金属热加工原理

1、一、晶粒取向的影响（取向差效应,变形有先有后各晶粒相对于外力轴的取向不同，位向有利的晶粒先变形，且不同晶粒变形量也不同。一般变形度达到20%，几乎所有晶粒都可参加变形。 各个晶粒的变形必须协调对一个晶粒来讲不能自由地、均匀地滑移，它要受到相邻晶粒的牵制，故晶粒之间要互相配合、协调。如果协调不好，将会导致塑性下降（晶界处开裂）。理论分析指出，要能协调变形，每个晶粒至少能在5个独立的滑移系上进行滑移。这样，多晶体变形就比单晶体更复杂，应变硬化率也大得多。 变形不均匀导致内应力不均匀下图表明，A、B、C晶粒所处位向不同，故滑移次序不同，因而在它们之间产生了不同的应力,11-2 多晶体的塑性变形,二、

2、晶界对滑移的阻滞效应,晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，且晶界两侧的晶粒取向不同，因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，即室温下晶界对滑移有阻滞效应,位错塞积示意图,拉伸后晶界处呈竹节状,一般来说，晶界可使金属强化，也可使金属软化，这主要依赖于温度和变形速率。当温度低于 ，且变形速率较大时，晶粒细化会使金属强度升高；但当温度高于上述界限及变形速率很慢时，晶界增多反而使金属强度降低。故高温合金一般希望获得粗晶组织,三、晶粒大小对变形抗力的影响,对于大多数金属材料，其屈服强度与晶粒平均直经d的关系可用Hall-Petch方程式表示： = + kyd -1/2 式中0 ,ky均为

3、常数,锌单晶和多晶的拉伸曲线,通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化,低碳钢的屈服强度与晶粒大小的关系,铜和铝的屈服强度与其亚晶尺寸的关系,细晶强化在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性和韧性，这是其他强化方法所不具备的,多晶体塑性变形的微观特点,多方式： 滑移和孪生（室温和低温下） 晶界滑动和迁移（高温下） 点缺陷的定向扩散（温度很高，外加应力很低,多滑移： 每个晶粒至少要有五个滑移系统同时开动，以维持 多晶体的完整性,不均匀： 晶界约束 晶粒中心的滑移量晶界附近 晶体转动时，中心区的转角边缘区,11-3 影响金属塑性和形变抗力的因素,一、合金元素的影响 合金元素

4、使固溶体点阵畸变，晶面相对滑移阻力 钢中合金元素与C形成硬脆的碳化物相 合金元素改变钢中相的组成，造成组织的多相性 合金元素对钢的铸造组织及加热时晶粒长大倾向 有影响 合金元素的碳化物、氧化物常以复化合物或硅酸 盐等形态存于钢中，变形时割裂基体,二、形变温度的影响（T ） 原子结合力减弱，原子动能增加，滑移抗力降低 可能出现新的滑移系，会发生相变（钢转变） 可能会发生晶界滑动，SPF时 原子不稳定，外力下容易从一个平衡位置到另一 个，产生热塑性,塑性 ，形变抗力,三、形变速率的影响 形变速率对形变抗力的影响 速率增加，抗力增大，增加的程度与形变温度有关。 T越高，增加的程度越大。 形变速率对金

5、属塑性的影响 影响复杂。速率较低时，增加速率使塑性下降； 速率较高时，增加速率使塑性增加,四、应力状态的影响 对塑性的影响 三向应力下，三向受压一向受拉两向受拉三向受拉 压应力能提高塑性的主要原因： a.能阻止和减少晶间变形 b.拉应力促使原子层彼此分离，扩大滑移产生的显微缺陷，加速晶间破坏；而压应力则使缺陷被压合封闭 c.三向压应力能减轻或避免脆性夹杂物和液相对塑性的不良影响 d.三向压应力能抵消由于不均匀变形所引起的附加拉应力 对形变抗力的影响,五、其他因素的影响 变形程度 冷变形，加工硬化， ，30%，形变抗力增加显著 变形量增加，点阵畸变能增加，形变热效应产生的T ，抗 力增加缓慢 表

6、面状态和周围介质 表面吸附活性物质时，能促进变形，降低抗力 表面光洁度越高，极限变形程度越大；越低，易应力集中 变形体形状与变形均匀性 接触面愈大，摩擦引起的三向压应力愈大，塑性增加 流动均匀，外摩擦作用不显著，塑性增加,11-4 金属塑性变形后的组织与性能,一、塑性变形引起金属组织结构的变化,1亚结构 随着变形量的增大，晶体中的位错密度迅速提高。 当形变量较小时，形成位错缠结结构；当变形量继续增加时，大量位错发生聚集，形成胞状亚结构，称为形变亚晶或形变胞。胞壁由位错构成，胞内位错密度较低，相邻胞间存在微小取向差； 随着形变量的增加，这种胞的尺寸减小，数量增加；如果变形量非常大时，如强烈冷变形

7、或拉丝，则会构成大量排列紧密的细长条状形变胞。 变形亚晶对滑移过程有巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著升高，是产生加工硬化的主要原因之一,50%压缩率（30000,铜经不同程度冷轧后的透射电镜图像,30%压缩率（30000,99%压缩率（30000,2纤维组织 晶粒的形状会发生相应的变化：如在轧制过程中，随着变形量的增加，原来的等轴晶粒沿延伸方向逐渐伸长， 当变形量很大时，晶界变得模糊不清，各晶粒难以分辨，呈现出纤维状的条纹，通常称之为纤维组织。 纤维的分布方向就是金属流变伸展的方向。纤维组织使金属的性能具有明显的方向性，其纵向的强度和塑性高于横向。 金属中有夹杂物存在时，塑性杂质沿变形方

