金属塑性变形对组织和性能的影响

1、金属塑性变形对组织和性能的影响（一）变形程度的影响 塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。 变形程度过小， 不能起到细化晶粒提 高金属力学性能的目的；变形程度过大，不仅不会使力学性能再增高，还会出现纤维组织， 增加金属的各向异性，当超过金属允许的变形极限时，将会出现开裂等缺陷。 对不同的塑性成形加工工艺，可用不同的参数表示其变形程度。锻造比Y锻：锻造加工工艺中，用锻造比 Y锻来表示变形程度的大小。 拔长：Y锻=SO/S （ S0 S分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）； 镦粗：Y锻=HO/H（ H0 H分别表示镦粗前后金属坯料的高度）。碳素结构钢的锻造比在 23 范围选取， 合金结构

2、钢的锻造比在 34 范围选取， 高合金工具钢 （例如高速钢）组织中有大块碳化物，需要较大锻造比（Y 锻=512） ，采用交叉锻，才能使钢中的碳化物分散细化。 以钢材为坯料锻造时， 因材料轧制时组织和力学性能已经得到改 善，锻造比一般取 1.11.3 即可。表示变形程度的技术参数：相对弯曲半径（ r/t ）、拉深系数（m）、翻边系数（k）等。挤 压成形时则用挤压断面缩减率（ & p）等参数表示变形程度。（二）纤维组织的利用纤维组织：在金属铸锭组织中的不溶于金属基体的夹杂物 （如FeS等），随金属晶粒的变形 方向被拉长或压扁呈纤维状。 当金属再结晶时， 被压碎的晶粒恢复为等轴细晶粒， 而夹杂物 无

3、再结晶能力， 仍然以纤维状保留下来， 形成纤维组织。 纤维组织形成后， 不能用热处理方 法消除，只能通过锻造方法使金属在不同方向变形，才能改变纤维的方向和分布。纤维组织的存在对金属的力学性能， 特别是冲击韧度有一定影响， 在设计和制造零件时， 应 注意以下两点：（1）零件工作时的正应力方向与纤维方向应一致，切应力方向与纤维方向垂直。（2）纤维的分布与零件的外形轮廓应相符合，而不被切断。例如，锻造齿轮毛坯，应对棒料镦粗加工，使其纤维呈放射状，有利于齿轮的受力；曲轴毛 坯的锻造， 应采用拔长后弯曲工序， 使纤维组织沿曲轴轮廓分布， 这样曲轴工作时不易断裂 （ 三）冷变形与热变形通常将塑性变形分为冷

4、变形和热变形。 冷变形：再结晶温度以下的塑性变形。冷变形有加工硬化现象产生，但工件表面质量好。热变形： 再结晶温度以上的塑性变形。 热变形时加工硬化与再结晶过程同时存在， 而加工硬 化又几乎同时被再结晶消除。 由于热变形是在高温下进行的， 金属在加热过程中表面易产生 氧化皮， 使精度和表面质量较低。 自由锻、 热模锻、 热轧、 热挤压等工艺都属于热变形加工。第 11 讲 冷塑性变形过程中的材料行为及性能变化本讲重点：冷塑性变形时金属组织结构的变化及变形后的 性能变化；冷塑性变 形金属加热时组织与性能的变化；11.1 冷塑性变形对金属组织与性能的影响 冷塑性变形： 金属在室温或较低温度下发生的永

5、久变形举例：反复弯折一根铜丝，其性能的变化。 目的：得到所需的形状或尺寸（如冷拉，冷轧等）， 提高强度和硬度（加工硬化）。 晶体结构不同，塑变能力不同面心立方（Cu、Al、Ag Au）体心立方（Fe、 Cr） 密排六方（ Zn、 Mg）1. 冷塑性变形时组织：1 ）形成纤维状组织： 晶粒沿变形方向拉长或成纤维状 （见课件图 3-11）。2 ）亚结构细化：晶粒碎化 内部亚结构细化晶体缺陷密度增加。（见课件图 3-13 ）3 ）择优取向：位向各不相同的晶粒会转到接近一致的位向。（课件图 3-12 ）2. 冷塑性变形后金属性能的变化1）加工硬化 ：随变形程度增加，强度，硬度上升，塑性，韧性下降的现象

