金属变形过程中的组织与性能

2.1.2　金属变形过程中的组织与性能

金属在外力作用下将产生变形，其变形过程包括弹性变形和弹塑性变形两个阶段。弹性变形是可逆的，不能用于成形加工。只有在弹塑性变形阶段的塑性变形部分才能用于成形加工。

1.冷变形后金属的组织与性能

金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷变形，经过冷变形的金属其组织、性能如下：

图2-1　变形前后晶粒形状的变化

a）正常晶粒　b）晶粒被压扁或拉长　c）纤维组织

（1）晶粒沿变形最大的方向被拉长，性能趋于各向异性　金属在外力作用下，其内部的晶粒形状随着外形的改变而改变（压扁或拉长）。当变形量很大时，晶界将变得模糊不清，此时的组织称纤维组织，如图2-1所示。纤维组织使金属在性能上具有明显的方向性，对金属变形后的质量也有影响。纤维组织越明显，金属在平行于纤维方向上塑性和韧性就相应提高，而垂直于纤维方向上塑性和韧性则降低。

（2）晶粒破碎，位错密度增加，产生冷变形强化　冷变形时，随着塑性变形的增大，晶粒破碎为碎晶块，晶体中原子排列偏离平衡位置，出现严重的晶格扭曲，位错密度增加。因此，随着金属冷变形程度的增加，金属材料的强度、硬度的指标都有所提高，但塑性、韧性的指标有所下降，这种现象称为冷变形强化（cold deformation strengthening）或加工硬化（work hardening）。实际生产中经常利用这一现象来强化金属材料，特别是一些不能通过热处理强化的金属。

（3）晶粒择优取向，形成变形织构　随着变形程度的增加，各晶粒的晶格位向会沿着变形方向发生转动，当变形量很大时，金属中每个晶粒的晶格位向大体趋于一致，此种现象称为择优取向，所形成的结构称为变形织构。变形织构使金属具有各向异性。

（4）残余内应力　残余内应力（residul stress）是指去除外力后，残留在金属内部的应力。它主要是由于金属在外力作用下变形不均匀而造成的。残余内应力的存在，使金属原子处于一种高能状态，具有自发恢复到平衡状态的倾向。在低温下，原子活动能力较低，这种恢复现象难以觉察，但是，当温度升高到某一温度后，金属原子获得热能而加剧运动，金属组织和性能将会发生一系列变化。

2.冷变形后金属在加热时组织与性能的变化

冷变形后金属在加热时组织和性能将发生如图2-2所示的变化。

图2-2　冷变形金属加热时组织和性能的变化

（1）回复　在加热温度不高时，冷变形金属由于原子扩散能力不强，只能通过点缺陷和位错的迁移，消除晶粒的晶格扭曲，显著降低金属的内应力，但金属的显微组织无明显变化，强度和塑性变化不大。此过程称为回复（recovering）。金属产生回复现象时的温度称为回复温度，记为T回。金属的熔化温度记为T_熔。对于纯金属，一般T回＝（0.25～0.3）T_熔（K）。在实际生产中，利用回复现象可以使变形金属消除内应力，同时又保留高的强度和硬度。例如，用冷拉钢丝卷制造的小弹簧，卷成后一般要加热到250～300℃，以消除内应力，使其定形。这种处理称为消除内应力退火。

（2）再结晶　冷变形金属加热到较高温度时，原子扩散能力增强，以大量的碎晶或杂质为结晶核心，原子在金属内部重新排列，形成新的等轴晶粒而取代冷变形后破碎、拉长的已变形晶粒，这种现象称为再结晶（recrystallization）。开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度，记为T_再。对于纯金属T_再与T_熔的关系大致为：T_再＝0.4T_熔（K），对于合金，T_再与T_熔的关系大致为：T回＝（0.5～0.7）T_熔（K）。为了加速再结晶的进程，工业上采用的再结晶温度比理论的再结晶温度高出100～200K。再结晶对改变金属组织和性能具有重要的实际意义。再结晶能使金属冷变形后的加工硬化全部消除，恢复良好的塑性，为随后的冷加工创造有利条件。

3.热变形后金属的组织与性能

热变形是指金属在再结晶温度以上进行的塑性变形。金属在热变形过程中，同时存在加工硬化和再结晶两个过程，但其加工硬化随时被再结晶所消除，因而在此过程中表现不出加工硬化现象，金属的组织与性能将会发生如下变化：

（1）金属的致密度提高　金属压力加工最原始的坯料是铸锭，铸锭在浇注过程中由于冷却条件的不同而形成不同的组织，并且其内部产生偏析、气孔、缩孔、缩松、非金属夹杂物等缺陷。铸锭进行热变形加工后，铸锭中的气孔、缩松等被压合在一起，使金属的致密度提高。

（2）组织细化，力学性能提高　热变形能使坯料粗大的铸态组织碎化，然后转化为细化的再结晶组织，从而提高力学性能。

（3）出现锻造流线，金属性能呈现异向性　热变形时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布，塑性杂质随金属变形沿主要伸长方向呈带状分布。再结晶过程中，晶粒形状发生改变，而夹杂物却仍然保留原来的分布形态，使金属热变形后的细小均匀再结晶组织内留有明显的夹杂物痕迹，称为锻造流线（forging flow lines）或锻造流纹，它使金属呈现异向性。锻造流线的明显程度与金属的变形程度有关，变形程度越大，锻造流线越明显。塑性成形中，变形程度常用锻造比Y表示。

拔长时，　　　　Y_拔＝F₀/F

镦粗时，　　　　Y_镦＝H₀/H

式中　H₀——坯料变形前的高度；

F₀——坯料变形前的横截面积；

H——坯料变形后的高度；

F——坯料变形后的横截面积。

在设计和制造零件时，为使零件具有最好的力学性能，应使零件工作时的最大正应力方向与锻造流线方向平行，同时，流线的分布与零件的外形轮廓相符合而不被切断。例如，图2-3a所示的曲轴拐颈是用气割或切削加工方法切出的，流线被切断，流线方向与零件应力方向不符合上述原则。而图2-3b所示的曲轴拐颈是用镦弯法锻造而成的，流线沿零件轮廓分布，没有切断。实践证明，用如图2-3b所示加工方法制造的曲轴的疲劳强度比用图2-3a所示加工方法制造的曲轴要高出30%以上。

图2-3　曲轴不同方法加工后的锻造流线状态示意图

a）切出拐颈　b）镦弯出拐颈