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1、6.1金属塑性加工中组织与性能的变化6.1.1冷变形6.1.2热变形6.1.3塑性变形对固态相变的影响2021/8/616.1.1冷变形冷变形：在再结晶温度以下变形Cold Deformation, Cold Working2021/8/62冷变形时金属显微组织的变化（1 1）纤维组织）纤维组织 图图6-2 6-2 冷轧前后晶粒形状变化冷轧前后晶粒形状变化（a a）变形前的退火状态组织）变形前的退火状态组织 （b b）变形后的冷轧变形组织）变形后的冷轧变形组织 2021/8/63冷变形时金属显微组织的变化（2 2）亚结构）亚结构 2021/8/64冷变形时金属显微组织的变化（3 3）变形织构）
2、变形织构 a. 丝织构b. 板织构2021/8/65冷变形时金属显微组织的变化（4 4）晶内和晶间破坏）晶内和晶间破坏 2021/8/66冷变形时金属性能的变化（1 1）物理性能）物理性能 a. a. 密密度度 金金属属经经冷冷变变形形后后，因因晶晶内内及及晶晶间间出出现现了了显显微微裂裂纹纹、裂裂口口、空洞等缺陷使金属的密度降低，且变形程度越高，降低的也越多。空洞等缺陷使金属的密度降低，且变形程度越高，降低的也越多。 b. b. 电电阻阻 晶晶间间物物质质的的破破坏坏使使晶晶粒粒直直接接接接触触、晶晶粒粒位位向向有有序序化化、晶晶间间及及晶晶内内的的破破裂裂等等，都都对对电电阻阻的的变变化化
3、有有明明显显影影响响，前前两两者者使使电电阻阻随随变变形形程程度度的的增增加加而而减减少少，后后者者则则相相反反，其其结结果果使使电电阻阻随随变变形形程程度度变变化化的的表表现现而而不不同同。一一般般而而言言，冷冷变变形形使使金金属属电电阻阻有有所所增增加加（约百分之几），但增加的程度则随金属而异。（约百分之几），但增加的程度则随金属而异。 2021/8/67冷变形时金属性能的变化（2 2）化学性能）化学性能 冷冷变变形形后后，金金属属的的残残余余应应力力和和内内能能增增加加，从从而而使使化化学学不稳定性增加，耐蚀性能降低。不稳定性增加，耐蚀性能降低。 应力腐蚀的主要防止方法就是退火，消除内应
4、力。应力腐蚀的主要防止方法就是退火，消除内应力。2021/8/68冷变形时金属性能的变化（3 3）力学性能）力学性能 强度指标增加，塑性指标降低强度指标增加，塑性指标降低各向异性增强各向异性增强出现制耳出现制耳交叉轧制、退火、添加合金元素、控制变形量等方法交叉轧制、退火、添加合金元素、控制变形量等方法2021/8/69冷变形时金属性能的变化利用冷变形提高材料力学性能；利用冷变形提高材料力学性能；利利用用冷冷变变形形与与退退火火热热处处理理控控制制成成品品组组织织性能。性能。2021/8/6106.1.2热变形1热变形的概念2热变形对金属组织性能的影响3热变形过程中的回复与再结晶Hot Defo
5、rmation, Hot Working2021/8/611热变形的概念变形金属在完全再结晶条件下进行的塑性变形。一般在热变形时金属所变形金属在完全再结晶条件下进行的塑性变形。一般在热变形时金属所处温度范围是其熔点绝对温度的处温度范围是其熔点绝对温度的0. 750. 750. 950. 95倍，在变形过程中，同时倍，在变形过程中，同时产生软化与硬化，且软化进行的很充分，变形后的产品无硬化的痕迹。产生软化与硬化，且软化进行的很充分，变形后的产品无硬化的痕迹。（1）金属在热加工变形时，变形抗力较低，消耗能量较少。（2）金属在热加工变形时，其塑性升高，产生断裂的倾向性减小。（3）与冷加工相比较，热加
6、工变形一般不易产生织构。（4）在生产过程中，不需要像冷加工那样的中间退火，从而可使生产工序简化，生产 效率提高。（5）热加工变形可引起组织性能的变化，以满足对产品某些组织与性能的要求。特点特点2021/8/612热变形对金属组织性能的影响（1）热变形对铸态组织的改造 热变形能最有效地改变金属和合金的铸锭组织：a. 一般热变形是通过多道次的反复变形来完成。由于在每一次道次中硬化与软化过程是同时发生的，这样，变形而破碎的粗大柱状晶粒通过反复的改造而使之锻炼成较均匀、细小的等轴晶粒，还能使某些微小裂纹得到愈合。b. 由于应力状态中静水压力分量的作用，可使铸锭中存在的气泡焊合，缩孔压实，疏松压密，变为
