金屬塑性變形對(duì)組織和性能的影響

1、金屬塑性變形對(duì)組織和性能的影響（一）變形程度的影響 塑性變形程度的大小對(duì)金屬組織和性能有較大的影響。變形程度過小，不能起到細(xì)化晶粒提高金屬力學(xué)性能的目的；變形程度過大，不僅不會(huì)使力學(xué)性能再增高，還會(huì)出現(xiàn)纖維組織，增加金屬的各向異性，當(dāng)超過金屬允許的變形極限時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)開裂等缺陷。 對(duì)不同的塑性成形加工工藝，可用不同的參數(shù)表示其變形程度。 鍛造比Y鍛：鍛造加工工藝中，用鍛造比Y鍛來表示變形程度的大小。 拔長：Y鍛=S0/S（S0、S分別表示拔長前后金屬坯料的橫截面積）； 鐓粗：Y鍛=H0/H（H0、H分別表示鐓粗前后金屬坯料的高度）。 碳素結(jié)構(gòu)鋼的鍛造比在23范圍選取，合金結(jié)構(gòu)鋼的鍛造比在34范

2、圍選取，高合金工具鋼（例如高速鋼）組織中有大塊碳化物，需要較大鍛造比（Y鍛=512），采用交叉鍛，才能使鋼中的碳化物分散細(xì)化。以鋼材為坯料鍛造時(shí)，因材料軋制時(shí)組織和力學(xué)性能已經(jīng)得到改善，鍛造比一般取1.11.3即可。 表示變形程度的技術(shù)參數(shù)：相對(duì)彎曲半徑（r/t）、拉深系數(shù)（m）、翻邊系數(shù)（k）等。擠壓成形時(shí)則用擠壓斷面縮減率（p）等參數(shù)表示變形程度。 （二）纖維組織的利用 纖維組織：在金屬鑄錠組織中的不溶于金屬基體的夾雜物（如FeS等），隨金屬晶粒的變形方向被拉長或壓扁呈纖維狀。當(dāng)金屬再結(jié)晶時(shí)，被壓碎的晶?；謴?fù)為等軸細(xì)晶粒，而夾雜物無再結(jié)晶能力，仍然以纖維狀保留下來，形成纖維組織。纖維組織形

3、成后，不能用熱處理方法消除，只能通過鍛造方法使金屬在不同方向變形，才能改變纖維的方向和分布。 纖維組織的存在對(duì)金屬的力學(xué)性能，特別是沖擊韌度有一定影響，在設(shè)計(jì)和制造零件時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： （1）零件工作時(shí)的正應(yīng)力方向與纖維方向應(yīng)一致，切應(yīng)力方向與纖維方向垂直。 （2）纖維的分布與零件的外形輪廓應(yīng)相符合，而不被切斷。 例如，鍛造齒輪毛坯，應(yīng)對(duì)棒料鐓粗加工，使其纖維呈放射狀，有利于齒輪的受力；曲軸毛坯的鍛造，應(yīng)采用拔長后彎曲工序，使纖維組織沿曲軸輪廓分布，這樣曲軸工作時(shí)不易斷裂 (三）冷變形與熱變形 通常將塑性變形分為冷變形和熱變形。 冷變形：再結(jié)晶溫度以下的塑性變形。冷變形有加工硬化現(xiàn)象產(chǎn)生，

4、但工件表面質(zhì)量好。 熱變形：再結(jié)晶溫度以上的塑性變形。熱變形時(shí)加工硬化與再結(jié)晶過程同時(shí)存在，而加工硬化又幾乎同時(shí)被再結(jié)晶消除。由于熱變形是在高溫下進(jìn)行的，金屬在加熱過程中表面易產(chǎn)生氧化皮，使精度和表面質(zhì)量較低。自由鍛、熱模鍛、熱軋、熱擠壓等工藝都屬于熱變形加工。第11講 冷塑性變形過程中的材料行為及性能變化          本講重點(diǎn)：冷塑性變形時(shí)金屬組織結(jié)構(gòu)的變化及變形后的性能變化；          &

