论述冷轧和热轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响.docx

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1、论述冷轧和热轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响摘 要：冷轧和热轧使同一种金属的组织发生了不同的变化从而金属的性能也发生了很大的差异，冷轧是在再结晶温度以下进行的轧制，而热轧是在再结晶温度以上进行的轧制。本文阐述了冷轧和热轧时金属显微组织的变化与冷轧和热轧对金属性能的影响。冷轧时随着变形程度的增加出现亚结构、变形织构等，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降即产生了加工硬化。热轧时金属内部缺陷被压合、金属内部夹杂物分布被改善、偏析被改善，使金属的致密度提高、力学性能提高、综合机械性能提高。关键词：冷轧 热轧 组织 性能前言我国钢铁企业要在竞争激烈的国际市场上与世界钢铁企业强国进行竞争并取

2、得竞争优势，实现钢铁强国的目标，必须促进科技进步，提升企业技术装备和工艺水平。随着科学技术的发展，轧钢生产过程中质量已经不仅仅局限于产品外型和尺寸精确的控制，而是追求对产品内部微观组织和最终性能的更为精确的把握。冷轧和热轧使同一种金属的组织发生了不同的变化从而金属的性能也发生了很大的差异。冷轧是变形温度低于金属再结晶温度的变形。由于变形温度低、金属内部的组织结构发生很大的变化、晶粒随着变形量的增加沿变形方向被拉长、当变形程度很大时晶粒变为纤维状、使金属性能呈现方向性。热轧是在再结晶温度以上进行的塑性变形。热轧时在金属中同时进行着两个过程:一方面由于塑性变形而产生加工硬化，另一方面由于热轧的温度

3、大大高于再结晶温度因此变形所引起的硬化又很快为随之产生的再结晶过程所消除。本文从冷、热轧制工艺的角度出发，来研究冷、热轧制工艺与金属的组织以及性能之间的关系。1 冷轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响1.1 冷轧时金属显微组织的变化1.1.1 纤维组织显微组织的变化，多晶体金属经冷却变形后，用光学显微镜观察抛光与浸蚀后的试样，会发现原来等轴的晶粒沿着主变形的方向被拉长。变形量越大，拉长的越显著。当变形量很大时，各个晶粒已不能很清楚地辨别开来，呈现纤维状，故称纤维组织。图1 为冷轧变形前后的晶粒形状的改变。冷变形金属的组织，只有沿最大主变形方向取样观察，才能反映出最（a）（b）图 1 冷轧前后

4、晶粒形状变化（a）变形前的退火状态组织（b）变形后的退火状态组织1大变形程度下金属的纤维组织。1.1.2 亚结构随着冷变形的进行，金属中的位错密度迅速提高。经严重冷变形后，位错密度变化会很大。经透射电子显微镜观察，这些位错在变形晶粒中的分布是很不均匀的。只有在变形量比较小的金属中，由于位错难以产生滑移和攀移，在变形量比较大的金属中，位错的分布是很不均匀的。纷乱的位错纠结起来，形成位错缠结的高位错密度区（约比平均位错密度高五倍），将位错密度低的部分分隔开来，好像在一个晶粒的内部又出现许多“小晶粒似的，只是它们的取向差不大（几度到几分），这种结构称为包状亚结构。胞状亚结构实际上是位错缠结的空间网络

5、，其中高危位错缠结形成了胞壁，而胞内晶格畸变很小，位错密度很低。通常在10%左右的变形时，就很明显地形成了胞状亚结构。当变形量不太大时，随着变形量的增大，胞的数量增多，尺寸减小，而壁的位错变得更加稠密，胞间的取向差也逐渐增加。如经强烈的冷变型，胞的外形也沿着最大主变形方向被拉长，形成大量的排列很密的长条形状的“形变胞”。图 2 清楚地表明了纯铁在室温下变形，随着变形程度增加，位错密度急剧增加，形成了胞状亚结构。且随着变形程度的增加，亚结构的尺寸变小。（a）（b）图 2 多晶体 Fe 冷轧的胞状亚结构（a）变形量 16%（b）变形量 70%图 3 表明了冷变形程度的影响，随着冷变形程度的增加，亚

6、晶尺寸变小，取向差别大，当变形达到一定程度以后，亚结构的尺寸和取向差的变化均减小。图 3 胞状亚结构尺寸和取向差与变形程度的关系2当变形达到一定程度以后，亚结构的尺寸和取向差的变化均减小。亚结构的出现，对材料的性能有很大的影响，亚结构的尺寸越小，其强化效果越好。因此，可以利用亚晶来强化金属材料。经冷变形的金属的其他晶体缺陷（如空位、间隙原子以及层错等）也会有明显增加。1.1.3 变形织构如图 4（a）所示，金属的多晶体是由许多不规则排列的晶粒所组成。但在加工变形过程中，当达到一定的变形程度以后，由于在各晶粒内晶格取向发生了转动，使其特定的晶面和晶向趋于排成一定方向（图4b）。从而使原来位向紊乱

