下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
由上节的讨论可知，经过热加工后的金属材料在微观组织上会有一定的变化，这必定会影响金属材料的性能，而在日常生产中，大多金属材料会根据所要求的性能对其进行一定的热加工处理。本节针对铜基材料在热加工过程中的显微组织演变以及所带来的性能的影响进行探讨。
（1）热加工对金属铸态组织的影响
众所周知，高温下的金属具有塑性高、抗力小的特点，而且由于原子活性较强，扩散过程较快，伴随完全再结晶时，有利于组织的改善和成形，故热加工为铸态组织首次加工优先考虑的工艺方法。
铸态组织包括三个不同的组织区域，最外层是由细小的等轴晶组成的，再往轴心是一层较厚的粗大的柱状晶区域，最里层是粗大的等轴晶，这就造成了铸态组织的不均匀性。在成分分布上，低熔点的物质、氧化物以及其他的非金属杂质会在柱状晶的交界处大量集结；在凝固过程中，由于偏析现象，也会带来不同程度的成分不均匀；另外，由于气孔、分散缩孔、疏松以及微裂纹等的存在，会使金属铸锭的密度偏低。以上现象的存在，是铸锭塑性差、强度低的根本原因 ［1］ 。
在三向压缩应力状态占优势的情况下，热变形能有效地改变金属和合金的铸锭组织。给予适当的变形量，可以使铸态组织发生下述有利的变化：
①一般的热变形是通过多道次的反复变形进行的。由于在每次的变形中，加工硬化和回复与再结晶软化同时发生，这样就会使粗大的柱状晶变形破碎，之后通过反复的变形得到均匀、细小的等轴晶粒，还能使某些晶粒的微裂纹得到愈合。
②由于应力状态下静水压力分量的作用，可使铸锭中存在的气泡、空隙得到填充压合，压实缩孔，得到较为密实的组织结构。
③在高温下，金属材料的原子运动较为剧烈，在应力作用下，借助原子的自扩散和互扩散，可使铸锭中的化学成分得到均匀，减少成分偏聚现象。
上述三方面综合作用的结果，可使铸态组织改造成变形组织（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比较均匀的化学成分，因而，经过热塑性变形的金属材料，其塑性和抗力的指标都明显提高。
（2）热加工对金属晶粒度的影响
在热变形过程中，合金的晶粒度对材料的性能及使用条件有着相当大的影响。变形后，晶粒度的大小与合金的变形程度、变形温度、应变速率等都有直接的关联。有研究表明 ［6］ ，为了获得均匀组织以及确定尺寸的晶粒，可以根据再结晶图，确定所需要的加工温度、所需变形量，是制定金属热变形工艺的重要参考依据。
（3）热加工对纤维组织的影响
在金属材料内部，不可避免存在杂质和各种缺陷。在热变形过程中，将沿最大主变形方向被拉长、拉细而形成一系列平行的纤维组织条纹，称为流线。图3-4为铸锭热变形前后的组织变化示意图。
图3-4 铸锭热变形前后的组织变化示意图 ［4］
形成纤维组织的原因有很多，其中，最常见的是金属内部夹杂物的再结晶温度较高，热变形过程中难以发生再结晶，同时，高温下的塑性使得它们在最大延伸方向上被拉长，因此，加工结束后会保持原来细长的形状，形成连续的长条状纤维。通过连续长时间高温退火的方法可以使纤维组织得以消除。另外，多相合金由于其各相的分布不均，塑性不同也会造成纤维组织的出现；还有金属材料中的空穴，若变形量不够大，就会造成类似“发裂”现象。
热变形使金属材料在组织上发生了一系列的变化，这必然会使得材料的性能也有所改变。根据以上热加工对材料组织的影响，可大致上从亚结构、晶粒大小、纤维组织三个方面对其性能进行分析和阐述 ［1］ 。
（1）亚结构对材料室温力学性能的影响
经过热变形加工，动态回复形成的亚结构经快速冷却保留至室温，具有这种亚结构的材料，其强度要比退火态的高：
σ RT = σ A + Nd - p （3-1）
式中， σ A 为亚晶界时的屈服强度； N 为常数； p 为系数，对铝、工业纯铁、Fe-3%Si、Zr， p ≫1。
（2）晶粒大小对力学性能的影响
热变形时，动态再结晶的组织可用快冷方法保留至室温（可阻止或控制亚动态再结晶和静态再结晶的发生），晶粒大小 d 可由热变形条件和冷却条件控制。有研究表明 ［5］ ，在变形量很小时，由于金属的晶格畸变小，不足以引起再结晶。当变形量在2%～8%之间时，由于变形量小，变形极不均匀，形成的再结晶核心较少，极易造成晶粒的异常长大，称此变形度为“临界变形度”。当变形量超过临界变形度后，变形度越大，变形越均匀，再结晶的形核率也就越大，再结晶后得到的晶粒便越细。但是，当变形度特别大（>90%）时，有些金属的晶粒又会变得特别粗大，这与金属中某些织构的形成有关。升高加热温度，会使金属再结晶晶粒发生异常长大；当热变形温度一定时，加热时间过长，也会使晶粒长大 ［6］ 。图3-5为Cu-Ni-Si合金在800℃，0.01s -1 时得到粗大的晶粒。当然，其他条件相同，原始晶粒较细的金属得到的再结晶晶粒也相对较细小。
图3-5 热加工参数为800℃，0.01s -1 时的Cu-Ni-Si合金显微组织
动态再结晶的晶粒中，仍含有位错缠结和所形成的亚晶，因此动态再结晶的室温强度要比静态再结晶的高，比动态回复的低。
金属材料高温变形时，流变应力明显降低，使塑性变形易于实现。另外，有许多金属材料只有在高温下才能实现有实际意义的塑性变形，因此，在实际生产中，金属材料普遍要经过热变形加工。
（3）纤维组织对力学性能的影响
铸锭经过热加工，残存的枝晶偏析、第二相以及夹杂物等沿主变形方向被拉长或破碎，形成纤维组织。在热加工中，动态再结晶和动态回复也不能改变这种分布状态，从而使金属热加工制品具有各向异性，顺着流线方向的强度、韧性和塑性要比垂直流线方向的高，变形程度越大，纤维组织越明显，性能上的差别也就越大。因此，热加工时，力求工件流线分布合理，尽量使流线与制品所受最大应力的方向一致，而与外加剪应力和冲击应力方向垂直。
综上所述，热加工可使铸态金属组织中的组织和性能得到一定的改善，但必须在正确的加工工艺条件下才能达到。热加工的温度过高或过低都将导致金属材料的力学性能变差。如果加工温度过高，时间过长，则极有可能得到粗大的晶粒；反之，热加工温度过低，则可能引起加工硬化，产生残余应力，甚至有裂纹的产生，使材料的力学性能显著降低。