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1、金属材料组织和性能金属材料组织和性能控制原理和方法控制原理和方法 加工（应变）硬化和退火处理加工（应变）硬化和退火处理 凝固原理及其应用凝固原理及其应用 一、加工（应变）硬化和退火处理一、加工（应变）硬化和退火处理 强化金属和合金的技术较多，如增加位错密度、减小晶粒尺寸、合强化金属和合金的技术较多，如增加位错密度、减小晶粒尺寸、合金化等等。本节将了解以下内容：金化等等。本节将了解以下内容：如何使用冷作加工工艺来提高金属和如何使用冷作加工工艺来提高金属和合金的性能，冷作加工实质上是把合金的性能，冷作加工实质上是把金属材料变形和强化金属材料变形和强化同步进行的一种同步进行的一种工艺方法工艺方法。而
2、。而热作加工则没有强化作用热作加工则没有强化作用。通过退火热处理工艺可以改善。通过退火热处理工艺可以改善冷作加工工艺引起的塑性降低和硬度增加问题。冷作加工导致的加工硬冷作加工工艺引起的塑性降低和硬度增加问题。冷作加工导致的加工硬化机理，是由于位错密度增加而引起的。化机理，是由于位错密度增加而引起的。 人们可以人们可以通过材料加工工艺和热处理工艺的结合使用，不仅能够把通过材料加工工艺和热处理工艺的结合使用，不仅能够把材料加工成有用形状的构件，而且还能够控制和改善其力学性能材料加工成有用形状的构件，而且还能够控制和改善其力学性能。 本节讨论的问题尤其适于金属及其合金材料。本节讨论的问题尤其适于金属
3、及其合金材料。应变硬化（通过位错增殖实现）首先需要材料具有可延展性应变硬化（通过位错增殖实现）首先需要材料具有可延展性。如果把应变硬。如果把应变硬化作为强化材料的手段，那么也化作为强化材料的手段，那么也必须同时克服加工过程中因应变硬化而带来的必须同时克服加工过程中因应变硬化而带来的一些问题一些问题。例如，我们在拉拔线材或者挤压管材时，就会发生应变硬化，此时我。例如，我们在拉拔线材或者挤压管材时，就会发生应变硬化，此时我们就必须保证材料具有可接受的塑性。而在轿车和卡车制造中，要使用钢板冲压们就必须保证材料具有可接受的塑性。而在轿车和卡车制造中，要使用钢板冲压出外形美观的汽车框架，此时使用的钢板就
4、必须能够在冲压时容易延展并易于弯出外形美观的汽车框架，此时使用的钢板就必须能够在冲压时容易延展并易于弯曲，而冲压后的汽车框架则必须具有足够的强度，能够承受轻微颠簸和大的冲击曲，而冲压后的汽车框架则必须具有足够的强度，能够承受轻微颠簸和大的冲击载荷。此时应变硬化就能够使产品强度提高。此外，为了保证了汽车框架的抗撞载荷。此时应变硬化就能够使产品强度提高。此外，为了保证了汽车框架的抗撞击性能，还必须使钢板在发生碰撞时具有迅速的应变硬化能力。击性能，还必须使钢板在发生碰撞时具有迅速的应变硬化能力。此外，大家关心聚合物、玻璃和陶瓷材料是否具备加工硬化的能力。此外，大家关心聚合物、玻璃和陶瓷材料是否具备加
5、工硬化的能力。研究表研究表明，热塑性聚合物在变形时具有应变硬化的能力明，热塑性聚合物在变形时具有应变硬化的能力。但其应变硬化的机理和金属。但其应变硬化的机理和金属完全不同。大多的脆性材料如玻璃和陶瓷材料的强度则取决于其中的裂纹和裂完全不同。大多的脆性材料如玻璃和陶瓷材料的强度则取决于其中的裂纹和裂纹纹-尺寸分布，因此尺寸分布，因此玻璃和陶瓷加工硬化能力很差玻璃和陶瓷加工硬化能力很差。 下面我们从金属材料的应力下面我们从金属材料的应力-应变曲线开始来探讨加工硬化问题。应变曲线开始来探讨加工硬化问题。1、冷作加工和应力、冷作加工和应力-应变曲线的关系应变曲线的关系 图图8-1（a）为）为塑性金属材