7、的晶粒出现有序化，并有严格的位向关系。金属所形成的这种组织结构叫做变形织构。变形金属中位向的特性，取决于主变形图示的特性和组成多晶体晶粒的特性。当变形方向一致时，变形程度越大，位向表现得越明显。（a）（b）图 4 多晶体晶粒的排列情况（a）晶粒的紊乱排列（b）晶粒的整齐排列1.2 冷轧对金属性能的影响1.2.1 机械性能的改变由于在变形中产生晶格畸变，晶粒的拉长和细化，出现亚结构以及产生不均匀变形等，使金属的变形抗力指标（屈服极限、强度极限、硬度等），随着程度的增加升高。又由于在变形中产生晶内和晶间的破坏、不均匀变形等，使金属的塑性指标（延伸率、断面收缩率等）随程度的增加而降低。1.2.2 加

8、工硬化冷轧时变形晶粒中的晶界附近出现位错的堆积。随着形变量的增大，晶粒内部的位错和亚结构发生十分复杂的变化。因为，在未变形的晶粒内部经常存在有大量的位错，呈位错壁（亚结晶）和位错网等形式广泛地分布在晶粒中，故随塑性变形即位错的发生，运动位错和各种位错之间，以及各种运动位错与运动位错之间，便会产生一系列复杂的交互作用。由于位错与位错相遇，首先便会出现位错的缠结现象，即大量的位错在位错壁和位错网的旁边造成的堆积和相互纠结；继而随着变形的进一步发展，即随着这种位错缠结现象的发展，便会使各晶粒破碎成为细碎的亚晶粒。形变愈大，晶粒的细碎程度愈大，亚晶界的量便愈多，位错密度便显著增大；同时，细碎的亚晶粒也

9、随着晶粒的拉长而被拉长。因此，随着形变量的增大，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即硬度和强度显著升高，塑性和韧性下降，产生加工硬化。1.2.3 物理及化学性质的改变在冷变形过程中，由于晶内和晶间物质的破碎，在变形金属内产生大量的微小裂纹和空隙，使变形金属的密度降低。例如，退火状态钢的密度为 7.86g/cm3。铜的密度当以 80%的变形程度冷轧后，其密度由 8.95g/cm3 降至 8.89g/cm3。金属的导电性一般是随着变形程度的改变而改变，特别是当变形程度不大时尤为显著。3其原因是 a)由于晶间物质的破坏，使晶粒彼此直接接触；b)晶体趋于有规则排列。但是，由于

10、晶间和晶内的破坏。变形程度的增加又有增加电阻，即降低导电性的作用。综合起来，随变形程度增加，单位电阻增加。冷变形可使导热性降低，如铜的晶体在冷变形后，其导热性降低达78%。冷变形可改变金属的磁性。磁饱和基本上不变，矫顽力和磁滞可因冷变形而增加 2-3倍，而金属的最大导磁率则降低了。对于某些抗磁性金属，如铜、银、铅及黄铜等，冷变形可提高其对磁化的敏感性，这里铜及黄铜甚至可由抗磁状态转变为顺磁状态。对顺磁金属，则冷变形将降低其磁化的敏感性。冷变形后使金属的溶解性增加和耐蚀性降低。关于耐蚀性降低的原由，有的认为是由于残余应力的影响，残余应力越大，则金属的溶解性越大，耐蚀性越低。有的认为，溶解性变大，

11、耐蚀性变小，是由于原子处于畸变状态，原子势能增加的缘故。金属与合金经冷变形后所出现的纤维组织及织构，皆会使变形后的金属与合金产生各向异性，即材料的不同方向上具有不同的性能。对于纤维组织，由于晶粒及晶间物质（杂质及夹杂）沿着变形的方向被拉长，使轧件于横向（垂直于纤维方向）的机械性能低于其纵向（平行于纤维方向）。当金属与合金产生织构时也会出现各向异性。2 热轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响2.1 热轧金属组织的变化2.1.1 铸态组织铸态组织具有不均匀性，可从铸锭断面上看出三个不同的组织区域，最外一层是由细小的等轴晶组成的一层薄壳，和这薄壳相连的是一层相当厚的粗大柱状晶区域，其中心部分则为粗

