金属工艺学重点.doc

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1、工艺方法：铸造、压力加工、焊接、切削加工和热处理。一、金属材料的性能1、强度: 强度是金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。强度大小常用应力来表示，单位为MPa。指标: 屈服强度 金属材料发生屈服现象时的屈服极限。用符号s表示。对于没有明显屈服现象的金属材料，多测定其规定残余伸长量时对应的应力0.2。抗拉强度 金属材料在拉断之前所能承受的最大应力，用符号b表示2、塑性：金属材料在外力作用下产生永久变形而不致破裂的性能称为塑性。指标: 延伸率 试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为延伸率。用符号表示，其计算公式为：断面收缩率 试样拉断后，缩颈处截面积的最大收缩量与原始截面积的百分比

2、为断面收缩率，用符号表示金属材料的延伸率（）和断面收缩率（ ）数值越大，表示材料的塑性越好。3、硬度： 金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力称为硬度。表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。硬度试验的方法：压入硬度试验法（如布氏硬度（HBS）、 洛氏硬度（HRC） 划痕硬度试验法（如莫氏硬度）4、冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性，用符号aK表示 5、疲劳强度：机械零件在无数次的交变载荷作用下不至于发生破断的最大应力。二、金属的晶体结构1、晶格：表示晶体中原子排列规律的空间格子叫做晶格。 晶胞：能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。

3、常见的三种金属晶格：体心立方晶格：属于这种晶格的有铬，钒，钨，钼，-Fe。每个立方晶胞中包含1/8*8+1=2个原子，原子半径面心立方晶格：属于这种晶格的有铝，铜，铅，银，-Fe。每个立方晶胞中包含1/8*8+1/2*6=4个原子，原子半径密排六方晶格：属于这种晶格的有镁(Mg)、锌（Zn）、铍（Be）和镉（Cd）。 每个立方晶胞中包含2*（1/6*6+1/2）+3=6个原子，原子半径2、细化晶粒：原因：晶粒的粗、细对金属的机械性能影响很大。因为晶粒细，晶界就多。由于晶界处的晶格排列方向极不一致，犬牙交错，互相咬合，从而加强了金属的结合力，故晶粒越细小，材料的强度和硬度越高，塑性韧性越好。 方

4、法：（1） 增大过冷度，增加晶核数量（只适合中小铸件）（2）孕育处理 在液态金属结晶前加入不熔质点（变质剂或孕育剂）点作为人工晶核（3） 振动处理 采用机械振动、超声波振动和电磁振动等措施将生长的晶枝破碎此外，通过压力加工、热处理等方法也能够细化晶粒从而改善材料的性能。铸造生产中细化晶粒的主要措施：降低浇注温度、提高铸型的激冷能力（如用金属铸型代替砂铸型）；孕育处理（通过外来晶核增加晶核的数目）；采用机械振动、旋转磁场搅拌等方法，使结晶过程中，晶枝折断，从而增加晶核的数目。3、金属的同素异构转变：一种金属能以几种晶格类型存在的性质，叫做同素异构性。金属在固态下晶格类型发生变化的过程称为同素异晶

5、转变。 同素异构转变属于固态转变，其转变需要较大的过冷度；晶格的变化伴随着金属体积的变化、转变时会产生较大的内应力。控制冷却速度，可以改变同素异构转变后的晶粒的大小，从而改变金属的性能。三、铁碳合金：1、合金结构：1）固溶体：有些合金组元在固态下也具有互相溶解的能力，这种溶质的原子溶入溶剂的晶格中或取代了某些溶剂原子的位置 ，而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，叫做固溶体。溶质原子溶入溶剂晶格中时，会造成溶剂晶格的畸变。这使得金属晶体在塑性变形时晶面之间的相对滑移阻力增加，表现为固溶体的强度、硬度比纯金属高。2）金属化合物：合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新的金属化合物。它具有与组元原

