2.1 冷變形對金屬顯微組織的影響

金屬在發生冷變形時,晶體在切應力的作用下發生滑移,即其中一部分晶體沿著一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一部分發生滑移。多晶體金屬材料在發生變形過程中,位錯在晶界塞積,產生應力集中,導致相鄰晶粒位錯源開動,逐漸使晶粒發生變形。整體上看來,金屬在發生變形時,需要各晶粒之間相互協調,而實際上,晶粒之間由于位向不同使得變形具有非同時性。晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應力方向稱為軟取向;反之,相差較大則稱為硬取向。受到外力作用時軟取向晶粒先開始發生滑移,當晶界受到堆積位錯阻礙時,其他晶粒發生滑移。理論上,金屬中的各晶粒至少能在5個獨立的滑移系上進行滑移時,才能保證滑移系之間的協調,產生良好的塑性變形[1]。已知面心立方金屬中有4個滑移面{111},其上又分別有3個滑移方向<110>,因此12個滑移系可以充分滿足晶粒組織滑移時的空間取向。晶粒組織在冷變形后,顯微結構會發生顯著變化,具體如下。

(1)晶界變化

在冷軋變形時,隨著變形程度的增大,晶粒逐漸沿著軋制方向延伸,并且由等軸晶粒變為長條狀。晶粒被拉長的程度取決于變形程度。軋制變形量越大,晶粒的伸長就越明顯,當變形程度很大時,晶粒則會被拉長呈纖維狀,形成纖維組織,此時晶界變得模糊,甚至晶粒發生破碎。此時在外力作用下,晶界或晶內第二相也會沿著軋制方向呈長鏈狀分布。

(2)亞結構細化

在金屬中,晶格缺陷的類型、數目和排列構成了晶粒內部結構的特征。冷變形后的金屬材料中,晶粒由存在一定位向差的胞塊組成,這些胞塊由亞晶界劃分開來。亞晶界的形狀、尺寸、取向差角以及亞晶界的長度都可以體現金屬亞結構的特征。亞晶中含有大量位錯,有的形成規則組態,有的則處于無序狀態,這主要取決于材料本身的特性。通常,在小變形量下,位錯主要集中于滑移面。當冷變形量逐漸增大,胞塊的尺寸減小,數量增多,位錯發生交互作用而產生位錯纏結,形成復雜的網絡結構,進而大量聚集形成胞狀亞結構。因此亞結構邊界的特征為存在高密度的位錯。隨著冷變形量的增大,位錯密度也逐漸增加。經過大的冷軋變形后,金屬中的位錯密度甚至可以達到1018m-2。

(3)形變織構

形變織構是由于冷變形直接在發生變形的金屬中產生的晶粒擇優取向。經過塑性加工的金屬材料,如經拉拔、擠壓的線材或經軋制的金屬板材,在塑性變形過程中常沿著晶體中原子的密排面發生滑移。滑移過程中,晶體及其滑移面將發生轉動,從而引起多晶體中晶粒方位出現一定程度的有序化。在不同的受力情況下,材料中出現的形變織構的類型也不同,具體有以下幾種。

① 纖維織構　也稱為絲織構。經過軸向拉拔或擠壓的金屬中的晶粒通常以某個或者多個結晶學方向平行于軸向或者近似平行于軸向擇優取向。理想的纖維織構通常用與纖維軸平行的晶向指數<uvw>表示。

② 面織構　經過鍛壓或壓縮的金屬中的晶體通常以同一晶面法向平行于外力軸向,形成面織構。通常用垂直于外力軸向的晶面指數{hkl}表示。

③ 板織構　板材在軋制過程中受到拉力和壓力的同時作用后,大多數晶粒以同一晶面{hkl}與軋面平行或近似平行,以同一晶向<uvw>與軋向平行或近似于平行。一般用{hkl}<uvw>表示。

面心立方金屬,例如金、銀、銅、鐵、鋁等,在常溫下發生變形時通常沿著密排面和密排方向發生滑動。晶體中晶粒的取向各不相同,在發生滑移變形的過程中,晶粒之間相互作用,最終形成不同的擇優取向。立方晶系中常見的重要取向及對應角度關系如表2?1所示。

大量實驗研究表明,織構會對材料的物理性能和力學性能產生很大的影響,例如強度、塑性、韌性、磁性和電導性能等,且織構的存在有利有弊。通常材料冷軋變形后,軋制方向的強度明顯升高,而塑性降低。此外高冷軋鋼板沖壓后會出現“制耳”缺陷,而退火硅鋼片中的高斯織構則能夠減小磁損。鋁箔中的立方織構比R織構耐侵蝕效果好,有利于提高其電容量。所以應當選擇恰當的處理方法,控制材料中的織構的形成,充分利用織構的效應,才能使其成為有利地強化材料的組織結構。