12、大的等轴晶。从成分看，除了特殊的偏析造成的成分不均匀外，一般的低熔点物质、氧化膜及其它非金属夹杂，多集结在柱状晶的交界处。此外，由于存在气孔、分散缩孔、疏松及裂纹等缺陷，使铸锭的密度较低。组织和成分的不均匀以及较低的密度，是铸锭塑性差、强度低的基本原因。在三向压缩应力状态占主导地位的情况下，热变形由于再结晶的作用，能够最有效地改变金属与合金的铸态组织。在合理的变形量条件下，可以使铸态组织发生下列的有利变化：热变形一般是通过多道次的反复变形来完成了。由于在每一道次中硬化和软化过程是同时发生的，使变形而破碎的粗大柱状晶粒，通过反复的改造而成为较均匀、细小的等轴晶粒：并且不能使某些微小裂纹得到愈合。

13、由于三向压应力状态的作用，可使铸态组织中存在的气泡焊合、缩孔压实、疏松压密而变为较致密的组织结构。在应力的作用下，原子的热运动借助于高温的能量而增强了自扩散和异扩散的能力，这就有利于铸锭化学成分的不均匀性大大地相对减少。上述的有利变化表明，可使铸态组织改造成为变形（或加工）组织，它比铸锭有较高的密度，均匀细小的等轴晶粒以及较均匀的化学成分。因此，金属的塑性指数和抗力指数均有明显的提高。2.1.2 纤维组织纤维组织是热变形的一个重要特征。铸态金属在热变形中所形成的纤维组织与金属在冷变形中由于晶粒被拉长而形成的纤维组织是不同的。在热变形中形成的纤维组织有各种原因，最常见的是由非金属夹杂所造成的。这

14、种夹杂物的再结晶温度较高，在热变形的过程中难于发生再结晶；同时在高温下也具有一定的塑性，变形时将沿着最大延伸方向被拉长而形成线条状。当变形完成后，被拉长的晶粒，由于4再结晶的作用而变成为许多细小的等轴晶粒，而被拉长的夹杂物，则仍保持被拉长的状态而形成纤维组织。这种纤维组织，不象由晶粒拉长所形成的纤维组织。在一般情况下，要减少这种纤维组织的产生，只能在变形过程中通过不断改变变形的方向来避免。由于纤维组织的出现，会使变形金属在纵向和横向上具有不同的机械性能，沿纤维方向（纵向）试样具有较高的强度和塑性。2.1.3 带状组织带状组织的产生与纤维组织的形成有关。带状组织的形成，是因为热加工时夹杂物排列成

15、纤维状，经缓慢冷却后，铁素体首先在夹杂物的周围析出而排列成行，珠光体也随后成行析出，形成带状组织。在滚珠轴承钢中，由于在枝状晶的各枝晶间存在有碳化物，这些碳化物经变形后被破碎成颗粒沿金属的延伸方向排列而形成碳化物的带状组织。被加工金属中带状组织的出现，对金属的机械性能也是有影响的。别处，在热变形时，也可能同时产生变形织构及再结晶织构。2.1.4 魏氏体组织当亚共析钢从奥氏体相区缓慢冷却时，在 Ar3-Ar1 温度范围里，铁素体优先沿奥氏体晶界析出并进行长大，降至 Ar1 温度时，剩余奥氏体转变为珠光体，最后形成铁素体和其间珠光体组织。如果冷却速度加快，铁素体不仅沿原来的奥氏体晶界析出，而且也在

16、晶粒内部沿一定的晶面和晶向呈针片状析出，在铁素体片之间为珠光体。这种与原先奥氏体成一定晶体学位向关系的针状铁素体称为魏氏体组织。魏氏体组织形成原因:冷却速度加快，铁素体或渗碳体不仅沿晶界析出，而且也在晶粒内部沿一定的晶面和晶向呈针状析出，在铁素体或渗碳体片间为珠光体。因此，魏氏体组织往往出现在加工终了温度过高，而冷却速度又比较快的热变形钢中。魏氏体组织的形成可使钢的强度指标降低，尤其使塑性指标下降。如何防止:热加工时，严格控制加热温度及终了温度，不使钢过热，以便钢在热加工终了的时候得细晶粒；用退火处理来消除魏氏体组织。2.1.4 网状碳化物控制形成:过共析钢经热加工后，在冷变形过程中沿奥氏体晶