8、向被拉长为细条状，脆性杂质破碎，沿变形方向呈断续状分布,99%压缩率,铜经不同程度冷轧后的光学显微组织,30%压缩率,50%压缩率,Figure The fibrous grain structure of a low carbon steel produced by cold working: (a) 10% cold work, (b) 30% cold work, (c) 60% cold work, and (d) 90% cold work (250). (Source: From ASM Handbook Vol. 9, Metallography and Microstructu

9、re, (1985) ASM International, Materials Park, OH 44073,3变形织构（择优取向） 当塑性变形量不断增加时，多晶体中原本取向随机的各个晶粒，会逐渐调整到其取向趋于一致，这一现象称为晶粒的择优取向(变形织构)。 丝织构其特征是各晶粒的某一晶向趋向平行于拉拔方向。如铝拉丝为织构，冷拉铁丝为织构； 板织构特征为各晶粒的某一晶面和晶向趋向平行于轧面和轧向。如冷轧黄铜的110,织构。 变形织构造成材料的各向异性，多数情况下是有害的。所谓的“制耳”现象。但有时，织构的存在却是有利的，例如，采用具有 (100)001) 织构的硅钢片制作电动机或变压器的铁心时

10、，将可以提高导磁率，减少损耗,形变织构的示意图 （a）丝织构 （b）板织构,变形织构造成的“制耳”现象,二、冷塑性变形对金属物理、化学性能的影响,密度降低，电阻增大 材料经塑性变形后，由于点阵畸变、位错与空位等晶体缺陷的增加，其物理性能和化学性能会发生一定的变化。如电阻率增加，电阻温度系数降低，磁滞与矫顽力略有增加，磁导率、热导率下降。 导热性和抗蚀性降低 由于原子活动能力增大，还会使扩散加速。塑性变形提高了材料的内能，使化学活性提高，抗腐蚀性能下降。 出现各向异性 冷变形后，出现织构而呈现各向异性,第一类内应力（宏观残余应力）。它是由于工件各部分间的宏观变形不均匀而引起的，其作用范围是整个工

11、件。易产生变形、开裂。一般不希望工件内部存在宏观内应力。 第二类内应力（微观残余应力）。它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀而产生的。其作用范围为几个晶粒或几个亚晶粒。虽然这种内应力所占的比例不大(约占全部内应力的1%2)，但在某些局部区域，有时微观残余应力很大，致使工件在不大的外力作用下即产生显微裂纹，并进而导致工件的断裂,三、冷塑性变形后出现内应力,第三类内应力（点阵畸变）。它是由于材料在塑性变形中，产生大量点阵缺陷，而造成的晶格畸变。其作用范围更小，在几十至几百纳米范围内，它使金属的硬度、强度升高，而塑性和抗腐蚀性能下降。 一般残余应力的存在对材料的性能是有害的，它导致材料及工件的变形、开

12、裂和产生应力腐蚀。残余应力可以通过适当方式的热处理加以消除。但是，工件表面残留一层压应力时，对提高使用寿命有利。例如，采用喷九和化学热处理方法使工件表面产生一层压应力，可以有效地提高工件（如弹簧和齿轮等）的疲劳抗力,合金的塑性变形与纯金属的变形基本一致，只是由于合金元素的加入而使金属晶体结构发生了变化,从而改变了基体金属的变形拉力，使材料机械性能发生了显著变化。这对工程上的塑性加工和强化金属有重大意义。 合金元素在金属基体中的存在形式有两种 一是形成固溶体； 二是形成第二相，与基体组成机械混合物,11-5 合金的塑性变形,由于异类原子（溶质原子）的存在，使合金塑性变形抗力大大提高，表现为强度、

13、硬度增加，塑性、韧性下降，这种现象称为固溶强化,b) 溶质原子小于溶剂的置换固溶体溶质原子,a) 溶质原子大于溶剂的置换固溶体原子,c) 间隙固溶体原子在位错附近的分布,固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。 溶质原子与位错弹性交互作用的结果，使溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小畸变，使系统更加稳定，此即称为柯氏(cotrell)气团。 柯氏气团对位错有“钉扎”作用。为了使位错挣脱气团而运动，必须施加更大的外力。 因此，固溶体合金的塑性变形抗力要高于纯金属,利用位错与溶质原子的弹性交互作用，可以解释某些固溶体合金中的上、下屈服点现象和应变时效现象,在低碳钢的应力应变曲线中出现了明显的屈服点（称为上屈服点）后，应力突然下降到一个较低的值（下屈服点），此后试样继续伸长，而应力保持不变，即发生屈服伸长,当第二相比基体硬，但塑性较好时，合金的变形行为和性能与两个相的体积分数有关。 如H62黄铜的组织。如下图,多相合金的塑性变形,H62的铸态组织 H62变形和退火后的组织,当第二相比较脆时，合金性能除与相的相对量有关外，主要还取决于脆性相的形状、分布等。 如下图中灰口铸铁的组织,片状石墨（灰口铸铁） 球状石墨（球墨铸铁,多相合金的塑性变形,又如钢中的渗碳体，当它呈连续网状分布在珠光体边界上时，使钢的脆性增大， 若以片层状分布在珠光