7、较致密的结构。c. 由于高温下原子热运动能力加强，在应力作用下，借助原子的自扩散和互扩散，可使铸锭中化学成分的不均匀性相对减少。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及比较均匀的化学成分，因而塑性和抗力的指标都明显提高。2021/8/613热变形对金属组织性能的影响在热变形过程中，为了保证产品性能及使用条件对热加工制品晶粒尺寸的要求，控制热变形产品的晶粒度是很重要的。热变形后制品晶粒度的大小，取决于变形程度和变形温度（主要是加工终了温度）。第二类再结晶全图，是描述晶粒大小与变形程度及变形温度之间关系的。（2）热变形制品晶粒度
8、的控制01020908070605040200300350400450500020 30908070504010602002503504004505003003002001003002001000晶粒直径 ，微米晶粒直径 ，微米变形程度，%变形程度，%变形温度，变形温度，302500（a）（b）2021/8/614热变形对金属组织性能的影响金属内部所含有的杂质、第二相和各种缺陷，在热变形过程中，将沿着最大主变形方向被拉长、拉细而形成纤维组织或带状结构。这些带状结构是一系列平行的条纹，也称为流线。纤维组织一般只能在变形时通过不断地改变变形的方向来避免，很难用退火的方法去消除。当夹杂物（或晶间夹杂
9、层）数量不多时，可用长时高温退火的方法，依靠成分地均匀化，和组织不均匀处的消失以去除。在个别情况下，当这些晶间夹杂物能溶解或凝聚时，纤维组织也可以被消除。 （3）热变形时的纤维组织2021/8/615热变形过程中的回复与再结晶（1）热变形时的动态回复与动态再结晶动态回复动态再结晶2021/8/616热变形过程中的回复与再结晶动态回复静态回复静态再结晶动态回复静态再结晶静态再结晶动态再结晶（a）（b）（c）（d）动态回复静态回复动态回复静态再结晶静态再结晶静态再结晶动态再结晶2021/8/617热变形过程中的回复与再结晶（2）热变形过程中道次间或变形后停留时 的静态回复与静态再结晶利利用用热热变
10、变形形过过程程的的回回复复稳稳定定组组织织利用再结晶细化晶粒。利用再结晶细化晶粒。2021/8/6186.1.3塑性变形对固态相变的影响1应力与变形的作用2温度和变形速度的作用2021/8/619塑性变形时应变诱发相变（1 1）应变加速二相粒子固溶或析出）应变加速二相粒子固溶或析出2021/8/620塑性变形时应变诱发相变（2 2）利用塑性变形的应变提高固溶或时效析出效果）利用塑性变形的应变提高固溶或时效析出效果形变热处理工艺形变热处理工艺（Thermal Mechanical Processing, TMP）2021/8/621金属塑性变形过程中组织与性能的变化规律在工业生产中经常遇到对金属
11、材料进行塑性变形加工问题。例如：将铸锭轧制成各种规格品种的成材；将钢料锻造成零件的毛坯；通过冲压制造某些器具和零件等。这些都属于对金属材料的压力加工。所谓压力加工是指利用金属的塑性，使其改变形状，尺寸和改善性能，获得型材、棒材、线材或锻压件的加工方法。它包括锻压、冲压、挤压、拉拔等。金属材料的塑性变形，不仅改变了材料的外形和尺寸，也会使金属的显微组织和性能产生变化。因此，很有必要对金属材料塑性变形的一些规律进行了解，以便更好的制定和实施压力加工的工艺并充分发挥材料的性能潜力。2021/8/622第二节第二节 塑性变形对金属组织和性能影响塑性变形对金属组织和性能影响塑性变形使金属的组织和性能发生
