金属塑性变形对组织和性能的影响

按金属固态塑性成形时的温度，其成形过程分为两大类，即冷变形过程和热变形过程。

1.冷变形

是指金属在再结晶温度以下进行的变形。

在冷变形时，随变形程度的增加，金属材料的强度指标和硬度指标都有所提高，韧性和塑性有所下降。这种现象称为变形强化，也称加工硬化。但是这种变形强化是不稳定的，当变形后的金属加热到一定温度，因原子活动能力增强，使原子又回到平衡位置，晶内残余应力大大减小，这种现象称为回复。回复时不改变晶粒形状，如图3-17所示。其回复温度为

式中T_回——金属恢复温度，单位为K；

T_熔——金属熔点温度，单位为K。

图3-17 金属的回复和再结晶示意图

a）塑性变形后的组织 b）金属回复后的组织 c）再结晶组织

当温度继续升高到该金属熔点（热力学温度）的0.4倍时，金属原子获得更多的热能，使塑性变形后金属被拉长了的晶粒重新生核、结晶，变为与变形前晶格结构相同的新等轴晶粒，这一过程称为再结晶，如图3-17所示。再结晶可以完全消除塑性变形所引起的冷变形强化现象，并使晶粒细化，改善力学性能。纯金属的再结晶为

T_再=0.4T_熔式中T_再——金属再结晶温度，单位为K。(https://www.xing528.com)

利用金属的冷变形强化可提高金属的强度和硬度，这是工业生产中强化金属材料的一种重要手段。例如：起重机用的钢丝绳，如果在出厂前拉伸一次，可使钢丝的承载能力有所提高。但是在塑性变形中，冷变形强化使金属的进一步变形变得困难。这就是为什么在拉深变形中，多次拉深的每次拉深前必须退火，恢复金属的塑性变形才能顺利进行拉深，否则会出现底部被拉穿而成废品。

冷变形制成的产品尺寸精度高、表面质量好。由于冷变形过程中的加工硬化现象，使金属材料的塑性变差，给进一步变形带来困难，故冷变形需重型和大功率设备；要求加工坯料表面干净、无氧化皮、平整等；另外，加工硬化使金属变形处电阻升高，耐蚀性降低等。

2.热变形

热变形是指金属材料在再结晶温度以上塑性变形。

金属在热变形过程中，由于温度较高，原子的活动能力大，变形所引起的硬化随即被再结晶消除。

1）金属在热变形中始终保持着良好的塑性，可使工件进行大量的塑性变形；又因高温下金属的屈服强度较低，故变形抗力低，易于变形。

2）热变形使金属材料内部的缩松、气孔或空隙被压实，粗大晶粒组织结构被再结晶化，从而使金属内部组织结构致密细小，力学性能（特别是韧性）明显改善和提高。

3）塑性变形使金属材料内部晶粒、晶间的杂质和偏析元素沿金属流动的方向拉长，呈纤维状分布，形成了纤维组织，使金属材料的力学性能具有方向性。即金属在纵向（平行于纤维方向）塑性和韧性高，而抗切应力低；在横向（垂直于纤维方向）上，塑性和韧性低，而抗切应力强。因此，为了获得金属零件的最佳力学性能，都应使零件在工作中产生的最大正应力与纤维方向重合；最大切应力与纤维方向垂直并使纤维方向分布与零件的轮廓相符合，加工中纤维不被切断。

例如，为什么齿轮的毛坯都要用棒材镦粗，而不直接用板料加工，因板料做出来的齿轮不是每个齿的纤维方向都与切应力方向垂直，纤维方向不与受切应力方向垂直的齿可能被切断。如果用棒材镦粗，纤维成放射性，每个齿的纤维方向都与切应力方向垂直。

曲轴如果用棒料直接车削加工出来的纤维被切断，不仅使曲轴承载能力大大降低，而且材料浪费很大；重要的螺钉直接用棒料经车削加工出头部，就造成头部与杆部的纤维就被切断，受力时所产生的切应力顺着纤维方向，其螺钉的承载能力较弱，如图3-18所示。