17、粒边界析出呈连续或断续分布的先共析碳化物。对性能影响:大大削弱晶粒间的结合力，使工件在淬火中开裂，刃具在切削加工时容易崩刀，轴承在受冲击载荷时引起碎裂。形成因素:含碳量大于共析成分是形成的成分因素；加工终了温度过高是其形成的加工因素；热加工后的冷却情况是其形成的冷却因素。防止网状碳化物(控制加工终了温度和冷却速度）加工终了温度控制在 Acm-A1 之间，约850左右，使奥氏体变形边再结晶来改变碳化物析出状况，同时获得细小的奥氏体晶粒，以利于消除或减薄碳化物网，但温度过低，使变形抗力增大，加重磨损。适当延长钢锭均热时间，使碳化物偏析减小，也利于减轻其形成；具有细薄的不连续网状碳化物，用正火或退火

18、能减轻或消除。2.1.5 热轧晶粒大小控制控制较低的加工终了温度。过高的加工终了温度，难以防止奥氏体在形变和再结晶后晶粒集聚长大；但过低的加工终了温度，将导致加工硬化并增加设备负荷。对低碳钢材来说，为获得细小且均匀的铁素体晶粒，保证高的屈服强度和良好的塑性及韧性，适宜的加工终了温度控制在 Ar3 附近，约 800-850。控制较大的变形程度，在临近加工终了温度，以不低于临界变形度(15%左右）的变形量5进行形变，有助于奥氏体晶粒变细。控制较快的冷却速度对热轧后的钢材快速冷却方式，一方面加速铁素体生核率，使铁素体细化，另一方面可阻止生成的铁素体晶粒长大对热轧钢材(板、带)，轧后立即喷水冷却可使钢

19、的晶粒细化。2.2 热轧对金属性能的影响2.2.1 物理与力学性能热轧可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得到提高。热轧可使铸态金属中的粗大枝晶和柱状晶粒破碎，从而使其晶粒细化，机械性能得到提高。热轧可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂的分布发生改变，使它们沿着变形的方向细碎拉长，形成所谓热加工“纤维组织”（在宏观检验时常把它叫做流线），从而使金属的机械性能具有明显的各向异性，纵向的强度、塑形和韧性显著大于横向。2.2.2 细晶大小对性能的影响在一定体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶界就越多，晶粒就越细，并且不同位向的晶粒也越多，因而塑性变形斥力也越大。细晶粒的多晶体不仅强度较高，而且塑性和

20、韧性也较好.因为晶粒越细，在同样变形条件下，变形量可分散在更多的晶粒内进行，使各晶粒的变形比较均匀，而不致过分集中在小数晶粒上，使其变形严重。另一方面，晶粒越细，晶界就越多，越曲折，有利于阻止裂纹的传播，从而在其断裂前能承受较大的塑性变形，吸收较多的功，表现出较好的塑性和韧性。由于细晶粒金属具有较好的强度、塑性和韧性，故生产中总是尽可能的细化晶粒。2.2.3 机械性能的改变锭坯经热轧后，残存的枝晶偏析、第二相和夹杂物，沿主变形方向被拉长或破碎，在显微镜下观察，可见黑白交替的成层状分布的组织，即所谓“带状组织”（图 6（b）。如将热变形制成宏观组织试样，用肉眼或放大境观察，就会看到如图 6（a）

21、所示的沿制品外形分布的线条，称此为“加工流线”。尽管在热加工中会发生再结晶，也不会改变这种分布状态。由于这种组织状态的存在，会使材料出现各向异性。顺着流线的方向的强度和塑性比垂直流线方向高。（a）（b）图 6 低碳钢的热变形流线及原始带状组织（a）流线（b）原始带状组织图 7 为热轧钢板不同方向的力学性能。在垂直流线方向上的延伸率、断面收缩率、冲击值明显下降。6图 7 热轧钢板的方向性3 结论冷轧和热轧使同一种金属的组织发生了不同的变化从而金属的性能也发生了很大的差异。本文在查阅大量文献资料的基础上阐述了冷轧和热轧时金属组织的变化及它对金属性能的影响冷轧时随着变形程度的增加出现亚结构、变形织构、即产生了加工硬化等，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降。热轧时金属内部缺陷被压合、金属内部夹杂物分布被改善、偏析被改善，使金属的致密度提高、力学性能提高、综合机械性能提高。参考文献1 王占学 塑性加工金属学 冶金工业出版社 2006 年 8 月2 黄守汉 塑性变形与轧制原理 冶金工业出版社 2002 年 1 月3 史美堂 金属材料及热处理 上海科学技术出版社 2009 年 7 月4 赵志业 金属塑性变形与轧制理论 冶金工业出版社 2004 年 2 月5 单小君 金属材料与热处理 中国劳动社会保障出版社 2007 年 1 月7