12、一系列的重要变化。一、产生纤维组织纤维组织的出现是金属材料由原来的各向同性变形成各向异性。使沿着纤维方向的强度大于垂直纤维方向的。二、产生加工硬化现象随着金属材料变形量的增加，材料的强度和硬度增加，塑性下降的现象称为加工硬化。见图4-9。加工硬化还可以使零件在使增加安全性。加工硬化现象的存在有利于金属塑性变形加工的变形均匀性。加工硬化在工业生产中不利的方面主要是：降低塑性2021/8/623三、产生变形织构当塑性变形量很大时，各晶粒位向都大体上趋于一致了，这种现象称择优取向。这种由于塑性变形引起的各个晶粒的晶格位向趋于一致的晶粒结构称为变形织构。织构的存在会使材料产生严重的各向异性。由于各方向
13、上的塑性、强度不同会导致非均匀变形。使筒形零件的边缘出现严重不齐的现象，称为“制耳”，见图4-11。有制耳的零件质量是不合格的。织构也有可利用的一面。变压器所用的硅钢片就是利用织构带来的各向异性，使变压器铁心增加磁导率、降低磁滞损耗，从而提高变压器的效率。四、产生残余的内应力残余的内应力就是指平衡于金属内部的应力，当外力去除后而仍然留下来的内应力。根据残余的内应力的作用范围分为三类。2021/8/624第一类内应力是指由于金属表面与心部变形量不同而平衡于表面与心部之间的宏观内应力。（通常为0.1%）.第二类内应力是指平衡于晶粒之间的内应力或亚晶粒之间的内应力。是由于晶粒之间的内应力或亚晶粒之间
14、变形不均匀引起的。（通常为1%2%）。第三类内应力是指存在于晶格畸变中的内应力。它平衡于晶格畸变处的多个原子之间。（通常为90%以上）。这类内应力维持着晶格畸变，使变形金属材料的强度得到提高。第一、二类内应力虽然占的比例不大，但是在一般情况下都会降低材料的性能，而且还会因应力松弛或重新分布而引起材料的变形。是有害的内应力。另外，内应力的存在还会降低材料的抗腐蚀。即所谓的应力腐蚀。主要表现在处于应力状态的金属腐蚀速度快。变形的钢丝易生锈就是此理。2021/8/625第三节 加热对冷变形金属的组织和性能的影响冷变形金属材料随着宏观的变形增加其内能也增加，使组织处于不稳定状态，存在着趋于稳定的倾向。
15、但是由于室温下原子活动能力极弱，这种不稳定状态能得以长期保存。可是若对变形金属加热、提高原子活动能力则变形材料就会以多种方式释放多余的内能，恢复到变形前的低内能的稳定状态。然而，随着加热温度的不同，恢复的程度也不同。变形金属在加热中一般经历三个过程，见图4-12。2021/8/626一、回复当加热温度较低时原子活动能力不高，只能进行短距离运动。首先发生空位运动。空位与其它晶体缺陷，降低了点缺陷所引起的晶格畸变。接着发生位错运动，使形晶粒中各种位错相互作用，这不仅可能降低位错密度而且使剩余的位错也会按一定的规律排列起来，使之处于一种低能量的状态。晶体的多边化见图4-13。在回复阶段发生的微观变化
16、，带来的宏观效果是变形残余应力大幅度下降，物理化学性能基本恢复。力学性能没有太大的变化，仍保留着加工硬化的效果。在工业生产中，使变形金属保持回复阶段，已多有应用。其方法是去应力退火。2021/8/627二、再结晶1变形金属的结晶当变形金属被加工到一定高度，原子活动能力较强时，会在变形晶粒或晶粒内的亚晶界处以不同于一般结晶的特殊成核方式产生新晶核。随着原子的扩散移动新晶核的边界面不断向变形的原晶粒中推进，使新晶核不断消耗原晶粒而长大。最终是一批新生的等轴晶粒取代了原来变形的晶粒，完成了一次新的结晶过程。这种变形金属的重新结晶称为再结晶。再结晶没发生晶格类型的变化，只是晶粒形态和大小的变化。也可以
17、说只有显微组织变化而没有晶格结构变化，故称为再结晶，以有别于各种相变的结晶（重结晶）。变形金属再结晶后，显微组织由破碎拉长的晶粒变成新的细小等轴晶粒，残余内应力全部消除、加工硬化现象也全部消失。金属恢复到变形前的力学性能，物理化学等性能也恢复到变形前的水平。2021/8/6282.再结晶温度在金属学中通常把能够发生再结晶的最低温度称为金属的再结晶温度。但是，在工程上通常又在一小时之内能够完成再结晶过程的最低温度称为再结晶温度。发生并完成再结晶的驱动力是塑性变形给金属内部所增加的内能。而这种驱动力发挥作用的热力学条件是变形金属内原子应具有的组够的迁移能力。迁移能力是靠足够的温度和时间来保证的。这
