第2章 熱加工和冷加工中組織性能變化

1、第二章固態(tài)成型過程中的組織性能變化2. 1 在冷加工中金屬的組織與性能的變化在冷加工中金屬的組織與性能的變化2. 2 在熱加工中金屬的組織與性能的變化在熱加工中金屬的組織與性能的變化2. 3 回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)與再結(jié)晶2.4 在溫加工中金屬的組織與性能的變化在溫加工中金屬的組織與性能的變化 基本知識點：基本知識點：冷加工的組織與性能變化，熱加工冷加工的組織與性能變化，熱加工的特點、組織與性能變化，回復(fù)與再結(jié)晶的概念，的特點、組織與性能變化，回復(fù)與再結(jié)晶的概念，溫加工的定義。溫加工的定義。 重點：重點：冷熱加工的組織變化，冷熱加工的特點，冷熱加工的組織變化，冷熱加工的特點，動態(tài)再結(jié)晶與靜態(tài)再結(jié)晶的

2、區(qū)別。動態(tài)再結(jié)晶與靜態(tài)再結(jié)晶的區(qū)別。 難點：難點：冷熱加工的組織變化，變形織構(gòu)，動態(tài)再冷熱加工的組織變化，變形織構(gòu)，動態(tài)再結(jié)晶與靜態(tài)再結(jié)晶的區(qū)別。溫加工后組織性能的結(jié)晶與靜態(tài)再結(jié)晶的區(qū)別。溫加工后組織性能的變化。變化。2.1 冷加工中金屬的組織與性能的變化1冷變形時金屬組織結(jié)構(gòu)的變化冷變形時金屬組織結(jié)構(gòu)的變化 2冷變形時金屬性能的變化冷變形時金屬性能的變化 .金屬組織結(jié)構(gòu)的變化金屬組織結(jié)構(gòu)的變化 金屬塑性變形的物理實質(zhì)基本上就是金屬塑性變形的物理實質(zhì)基本上就是位錯的運動位錯的運動，位錯運動，位錯運動的結(jié)果就產(chǎn)生了塑性變形。的結(jié)果就產(chǎn)生了塑性變形。 顯微組織變化：顯微組織變化：金屬冷變形后，晶粒

3、外形、夾雜物和第二相金屬冷變形后，晶粒外形、夾雜物和第二相的分布也會發(fā)生變化。的分布也會發(fā)生變化。拉伸時，各晶粒順著拉伸方向伸長；拉伸時，各晶粒順著拉伸方向伸長；壓縮時，晶粒被壓成扁平狀壓縮時，晶粒被壓成扁平狀。（如圖。（如圖1 1，2 2所示）所示） 金屬或合金內(nèi)部含有第二相或者有夾雜物偏聚時，變形后會金屬或合金內(nèi)部含有第二相或者有夾雜物偏聚時，變形后會引起這些偏聚區(qū)域的伸長而形成引起這些偏聚區(qū)域的伸長而形成纖維組織纖維組織。纖維組織使橫向。纖維組織使橫向機械性能降低。機械性能降低。 亞結(jié)構(gòu)：亞結(jié)構(gòu)：金屬冷變形后，其各個晶粒被分成許多單個的小區(qū)金屬冷變形后，其各個晶粒被分成許多單個的小區(qū)域。

4、這些小區(qū)域的邊界上存在有大量位錯組成的位錯糾結(jié)。域。這些小區(qū)域的邊界上存在有大量位錯組成的位錯糾結(jié)。 （如圖（如圖3 3，4 4所示）所示）圖2-1 工業(yè)鋼冷變形后的顯微組織圖2-2 工業(yè)鋼冷變形后的顯微組織圖圖2-3 低碳鋼冷塑性變形后的顯微組織低碳鋼冷塑性變形后的顯微組織圖圖2-4 2-4 經(jīng)經(jīng)5%5%冷變形的純鋁中的位錯網(wǎng)絡(luò)冷變形的純鋁中的位錯網(wǎng)絡(luò)圖圖2-5 冷變形后的位錯網(wǎng)絡(luò)冷變形后的位錯網(wǎng)絡(luò) 形變織構(gòu)形變織構(gòu)：金屬和合金冷變形后，當(dāng)變形量金屬和合金冷變形后，當(dāng)變形量較大時，由于晶粒的轉(zhuǎn)動，使每個晶粒的晶較大時，由于晶粒的轉(zhuǎn)動，使每個晶粒的晶格位向趨于大體一致，這種：由于變形而使格位向