6、。产生原因：随变形量T-位错密度T-位错在运动中相遇、缠结-位错运动阻力T-变形抗力T-强度、硬度T。作用： a. 难以继续变形，需退火软化b. 强化手段之一。（如形变铝合金）c. 抵抗局部过载拉、冷轧）内部的应力。均匀和晶格畸变所产生的 力对性能的影响：d. 许多冷成型加工的保证。 （如冷2）产生残余应力定义：外力去处后，残留且平衡于金属产生原因：各部分及各晶粒之间变形不降低承载能 使工件在使用过程中发生变形或产生裂纹 降低耐蚀性等3）产生各相异性 ：由于出现择优取向， 使金属在各方向上的性能不相同。例 1：力学性能：变形方向强度 高，垂直于变形方向强度低。例 2 ：磁性材料：沿着磁化方 向

7、变形，可增加导磁率等。11.2 冷塑性变形金属在加热时组织与性能的变化 冷塑性变形后金属处于上述组织结构的种种不稳定状态， 加热或温度升高后会向 稳定状态转变。一般经历三个阶段。（见课件图 3-15 ）1. 回复：温度不高时 , 原子短程扩散回到平衡位置， 晶体缺陷减小，晶格畸变基本消除，残余应力基本消除，理化性能恢复。2. 再结晶组织变化： 温度较高， 可通过形核与长大， 使破碎及纤维状晶粒变成无畸变等轴 晶（再结晶过程） 性能变化：强度、硬度J,塑韧性T,加工硬化消除； 组织与力学性能完全恢复。3. 晶粒长大 再结晶后继续升温, 晶粒长大、粗化（粗等轴晶）, 性能变坏。4 影响再结晶后晶粒

8、度的因素（1）加热TT-晶粒越粗大 保温时间晶粒越粗大（2）变形程度 （见 P47 图 3.7 ）a. 变形很小时, 经格畸变很小, 不引起再结晶, 晶粒保 持不变；b. 变形度2%-10%再结晶后晶粒特别粗大（临界变 形度）；c. 变形度约 95%时：再结晶晶粒粗大金属的塑性变形与再结晶一、实验概述金属塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种。在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶面相对于另一部分滑动， 这种变形方式称为滑移； 在切应力作用下，晶体的一部分沿某一晶 面相对另一部分产生剪切变形，且变形部分与未变形部分的位向形成了镜面对称关系，这种变形方式称为孪生。（一）冷塑性变形对金属组织与性能的影响

9、若金属在再结晶温度以下进行塑性变形，称为冷塑性变形。冷塑性变形不仅改变了金属材料的形状与尺寸，而且还将引起金属组织与性能的变化。金属在发生塑性变形时， 随着外形的变化，其内部晶粒形状由原来的等轴晶粒逐渐变为 沿变形方向伸长的晶粒， 在晶粒内部也出现了滑移带或孪晶带。当变形程度很大时， 晶粒被显著地拉成纤维状， 这种组织称为冷加工纤维组织。同时，随着变形程度的加剧，原来位向不同的各个晶粒会逐渐取得近于一致的位向，而形成了形变织构，使金属材料的性能呈现出明显的各向异性。 图6-1为工业纯铁经不同程度变形的显微组织。图6-1工业纯铁冷塑性变形后组织 （150X）a）变形程度20%b）变形程度50%c

10、）变形程度70%金属经冷塑性变形后，会使其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为加工 硬化。此外，在金属内部还产生残余应力。一般情况下，残余应力不仅降低了金属的承载能力，而且还会使工件的形状与尺寸发生变化。（二）冷塑性变形后金属在加热时组织与性能的变化金属经冷塑性变形后，由于其内部亚结构细化、晶格畸变等原因，处于不稳定状态，具有自发地恢复到稳定状态的趋势。 但在室温下，由于原子活动能力不足， 恢复过程不易进行。 若对其加热，因原子活动能力增强，就会使组织与性能发生一系列的变化。1 回复 当加热温度较低时，原子活动能力尚低，故冷变形金属的显微组织无明显变 化，仍保持着纤组织的特征。此时，

11、因晶格畸变已减轻，使残余应力显著下降。但造成加工当加热温度较高时，将首先在变形晶粒的晶界或滑移带、孪晶带等晶格畸 通过形核与长大方式进行再结晶，图6-2反映了冷塑性变形工业纯铁的再结因而消除了冷加工纤维组硬化的主要原因未消除，故其机械性能变化不大。2 再结晶 变严重的地带， 晶过程的显微组织。冷变形金属在再结晶后获得了新的等轴晶粒， 织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形前的状态。甘二一；舟 V丄-:哪込朋1虑7 八严二:弄 运汕J图6-2工业纯铁再结晶过程的显微组织（150X）a）550C再结晶b）600C再结晶 c） 850 C再结晶金属的再结晶过程是在一定温度范围内进行的。