6、来晶格不同的新晶格，如Fe3C（渗碳体）。化合物的硬度通常比组元高，脆性也较高。3）机械混合物：组成合金的各组元在固态下既不互相溶解，又不互相化合，而是以混合方式独立存在，叫做机械混合物。机械混合物类型的合金往往比单一固溶体合金具有更高的强度和硬度，但塑性和可锻性不如单一的固溶体，因此钢在锻造时，总是先加热使之转变成单一的固溶体后再进行锻造。2、铁碳合金的基本组织：1）铁素体（F）：碳溶解在-铁中形成的固溶体叫做铁素体。保持-铁的体心立方晶格 -铁溶解碳的能力很小且随温度变化而变化铁素体含碳很少，机械性能近似纯铁镜下观察为均匀明亮的多边形晶粒2）奥氏体（A）：碳溶解在-铁中形成的固溶体叫做奥氏

7、体。保持-铁的面心立方晶格-铁溶解碳的能力比-铁大，在1147C时达2.06%，在727C时，溶解度为0.8%。稳定的奥氏体在钢中存在的最低温度为727C奥氏体硬度不是很高（HB=160200），塑性较好，是绝大多数钢种在在高温压力加工所需要的组织。3）渗碳体（Fe3C）： 铁与碳形成的稳定的化合物Fe3C 叫做渗碳体，其含碳量6.67%，具有复杂的晶格形式。性能与铁素体差别很大，不发生同素异构转变。渗碳体的硬度很高（HB=800），而塑性极差，接近于零，是一种硬而脆的组织。渗碳体在钢中起主要的强化作用。C含量增加，Fe3C增加，强度上升，塑性下降Fe3C在一定条件下分解4）珠光体（P）：珠光

8、体是铁素体和渗碳体的机械混合物。铁素体占大多数，含碳量0.77%。珠光体是由软的铁素体片和硬的渗碳体片相间组成的混合物。故其机械性能介于渗碳体和铁素体之间，它的强度较好（b=750MPa,HB180），其塑性低，但不脆。5）莱氏体(Le、Le)：莱氏体是含碳量为4.3%的合金，在1148C时结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物。由于奥氏体在727C时将转变为珠光体，所以室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成 。莱氏体的硬度很高，塑性很差。3、铁碳合金相图（状态图）：铁碳合金状态图是用热分析法作出的温度成分坐标图，图中成分坐标轴仅标出含碳量小于6.69%的合金部分。含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性极大，

9、在工业上没有实际意义。当含碳量为6.69%时，铁和碳形成的Fe3C ，可以看作是合金的一个组元，因此，这个状态图实际上是FeFe3C的状态图。ABCD线液相线，液态合金冷却到此线时开始结晶。AHJECF线固相线，液态合金冷却到此线全部转变为固相AHJE线钢的固相线，液态合金冷却到此线全部转变为固相。ECF 线生铁的固相线（共晶线） GS线奥氏体中析出铁素体的开始线ES线奥氏体冷却到此线时，开始析出二次渗碳体，使奥氏体的含碳量向0.77%递减。PSK线共析线，各种成分的奥氏体冷却到次线时，同时析出珠光体。S共析点铁碳合金相图（状态图）的应用：作为选用钢材的依据制订铸、锻和热处理等加工工艺的依据在

10、铸造生产上的应用找出不同成分合金的熔点，从而确定熔化和浇注温度；共晶成分的合金不仅熔点低，而且凝固温度区间也较小，故具有良好的铸造性能。在锻造工艺上的应用奥氏体组织的强度低、塑性好，便于塑性变形加工，通过相图确定不同钢种的始锻温度和终锻温度。在热处理工艺上的应用4、铁碳合金的分类：四、碳钢：1、碳钢中常存杂质对钢性能的影响：1）碳：在钢中，碳主要以渗碳体形式存在。当钢中碳的质量分数小于时，随着含碳量的增加，钢的强度、硬度不断增加，而塑性和韧性不断下降。这是因为片层状渗碳体起着强化作用。钢中珠光体越多，其强度、硬度越高。但是，当钢中碳的质量分数大于0.9%，钢中出现网状渗碳体，使钢的脆性增加，这