5、趨于大體一致，這種：由于變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織，稱為形變織構(gòu)。晶粒具有擇優(yōu)取向的組織，稱為形變織構(gòu)。 變形織構(gòu)可以分為絲織構(gòu)和板織構(gòu)兩種變形織構(gòu)可以分為絲織構(gòu)和板織構(gòu)兩種。絲。絲織構(gòu)系在拉拔過程中產(chǎn)生的。各晶粒有一共織構(gòu)系在拉拔過程中產(chǎn)生的。各晶粒有一共同晶向相互平行，并與拉伸軸線一致，以此同晶向相互平行，并與拉伸軸線一致，以此晶向來表示絲織構(gòu)。晶向來表示絲織構(gòu)。 板織構(gòu)是某一特定晶面平行于板面，某一特定板織構(gòu)是某一特定晶面平行于板面，某一特定晶向平行于軋制方向。因此，板織構(gòu)用晶面和晶向平行于軋制方向。因此，板織構(gòu)用晶面和晶向共同表示。晶向共同表示。 形成織構(gòu)引起各向異性?？棙?gòu)有有利的

6、一面，形成織構(gòu)引起各向異性?？棙?gòu)有有利的一面，也有有害的一面。如生產(chǎn)上可利用織構(gòu)提高硅也有有害的一面。如生產(chǎn)上可利用織構(gòu)提高硅鋼片某一方向的導(dǎo)磁率；在沖壓薄板件時，它鋼片某一方向的導(dǎo)磁率；在沖壓薄板件時，它會帶來不均勻的塑性變形，而產(chǎn)生會帶來不均勻的塑性變形，而產(chǎn)生“制耳制耳”現(xiàn)現(xiàn)象，這是不希望產(chǎn)生的。象，這是不希望產(chǎn)生的。 力學(xué)性能的變化力學(xué)性能的變化體現(xiàn)在：冷加工后，金屬材料的體現(xiàn)在：冷加工后，金屬材料的強度強度指標(biāo)指標(biāo)（比例極限、彈性極限、屈服極限、強度極限、（比例極限、彈性極限、屈服極限、強度極限、硬度）硬度）增加增加，塑性指標(biāo)（面縮率、延伸率）降低，韌，塑性指標(biāo)（面縮率、延伸率）降低

7、，韌性也降低了。此外，隨著變形程度的增加，還可能產(chǎn)性也降低了。此外，隨著變形程度的增加，還可能產(chǎn)生生力學(xué)性能的方向性力學(xué)性能的方向性。 冷加工后，形變材料的物理、化學(xué)性能也發(fā)生明顯變冷加工后，形變材料的物理、化學(xué)性能也發(fā)生明顯變化。經(jīng)冷變形后的金屬，由于在晶間和晶內(nèi)產(chǎn)生微觀化。經(jīng)冷變形后的金屬，由于在晶間和晶內(nèi)產(chǎn)生微觀裂紋和空隙以及點陣缺陷，因而裂紋和空隙以及點陣缺陷，因而密度降低，導(dǎo)熱、導(dǎo)密度降低，導(dǎo)熱、導(dǎo)電、導(dǎo)磁性能降低電、導(dǎo)磁性能降低。同樣原因，使其金屬材料的化學(xué)。同樣原因，使其金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性降低，穩(wěn)定性降低，耐腐蝕性能降低耐腐蝕性能降低，溶解性增加。，溶解性增加。2.2 2.2

