第3讲冷热加工组织变化

金属塑性变形实际

Theoryofmetalplasticdeformation第三讲LessonThree张贵杰ZhangGuijiezhguijie@vip.sina河北理工大学金属资料与加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan063009第三章塑性加工时组织性能的变化主要内容MainContent冷加工时组织性能的变化热加工时组织性能的变化1/21/202423.1冷加工变形中组织性能的变化显微组织的变化纤维组织亚构造变形织构金属性能的变化机械性能变化物理化学性能变化1/21/202433.1.1显微组织的变化纤维组织多晶体金属经冷变形后，用光学显微镜察看抛光与浸蚀后的试样，会发现原来等轴的晶粒沿着主变形的方向被拉长。变形量越大，拉长的越显著。当变形且很大时，各个晶粒已不能很清楚地域分开来，呈现纤维状，故称纤维组织。1/21/20244纤维组织的构成过程1/21/20245冷轧前后晶粒外形变化(a)变形前的退火形状组织(b)变形后的冷轧变形组织1/21/202463.1.1显微组织的变化亚构造在变形量大而且层错能较高的金属中，位错的分布是很不均匀的。纷乱的位错纠结起来，构成位错缠结的高位错密度区(约比平均位错密度高五倍)，将位错密度低的部分分隔开来，好似在一个晶粒的内部又出现许多“小晶粒〞似的，只是它们的取向差不大(几度到几分)，这种构造称为胞状亚构造。1/21/20247多晶体Fe冷轧后的胞状亚构造，x6850(a)变形量16％；(b)变形量70％1/21/20248铜中的形变亚构造图中白色部分为低位错密度的亚晶，黑色区域为高位错密度的亚晶界1/21/202493.1.1显微组织的变化变形织构多晶体塑性变形时，各个晶粒滑移的同时，也伴随有晶体取向相对于外力有规律的转动过程。虽然由于晶界的联络，这种转动遭到一定的约束，但当变形量较大时，原来为恣意取向的各个晶粒也会逐渐伐整，引起多晶体中晶粒方位出现一定程度的有序化。这种多晶体由原来取向杂乱陈列的晶粒，变成各晶粒取向大体趋于一致的过程叫做“择优取向〞。具有择优取向的晶体组织称为“变形织构〞。1/21/202410丝织构丝织构系在拉拔和挤压加工中构成。这种加工都是在轴对称情况下变形，其主变形图为两向紧缩，一向拉伸。变形后晶粒有一共同晶向趋向与最大主变形方向平行。以此晶向来表示丝织构。1/21/202411实验阐明，对于面心立方金属如金、银、铜、铝、镍等，经较大变形程度的拉拔后，所获得的丝织构为<111>和<100>。对于面心立方金属，丝织构与金属的堆垛层错能有关。层错能越高的金属，[111]丝织构越剧烈。对于体心立方金属，不论成分如何，其丝织构是一样的。如经过拉拔的α铁、铜、钨等金属都具有[110]丝织构。1/21/2024121/21/2024131/21/202414板织构板织构是在轧制或者宽展很小的矩形件镦粗时构成。其特征是各个晶粒的某一晶向趋向于与轧向平行，某一晶面趋向于与轧制平面平行。因此板织构用其晶面和晶向共同表示。1/21/202415轧制过程中择优取向的构成各晶粒中的“→〞表示某晶向(a)、(b)、(c)分别表示轧制前、轧制时与轧制后的晶粒取向1/21/202416板织构表示图(a)轧制前(b)轧制后1/21/2024171/21/202418织构不是描画晶粒的外形，而是描画多晶体中的晶体取向的特征。该当指出，假设使变形金属中的每个晶粒都转到上述所给出织构的晶向和晶面，这只是一种理想情况。实践上变形金属的晶粒取向只能是趋向于这种织构，普通是随着变形程度的添加，趋向于这种取向的晶粒越多，这种织构就越完好。织构可用x射线衍射的方法来测定。