5、#160;                    冷塑性變形金屬加熱時(shí)組織與性能的變化； 11.1 冷塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響            冷塑性變形：金屬在室溫或較低溫度下發(fā)生的永久變形。       

6、     舉例：反復(fù)彎折一根銅絲，其性能的變化。           目的：得到所需的形狀或尺寸（如冷拉，冷軋等），提高強(qiáng)度和硬度（加工硬化）。           晶體結(jié)構(gòu)不同，塑變能力不同              

7、  面心立方(Cu、Al、Ag、Au)體心立方（Fe、Cr） 密排六方（Zn、Mg）1. 冷塑性變形時(shí)組織：    1） 形成纖維狀組織：晶粒沿變形方向拉長或成纖維狀（見課件圖3-11）。    2）亞結(jié)構(gòu)細(xì)化：     晶粒碎化     內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)細(xì)化晶體缺陷密度增加。（見課件圖3-13）  3）擇優(yōu)取向：位向各不相同的晶粒會(huì)轉(zhuǎn)到接近一致的位向。（課件圖3-12）2. 冷塑性變形后金屬性能的變化1）加工硬化：隨變形程度增加，強(qiáng)度，硬度

8、上升，塑性，韌性下降的現(xiàn)象。           產(chǎn)生原因：隨變形量位錯(cuò)密度位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)中相遇、纏結(jié)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力變形抗力強(qiáng)度、硬度。              作用：a. 難以繼續(xù)變形，需退火軟化              

9、0;   b. 強(qiáng)化手段之一。（如形變鋁合金）                    c. 抵抗局部過載                     d. 許多冷成型加工的保證。（如冷拉、冷軋） 

10、;                  2）產(chǎn)生殘余應(yīng)力                  定義：外力去處后，殘留且平衡于金屬內(nèi)部的應(yīng)力。          &#

11、160;       產(chǎn)生原因：各部分及各晶粒之間變形不均勻和晶格畸變所產(chǎn)生的。               降低承載能力       對(duì)性能的影響：   使工件在使用過程中發(fā)生變形或產(chǎn)生裂紋            &#

12、160;         降低耐蝕性等                  3）產(chǎn)生各相異性：由于出現(xiàn)擇優(yōu)取向，使金屬在各方向上的性能不相同。                  &#

13、160;  例1：力學(xué)性能：變形方向強(qiáng)度高，垂直于變形方向強(qiáng)度低。                      例2：磁性材料：沿著磁化方向變形，可增加導(dǎo)磁率等。11.2 冷塑性變形金屬在加熱時(shí)組織與性能的變化冷塑性變形后金屬處于上述組織結(jié)構(gòu)的種種不穩(wěn)定狀態(tài)，加熱或溫度升高后會(huì)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變。一般經(jīng)歷三個(gè)階段。（見課件圖3-15）    &

14、#160;        1. 回復(fù)：溫度不高時(shí),原子短程擴(kuò)散回到平衡位置，晶體缺陷減小，晶格畸變基本消除，殘余應(yīng)力基本消除，理化性能恢復(fù)。               2. 再結(jié)晶組織變化：溫度較高，可通過形核與長大，使破碎及纖維狀晶粒變成無畸變等軸晶（再結(jié)晶過程）性能變化：強(qiáng)度、硬度，塑韌性，加工硬化消除；組織與力學(xué)性能完全恢復(fù)。     &#

15、160;       3. 晶粒長大              再結(jié)晶后繼續(xù)升溫，晶粒長大、粗化（粗等軸晶），性能變壞。             4影響再結(jié)晶后晶粒度的因素          （1）

16、加熱T晶粒越粗大            保溫時(shí)間晶粒越粗大          （2）變形程度 （見P47 圖3.7）           a. 變形很小時(shí)，經(jīng)格畸變很小，不引起再結(jié)晶，晶粒保持不變；        

