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第3章金属材料成形过程中的行为与性能变化3.2铸造、焊接过程中材料行为及性能变化3.3冷塑性变形过程中的材料行为及性能变化3.4热塑性变形过程中的材料行为及性能变化3.1金属的凝固（solidificationofmetal）退出第3章金属材料成形过程中的行为与性能变化•零件常用的成形方法：铸件——整体凝固成形。焊件——局部熔化（凝固）连接成形。其它件——塑性成形（包括切削成形），如锻件、冲压件及机制件。•成形过程中材料内部组织结构有变化→材料行为、性能变化。3.1金属的凝固（solidificationofmetal）3.1.1纯金属的结晶（crystallizationofpuremetal）⑴过冷现象（supercooling）液态金属实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。T1T0,△T=T0－T1过冷度⑵结晶过程（Crystallizationprocess）形核+长大•具体过程：不同地点同时、不断形核→核长大→相遇→多晶体。•结晶速度：取决于形核率N和长大速度G,一般△T↑，结晶速度↑。图3-1图3-2⑶晶核的形成（nucleation）一般均依附模壁及未溶粒子而非自发形核。例1:窗花（冰花）例2:人工降雨⑷晶核的长大（growth）多树枝状长大（方向性散热所致）。图3-3图3-43.1.2合金结晶的特点（crystallizationofalloy）•纯金属结晶：产物为单相，无成分变化，得均匀的单相多晶体组织。•合金结晶：单相（固溶体）或多相（混合物）复杂形态的组织，成分变化，易形成成分偏析。3.1.3晶粒大小和控制（grainsizeandcontrol）•晶粒大小与性能：室温及不太高的温度下，细晶材料强韧性好→细晶强化。•晶粒大小度量：晶粒度ASTM1～12级（粗→细→超细）。•影响因素：N/G比值值越大，晶粒越细。•获得细晶方法：过冷度△T，△T↑，N↑↑。加形核剂，非自发核心数量↑↑。机械方法，搅拌，振动等，以破碎细小枝晶、增加核心。图3-53.2铸造、焊接过程中材料行为及性能变化3.2.1铸锭组织（ingotmicrostructure）•实际结晶时，液态金属在模腔中凝固，存在①模壁作用②方向性散热，最终形成三晶区的铸锭组织。表面细等轴晶区：模壁激冷（大△T）及非自发形核→细小晶粒薄层，无实用价值。柱状晶区：△T↓且方向性散热→垂直模壁单相长大→柱晶，致密但粗大，性能有方向性且柱晶间为薄弱环节。中心等轴晶区：温度均匀，到处同时形核、各向长大，晶粒较小，性能较好。图3-63.2.2铸锭缺陷（ingotdefect）•各种缩孔、缩松，补缩不全造成；•气孔，溶解及反应生成的，未完全排出；•非金属夹杂物，冶炼过程中带入或生成；•各种成分偏析，分微观偏析（枝晶偏析等）和宏观偏析（区域偏析和比重偏析等）。图3-7图3-83.2.3焊接接头与热影响区的特征（characteristicsofweld&HAZ）局部加热熔化+冷却（存在△T）→形成接头+热影响区⑴结晶特征：动态结晶，易呈单一柱晶。⑵热影响区特征：存在温度分布，经历固态相变过程,靠近焊缝的过热段晶粒粗大，性能很差。图3-9图3-10⑶焊接应力与裂纹（weldingstress&crack）•原因：焊接过程大的△T、加热与冷却及相变的非同时性→产生内应力→（室温为残余应力）→变形与开裂（最危险）。•类型：热裂纹结晶过程中产生，位于焊缝中心或两侧冷裂纹焊后产生，中、高强钢最易发生。•焊接残余应力的消除：退火（后述）。3.3冷塑性变形过程中的材料行为及性能变化3.3.1冷塑性变形对金属组织与性能的影响（coldplasticdeformation,coldworking）现象1：金属材料的塑性：面心立方（Cu、Al、Ag、Au）体心立方（Fe、Cr）密排六方（Zn、Mg）。现象2：塑性变形过程中（如拉伸、弯曲），强度变大、塑性变小。⑴组织变化•晶粒（组织）沿变形方向拉长及纤维化。•晶粒（碎化）与亚结构（亚晶）细化。•晶体缺陷↑↑，畸变↑↑•择优取向效应。⑵性能变化•加工硬化（workhardening）随变形程度增加，强度、硬度上升，塑性、韧性下降的现象。作用：①难以继续变形，需退火软化；②强化手段之一;③抵抗局部过载；④许多冷成型加工的保证。•产生残余应力（residualstress）各部分及各晶粒之间的变形不均和晶格畸变所产生。•各向异性（anisotropy）晶粒的择优取向和组织纤维化引起。图3-11图3-12图3-13图3-143.3.2冷塑性变形金属加热时组织和性能的变化•冷塑变后金属处于上述不稳定状态→（加热后）向稳定状态转变。⑴回复（recovery）T不高时，原子短程扩散回到平衡位置，畸变↓，残余应力↓，理化性能恢复。图3-15图3-16⑵再结晶（recrystallization）通过形核与长大→无畸变的等轴晶，强度↓塑性↑（加工硬化消除），组织与力性完全恢复。⑶晶粒长大（graingrowth）T↑→晶粒长大→粗等轴晶→性能↓⑷影响再结晶晶粒大小的因素：温度、时间与变形程度（自学）3.4热塑性变形过程中的材料行为及性能变化•热塑性变形加工（hotworking）目的：一是成形；二是改善材料组织与性能。•热塑性变形加工对材料的具体影响：⑴改善铸态组织和性能致密（焊合气孔、疏松），偏析↓，粗晶细化等，使性能↑↑。⑵形成热加工纤维组织（流线fiberstructure）夹杂物等沿受力方向排列呈纤维状→性能各向异性，对使用有重要影响。图3-17表3-1图3-18•课堂讨论：1.锻造工件如何合理选择流线。2.某工厂用冷拔钢丝绳直接吊运加热至1100℃的破碎机颚板，吊至中途钢丝绳突然断裂。这条钢丝绳是新的，事前经过检查，并无疵病。试分析钢丝绳断裂的原因。作业：3，4，6，9，10。本章结束返回图3-1纯金结晶时冷却曲线示意图返回图3-2纯金属结晶过程示意图返回图3-3钢锭中的树枝状晶体返回图3-4树枝状晶体生长示意图返回图3-5形核率和长大速率与过冷度的关系曲线返回图3-6铸件的宏观组织形成过程示意图返回图3-7镇静钢锭宏观组织示意图返回图3-8沸腾钢锭宏观组织示意图返回图3-9焊逢的融化区及凝固过程示意图返回图3-10奥氏体焊缝显微组织返回图3-11低碳钢冷塑性变形后的显微组织返回(a)冷变形量30%(b)冷变形量50%图3-12形变组织示意图返回图3-13经5%冷变形的纯铝中的位错网络返回图3-14各向异性导致的“制耳”返回图3-15冷变形金属在加热时组织示意图返回图3-16退火温度对冷变形金属性能的影响返回返回图3-17热加工时的动态再结晶示意图返回图3-18吊钩中的纤维组织返回