1/21/2024193.1.2金属性能的变化机械性能的变化1〕加工硬化2〕各向异性物理化学性能的变化1〕金属密度的变化2〕导电性的变化3〕耐蚀性能的变化4〕导热性降低5〕改动磁性1/21/202420加工硬化金属资料经冷加工变形后，强度〔硬度〕显著提高，而塑性那么很快下降，即产生了加工硬化景象。加工硬化是金属资料的一项重要特性，可被用作强化金属的途径。特别是对那些不能经过热处置强化的资料如纯金属，以及某些合金，如奥氏体不锈钢等，主要是借冷加工实现强化的。1/21/202421单晶体的切应力一应变曲线显示塑性变形的三个阶段1/21/202422Ⅰ阶段——易滑移阶段：当t到达晶体的c后，应力添加不多，便能产生相当大的变形。此段接近于直线，其斜率，即加工硬化率低，普通为～10-4G数量级〔G为资料的切变模量〕。Ⅱ阶段——线性硬化阶段：随着应变量添加，应力线性增长，此段也呈直线，且斜率较大，加工硬化非常显著，Ⅱ≈G/300，近乎常数。Ⅲ阶段——抛物线型硬化阶段：随应变添加，应力上升缓慢，呈抛物线型，Ⅲ逐渐下降。1/21/202423三种典型晶体构造金属单晶体的硬化曲线其中面心立方和体心立方晶体显示出典型的三阶段，至于密排六方金属单晶体的第Ⅰ阶段通常很长，远远超越其他构造的晶体，以致于第Ⅱ阶段还未充分开展时试样就曾经断裂了。1/21/202424单晶与多晶的应力一应变曲线比较〔室温〕〔a〕Al〔b〕Cu1/21/202425多晶体的塑性变形由于晶界的妨碍作用和晶粒之间的协调配合要求，各晶粒不能够以单一滑移系动作而必然有多组滑移系同时作用，因此多晶体的应力一应变曲线不会出现单晶曲线的第I阶段，而且其硬化曲线通常更陡，细晶粒多晶体在变形开场阶段尤为明显1/21/202426从改善金属资料性能的角度来看，加工硬化是主要的手段之一。特别是对那些用普通热处置手段无法使其强化的无相变的金属资料，形变硬化是更加重要的强化手段。加工硬化也有其不利的一面，如在冷轧、冷拔等冷加工过程中由于变形抗力的升高和塑性的下降，往往使继续加工发生困难，需在工艺过程中添加退火工序。1/21/202427各向异性金属资料经塑性变形以后，不同加工方式，会出现不同类型的织构。由于织构的存在而导致制品在不同方向上性能的差别出现各向异性。1/21/202428具有各向同性的金属板材，经深冲后，冲杯边缘通常是比较平整的。具有织构的板材冲杯的边缘那么出现高低下平的波浪形。把具有波浪形凸起的部份称为“制耳〞。把由于织构而产生的制耳景象称为“制耳效应〞。冲压后制品如产生制耳，必需切除。这样不仅添加了金属的损耗和切边工序，而且还会因各向异性使冲压件产生壁厚不均，影响消费效率与产质量量。因此，在消费上，必需设法防止“制耳效应〞的发生1/21/202429深冲件上的制耳1/21/202430金属密度的变化冷变形后，在晶内或晶间出现了显微裂纹、裂口和空洞等缺陷，使金属的密度降低，如下图，青铜退火后密度为8.915克／厘米3，经80%冷变形后其密度降至8.886克／厘米3。相应的铜的密度由8.905克／厘米3降至8.89克／厘米3。变形程度与密度的关系〔1〕青铜〔2〕铜1/21/202431导电性的变化普通来说，金属随着冷变形程度的添加位错密度添加，点阵发生畸变会使电阻增高。例如，冷变形量到达82％的铜丝，比电阻添加2％；冷变形99％的钨丝，比电阻添加50％但有时随着冷变形程度的添加，电阻不但不升高反而显著降低。比如冷拔钢丝。这是由于片状珠光体取向于钢丝的轴向，这是由于有向性所引起的电阻降低超越基体冷加工所引起的电阻升高所致。冷变形还会使晶间物质破坏，使晶粒彼此接触也可减少电阻添加导电性。所以冷变形对导电性的影呼应综合思索。1/21/202432耐蚀性能的变化冷变形后，金属的剩余应力和内能添加，从而使化学不稳定性添加，耐蚀性能降低。例如，冷变形的纯铁在酸中的溶解速度要比退火形状快；冷变形所产生的内应力是呵斥的金属腐蚀(“应力腐蚀〞)的一个重要缘由，在实践运用中是相当普遍而又严重的问题。