8、熱變形過程中熱變形過程中金屬組織性能的變化金屬組織性能的變化1熱變形對金屬組織性能的影響熱變形對金屬組織性能的影響 2熱變形過程中的回復(fù)與再結(jié)晶熱變形過程中的回復(fù)與再結(jié)晶 1.熱變形的特點熱變形的特點 與其它加工方法相比，熱加工所具有與其它加工方法相比，熱加工所具有優(yōu)點優(yōu)點是：是： 能量消耗少能量消耗少，熱變形時的金屬變形抗力低。，熱變形時的金屬變形抗力低。 熱加工變形時，加工硬化的同時，也存在回復(fù)或再結(jié)晶熱加工變形時，加工硬化的同時，也存在回復(fù)或再結(jié)晶的軟化過程，的軟化過程，塑性變形容易進行塑性變形容易進行。塑性、韌性好，斷裂。塑性、韌性好，斷裂的傾向性減少。金屬原子活動性提高，空洞、氣泡、

9、裂的傾向性減少。金屬原子活動性提高，空洞、氣泡、裂紋等缺陷易于焊合。不需要像冷加工的中間退火，紋等缺陷易于焊合。不需要像冷加工的中間退火，簡化簡化生產(chǎn)工序生產(chǎn)工序， 生產(chǎn)率提高，成本降低。生產(chǎn)率提高，成本降低。 控制熱加工，可改變材料的組織結(jié)構(gòu)以滿足一定性能要控制熱加工，可改變材料的組織結(jié)構(gòu)以滿足一定性能要求。求。 過薄或過細的工件，散熱較快過薄或過細的工件，散熱較快，保持熱加工溫度困，保持熱加工溫度困難。一般仍采用冷加工的方法。難。一般仍采用冷加工的方法。 工件的工件的表面不如冷加工的光潔表面不如冷加工的光潔，尺寸也不如冷加工，尺寸也不如冷加工生產(chǎn)的精確。生產(chǎn)的精確。 熱加工結(jié)束時，熱加工結(jié)

10、束時，溫度難于均勻一致溫度難于均勻一致，溫度偏高處晶，溫度偏高處晶粒尺寸要大一些，特別是大斷面更為突出。熱加工粒尺寸要大一些，特別是大斷面更為突出。熱加工后產(chǎn)品的組織、性能常常不如冷加工的均勻。后產(chǎn)品的組織、性能常常不如冷加工的均勻。不足之處不足之處 熱加工金屬材料的熱加工金屬材料的強度比冷加工的低強度比冷加工的低。 某些金屬材料不宜熱加工某些金屬材料不宜熱加工。例如銅中含。例如銅中含BiBi（鉍常用的硬度較小的低熔點金屬。鉍（熔點鉍常用的硬度較小的低熔點金屬。鉍（熔點271.3271.3）的某些合金的熔點在的某些合金的熔點在100100以下，如由以下，如由5050鉍、鉍、2525鉛、鉛、13

11、13錫和錫和1212鎘組成的鎘組成的“伍德合金伍德合金”，其熔點為，其熔點為7171，應(yīng)用，應(yīng)用于自動滅火設(shè)備、鍋爐安全裝置以及信號儀表等于自動滅火設(shè)備、鍋爐安全裝置以及信號儀表等）時，時，它們的低熔點雜質(zhì)分布在晶界上，熱加工它們的低熔點雜質(zhì)分布在晶界上，熱加工會引起晶間斷裂會引起晶間斷裂。.金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的變化金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的變化n 改造鑄態(tài)組織改造鑄態(tài)組織：致密（焊合氣孔、疏：致密（焊合氣孔、疏松），偏析松），偏析，粗晶細化等，使性能，粗晶細化等，使性能。n 細化晶粒和破碎夾雜物細化晶粒和破碎夾雜物：有效的再結(jié)晶：有效的再結(jié)晶控制可變?yōu)榧毿【鶆虻牡容S晶粒；控制可變?yōu)榧毿【鶆虻牡容S晶