11、时钢的硬度随着碳的质量分数的增加而不断提高，而钢的强度、塑性和韧性却会不断下降。2）锰：锰主要来自炼钢脱氧剂。一般认为锰在钢中是一种有益元素，在碳钢中含锰量通常小于0.80%;在含锰合金钢中，一般控制在1.01.2%。锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化；一部分锰则溶于渗碳体中，形成合金渗碳体；锰还能增加珠光体的相对量，并使珠光体变细，这都使得钢的强度提高。锰与硫化合形成MnS，能减轻硫的有害作用。 当锰含量不多，在碳钢中仅为少量杂质存在时，它对钢的性能影响不显著。3）硫：硫主要是由生铁带入钢中的有害元素。硫不溶于铁，而以FeS形式存在。 FeS会与Fe形成共晶，并分布在奥氏体

12、晶界上。 当钢材在10001200C进行压力加工时，由于FeSFe共晶(熔点只有989C)已经溶化，并时晶粒脱开，钢将变得极脆，这种脆性现象称为“热脆”，为避免热脆，钢中含硫量必须严格控制。锰可消除硫的有害作用。锰与硫化合形成熔点1620C的MnS，而MnS在高温时具有塑性，因此可避免热脆现象。4）硅：硅可溶于铁素体中，使其强度、硬度提高而塑性下降；有一部分硅则存在于硅酸盐夹杂中。 当含硅量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响不显著。5）磷：磷也是一种有害物质。磷在钢中全部溶于铁素体中，这虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，却使室温下的塑性、韧性急剧下降，并使其脆性转化温度有所升

13、高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”。磷的存在还使得钢的焊接性能变坏，因此钢中的含磷量要严格控制。2、碳钢的分类及牌号：按含碳量分类：低碳钢含碳量小于或等于0.25%；中碳钢含碳量0.250.60%;高碳钢含碳量大于0.60%。按钢的质量分类（根据含S、P的多少）：普通碳素钢 S0.050%，P0.045%牌号由代表屈服点的拼音字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分按顺序组成。例如Q235A F为屈服点为235N/mm2的A级沸腾钢。优质碳素钢 S0.035%，P0.035%牌号用两位数表示，这两位数字表示钢中平均含碳量的万分之几。0825号钢含碳量低，强度、硬度较低，塑性、

14、韧性及焊接性良好。这类钢多数制成薄钢板，用来制造各种容器，或焊接结构和冲压件；还可用来制造螺钉、螺母、垫圈、小轴（强度要求不高）、套筒等零件。15、20号钢还可以用做渗碳件。3050等号钢含碳量中等，强度较高、韧性和加工性能也较好。应用时经常要经过淬火、回火等热处理。这类钢多用来制造轴类、齿轮、丝杠、连杆等重要零件，以35、40、45、50钢应用最广，这类钢通常在经调质处理后使用，因此又称为调质钢。55、60、65、70号钢含碳量较高，淬火后有较高的硬度和弹性，可用来制造各种弹簧、轧辊、钢丝绳和风动工具等。高级优质碳素钢 S0.030%，P0.035%按钢的用途分类：结构钢 主要各种工程构件和

15、机械零件的钢。这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。工具钢 主要用于制造各种刃具、量具、模具。（高碳钢）其牌号是在“碳”或“T”后面附以数字来表示。数字表示该钢平均含碳量的千分之几。铸造碳钢：铸造用碳钢一般用于制造形状复杂，力学性能要求较高的机械零件。铸造碳钢的含碳量一般在0.200.60之间，如果含碳量过高，则钢的塑性差，铸造时易产生裂纹。 铸造碳钢牌号是用铸钢两字的汉语拼音字母字头“ZG”后面加两组数字组成，第一组数字代表屈服强度值，第二组数字代表抗拉强度值。ZG200-400：具有良好的塑性、韧性和焊接性，用于受力不大、要求具有一定韧性的零件，如机座、变速箱体等。ZG230-450：有一定的强度

