冷轧带钢组织性能与检测

4 塑性变形和再结晶

在工业生产中，广泛采用锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔等压力加工工艺生产各种工

程材料。各种压力加工方法都会使金属材料按预定的要求进行塑性变形，从而获得成品或半成品。其目的不仅是为了获得具有一定形状和尺寸的毛坯和零件，更重要的是使金属的组织和性能得到改善，所以塑性变形是强化金属材料力学性能的重要手段之一。研究金属塑性变形规律具有重要的理论与实际意义。 4.1 塑性变形

4.1.1 单晶体塑性变形

从力学性能试验中可知，金属材料在外力作用下会发生一定的变形。金属变形包括塑性变形和弹性变形。当外力去除后能够完全恢复的变形称为弹性变形；当外力去除后不能完全恢复的变形称为塑性变形。通过塑性变形可以改善金属材料的各种性能，这是和变形过程中其内部结构的变化分不开的。

图4－1 应力的分解

4.1.2弹性变形与塑性变形的微观机理

如图4－1所示，当受到外力作用后，将在金属内某一晶面上产生一定的正应力(dN)和切应力(r)。在不受外力作用时，单晶体内晶格是规则的，而在应力作用下，晶格就会出现一系列的变化。正应力的主要作用是使晶格沿其受力的方向进行拉长，在正应力作用下，晶格中的原子偏离平衡位置，此时正应力的大小与原子间的作用力平衡。当外力消失以后，正应力消失，在原子间吸引力的作用下，原子回到原来的平衡位置，表现为受拉长的晶格恢复原状，变形消失，表现为弹性变形。当正应力大于原子间作用力时，晶体被拉断，表现为晶体的脆性断裂，所以，正应力只能使晶体产生弹性变形和断裂。

切应力的主要作用则可以使晶格在弹性歪扭的基础上，进一步造成滑移，产生塑性变形，如图4－2所示。具体情况如下：在产牛的切应力很小时，原子移动的距离不超过一个原子间距，晶格发生弹性歪扭，若此时去除外力，切应力消失，则晶格恢复到原来的平衡状态，这种变形，就是弹性变形。若切应力继续增加并达到一定值时，晶格歪扭超过一定程度，则晶体的一部分将会沿着某一晶面，相对于另一部分发生移动，通常称之为滑移。滑移的距离为原子间距的正数倍(图4－2中表示滑移了一个原子间距)。产生滑移后再去除外力时，晶格的弹性歪扭随之减小，但滑移到新位置的原子，已不能回到原来的位置，而在新的位置上重新处于平衡状态，于是晶格就产生了微量的塑性变形。

图4－2 切应力作用下的晶体变形图

4.1.3 单晶体的塑性变形方式

单晶体的塑性变形方式包括两种，即滑移与孪生。 (1)滑移

滑移是单晶体塑性变形最普遍的方式。在晶体在进行塑性变形时，出现的切应力将使晶体内部上下两部分的原子沿着某特定的晶面相对移动。滑移主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上，并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行，这是因为只有在最紧密晶面以及最紧密晶向之间的距离最大，原子结合力也最弱，所以引起它们之间的相对移动的切应力最小。品格中发生滑移的面，称为滑移面，而发生滑移的方向则称为滑移方向。晶体中每个滑移面和该面上的一个滑移方向可以组成一个滑移系，在晶体中的滑移系越多，则该晶体的塑性越好。

现代理论认为，晶体滑移时，并不是整个滑移面上的全部原子一起移动的刚性位移，实际上滑移是借助于位错的移动来实现的，晶体中存在着一个正刃形位错(符号上)，在切应力，作用下，这种位错比较容易移动。这是因为位错中心前进一个原子间距时，只是位错中心附近的少数原子进行微量的位移，故只需要较小的切应力。这样位错中心(上)在切应力的作用下，便由左向右一格一格地移动，当位错到达晶体表面时，晶体的上半部就相对下半部滑移了一个原子间距，形成了一个原子间距的塑性变形量。当大量的位错移出晶体表面时，就产生了宏观的塑性变形。由此可见，晶体通过位错移动产生滑移时，只需位错附近的少数原子作微量的移动，移动的距离远小于一个原子间距，所以实际滑移所需的切应力远远小于刚性位移的切应力。具有体心立方和面心立方晶体结构的金属，塑性变形基本上是以滑移方式进行的，例如铁、铜、铝、铅、金、银等。 4.2 回复和再结晶

经范性形变的金属或合金在不同温度加热后，会发生结构、组织和性能的变化。在较低温度发生回复；温度较高时发生基体的再结晶和晶粒长大。通过回复和再结晶，金属或合金从热力学上不稳定的冷变形状态转变为热力学上较稳定的新的组织状态。

回复

经范性形变的金属或合金在室温或不太高的温度下退火时,金属或合金的显微组织几乎没有变化,然而性能却有程度不同的改变，使之趋近于范性形变之前的数值，这一现象称为回复。由于加热温度比较低，回复时原子或点缺陷（见晶体缺陷）只在微小的距离内发生迁移。回复后的光学显微组织中，晶粒仍保持冷变形后的形状，但电子显微镜显示其精细结构

