结晶过程细化晶粒的措施

任务2　塑性变形对金属组织和性能的影响

一、塑性变形对金属组织结构的影响

1．晶粒变形及纤维组织的形成

金属发生塑性变形时，晶粒沿变形方向被压扁、拉长。当变形量很大时，晶粒会变成细条状，晶界变得模糊不清，金属中的夹杂物也沿着变形方向被拉长，这时就形成了纤维组织，如图3－8所示。纤维组织表现出各向异性的特征。如金属沿纤维方向的强度和塑性远大于沿垂直纤维方向的强度和塑性等。

2．亚结构的形成

金属发生大量塑性变形后，晶体碎化成许多位向略有差异的亚晶粒，位错密度显著增加，位错的分布也会变得不均匀，大量位错都聚集在亚晶粒边界上，致使亚晶粒内部位错密度很低。亚晶界越多，位错密度越大，位错运动受到阻碍，滑移就变得困难，这增加了金属塑性变形抗力。

3．形变织构的产生

金属受到大量的一定方向的变形后，致使各晶粒转动，位向趋近于一致，这种有序化结构被称为形变织构，它具有各向异性的特征。形变织构分为两种：一种是丝织构，各晶粒晶向趋于一致，一般发生于高度冷轧之前；另一种是板织构，各晶粒的某一晶面趋于平行，且此晶面上某一晶面趋于一致，它多发生于高度冷轧之后。

织构对金属的工艺性能和使用性能都有影响，一般为不利影响。例如，有织构的铜板冲制筒形零件时，由于各方向的塑性差别较大，会出现边缘不整齐，即制耳现象，如图3－9所示。但织构有时也有好处，如硅钢片中的织构可大大提高其磁性。

图3－8　晶粒塑性变形示意图

图3－9　制耳示意图

二、加工硬化

塑性变形对金属性能的主要影响是能产生加工硬化（或称为变形强化或冷作硬化），即金属在塑性变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧度明显下降的现象。变形程度越大，强化效果越显著，图3－10所示的为纯铜冷轧加工的性能变化情况。

塑性变形对金属的某些物理、化学性能也有一定影响。例如，金属电阻的增加，以及金属导磁性和耐蚀性降低等。

综上所述，塑性变形是通过位错的运动来实现的。位错与位错之间要发生相互作用，如产生缠结、发生堆积等，这会使位错运动的发生变得困难。认识塑性变形的发展规律，在实际生产中具有重要意义。

三、回复与再结晶

1．回复

加热温度不高时，由于原子扩散能力不足，变形金属仅能发生回复过程。此时，金属显微组织无显著变化，加工硬化后的强度与硬度基本不变，塑性略微回升，而内应力则明显下降，如图3－1l所示。其原因是变形金属中原子活动能力较室温时的增强，能做短距离扩散，空位较少，位错密度有所降低，晶格略变及位错间作用力减小，晶体过渡为较稳定状态。

图3－10　纯铜加工的性能变化示意图

图3－11　变形金属加热时组织和性能的变化

工业上利用回复过程的处理方式称为去应力退火，其作用是使冷加工金属基本上保持其强度与硬度，而内应力又有所降低。

2．再结晶

提高加热温度时，原子活动能量显著提高，变形金属的显微组织会发生显著变化，破碎的、压扁的、拉长的晶粒全部转化为均匀而细小的等轴晶粒，这是一个形核长大的结晶过程，但结晶前后晶格类型没有变化，所以称为“再结晶”过程。再结晶过程不是相变过程，故无结晶潜热，不需要在恒温下进行。

再结晶后，变形金属的晶格畸变和位错密度会恢复到加工前的状态，内应力则完全消除，因此其强度、硬度明显下降，塑性、韧度极大提高。随着加工硬化的消失，变形金属的组织和性能全面恢复，如图3－11所示。

3．晶粒长大

变形金属刚完成再结晶时，晶粒是细小的，但如果较多地提高加热温度或保温时间过长，晶粒就会显著长大。这是一种自发过程，是通过晶界的迁移来实现的。晶粒的异常粗大，往往会使力学性能明显下降，如图3－11所示。

四、再结晶温度与晶粒度

要获得性能良好的产品，必须准确确定再结晶温度和控制再结晶后的晶粒大小。

1．再结晶温度

再结晶与相变不同，它不是在恒温下发生的，是在一个较宽的温度范围内进行的。刚开始进行再结晶的温度称为最低再结晶温度。

研究证明，影响再结晶开始温度的因素包括变形度、化学成分（杂质和合金元素）、加热速度、加热时间及金属变形前的原始晶粒度等。但主要取决于变形度，预先变形度越大，晶体的缺陷就越多，组织则越不稳定，开始再结晶温度就越低，如图3－12所示。当变形度达到一定值（70%～80%）时，金属的再结晶温度就趋向于一定的温度，这一温度就是最低再结晶温度。大量实验结果证明，纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间有如下的近似关系，即

图3－12　金属的再结晶温度与变形度的关系

T_再＝0．4T_熔

式中：T_再、T_熔均用绝对温度表示。

由于再结晶温度受到许多因素的影响，为减少退火时间，提高生产率，再结晶退火温度一般要高于最低再结晶温度100～200℃。

2．再结晶退火后的晶粒度

金属晶粒大小对力学性能影响很大，要控制再结晶后的晶粒大小，主要是掌握好预先变形度和加热温度。

1）预先变形度

变形度的影响主要反映在变形的均匀性上，变形度越大，变形就越均匀，再结晶退火后的晶粒也就越细小。当变形度在2～105时，金属晶粒急速长大，如图3－13所示，使金属晶粒度异常长大的变形度称为临界变形度。因为在这样的变形度下，只有部分晶粒变形，变形很不均匀。再结晶时由于生核率低，晶粒大小极不均匀，很容易产生晶粒吞并，从而形成粗大的晶粒，生产上应避免这一范围的变形度。当变形量太大（约90%）时，形变结构有可能使晶粒急速长大。

2）加热温度及保温时间

再结晶退火温度越高，原子活动能力越强，也就越有利于晶界的迁移，从而促进晶粒的长大。图3－14所示为再结晶退火温度与退火后晶粒度的关系曲线。

图3－13　再结晶退火后晶粒度与预先变形度的关系

图3－14　再结晶退火温度对晶粒的影响