16、和较好的塑性、韧性，焊接性良好，切削性能尚可，用于受力不大，要求具有一定韧性的零件，如砧座、轴承盖、外壳、阀体、底板等。ZG270-500：有较高强度和较好塑性，铸造性能良好，焊接性较差，切削性能良好，用作扎钢机机架、连杆、箱体、缸体、曲轴、轴承座等。ZG310-570：强度和切削性能良好，塑性、韧性较差，用于负荷较高的零件，如大齿轮、缸体、制动轮、辊子等。ZG340-640：有较高的强度、硬度和耐磨性、切削性能中等，焊接性较差，裂纹敏感性大，用作齿轮、棘轮等。五、热处理：1、五种工艺：退火：将工件加热到高于或低于钢的临界点，保温一定时间，然后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却的热处理工艺

17、。目的：降低硬度，以利于切削加工；细化晶粒，改善组织，提高机械性能；消除内应力，为下面的淬火工序做准备；提高钢的塑性和韧性，便于进行压力加工（冲压、锻压、拉拔等）。正火：将钢材或钢件加热到AC3或Accm以上30-50，保温适当的时间后，出炉在 空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火与退火的主要区别是冷却速度较快，同一种钢正火后的珠光体片层较薄，晶粒较细，强度和硬度较高，韧度也较好。应用：（1）作最终热处理，普通结构钢零件目的：a.细化A晶粒，组织均匀化，b. 减少了亚共析钢中F%P%，细化强度，韧性，硬度（2）预先热处理a. 消除亚共析钢中的魏氏组织，带状组织；细化组织为淬火、调质作准备b.

18、使过共析钢中Fe3CII使其不形成连续网状，为球化作准备（3）改善切削加工性能（针对低碳钢）淬火：淬火是将钢件加热到Ac3或Ac1以上3050C，保温一定时间后，在油中或水中快速冷却的一种热处理工艺。淬火的目的是为了获得高硬度的马氏体组织。回火：回火就是把淬火后的钢重新加热到A1以下的某一温度，保温一段时间，然后置于空气中冷却的热处理工艺。目的：减少或消除工件淬火时产生的内应力，防止工件在使用过程中变形和开裂；降低钢的脆性提高其韧性，适当调整钢的强度和硬度，使工件达到所需要的力学性能，以满足各种工件的需要；稳定组织，使工件在使用过程中不发生组织转变，从而保证工件的形状和尺寸不变，以达到保证工件

19、精度的目的。六、合金钢铜及其合金：很重要的两个牌号：忘了六、热加工：固态收缩是铸件产生内应力、变形和裂纹的根本原因1、铸件中的缩孔和缩松（1）缩孔与缩松的形成液态合金在冷却凝固过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成孔洞。按孔洞的大小和分布 ，可分为缩孔和缩松两类。缩孔 缩孔是在铸件最后凝固部位容积大而集中的孔洞，呈倒圆锥形，内表面粗糙，并常可见到树枝状晶体的末梢。在铸件检查中，若铸件厚大部位的上表面（浇注位置）出线内凹，则可以判断内凹下有集中缩孔。缩松 细小而分散的缩孔称为缩松。缩松常分布在铸件轴线区域、厚大部位、冒口根部附近。当缩孔与缩松的容积相同时

20、，缩松的分布面积比缩孔要大的多。缩松的形成是由于被树枝状晶体分隔开的小液体区的液态收缩和凝固收缩得不到补足所至。 不同铸造合金产生缩孔和缩松的倾向不同。结晶温度范围小的合金产生集中缩孔的倾向大，而产生缩松的倾向小；反之，结晶温度范围宽的合金产生缩孔倾向小，但缩松倾向大。（2）缩孔和缩松的防止缩孔和缩松使铸件的力学性能下降，因此必须采取适当的工艺措施来防止。液态合金在冷却过程中收缩容积是不能避免的，但铸件的缩孔是可以防止的。只要根据合金的收缩特点，合理控制铸件的凝固，使之实现顺序凝固（定向凝固）就可以避免缩孔。顺序凝固就是在铸件可能出现缩孔的热节处，通过增设冒口或冷铁等一系列工艺措施，使铸件远离