17、60;   b. 變形度2%10%：再結(jié)晶后晶粒特別粗大（臨界變形度）；           c. 變形度約<95%時(shí)：隨變形量的增加，再結(jié)晶晶粒細(xì)化；           d. 變形度約>95%時(shí)：再結(jié)晶晶粒粗大金屬的塑性變形與再結(jié)晶一、實(shí)驗(yàn)概述金屬塑性變形的基本方式有滑移和孿生兩種。在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿某一晶面相對(duì)于另一部分滑動(dòng)，這種變形方式稱為滑移；

18、在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿某一晶面相對(duì)另一部分產(chǎn)生剪切變形，且變形部分與未變形部分的位向形成了鏡面對(duì)稱關(guān)系，這種變形方式稱為孿生。(一) 冷塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響若金屬在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行塑性變形，稱為冷塑性變形。冷塑性變形不僅改變了金屬材料的形狀與尺寸，而且還將引起金屬組織與性能的變化。金屬在發(fā)生塑性變形時(shí)，隨著外形的變化，其內(nèi)部晶粒形狀由原來的等軸晶粒逐漸變?yōu)檠刈冃畏较蛏扉L的晶粒，在晶粒內(nèi)部也出現(xiàn)了滑移帶或?qū)\晶帶。當(dāng)變形程度很大時(shí)，晶粒被顯著地拉成纖維狀，這種組織稱為冷加工纖維組織。同時(shí)，隨著變形程度的加劇，原來位向不同的各個(gè)晶粒會(huì)逐漸取得近于一致的位向，而形成了形變織構(gòu)，使金

19、屬材料的性能呈現(xiàn)出明顯的各向異性。圖6-1為工業(yè)純鐵經(jīng)不同程度變形的顯微組織。圖6-1 工業(yè)純鐵冷塑性變形后組織(150X)a)變形程度20% b)變形程度50% c)變形程度70%金屬經(jīng)冷塑性變形后，會(huì)使其強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化。此外，在金屬內(nèi)部還產(chǎn)生殘余應(yīng)力。一般情況下，殘余應(yīng)力不僅降低了金屬的承載能力，而且還會(huì)使工件的形狀與尺寸發(fā)生變化。(二) 冷塑性變形后金屬在加熱時(shí)組織與性能的變化金屬經(jīng)冷塑性變形后，由于其內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)細(xì)化、晶格畸變等原因，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有自發(fā)地恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)。但在室溫下，由于原子活動(dòng)能力不足，恢復(fù)過程不易進(jìn)行。若對(duì)其加熱，因原

20、子活動(dòng)能力增強(qiáng)，就會(huì)使組織與性能發(fā)生一系列的變化。1回復(fù) 當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，原子活動(dòng)能力尚低，故冷變形金屬的顯微組織無明顯變化，仍保持著纖組織的特征。此時(shí)，因晶格畸變已減輕，使殘余應(yīng)力顯著下降。但造成加工硬化的主要原因未消除，故其機(jī)械性能變化不大。2再結(jié)晶 當(dāng)加熱溫度較高時(shí)，將首先在變形晶粒的晶界或滑移帶、孿晶帶等晶格畸變嚴(yán)重的地帶，通過形核與長大方式進(jìn)行再結(jié)晶，圖6-2反映了冷塑性變形工業(yè)純鐵的再結(jié)晶過程的顯微組織。冷變形金屬在再結(jié)晶后獲得了新的等軸晶粒，因而消除了冷加工纖維組織、加工硬化和殘余應(yīng)力，使金屬又重新恢復(fù)到冷塑性變形前的狀態(tài)。圖6-2 工業(yè)純鐵再結(jié)晶過程的顯微組織(150X)a)

