塑性加工與金屬組織

塑性加工與金屬組織

正文

就金屬塑性變形的物理機制而言，塑性變形主要來源於位錯的運動，而金屬組織結構的改變主要取決於位錯和其他晶體缺陷的數量、形態、分布（見範性形變）。就工程意義而言，常見的金屬結構變化主要有下列幾種。
冷加工下的金屬結構 塑性變形過程中不伴有軟化過程的金屬塑性加工稱為冷加工。冷加工一般會增加金屬的屈服強度，這種現象叫作應變硬化或加工硬化，是由內部結構變化（位錯增殖）引起的。圖1為軟鋼承受不同的冷軋壓下率後,應力-應變曲線的變化。

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冷加工也引起金屬其他性質的變化，如電阻率升高、耐腐蝕性降低等。當金屬變形量在各方向有很大差別時(如軋制、拔制)，多晶金屬晶粒常以特定的晶面和晶向定位於最大變形的方向。這樣的組織叫做加工織構。織構造成製品的性質上的方向性，這在一些情況下是不利的，例如薄板衝壓時造成“制耳”；但在另一些情況下是有利的，如製成取向矽鋼片。決定加工織構的主要因素是被加工的金屬種類、變形溫度、變形的幾何關係和主變形量；次要因素有拔制時的模角、軋制時的輥徑和道次變形率等（見擇優取向）。
回復和再結晶 冷加工後，塑性變形功大部分變為熱，但有 5～10％以晶體缺陷的形式，成為貯存的能量。這樣，冷加工組織在熱力學上就不穩定。在適當的條件下，貯存的能量放出，晶體缺陷減少，使材料的物理和化學性質接近變形以前的性質。這個過程叫做退火。退火是一個溫度升高再降低的過程：其溫升初期進行的軟化過程叫做回復；以後的軟化過程叫做再結晶（見回復和再結晶）。

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① 回復 通常在比較低的溫度下就開始進行。在只進行恢復的階段,晶粒形狀沒有顯著的變化,但一些物理性質，特別是那些對金屬點缺陷敏感的性質，則有明顯的變化。同時，殘餘應力完全消失。溫度升高使回復速率增加。回復主要由貯存於晶格的點，缺陷中的能量驅動。
② 再結晶 冷加工金屬高溫退火時，經過一定程度的回覆後,產生晶核,然後長大成新晶粒。再結晶就是新晶粒取代加工硬化晶粒的過程。再結晶由晶格形變能驅動。新晶粒完全取代加工硬化的晶粒後，若仍持續高溫，則發生相鄰晶粒合併而長大，這是由晶粒表面積減小而釋放出的內能驅動。
晶粒度的控制 控制金屬材料的晶粒度有很大的實用價值。細晶粒材料常具有較高的強度、韌性和塑性；而大晶粒往往對生產軟磁材料有利。影響再結晶過程的因素包括：預先的冷加工量、退火溫度、退火時間和材料的化學成分等。各種因素的支配作用可以歸納如下：
① 在一定的退火溫度下，冷加工量必須超過某個數值,才能發生再結晶,此加工量稱為臨界變形（加工）量。低於臨界變形量，材料內只能發生回復，而不能發生再結晶。退火溫度越高，則臨界變形量越小。
② 退火溫度越高,則完成再結晶所需時間越短(圖3)。通常把受到足夠的冷加工的金屬，經過1小時退火而完全再結晶所需的退火溫度,稱為再結晶溫度，它與熔點的關係見下表。

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③ 如表所示，金屬純度強烈影響再結晶溫度。高純金屬的再結晶溫度顯著降低。高熔點(Tm)金屬的再結晶溫度近於0.40Tm。
④ 再結晶完了時得到的組織的晶粒度受預先的冷加工程度的影響很大。如果冷加工程度較大，則在較低溫度就開始再結晶,而可得到較細的晶粒；反之,就得到粗大的晶粒。時常把在退火時間固定（比如說 1小時）的條件下，反映退火溫度、預先的冷加工量和晶粒度的實驗關係的空間圖形，叫作再結晶圖（圖4）。

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具有加工織構的材料，退火後，也可能形成新的織構，稱為再結晶織構。
熱加工下的金屬結構 加工硬化和軟化（回復和再結晶）同時進行的加工叫作熱加工，其溫度通常遠高於0.4Tm,此時回復和再結晶均以極快的速率完成。熱加工的變形特徵是加工溫度和變形速率交錯地起作用。如圖5所示,(a)如應變速率一定(1.5×10-3/s-1),而在不同的溫度下測定真應力-應變曲線;金屬在少量的應變硬化後，變形抗力就達到定值，這是硬化和軟化機理平衡的結果，這種狀態叫作穩態。變形溫度升高，回復速率便會增加，即在較小的應變下進入穩態，穩態的變形抗力也就越低。(b)為在700℃之下，改變應變速率,測定其真應力-應變曲線（見塑性變形的力學原理）。

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動態回復和動態再結晶 即與熱加工變形同時進行的回覆和再結晶。動態再結晶和冷加工-退火的再結晶的主要差別在於前者是在和回復同時進行的。在動態再結晶速率足夠高時，將使冷加工的效果難於疊加。如加入微量元素(如低碳鋼中加入鈮)並適當降低軋制溫度，可以抑制動態再結晶的進程，從而取得細晶粒組織和較好的性能，利用這種原理髮展出控制軋制等工藝。
熱加工材料也有方向性，主要是在主變形方向的力學性能優於與其垂直的方向。除了結晶學上的晶粒擇優取向外，它主要是材料的第二相或夾雜在變形方向破碎、並成帶狀或纖維狀分布的結果（圖6）。圖7給出熱軋鋼板在不同方向取樣時,其V形缺口衝擊值的變化。

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了解熱加工材料的方向性，可以利用它的有利方面，減輕它的有害方面。例如，為消除厚鋼板在焊接時發生的層狀撕裂(見焊接裂紋)，可在鋼中加入鹼金屬鈣或稀土金屬以減輕硫化錳在形成帶狀組織中的影響；又如在鍛壓加工形狀複雜的製品時，要合理控制它的“流線”等。(見彩圖)

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參考書目
　宮川大海等：《金屬學概論》，朝倉書店,東京1980。
　P.Haasen, Physical Metallurgy,Cambridge University Press, Cambridge, 1978.

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