冷加工與退火

 

金屬常在室溫機械加工,例如輥軋與擠型(見圖7),由於大量的塑性變形,使得差排線數目遽增,在大量的差排密度下,造成差排的移動更加困難,使得金屬材料的強度及硬度增加,這現象稱為「應變硬化」(strain hardening)。因此金屬在冷加工過程,必須設法讓應變硬化的金屬軟化,以便進一步的加工,這個處理就是「退火熱處理」。退火處理是個非常簡單的熱處理,是將加工硬化的金屬放入電爐中加熱至適當的溫度(以絕對溫度考慮,約為金屬熔點的1/3∼1/2溫度),保溫一段時間即可使材質變軟。

 

 

7,輥軋與擠型為常用的機械加工。

 

  如圖8比較冷加工及退火的銅條機械性質,銅條直徑為 5厘米,長為50公分。(a)為冷抽成型的銅條,尾端負荷800克的圓柱鐵塊,顯示僅有些微程度的彎曲;(b)為上述相同條件的銅條經500℃保溫3分鐘退火處理後,尾端一樣負荷800克的鐵塊,則顯示劇烈的彎曲。若以差排的密度:每單位體積所含差排的總長(m/m3)或每單位面積(m-2) 所含的差排個數來考慮退火作用,可發現退火消除了大量的差排線,因為劇烈加工後金屬的差排密度高達1016m-2 ,而經完全退火後金屬的差排密度則低於1010m-2

 

 

8,已退火處理的銅條(a)及冷抽成形的銅條(b),同者同時在尾端負荷800克的圓柱鐵塊,顯示不同程度的彎曲。

 

  一般冷加工金屬經歷的退火過程可分為三個階段:回復、再結晶及晶粒成長。在回復的階段,顯微組織並無明顯變化,僅金屬硬度略降而導電性有顯著提高。再結晶階段則開始在應變較強烈的區域產生許多細小的新晶粒,經過一段時間後,細小的新晶粒完全取代了所有舊的晶粒。

 

  黃銅之冷加工及再結晶金相組織如圖9(a)∼(d)所示 。(a)顯示黃銅經冷加工產生許多平行的滑動面軌跡(稱為滑動帶);(b)金相顯示經過580℃、3秒鐘的退火,開始有細小的新晶粒在滑動帶上產生;經過580℃、8秒鐘的退火,則新細晶完全布滿整個組織(見圖(d))。這些新產生的細晶除了舊組織的應變 ,釋放出了金屬塑性變形所儲存的大部分能量,使其整體系統能量大大降低,然而整體細晶的晶界總面積非常地大 。於580℃、1小時的退火, 如(e)所示晶粒粗化,此階段即晶粒成長階段 。晶界為一種面缺陷,原子排列鬆散,具有較高的能量;而「減小晶界面積」即為晶粒成長的主要驅動力。

 

 

9,黃銅金相--經580℃.8秒之退火組織(a);經580℃.1小時之退火組織(b)。