21、冒口的部位先凝固，尔后是靠近冒口部位凝固，最后才是冒口本身凝固。将缩孔转移到最后凝固的冒口之中。冒口为铸件多余的部分，在铸件清理时予以清除。为了控制铸件的定向凝固，在安放冒口的同时，还可以在铸件上某些厚大部位增设冷铁。冷铁加快了这些厚大部位的冷却速度，使之较快凝固并完成补缩。冷铁通常用钢或铸铁制造。2、铸造应力：（同时凝固原则）铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩若是受到阻碍，便在铸件内部产生内应力，称为铸造内应力。这种应力有时是冷却过程中暂存的，有的一直残留到室温，后者称为残余内应力。铸造应力是铸件产生变形、裂纹等缺陷的主要原因。1）热应力：热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部位冷却速度不

22、同，致使同一时期内铸件各部分收缩不一致所引起的。减少方法：尽量减小铸件各部分的温度差，使其均匀的冷却。为此，在设计零件时，应尽量使壁厚均匀。在制订铸造工艺时采取同时凝固，即采取措施保证铸件各个部分没有大的温差，如将内浇口设置在铸件薄壁处，以增加薄壁处的热量，减缓其冷却速度。也可以在铸件厚壁处增设冷铁，以加快厚壁处的冷却速度。2）收缩应力：它是铸件固态收缩时受到铸型和型芯的阻碍所产生的应力也称为机械应力收缩应力是暂时的，铸件经落砂后可自行消除。但它可与热应力共同作用，增大某些部位的应力，增加铸件裂纹的倾向。减少方法：在砂型铸造中，通过提高砂型和砂芯的退让性，可以减少收缩应力。3、气孔是气体在铸件

23、中形成的孔洞。气孔破坏了合金的完整性，减少了铸件的有效承载截面积，并在气孔周围引起应力集中，因而降低了铸件的强度。对承受液压或气压的铸件，气孔会显著降低其气密性。根据气体的来源，气孔可分为析出气孔、侵入气孔和反应气孔。反应气孔：液态合金与铸型、冷铁、芯撑或熔渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔。 Fe3O4+4C3Fe+4CO冷铁、芯撑表面不得有锈蚀、油污，并应保持干燥。4、流动性的影响因素：合金的流动性是指合金本身的流动能力。合金的流动性好，易于充满铸型，同时，有利于非金属夹杂物和气体的上浮与排除 ，还有利于对合金在凝固过程中的补缩。其中以化学成分最为显著。结晶的温度范围越窄其流动性越好。

24、因此纯金属和共晶成分的合金流动性最好。七、铸铁：铸铁是含碳量大于11%的铁碳合金。根据碳的存在形式，铸铁可分为白口铸铁和灰铸铁。在灰铸铁中，按石墨存在的形态，可分为普通灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁等。1、灰铸铁机械性能：灰铸铁机械性能差是由石墨造成的。石墨强度极低、软而脆，b20MPa，3，0%。所以，可将灰铸铁视为布满大量微小裂纹或孔洞的钢。石墨的比容大，它减小了基体有效截面积；同时，片状石墨尖锐边缘易造成应力集中，引起脆性断裂，这就是灰铸铁抗拉强度低、塑性和韧度极差的原因。抗压强度接近于钢，不能锻造，焊接困难。耐磨性：石墨是一种良好的润滑剂，当它以铸铁表面上掉落时所遗留下的孔洞具有

25、存油能力，因此铸铁有良好的减磨性。减振性：由于石墨组织松软，能吸收震动，有效地阻止了振动能量的传播。灰铸铁的减振能力约为钢的十倍，因此是制造床身、底座、内燃机缸体的良好材料。缺口敏感性：石墨在金属基体上形成了大量小缺口，因而减少了对外来缺口的敏感性。当灰铸铁件加工质量不好或偶然碰伤，对疲劳强度影响甚微。切削性：由于石墨割裂了基体的连续性，从而使铸铁的切屑易脆断，易于切削。2、灰铸铁的牌号及其选用：灰铸铁的性能不仅取决于化学成分，还于冷却速度密切相关。因此，它的牌号以力学性能来表示。按照GB5675-85灰铸铁共有六个牌号。如HT200中“HT”代表灰铸铁，后面的数字200表示最低抗拉强度。3、