6、料的应力塑性金属材料的应力-应变曲线应变曲线。如果材料的外加应力如果材料的外加应力 1大于屈服强度大于屈服强度 y，则材料，则材料会发生永久变形或者应变。当外加载荷卸除，就会发生永久变形或者应变。当外加载荷卸除，就会产生会产生 1的应变。如果对已经预加了的应变。如果对已经预加了 1应力的金应力的金属材料重新进行拉力试验，就会得到图属材料重新进行拉力试验，就会得到图8-1（b）的应力的应力-应变曲线。而此时，材料开始变形或者应变曲线。而此时，材料开始变形或者屈服的应力则变为屈服的应力则变为 1。由此，。由此，把流动应力（屈服把流动应力（屈服应力）定义为预变形材料开始塑性变形时的应力应力）定义为预
7、变形材料开始塑性变形时的应力。因此，因此， 1此时就是材料的流动应力此时就是材料的流动应力。如果继续对。如果继续对材料施加材料施加 2的应力，然后卸载，再重新对该材料的应力，然后卸载，再重新对该材料进行拉伸试验，则此时材料的流动应力就会变为进行拉伸试验，则此时材料的流动应力就会变为 2。只要我们每次施加一个更高的应力，材料的。只要我们每次施加一个更高的应力，材料的流动应力和拉伸强度就会增加，而塑性则下降。流动应力和拉伸强度就会增加，而塑性则下降。最终材料会被强化到流动应力、拉伸强度和断裂最终材料会被强化到流动应力、拉伸强度和断裂强度相等，而塑性为零强度相等，而塑性为零，如图，如图8-1（c）。
8、此时，金属材料不会再发生塑性变形。）。此时，金属材料不会再发生塑性变形。 图图8-1（d）和（）和（e）展示了材料的）展示了材料的回弹（弹性后效现象回弹（弹性后效现象）。 因此，因此，通过对金属材料施加超过屈服强通过对金属材料施加超过屈服强度的应力我们就能够使其发生度的应力我们就能够使其发生应变硬化应变硬化；或；或者说，在对金属材料进行冷作加工时，在材者说，在对金属材料进行冷作加工时，在材料变形的同时，也使材料发生了料变形的同时，也使材料发生了加工硬化加工硬化。这就是许多制造技术如线材拉拔技术的基础这就是许多制造技术如线材拉拔技术的基础。 图图8-2图示说明了几种冷作加工（也可进图示说明了几种
9、冷作加工（也可进行热作加工）的材料制造技术。后面我们会行热作加工）的材料制造技术。后面我们会谈及热作加工和冷作加工的区别。谈及热作加工和冷作加工的区别。许多制造许多制造技术实质上就是变形和加工硬化同时进行的技术实质上就是变形和加工硬化同时进行的冷作加工过程冷作加工过程，如图，如图8-2。 可以看到，可以看到，轧制轧制是生产金属板材、箔材的冷作技术。是生产金属板材、箔材的冷作技术。锻造锻造则是使金属则是使金属材料在模腔中变形，从而生产出形状比较复杂的承力构件如汽车曲轴、材料在模腔中变形，从而生产出形状比较复杂的承力构件如汽车曲轴、连杆等。连杆等。拉拔技术拉拔技术则是将金属棒坯从一个模腔中拉出使其
10、形成线材和丝则是将金属棒坯从一个模腔中拉出使其形成线材和丝材等。材等。挤压技术挤压技术则是使材料被推进模腔使其变形为截面均匀的产品如棒则是使材料被推进模腔使其变形为截面均匀的产品如棒材、管材和铝合金门窗用的型材等。此外，材、管材和铝合金门窗用的型材等。此外，深冲压技术深冲压技术则可以用来生产则可以用来生产铝合金饮料罐等。总而言之，铝合金饮料罐等。总而言之，冷作加工技术是金属材料强化成型技术的冷作加工技术是金属材料强化成型技术的有效途径手段，但该技术也存在材料塑性变差的问题有效途径手段，但该技术也存在材料塑性变差的问题。如果一根线材如电线铝芯，反复弯折，就会使其越来越硬，最终会硬如果一根线材如电
11、线铝芯，反复弯折，就会使其越来越硬，最终会硬化断裂，这就是加工硬化现象。化断裂，这就是加工硬化现象。加工硬化原理被用于制造许多产品，尤加工硬化原理被用于制造许多产品，尤其是那些不在非常高的温度下使用的产品其是那些不在非常高的温度下使用的产品。如铝合金饮料罐，它在加工。如铝合金饮料罐，它在加工过程中，可以使其强度增加过程中，可以使其强度增加70%。应变硬化指数应变硬化指数n 金属材料对冷作加工的响应金属材料对冷作加工的响应度（灵敏度）可以用应变硬化指度（灵敏度）可以用应变硬化指数数n来表征来表征。如图。如图8-3，在对数坐，在对数坐标系中，标系中，n是真实应力是真实应力-应变曲线中塑性变形部分的