12、通常把变形程度在70%以上的冷变形金属经1h加热能完全再结晶的最低温度，定为再结晶渡。实验证明，金属的熔点愈高，在 其他条件相同时，其再结晶温度也愈高。金属的再结晶温度（T 再）与其熔点（T熔）间的关系，大致可用下式表示：T再=0.4 T熔式中各温度值，应为绝对温度。3 晶粒长大 冷变形金属再结晶后，一般都得到细小均匀的等轴晶粒。但继续升高加 热温度或延长保温时间，再结晶后的晶粒又会逐渐长大，使晶粒粗化。（三）变形程度对金属再结晶后晶粒度的影响 冷变形金属再结晶后晶粒度除与加热温度、保温时间有关外，还与金属的预先变形程度有关。图6-3表示金属再结晶后的晶粒度与其预先变形程度 间的关系。由图可见

13、，当变形程度很小时，金属不 发生再结晶，因而晶粒大小不变。当达到某一变形 程度后，金属开始发生再结晶，而且再结晶后获得 异常粗大的晶粒。随着变形程度的增加，由于各晶 粒变形愈趋均匀，再结晶时形核率愈大，因而使再 结晶后的晶粒逐渐变细。图6-4纯铝在不同程度拉伸变形时，经550 C再结晶退火30min后的晶粒度比较。图6-3变形程度对金属再结 晶后晶粒度的影响变形程度：a）1% b）2.5% c）3% d）6% e）9% f）12% g）15% 浸蚀剂:HF 15ml, HCI 45ml, HNO 3 15ml, H 2SO4 25 ml引起冷变形金属开始再结晶，并在再结晶后获得异常粗大晶粒的变

14、形程度，称为临界变形程度。一般钢铁的临界变形程度为510%，铜约为5%，铝约为23%。由于粗大晶粒将显著降低金属的机械性能，故应避免金属材料在临界变形程度的范围内进行压力加工。一、实验目的1了解冷塑性变形对金属组织与性能的影响。2 .了解经冷塑性变形的金属在加热组织与性能的变化规律。3了解变形程度对金属再结晶晶粒度的影响。二、实验设备、用品及试样（一）实验设备1 拉力试验机和洛氏硬度计（或布氏硬度计）。2.金相显微镜。3 箱式电阻加热炉（附测温控温装置）。4.砂轮机、预磨机、抛光机、吹风机。（二）实验用品1 测量试样尺寸用的游标尺。2.不同粗细的金相砂纸一套、抛光磨料、浸蚀剂、无水酒精。（三）

15、实验试样1 退火状态低碳钢（建议采用10钢）的拉力试样若干。2不同变形程度经再结晶后具有不同晶粒度的纯铝片试样一套。三、实验方法及步骤1 以若干人为一小组，每组领取退火状态低碳钢拉力试样一根。2在拉力试样的总标距内每隔 10mm,用划线仪划出分段标距的印记，女口 图6-5所示。3用游标尺测量出分段标距的长度，并记下测量数据。4将度样在拉力试验机上进行拉伸，直至试样产生颈缩”并在断裂前的瞬间，把试样自试验机上取下，然后再用游标尺测量和记录变形后各分段印记间的长度，并计算出各分段标距内的延伸率。5在分段标距的印记处用手锯或砂轮切割等方法，把试样分段切开。6 把分段试样沿轴向制备成金相试样，然后在金

16、相显微镜下观察其显微组织，再根据 其组织特征，绘出显微组织示意图，并记录观察试样所用的放大倍数和浸蚀剂。7.在已观察过的试样磨面上，测定其洛氏硬度值HRB，并记下测量数据。&分析变形程度对金属组织和硬度的影响规律。9在各组试样中选取五个变形程度较大且变形程度值相近的分段试样，分别放入温度为100CC、300C、500C、650C、800C的加热炉中保温 30min后出炉空冷（可将学生分 组，分别完成一个数据）。10 把冷却后的分段试样沿轴向制备成金相试样，然后在金相显微镜下观察其显微组织，再根据其组织特征，绘出显微组织示意图，并记录观察试样所用的放大倍数及浸蚀剂。11. 在已观察过的试样磨面上，测定其洛氏硬度值HRB，并记下测量数据。12. 分析冷变形金属在加热时组织与硬度的变化规律。13. 观察由实验室制备好的纯铝片试样一套，了解不同变形程度对再结