2.1 冷变形对金属显微组织的影响

金属在发生冷变形时,晶体在切应力的作用下发生滑移,即其中一部分晶体沿着一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑移。多晶体金属材料在发生变形过程中,位错在晶界塞积,产生应力集中,导致相邻晶粒位错源开动,逐渐使晶粒发生变形。整体上看来,金属在发生变形时,需要各晶粒之间相互协调,而实际上,晶粒之间由于位向不同使得变形具有非同时性。晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向称为软取向;反之,相差较大则称为硬取向。受到外力作用时软取向晶粒先开始发生滑移,当晶界受到堆积位错阻碍时,其他晶粒发生滑移。理论上,金属中的各晶粒至少能在5个独立的滑移系上进行滑移时,才能保证滑移系之间的协调,产生良好的塑性变形[1]。已知面心立方金属中有4个滑移面{111},其上又分别有3个滑移方向<110>,因此12个滑移系可以充分满足晶粒组织滑移时的空间取向。晶粒组织在冷变形后,显微结构会发生显著变化,具体如下。

(1)晶界变化

在冷轧变形时,随着变形程度的增大,晶粒逐渐沿着轧制方向延伸,并且由等轴晶粒变为长条状。晶粒被拉长的程度取决于变形程度。轧制变形量越大,晶粒的伸长就越明显,当变形程度很大时,晶粒则会被拉长呈纤维状,形成纤维组织,此时晶界变得模糊,甚至晶粒发生破碎。此时在外力作用下,晶界或晶内第二相也会沿着轧制方向呈长链状分布。

(2)亚结构细化

在金属中,晶格缺陷的类型、数目和排列构成了晶粒内部结构的特征。冷变形后的金属材料中,晶粒由存在一定位向差的胞块组成,这些胞块由亚晶界划分开来。亚晶界的形状、尺寸、取向差角以及亚晶界的长度都可以体现金属亚结构的特征。亚晶中含有大量位错,有的形成规则组态,有的则处于无序状态,这主要取决于材料本身的特性。通常,在小变形量下,位错主要集中于滑移面。当冷变形量逐渐增大,胞块的尺寸减小,数量增多,位错发生交互作用而产生位错缠结,形成复杂的网络结构,进而大量聚集形成胞状亚结构。因此亚结构边界的特征为存在高密度的位错。随着冷变形量的增大,位错密度也逐渐增加。经过大的冷轧变形后,金属中的位错密度甚至可以达到1018m-2。

(3)形变织构

形变织构是由于冷变形直接在发生变形的金属中产生的晶粒择优取向。经过塑性加工的金属材料,如经拉拔、挤压的线材或经轧制的金属板材,在塑性变形过程中常沿着晶体中原子的密排面发生滑移。滑移过程中,晶体及其滑移面将发生转动,从而引起多晶体中晶粒方位出现一定程度的有序化。在不同的受力情况下,材料中出现的形变织构的类型也不同,具体有以下几种。

① 纤维织构　也称为丝织构。经过轴向拉拔或挤压的金属中的晶粒通常以某个或者多个结晶学方向平行于轴向或者近似平行于轴向择优取向。理想的纤维织构通常用与纤维轴平行的晶向指数<uvw>表示。

② 面织构　经过锻压或压缩的金属中的晶体通常以同一晶面法向平行于外力轴向,形成面织构。通常用垂直于外力轴向的晶面指数{hkl}表示。

③ 板织构　板材在轧制过程中受到拉力和压力的同时作用后,大多数晶粒以同一晶面{hkl}与轧面平行或近似平行,以同一晶向<uvw>与轧向平行或近似于平行。一般用{hkl}<uvw>表示。

面心立方金属,例如金、银、铜、铁、铝等,在常温下发生变形时通常沿着密排面和密排方向发生滑动。晶体中晶粒的取向各不相同,在发生滑移变形的过程中,晶粒之间相互作用,最终形成不同的择优取向。立方晶系中常见的重要取向及对应角度关系如表2⁃1所示。

表2⁃1　立方晶系中常见的重要取向及对应角度关系

大量实验研究表明,织构会对材料的物理性能和力学性能产生很大的影响,例如强度、塑性、韧性、磁性和电导性能等,且织构的存在有利有弊。通常材料冷轧变形后,轧制方向的强度明显升高,而塑性降低。此外高冷轧钢板冲压后会出现“制耳”缺陷,而退火硅钢片中的高斯织构则能够减小磁损。铝箔中的立方织构比R织构耐侵蚀效果好,有利于提高其电容量。所以应当选择恰当的处理方法,控制材料中的织构的形成,充分利用织构的效应,才能使其成为有利地强化材料的组织结构。