12、斜率应变曲线中塑性变形部分的斜率， or (1) 式中，式中，K叫做强度系数叫做强度系数，它是常数，它是，它是常数，它是 t=1时的应力。时的应力。 对于对于HCP金属来说，金属来说，n值较值较低，而低，而BCC金属则较高，金属则较高，FCC金属则更高金属则更高。如表。如表8-1所示。应所示。应变硬化指数低的金属，则其冷变硬化指数低的金属，则其冷作加工性能就差作加工性能就差2、冷作变形程度和性能的关系、冷作变形程度和性能的关系 通过控制材料的塑性变形总量，我们就能控制应变硬化通过控制材料的塑性变形总量，我们就能控制应变硬化。通常，定。通常，定义义冷作加工变形程度冷作加工变形程度来衡量材料的变形
13、总量，来衡量材料的变形总量， （2）式中，式中，A0是金属的原始截面积，是金属的原始截面积，Af是金属变形后的最终截面积。是金属变形后的最终截面积。 冷作加工对于纯铜力冷作加工对于纯铜力学性能的影响见图学性能的影响见图8-5。随着冷作加工程度的增随着冷作加工程度的增加，材料的屈服和拉伸加，材料的屈服和拉伸强度增加，但塑性下降强度增加，但塑性下降直至接近零直至接近零。如果冷作。如果冷作加工程度太大，则金属会发生断裂。因此，加工程度太大，则金属会发生断裂。因此，每种金属都有一个最高冷作每种金属都有一个最高冷作加工总变形量，超过则会发生脆断加工总变形量，超过则会发生脆断。冷作加工组织冷作加工组织 在
14、冷作加工或者热作在冷作加工或者热作加工中，加工中，通常会得到沿通常会得到沿着外加应力方向被拉长着外加应力方向被拉长的晶粒的晶粒。其常见显微组。其常见显微组织见图织见图8-7。3、退火、退火冷作加工是一种非常有用的强化手段，它通过拉拔、扎制和挤压等方冷作加工是一种非常有用的强化手段，它通过拉拔、扎制和挤压等方法为材料成型提供了良好的实现途径。但是，法为材料成型提供了良好的实现途径。但是，冷作加工也会带来不期望冷作加工也会带来不期望的问题的问题，如材料塑性变差、存在残余应力等。由于冷作加工硬化产生的，如材料塑性变差、存在残余应力等。由于冷作加工硬化产生的根源是材料中的位错密度增加而形成的根源是材料
15、中的位错密度增加而形成的，那么我们就可以认定，那么我们就可以认定，任何能任何能够使冷作材料中位错排列改变或者消除的方法度应该能够消除冷作加工够使冷作材料中位错排列改变或者消除的方法度应该能够消除冷作加工带来的影响带来的影响。退火处理就是用来消除或部分去除冷作加工带来的影响的一种热处理退火处理就是用来消除或部分去除冷作加工带来的影响的一种热处理工艺工艺。低温退火低温退火可以去除冷作加工产生的残余应力，而且对材料的机械可以去除冷作加工产生的残余应力，而且对材料的机械性能不会产生影响。而性能不会产生影响。而高温退火高温退火则可以用来完全消除冷作加工材料中的则可以用来完全消除冷作加工材料中的加工硬化现
16、象，退火后的工件硬度低，塑性好，而且表面质量和尺寸精加工硬化现象，退火后的工件硬度低，塑性好，而且表面质量和尺寸精度都很好。而度都很好。而工件在退火处理后，还可以进行再次冷作加工。材料经过工件在退火处理后，还可以进行再次冷作加工。材料经过多次反复的冷作加工和退火处理后，就可以实现材料的大程度变形多次反复的冷作加工和退火处理后，就可以实现材料的大程度变形。 在材料的退火过程中，可能存在三个组织转变阶段在材料的退火过程中，可能存在三个组织转变阶段。图。图8-14就是黄铜就是黄铜退火时的三个阶段对黄铜材料性能的影响情况。退火时的三个阶段对黄铜材料性能的影响情况。回复阶段回复阶段 材料的材料的冷作加工