21、550再結(jié)晶 b)600再結(jié)晶 c) 850再結(jié)晶金屬的再結(jié)晶過程是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。通常把變形程度在70%以上的冷變形金屬經(jīng)1h加熱能完全再結(jié)晶的最低溫度，定為再結(jié)晶渡。實(shí)驗(yàn)證明，金屬的熔點(diǎn)愈高，在其他條件相同時(shí)，其再結(jié)晶溫度也愈高。金屬的再結(jié)晶溫度(T再)與其熔點(diǎn)(T熔)間的關(guān)系，大致可用下式表示： T再=0.4 T熔式中各溫度值，應(yīng)為絕對(duì)溫度。3晶粒長大 冷變形金屬再結(jié)晶后，一般都得到細(xì)小均勻的等軸晶粒。但繼續(xù)升高加熱溫度或延長保溫時(shí)間，再結(jié)晶后的晶粒又會(huì)逐漸長大，使晶粒粗化。(三) 變形程度對(duì)金屬再結(jié)晶后晶粒度的影響圖6-3 變形程度對(duì)金屬再結(jié)晶后晶粒度的影響冷變形金屬再結(jié)晶后晶

22、粒度除與加熱溫度、保溫時(shí)間有關(guān)外，還與金屬的預(yù)先變形程度有關(guān)。圖6-3表示金屬再結(jié)晶后的晶粒度與其預(yù)先變形程度間的關(guān)系。由圖可見，當(dāng)變形程度很小時(shí)，金屬不發(fā)生再結(jié)晶，因而晶粒大小不變。當(dāng)達(dá)到某一變形程度后，金屬開始發(fā)生再結(jié)晶，而且再結(jié)晶后獲得異常粗大的晶粒。隨著變形程度的增加，由于各晶粒變形愈趨均勻，再結(jié)晶時(shí)形核率愈大，因而使再結(jié)晶后的晶粒逐漸變細(xì)。圖6-4純鋁在不同程度拉伸變形時(shí)，經(jīng)550再結(jié)晶退火30min后的晶粒度比較。圖6-4 純鋁的程度與再結(jié)晶晶粒度的關(guān)系變形程度：a)1% b)2.5% c)3% d)6% e)9% f)12% g)15%浸蝕劑：HF 15ml, HCl 45ml,

23、 HNO3 15ml, H2SO4 25 ml引起冷變形金屬開始再結(jié)晶，并在再結(jié)晶后獲得異常粗大晶粒的變形程度，稱為臨界變形程度。一般鋼鐵的臨界變形程度為510%，銅約為5%，鋁約為23%。由于粗大晶粒將顯著降低金屬的機(jī)械性能，故應(yīng)避免金屬材料在臨界變形程度的范圍內(nèi)進(jìn)行壓力加工。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解冷塑性變形對(duì)金屬組織與性能的影響。2了解經(jīng)冷塑性變形的金屬在加熱組織與性能的變化規(guī)律。3了解變形程度對(duì)金屬再結(jié)晶晶粒度的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、用品及試樣(一) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1拉力試驗(yàn)機(jī)和洛氏硬度計(jì)(或布氏硬度計(jì))。2金相顯微鏡。3箱式電阻加熱爐(附測溫控溫裝置)。4砂輪機(jī)、預(yù)磨機(jī)、拋光機(jī)、吹風(fēng)機(jī)。(二) 實(shí)驗(yàn)用品1測量試樣尺寸用的游標(biāo)尺。2不同粗細(xì)的金相砂紙一套、拋光磨料、浸蝕劑、無水酒精。(三) 實(shí)驗(yàn)試樣1退火狀態(tài)低碳鋼(建議采用10鋼)的拉力試樣若干。2不同變形程度經(jīng)再結(jié)晶后具有不同晶粒度的純鋁片試樣一套。三、實(shí)驗(yàn)方法及步驟1以若干人為一小組，每組領(lǐng)取退火狀態(tài)低碳鋼拉力試樣一根。2在拉力試樣的總標(biāo)距內(nèi)每隔10mm，用劃線儀劃出