12、粒；n 熱變形中形成的纖維組織熱變形中形成的纖維組織：生產(chǎn)實踐中應(yīng)充分利：生產(chǎn)實踐中應(yīng)充分利用纖維組織造成變形金屬具有方向性這一特點，用纖維組織造成變形金屬具有方向性這一特點，使纖維組織形成的流線在工件內(nèi)有更適宜的分布。使纖維組織形成的流線在工件內(nèi)有更適宜的分布。（晶界上非溶物質(zhì)拉長所致，其不會由于再結(jié)晶晶界上非溶物質(zhì)拉長所致，其不會由于再結(jié)晶而消除。而消除。）n 形成形成“流線流線”：出現(xiàn)各向異性夾雜物一般沿晶界：出現(xiàn)各向異性夾雜物一般沿晶界分布，熱加工時，晶粒變形，夾雜物也變形，晶分布，熱加工時，晶粒變形，夾雜物也變形，晶粒發(fā)生再結(jié)晶形成等軸晶粒，而夾雜仍沿變形方粒發(fā)生再結(jié)晶形成等軸晶粒，

13、而夾雜仍沿變形方向呈纖維狀分布，這種夾雜的分布叫向呈纖維狀分布，這種夾雜的分布叫“流線流線”。出現(xiàn)流線使性能出現(xiàn)明顯的各向異性。出現(xiàn)流線使性能出現(xiàn)明顯的各向異性。3. 3. 金屬在熱變形過程中的特點金屬在熱變形過程中的特點 金屬在再結(jié)晶溫度以上進行的熱變形過程中發(fā)生了回復(fù)和金屬在再結(jié)晶溫度以上進行的熱變形過程中發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶，熱變形的最大特點是再結(jié)晶，熱變形的最大特點是加工硬化與軟化同時進行加工硬化與軟化同時進行。 熱加工過程中的回復(fù)和再結(jié)晶，就其性質(zhì)來講可分為五種熱加工過程中的回復(fù)和再結(jié)晶，就其性質(zhì)來講可分為五種形態(tài)，即形態(tài)，即動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)

14、晶、靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶及亞動態(tài)再結(jié)晶。及亞動態(tài)再結(jié)晶。靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶是熱變形終止后是熱變形終止后，利用余熱進行的回復(fù)和再結(jié)晶。，利用余熱進行的回復(fù)和再結(jié)晶。動態(tài)回動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶是指在形變過程復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶是指在形變過程中和形變同時發(fā)生的回復(fù)中和形變同時發(fā)生的回復(fù)和再結(jié)晶。和再結(jié)晶。思考： 冷變形時的纖維組織和熱變形時的有什么不同？各用什么方法可以消除？ 金屬在熱變形過程中和熱變形之后晶粒發(fā)生了哪些變化？2.3 2.3 回復(fù)和再結(jié)晶回復(fù)和再結(jié)晶1. 回復(fù)回復(fù) 冷變形后的金屬加熱時，通常是依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶冷變形后的金屬加熱時，通常是

15、依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個階段的變化。這三個階段不是絕然分開和晶粒長大三個階段的變化。這三個階段不是絕然分開的，常有部分重疊。的，常有部分重疊。 回復(fù)回復(fù)（recovery） 溫度不高時，原子短程擴散回到平衡位置，畸變溫度不高時，原子短程擴散回到平衡位置，畸變，殘余，殘余應(yīng)力應(yīng)力，理化性能恢復(fù)。，理化性能恢復(fù)。 回復(fù)機制回復(fù)機制:1.低溫回復(fù)低溫回復(fù)：主要與點缺陷的遷移有關(guān)。：主要與點缺陷的遷移有關(guān)。2.中溫中溫回復(fù)回復(fù)：主要與位錯的滑移有關(guān)，發(fā)生位錯運動和重新分：主要與位錯的滑移有關(guān)，發(fā)生位錯運動和重新分布。布。3.高溫回復(fù)：高溫回復(fù)：刃位錯可獲得足夠的能量產(chǎn)生攀移。刃位錯可獲得足夠