例如，冷加工后的黄铜，由于存在内应力，在氨气、铵盐、汞蒸气以及海水中会发生严重的腐蚀破裂(又称“季节病〞)；高压锅炉、铆钉发生的腐蚀破裂等等。应力腐蚀的主要防止方法就是退火，消除内应力。1/21/202433导热性和磁性的改动冷变形还会使金属的导热性降低。如铜冷变形后，其导热性降低到78%。冷变形还可以改动磁性。如锌和铜，冷变形后可减少其抗磁性。高度冷加工后，铜可以变为顺磁性的金属。对顺磁性金属冷变形会降低磁化敏感性等等。1/21/2024343.2热加工变形中组织性能的变化热加工变形的特点金属组织的变化金属性能的变化1/21/202435热加工变形的特点金属的热加工与冷加工相比具有如下优点：热加工时金属的塑性好，断裂倾向小，可采用较大的变形量；由于变形温度升高后，由于完全再结晶使加工硬化消除，在断裂与愈合的过程中使愈合加速以及为具有分散性质的塑性机制的同时作用发明了条件。热加工时，变形抗力低，塑性高，变形到达需求尺寸时，所耗费的能量少。由于在高温时，原子的运动及热振动加强，分散过程和溶解过程加速，使金属的临界切应力降低；许多金属的滑移系统数目增多，使变形更为协调；加工硬化景象因再结晶完全而被消除。热加工变形量大且不需求像冷加工那样要辅以中间退火，因此流程短，效率高。1/21/202436热加工可使室温下不能进展塑性加工的金属(如钛、镁、钼及镍基超合金等)进展加工；热加任务为开坯，可以改善粗大的铸造组织，使疏松和微小裂纹愈合；热加工的金属组织与性能，可以经过不同热加工温度、变形程度、变形速度、冷却速度和道次间隙时间等加以控制。与冷加工相比较，热加工变形普通不易产生织构。这是由于在高温下发生滑移的系统较多，使滑移面和滑移方向不断发生变化。因此，在热加工工件中的择优取向或方向性小。1/21/202437热加工在实践消费上，尚有如下缺乏：热加工需求加热，不如冷加工简单易行；热加工制品的组织与性能不如冷加工均匀和易于控制；温度的均匀性控制差。热加工制品不如冷加工制品尺寸准确、外表光洁；有氧化铁皮和冷却收缩。薄或细的加工制品，由于温降快，尺寸精度差，不易采用热加工。1/21/202438从提高钢材的强度来看，热加工不及冷加工。由于热加工时由于温度的作用使金属软化。有些金属不宜进展热加工。例如，在普通的钢中含有较多的FeS，或在铜中含有Bi时，在热加工中由于晶界上由这些杂质所组成的低熔点共晶体发生熔化，使晶间的结合遭到破坏，而引起金属断裂。1/21/202439热加工与冷加工的主要区别金属在热加工时，硬化(加工硬化)和软化(回复与再结晶)两种对抗过程同时出现。在热加工中，由于软化作用可以抵消和超越硬化作用，故无加工硬化效应，而冷加工那么与此相反，有明显的加工硬化效应。1/21/202440金属组织及性能的变化热加工虽然不能引起加工硬化，但它能使金属的组织和性能发生显著的变化。热加工变形可以为是加工硬化和再结晶两个过程的相互重叠。在此过程中由于再结晶能充分进展和在变形时靠三向压应力形状等要素的作用，可以使金属产生如下的变化：1/21/202441(1)铸态金属组织中的缩孔、疏松、空隙、气泡等缺陷得到压密或焊合。金属在变形中由于加工硬化所呵斥的不致密景象，也随着再结晶的进展而恢复。(2)在热加工变形中可使晶粒细化和夹杂物破碎。1/21/202442(3)构成纤维组织也是热加工变形的一个重要特征。铸态金属在热加工变形中所构成的纤维组织与金属在冷加工变形中由于晶粒被拉长所构成的纤维组织不同。前者是由于铸态组织中晶界上的非溶物质的拉长所呵斥。1/21/202443由于纤维组织的出现，使变形金属在纵向和横向具有不同的力学性能。在消费实践中为利用纤维组织使金属具有方向性这一特点，可设法使纤维组织所构成的流线在工件内有更为适宜的分布。如图〔a〕所示。〔a〕〔b〕1/21