18、个温度就是再结晶温度。它不象金属相变时那样有一个固定的温度或一个固定的温度区间。再结晶不仅随金属的化学成分而变，而且即使化学成分一定也随其他诸因素的变化而变化。其中：（1）变形量的影响见图4-14（2）原始晶粒温度的影响（3）化学成分的影响（4）加热速度和保温时间的影响2021/8/6293.再结晶退火在对金属材料进行塑性变形加工（拉深、冷拔等）时为了消除加工硬化需要进行再结晶退火。再结晶退火是指：把变形金属加热到再结晶温度以上的温度保温，使变形金属完成再结晶过程的热处理工艺。为了尽量缩短退火周期并且不使晶粒粗大，一般情况下把退火工艺温度取为最低再结晶温度以上100C200C。2021/8/6
19、30当变形金属再结晶完成之后，若继续加热保温，则新生晶粒之间还会大晶粒吞并小晶粒，使晶粒长大，见图4-15。晶粒长大会减少晶体中晶界的总面积，降低界面能。因此，只要有足够原子扩散的温度和时间条件，晶粒长大是自发的、不可避免的。晶粒长大其实质是一种晶界的位移过程。在通常情况下，这种晶粒的长大是逐步的缓慢进行的，称为正常长大。但是，当某些因素（如：细小杂质粒子、变形织构等）阻碍晶粒正常长大，一旦这种阻碍失效常会出现晶粒突然长大，而且长大很大。对这种晶粒不均匀的现象称为二次结晶。对于机械工程结构材料是不希望出现二次结晶的。但是对硅钢片等电气材料常利用这个二次结晶得到粗晶来获得高的物理性能。三、晶粒长
20、大2021/8/631四、影响再结晶后晶粒度的因素加热温度的影响对变形金属加热的温度愈高，再结晶晶粒也愈大，见图4-16。变形度的影响金属材料变形的程度对再结晶后的晶粒大小的影响较复杂，见图4-17。当变形度很小（=90%）时，某些金属再结晶后又会出现晶粒异常长大现象。一般认为是与织构的产生有关。将变形度和加热温度与再结晶晶粒度的关系绘制成一张三维立体图，可以更直观的了解再结晶晶粒度的问题。此图称为再结晶全图，见图4-18。除了加热温度和变形度对.再结晶晶粒度有影响外，金属中的杂质、合金元素、变形前的原始晶粒度、再结晶加热保温的时间等也都对再结晶晶粒度有一定影响。2021/8/633第三节金属
21、的热变形加工一、热变形加工与冷变形加工的区别这两种变形加工的分界线是再结晶温度。在再结晶温度之下进行的变形加工，变形的同时没有再结晶发生，这种变形加工称为冷变形加工。在变形的同时也进行着动态的再结晶，在变形后的冷却过程中，也继续发生再结晶，这种变形加工称为热变形加工。这两种变形加工各有所长。冷变形加工可以达到较高精度和较低的表面粗糙度。并有加工硬化的效果。但是，变形抗力大，一次变形量有限。而热变形加工与此相反。热变形加工多用于形状较复杂的零件毛坯及大件毛坯的锻造和热轧钢锭成钢材等。而冷变形加工多用于截面尺寸较小，要求表面粗糙度值低的零件和坯料。2021/8/634二、热变形加工对金属组织与性能
22、的影响由于热变形加工在变形的同时伴随着动态再结晶，变形停止后在冷到室温过程中继续有再结晶发生。所以热变形加工基本没有加工硬化现象。但是，也会是金属的组织和性能发生很大变化，主要表现在：热变形加工可以焊合铸态金属中的气孔、显微裂纹等。从而提高材料的致密度和力学性能。热变形加工可以破坏掉铸态的大枝晶和柱状晶。并发生再结晶使晶粒细化，从而也提高材料的力学性能。2021/8/635热变形加工中可以使铸态金属的偏析和非金属夹杂沿着变形的方向拉长，形成所谓的“流线”，也称热变形加工的纤维组织。流线的存在是金属材料产生各向异性。沿流线方向的强度、塑性、韧性大于垂直流线的方向，见表4-1。因此，一般情况下，流线零件的形状分布为好。如图4-19。a图的流线分布合理，承载能力大。b图的流线分布不好，承载能力小。只要热变形加工的工艺条件适当，热变形加工的工件力学性能要高于铸件。所以，受力复杂、负荷较大的重要工件一般都是选用锻件，不用铸件。但是，热变形加工工艺参数不当，也会降低热变形加工工件的性能。例如，加热温度过高可能使热变形后的工件晶粒粗大、强度和塑性下降；若热变形加工停止的温度过低可能带来加工硬化、残余应力加大、甚至出现裂纹等问题。2021/8/6362021/8/6372021/8/638