16、的能量產(chǎn)生攀移。 回復(fù)過程中，金屬會釋放出冷塑性變形過程所貯能回復(fù)過程中，金屬會釋放出冷塑性變形過程所貯能量的一部分。殘余內(nèi)應(yīng)力會降低或消除，電阻率、量的一部分。殘余內(nèi)應(yīng)力會降低或消除，電阻率、硬度、強度會降低，密度、塑性、韌性等會提高硬度、強度會降低，密度、塑性、韌性等會提高. . 回復(fù)退火回復(fù)退火在生產(chǎn)中主要用作在生產(chǎn)中主要用作去內(nèi)應(yīng)力退火去內(nèi)應(yīng)力退火，使冷加，使冷加工的金屬件，在基本上保持加工硬化的條件下降低工的金屬件，在基本上保持加工硬化的條件下降低其內(nèi)應(yīng)力，以其內(nèi)應(yīng)力，以避免變形和開裂避免變形和開裂，改善工件的耐蝕性。，改善工件的耐蝕性。2. 2. 再結(jié)晶再結(jié)晶 再結(jié)晶過程再結(jié)晶過程

17、：通過形核與長大通過形核與長大無畸變的等軸晶，強度無畸變的等軸晶，強度塑性塑性加加工硬化消除，組織與力學(xué)性能完全恢復(fù)。工硬化消除，組織與力學(xué)性能完全恢復(fù)。這一階段又被稱為這一階段又被稱為初初次再結(jié)晶階段次再結(jié)晶階段。 完成再結(jié)晶階段后，隨即進入晶粒長大階段。此時，材料完成再結(jié)晶階段后，隨即進入晶粒長大階段。此時，材料組織從不穩(wěn)定狀態(tài)變成穩(wěn)定狀態(tài)。組織從不穩(wěn)定狀態(tài)變成穩(wěn)定狀態(tài)。 再結(jié)晶是消除加工硬化再結(jié)晶是消除加工硬化的重要軟化手段。再結(jié)晶還是控制的重要軟化手段。再結(jié)晶還是控制晶粒大小、形態(tài)、均勻程度、獲得或避免晶粒的擇優(yōu)取向晶粒大小、形態(tài)、均勻程度、獲得或避免晶粒的擇優(yōu)取向的重要手段。通過對再

18、結(jié)晶過程進行控制，將對金屬材料的重要手段。通過對再結(jié)晶過程進行控制，將對金屬材料的強韌性、熱強性、沖壓性和電磁性等發(fā)生重大的影響。的強韌性、熱強性、沖壓性和電磁性等發(fā)生重大的影響。圖圖2-12 動態(tài)再結(jié)晶晶粒動態(tài)再結(jié)晶晶粒形核的三種機制形核的三種機制 晶界弓出形核機制晶界弓出形核機制：對變形度較小的金屬，：對變形度較小的金屬，多以這種方式形核。多以這種方式形核。 亞晶合并機制亞晶合并機制：在變形程度較大且具有高層：在變形程度較大且具有高層錯能的金屬中，多以這種機制形核。錯能的金屬中，多以這種機制形核。 亞晶遷移機制亞晶遷移機制：在變形度很大的低層錯能金：在變形度很大的低層錯能金屬中，多以這種機

19、制形核。屬中，多以這種機制形核。再結(jié)晶溫度及其影響因素再結(jié)晶溫度及其影響因素 冷變形金屬開始進行再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度。冷變形金屬開始進行再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶溫度。 對純金屬：對純金屬： T T再再0.4T0.4T熔（熔（K K） K K273273 如：如：FeFe：T T熔熔15381538 T T再再0.4(15380.4(1538273)273)273273451.4451.4 一般再結(jié)晶退火溫度比一般再結(jié)晶退火溫度比T T再要高出再要高出100100200200，目的：消除，目的：消除加工硬化現(xiàn)象加工硬化現(xiàn)象。 再結(jié)晶溫度不是一個嚴(yán)格確定值，不僅因材料特性而異，而再結(jié)晶

