塑性加工与金属组织

[拼音]：suxing jiagong yu jinshu zuzhi

[外文]：structure of plastically worked metals

就金属塑性变形的物理机制而言，塑性变形主要来源于位错的运动，而金属组织结构的改变主要取决于位错和其他晶体缺陷的数量、形态、分布（见范性形变）。就工程意义而言，常见的金属结构变化主要有下列几种。

冷加工下的金属结构

塑性变形过程中不伴有软化过程的金属塑性加工称为冷加工。冷加工一般会增加金属的屈服强度，这种现象叫作应变硬化或加工硬化，是由内部结构变化（位错增殖）引起的。图1为软钢承受不同的冷轧压下率后，应力-应变曲线的变化。

冷加工也引起金属其他性质的变化，如电阻率升高、耐腐蚀性降低等。当金属变形量在各方向有很大差别时(如轧制、拔制)，多晶金属晶粒常以特定的晶面和晶向定位于最大变形的方向。这样的组织叫做加工织构。织构造成制品的性质上的方向性，这在一些情况下是不利的，例如薄板冲压时造成“制耳”；但在另一些情况下是有利的，如制成取向硅钢片。决定加工织构的主要因素是被加工的金属种类、变形温度、变形的几何关系和主变形量；次要因素有拔制时的模角、轧制时的辊径和道次变形率等（见择优取向）。

回复和再结晶

冷加工后，塑性变形功大部分变为热，但有 5～10％以晶体缺陷的形式，成为贮存的能量。这样，冷加工组织在热力学上就不稳定。在适当的条件下，贮存的能量放出，晶体缺陷减少，使材料的物理和化学性质接近变形以前的性质。这个过程叫做退火。退火是一个温度升高再降低的过程：其温升初期进行的软化过程叫做回复；以后的软化过程叫做再结晶（见回复和再结晶）。

（1）回复通常在比较低的温度下就开始进行。在只进行恢复的阶段，晶粒形状没有显著的变化，但一些物理性质，特别是那些对金属点缺陷敏感的性质，则有明显的变化。同时，残余应力完全消失。温度升高使回复速率增加。回复主要由贮存于晶格的点，缺陷中的能量驱动。

（2）再结晶冷加工金属高温退火时，经过一定程度的回复后，产生晶核，然后长大成新晶粒。再结晶就是新晶粒取代加工硬化晶粒的过程。再结晶由晶格形变能驱动。新晶粒完全取代加工硬化的晶粒后，若仍持续高温，则发生相邻晶粒合并而长大，这是由晶粒表面积减小而释放出的内能驱动。

晶粒度的控制

控制金属材料的晶粒度有很大的实用价值。细晶粒材料常具有较高的强度、韧性和塑性；而大晶粒往往对生产软磁材料有利。影响再结晶过程的因素包括：预先的冷加工量、退火温度、退火时间和材料的化学成分等。各种因素的支配作用可以归纳如下：

（1）在一定的退火温度下，冷加工量必须超过某个数值，才能发生再结晶，此加工量称为临界变形（加工）量。低于临界变形量，材料内只能发生回复，而不能发生再结晶。退火温度越高，则临界变形量越小。

（2）退火温度越高，则完成再结晶所需时间越短(图3)。通常把受到足够的冷加工的金属，经过1小时退火而完全再结晶所需的退火温度，称为再结晶温度，它与熔点的关系见下表。

（3）如表所示，金属纯度强烈影响再结晶温度。高纯金属的再结晶温度显著降低。高熔点(T_m)金属的再结晶温度近于0.40T_m。

（4）再结晶完了时得到的组织的晶粒度受预先的冷加工程度的影响很大。如果冷加工程度较大，则在较低温度就开始再结晶，而可得到较细的晶粒；反之，就得到粗大的晶粒。时常把在退火时间固定（比如说 1小时）的条件下，反映退火温度、预先的冷加工量和晶粒度的实验关系的空间图形，叫作再结晶图（图4）。

具有加工织构的材料，退火后，也可能形成新的织构，称为再结晶织构。

热加工下的金属结构

加工硬化和软化（回复和再结晶）同时进行的加工叫作热加工，其温度通常远高于0.4T_m，此时回复和再结晶均以极快的速率完成。热加工的变形特征是加工温度和变形速率交错地起作用。如图5所示，(a)如应变速率一定(1.5×10^-3/s^-1)，而在不同的温度下测定真应力-应变曲线;金属在少量的应变硬化后，变形抗力就达到定值，这是硬化和软化机理平衡的结果，这种状态叫作稳态。变形温度升高，回复速率便会增加，即在较小的应变下进入稳态，稳态的变形抗力也就越低。(b)为在700℃之下，改变应变速率，测定其真应力-应变曲线（见塑性变形的力学原理）。

动态回复和动态再结晶

即与热加工变形同时进行的回复和再结晶。动态再结晶和冷加工-退火的再结晶的主要差别在于前者是在和回复同时进行的。在动态再结晶速率足够高时，将使冷加工的效果难于叠加。如加入微量元素(如低碳钢中加入铌)并适当降低轧制温度，可以抑制动态再结晶的进程，从而取得细晶粒组织和较好的性能，利用这种原理发展出控制轧制等工艺。

热加工材料也有方向性，主要是在主变形方向的力学性能优于与其垂直的方向。除了结晶学上的晶粒择优取向外，它主要是材料的第二相或夹杂在变形方向破碎、并成带状或纤维状分布的结果（图6）。图7给出热轧钢板在不同方向取样时，其V形缺口冲击值的变化。