已有变化；由范性形变所造成的形变亚结构中,位错密度有所降低,同时，胞状组织逐渐消失，出现清晰的亚晶界和较完整的亚晶。回复时形成亚结构主要借助于点缺陷间彼此复合或抵销，点缺陷在位错或晶界处的湮没，位错偶极子湮没和位错攀移运动，使位错排列成稳定组态，如排列成位错墙而构成小角度亚晶界（见界面）此即所谓“多边形化”。回复过程的驱动力来自变形时留于金属或合金中的贮能。回复后宏观性能的变化决定于退火温度和时间。温度一定时，回复速率随退火时间增加而逐渐降低。力学性能（硬度、强度、塑性等）的回复速率通常要较物理性能（电阻、磁性、内应力等）的回复速率慢（见图4－4）。 再结晶

当退火温度足够高、时间足够长时，在变形金属或合金的显微组织中，产生无应变的新晶粒──再结晶核心。新晶粒不断长大，直至原来的变形组织完全消失,金属或合金的性能也发生显著变化,这一过程称为再结晶。过程的驱动力也是来自残存的形变贮能（见图4－4）。与金属中的固态相变类似，再结晶也有转变孕育期，但再结晶前后，金属的点阵类型无变化。

图4－4回复和再结晶过程中组织性能的变化示意图

再结晶核心一般通过两种形式产生。其一是原晶界的某一段突然弓出，深入至畸变大的相邻晶粒，在推进的这部分中形变贮能完全消失，形成新晶核。其二是通过晶界或亚晶界合并，生成一无应变的小区──再结晶核心。四周则由大角度边界将它与形变且已回复了的基体分开。大角度边界迁移时，核心长大。核心朝取向差大的形变晶粒长大，故再结晶过程具有方向性特征。再结晶后的显微组织呈等轴状晶粒，以保持较低的界面能。开始生成新晶粒的温度称为开始再结晶温度，显微组织全部被新晶粒所占据的温度称为终了再结晶温度或完全再结晶温度。再结晶过程所占温度范围受合金成分、形变程度、原始晶粒度、退火温度等因素的影响。实际应用中，常用开始再结晶温度和终了再结晶温度的算术平均值作为衡量金属或合金性能热稳定水平的参量，称为再结晶温度。 晶粒长大

再结晶完成后,随退火温度的升高或保温时间的延长，金属或合金显微组织中有新晶粒通过晶界的迁移而将相邻的其他新晶粒吞并掉，发生了形成更大尺寸的再结晶晶粒的过程，这个过程称为晶粒长大。晶粒长大的驱动力是晶界能。晶粒长大的过程是金属或合金单位体积中晶界能不断减小的过程。通常有两种情况，即晶粒的正常长大(normal grain growth)和晶体的异常长大(anomaly grain growth)。前者以晶粒长大速率较均匀、长大时晶粒的形状和尺寸分布基本不变为特征；后者则以基体的某一小范围内只有很少几个晶粒发生快速长大为特

征。为区别起见，将正常长大称为聚合再结晶，异常长大称为二次再结晶；异常长大前则称一次再结晶或加工再结晶。晶体的正常长大多出现于纯金属或单相合金中。若金属基体中含有第二相弥散质点，或很强的单一取向结构时，则发生异常长大。CSP工艺下SPCC在不同退火阶段中显微组织变化的金相照片，（如图4－5)。

（a）530℃；（b）545℃；（c）560℃；（d）590℃

图4－5退火过程中不同温度下取样的金相组织

1）由图4－5金相组织可知：545℃开始有明显的再结晶晶粒在晶界生成，但在530℃的金相组织中很难看出是否发生再结晶。560℃已有一半以上的晶粒发生再结晶，590℃时再结晶完成89.47%，此时可以认为再结晶已经基本完成，由此可知，再结晶是在一个温度范围内完成的，并不是在具体的某一温度下完成。

2）金相组织可知，冷轧组织是带状形的，且带状晶粒的颜色不同，有的发亮，有的发暗，由于腐蚀液相同（4%的硝酸酒精），且是在相同的条件下进行腐蚀的，所以可断定，颜色不同，是由于晶粒取向不同所造成，从图4－5金相组织中可以看出再结晶率先发生在颜色深的晶粒上，再结晶是形核和核长大的过程，形核首先是在能量较高的取向上发生，因此，颜色深的晶粒取向储存的变形能高于颜色浅的晶粒取向。

金属或合金进行范性形变时的温度，可低于或高于再结晶温度。前种变形常称冷作、冷变形或冷加工；后者称热加工。金属或合金在热加工的同时伴有回复、再结晶或晶粒长大等过程，这些也可能产生于变形后的保温或冷却过程中。热加工过程中所伴生的回复和再结晶，称动态回复与动态再结晶。

工业上常借助回复完成消除应力的退火，提高合金的抗腐蚀性；借助再结晶消除形变组织，使合金具有某种特定的性能，如一些经受大变形的软磁合金即可借此获得有利的再结晶织构而有最佳的磁导率（见硅钢片）。金属的再结晶和晶粒长大是制订合理的热加工工艺规范的重要依据。工业上还称金属或合金在指定时间内（一般0.5～1小时）完成或达到规定程度的再结晶所需要的最低温度为再结晶温度。由于在一小时内完成再结晶过程所需的温度