20、溫度不是一個嚴(yán)格確定值，不僅因材料特性而異，而且取決于冷變形程度、原始晶粒度等因素。影響再結(jié)晶溫度且取決于冷變形程度、原始晶粒度等因素。影響再結(jié)晶溫度的因素有：的因素有：再結(jié)晶溫度的影響因素：再結(jié)晶溫度的影響因素：加熱時間加熱時間圖2-13再結(jié)晶綜合動力曲線再結(jié)晶溫度的影響因素：再結(jié)晶溫度的影響因素：變形程度變形程度 金屬的冷變形程度越大，其儲存的能量也越高，再結(jié)晶的驅(qū)動力越大。金屬的冷變形程度越大，其儲存的能量也越高，再結(jié)晶的驅(qū)動力越大。因此，再結(jié)晶溫度越低（如圖因此，再結(jié)晶溫度越低（如圖2-62-6所示），同時等溫退火的再結(jié)晶速度所示），同時等溫退火的再結(jié)晶速度也就越快，開始再結(jié)晶和完成結(jié)

21、晶需要的時間越短（圖也就越快，開始再結(jié)晶和完成結(jié)晶需要的時間越短（圖2-72-7所示）所示）圖2-14開始結(jié)晶溫度與預(yù)先冷變形量的關(guān)系變形量%圖2-15 再結(jié)晶綜合動力曲線1. 大變形程度 2. 小變形程度 思考思考熱加工有加工硬化現(xiàn)象嗎？熱加工有加工硬化現(xiàn)象嗎？ 熱加工有加工硬化現(xiàn)象，但由于處于再結(jié)晶溫度以上，硬化的同時發(fā)生熱加工有加工硬化現(xiàn)象，但由于處于再結(jié)晶溫度以上，硬化的同時發(fā)生了再結(jié)晶而使材料軟化，即消除了加工硬化現(xiàn)象，故熱加工最終結(jié)果，了再結(jié)晶而使材料軟化，即消除了加工硬化現(xiàn)象，故熱加工最終結(jié)果，材料并不存在加工硬化。材料并不存在加工硬化。鎢（鎢（W W）在）在11001100加工

22、，錫（加工，錫（SnSn）在室溫下加工變形，各為何種加工？）在室溫下加工變形，各為何種加工？（鎢的熔點為（鎢的熔點為34103410，錫的熔點為，錫的熔點為232232） 經(jīng)計算：經(jīng)計算：T T鎢再鎢再12001200，T T錫再錫再7171，所以，鎢為冷加工，錫為熱，所以，鎢為冷加工，錫為熱加工。加工。在室溫下對鉛板進行彎折，越彎越硬，而稍隔一段時間再行彎折，鉛板在室溫下對鉛板進行彎折，越彎越硬，而稍隔一段時間再行彎折，鉛板又向最初一樣柔軟，這是什么原因？（鉛的熔點為又向最初一樣柔軟，這是什么原因？（鉛的熔點為327.5327.5） 經(jīng)計算：經(jīng)計算：T T鉛再鉛再3333 所以，室溫下彎折屬于熱加工，消除了加工硬化。所以，室溫下彎折屬于熱加工，消除了加工硬化。3. 晶粒長大晶粒長大再結(jié)晶再結(jié)晶（分兩種：一次再結(jié)晶，二次再結(jié)晶）（分兩種：一次再結(jié)晶，二次再結(jié)晶）后，再繼續(xù)保后，再繼續(xù)保溫或升溫，會使晶粒進一步長大。溫或升溫，會使晶粒進一步長大。1 1正常晶粒長大正常晶粒長大：表現(xiàn)：表現(xiàn)為大多數(shù)晶粒幾乎同時逐漸均勻長大。是靠晶界遷移，相互為大多數(shù)晶粒幾乎同時逐漸均勻長大。是靠晶界遷移，相互吞食而進行的，它使界面能減小，是一個自發(fā)過程。吞食而進行的，它使界面能減小，是一個自發(fā)過程。2 2異常晶粒長大：異