26、球墨铸铁牌号：4、可锻铸铁牌号：5、蠕墨铸铁：6、铸造碳钢：7、浇注位置与分型面的选择浇注位置-指金属浇注时铸件所处的空间位置分型面-指砂箱间的接触表面浇注位置选择原则:铸件浇注位置对铸件质量,造型方法等有很大影响,应注意以下原则:1）铸件重要的加工面应朝下: 若做不到,可放侧面或倾斜 若有几个加工面,则应把较大的放下面。如导轨面是关键面，不允许有缺陷,则要放下面,伞齿轮。2）铸件的大平面应朝下原因:上表面出现缺陷,尤其易夹砂。3）面积大的薄壁部分放下面或侧面有利于金属充填,防止浇不足。4）易形成缩孔的铸件,厚的部分放在铸型上部或侧面,便于安置冒口。铸型分型面的选择原则分型面选择的合理可以简化

27、造型操作,提高劳动生产率。1）便于起模,故分型面应选择在铸件最大截面处(手工造型时,局部阻碍起模的凸起可做活块)2）应尽量减少分型面和活块数量(中小件)3）应尽量使铸件的重要加工面或大部分加工面和加工基准面位于同一砂型中；4）尽量采用平直分型面,以简化操作及模型制造；5）尽量减少型芯和便于下芯,合型及检验位置；7、冒口应用：（补缩,同时能排气,集渣）冒口设置原则:(1) 保证顺序凝固,放在最后凝固部分 -基本作用(2) 尽量放在铸件最高处,有利补缩,熔渣易浮出.(3) 冒口最好放在内浇口附近,使金属液通过冒口再进入铸型,提高补缩效果。 (4) 尽量避开易拉裂部位;不影响自由收缩.(5) 尽量放

28、在需加工部位,便于清理.冒口大小：依合金收缩性质及具体铸件凝固条件查手册.8、铸造方法：砂型铸造：熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造等。七、金属压力加工1、金属塑性变形的实质滑移：是在切应力作用下，晶体的一部分原子相对另一部分原子，沿着一定晶面（滑移面）和一定方向（滑移方向）产生的移动。位错：晶体不像理想晶体那样完整，内部存在着一系列原子排错的缺陷，称为位错。晶体中因位错处于高位能状态的那部分原子，在比理论值低得多的切应力作用下，易于从一个平衡位置移动到另一个位置，形成位错运动。因此，实际晶体的滑移不像理想晶体那样，而是通过位错运动实现的。2、压力加工的优点：（与铸造相比）（1

29、）结构致密、组织改善、性能提高强度、硬硬、韧性。（2）少无切削加工，材料利用率高。（3）可以获得合理的流线分布（金属塑变是固体体积转移过程）。（4）生产效率高。（如：曲轴 、螺钉）3、加工硬化：多数金属在室温下进行塑性变形时，随着变形程度的增加，强度和硬度不断提高，塑性和冲击韧性不断降低，这种现象称为加工硬化。产生：加工硬化是由塑性变形时金属内部组织变化引起的。各晶粒沿变形最大的方向伸长，且其位向逐渐趋于一致；位错密度增加，晶格严重扭曲，产生内应力；滑移面和晶粒间产生碎晶。这样，就增加了进一步滑移的阻力，使金属继续塑性变形越来越困难，即产生加工硬化。消除：加工硬化使金属的内能升高处于不稳定状态，具有自发地恢复到稳定状态的趋向，但在室温下不易实现。如将塑性变形后的金属加热到一定温度，使原子热运动加剧，就会产生回复和再结晶。消除金属加工硬化的热处理方法叫再结晶退火，再结晶退火时应正确掌握加热温度和保温时间。再结晶完成后，若再继续升高温度，或过分地延长加热时间，则晶粒还会不断长大，使金属力学性能下降。