要作用：

（1）去内应力退火，使冷加工的金属件，在基本上保持加工硬化的条件下降低其内应力，以避免变形和开裂，改善工件的耐蚀性。

（2）预先形变热处理工艺中，低温冷变形后进行的中间回火，也是一种回复性质的处理。其目的是为了得到比较稳定的位错（亚晶组织），在进行快速淬火加热和最后的回火处理后，仍能够保持良好的形变强化的效果。

3 如何控制再结晶后的晶粒大小和均匀性？

决定再结晶退火后晶粒大小的最主要因素是预先变形量、退火温度，其次是原始晶粒度、杂质及退火时间等。

当变形量很小时，晶格畸变能低，形核率低，甚至不形核，而且没有足够的动力推动再结晶过程的进行，不发生再结晶，只是晶粒长大，出现粗晶组织。为了细化晶粒，条件允许时，应尽量采用大变形量，避免在临界变形程度加工。

提高退火温度，不仅使再结晶晶粒度增大，而且还会影响到临界变形程度。随着退火温度升高，其临界变形程度变小，且再结晶晶粒明显长大。

原始晶粒的大小及夹杂对再结晶后的晶粒大小有影响：在同样变形程度和温度下，原始晶粒越细，再结晶后的晶粒也越细；杂质妨碍再结晶晶粒长大，对组织细化有一定影响，特别是分布在晶界上的杂质成连续膜时，造成的障碍作用更大。

4 金属在热变形中其组织结构和性能变化有什么特点？

（1）改造铸态组织

铸态金属组织中的缩孔、疏松、空隙、气泡等缺陷等得到压缩式焊合，铸态组织的物理、化学和结晶学方面的不均匀性会得到改善。

（2）细化晶粒和破碎夹杂物

铸态金属中的柱状晶和粗大的等轴晶经锻造或轧制等热变形和对再结晶的有效控制，可变为较细小均匀的等轴晶粒。

破碎夹杂物和第二相并能改变它们的分布，这对改善性能十分有益。 （3）热变形中形成的纤维组织

铸态金属在热加工变形中所形成的纤维组织和金属在冷加工变形中由于晶粒被拉长而形成的纤维组织不同。前者是由于金属铸态结晶时所产生的枝晶偏析，在热变形中保留下来，并随着变形而延伸形成的“纤维”。纤维组织的形成而出现方向性。

（4）形成带状组织

热加工形成的带状组织可表现为晶粒带状和碳化物带状两类：

缓冷的热轧低碳钢：可能会出现先共折铁素体和珠光体交替相间的显微组织带状（二次带状），两相区的低温大变形量轧制使先共析铁素体，被拉长而成的带状组织都属于晶粒带状组织。

枝晶偏析严重的高碳钢：如轴承钢、工具钢，未作均匀化退火，先共析渗碳体在热加工中破碎．沿延伸方向分布，也可能出现碳化物带状。终轧温度过高，冷却速度过慢，压缩比不足都会增大碳化物带状的级别。

脆性夹杂物在热加工中可能被破碎而成点链状分布，塑性夹杂物会被拉长或压扁而成条带状。

带状组织都会降低钢材的机械性能。 （5）形成网状组织

高碳钢（如轴承钢）的轧前加热温度一般都高于Acm线，加热时碳化物几乎全部溶解到奥氏体区内。在轧后奥氏体状态下的冷却过程中，二次渗碳体析出并在奥氏体晶界形成网状碳化物，对材料的使用寿命影响很大，严重地降低其强度和韧性。

消除网状碳化物措施：在轧制生产中，采用降低终轧温度，在850℃左右终轧，通过形变破碎碳化物，随后快速冷却到700℃以下。

5 动态再结晶和静态再结晶有何区别？亚动态再结晶和静态再结晶又有何区别？

动态再结晶形核与核心长大均发生在在变形过程中，再结晶晶粒内有不同程度硬化，即动态再结晶并不能起到完全软化作用。

而静态再结晶形核与核心长大均在变形后，新生的再结晶晶粒内位错密度低，具有完全软化作用。

亚动态再结晶过程中再结晶形核在变形过程中，而核心长大在变形后，再结晶晶粒内位错密度低，为完全软化。

6 什么是择优取向？什么是织构？织构主要有哪几种表示方法？

某种晶面或晶向优先集中在某个方向上排列的现象称为择优取向，具有择优取向的金属多晶体组织就叫织构，或者说是多晶体各个晶粒取向的分布显著脱离了随机分布的现象。

织构的表示方法常用有极图和反极图，腐蚀坑法，此外还有取向分布函数。

7 举例说明织构在工程中的实际应用？

（1）单晶体的力学性能是各向异性的。比如体心立方金属，<111>方向是其强度最强方向，<110>是次强方向，而<100>方向是强度最弱方向。多晶体一般是各向同性的，但经过塑性变形产生织构以后，就会出现不同程度的各向异性，在各个方向的强度不同。这种强度上的变化必然影响到材料的深加工性能。如在板材成形过程中，要求有强的{111}织构，使得板材成形过程具有良好的抵抗厚度方向减薄或增厚的能力，从而使得板材具有良好的成形性能。

（2）铁磁材料在不同的晶轴方向上具有不同的磁性，叫磁晶各向异性。织构与材料磁性关系密切。最典型的是变压器用硅钢片的磁晶各向异性。在同样的磁场强度下，<100>晶向最易磁化，<110>方向次之，<111>晶向最难磁化。从而有高斯织构{110}<001>在变压器硅钢中的应用，{100}织构在电机用硅钢中的应用。