17、原始组织是冷作加工原始组织是由变形晶粒组成，晶粒中包括大由变形晶粒组成，晶粒中包括大量纠缠的位错量纠缠的位错。当对金属开始加当对金属开始加热，附加的热能会让位错运动并热，附加的热能会让位错运动并形成形成多边化亚晶粒结构的边界多边化亚晶粒结构的边界。此时，此时，材料中的位错密度实际上并没有改变材料中的位错密度实际上并没有改变，这种低温退火处理能够消除冷作，这种低温退火处理能够消除冷作加工产生的残余应力，但没有使位错密度发生变化。因此，叫做回复阶段。加工产生的残余应力，但没有使位错密度发生变化。因此，叫做回复阶段。 由于材料的位错密度在恢复过程中没有减少，所以金属的力学性能也基本上由于材料的位错密
18、度在恢复过程中没有减少，所以金属的力学性能也基本上没有改变没有改变。但是，。但是，位错的重新排列和组合是材料中的残余应力得以消除或者部位错的重新排列和组合是材料中的残余应力得以消除或者部分消除，所以，分消除，所以，回复也叫做去应力退火回复也叫做去应力退火。再结晶阶段再结晶阶段 当冷作金属材料当冷作金属材料被加热到某一特定温度之上时被加热到某一特定温度之上时，迅速的回复消除了残余应力，迅速的回复消除了残余应力并形成多边化位错亚晶结构。并形成多边化位错亚晶结构。新的细小晶粒新的细小晶粒就会在就会在多边化亚晶界上形就会在就会在多边化亚晶界上形核，并使大多数位错消失核，并使大多数位错消失，如图，如图8
19、-15。此时，位错数量大幅减少，所以。此时，位错数量大幅减少，所以再结晶再结晶金属强度低但塑性高金属强度低但塑性高。把具有非常低的位错密度的新晶粒产生时的温度就叫金把具有非常低的位错密度的新晶粒产生时的温度就叫金属的再结晶温度。而冷作加工材料通过加热形成新晶粒的过程，就是再结晶属的再结晶温度。而冷作加工材料通过加热形成新晶粒的过程，就是再结晶。晶粒长大阶段晶粒长大阶段 在较高的退火温度下在较高的退火温度下，回复和再结晶都会迅速发生回复和再结晶都会迅速发生，生成再结晶的，生成再结晶的细晶组织。如果细晶组织。如果此时温度足够高此时温度足够高，晶粒就会开始长大，晶粒就会开始长大，位向有利的晶粒位向有
20、利的晶粒会会“吃掉吃掉”小晶粒小晶粒，如图，如图8-16。这种现象，就叫做晶粒长大。这种现象，就叫做晶粒长大。以图。以图8-14中中Cu-Zn合金为例，在冷作材料退火时，一般不期望出现晶粒长大现象。合金为例，在冷作材料退火时，一般不期望出现晶粒长大现象。 需要注意需要注意，几，几乎所有的材料在高乎所有的材料在高温下都会出现晶粒温下都会出现晶粒长大现象，而长大现象，而再再结晶或者回复并不结晶或者回复并不是晶粒长大的必要是晶粒长大的必要条件条件。4、热作加工、热作加工不光冷作加工，热不光冷作加工，热作加工也可以使金属作加工也可以使金属成型为期望形状的构成型为期望形状的构件。件。热作加工就是在热作加
21、工就是在金属的金属的再结晶温度以上的某一温度再结晶温度以上的某一温度使金属发生塑性变形使金属发生塑性变形。在热作加工过。在热作加工过程中，金属材料会发生程中，金属材料会发生连续的的再结晶现象连续的的再结晶现象，如图，如图8-19。热作加工在金属变形成型时不会产生强化现象热作加工在金属变形成型时不会产生强化现象，因此，其变形总量可因此，其变形总量可以是无限度的以是无限度的。一个非常薄的钢板可以通过连续的变形后被热轧为钢。一个非常薄的钢板可以通过连续的变形后被热轧为钢皮，在多次热轧过程中，皮，在多次热轧过程中，前边的轧制工序可以在远高于前边的轧制工序可以在远高于再结晶温度的温再结晶温度的温度下进行扎制，此时金属材料的强度较低；而度下进行扎制，此时金属材料的强度较低；而最后一道工序则把轧制温最后一道工序则把轧制温度刚好控制在再结晶温度以上度刚好控制在再结晶温度以上，并通过大比例变形最终得到细晶组织。，并通过大比例变形最终得到细晶组织。热作加工适合于大零件、大板材的成型热作加工适合于大零件、大板材的成型。
