第3章塑性加工过程的组织性能变化

第3章塑性加工过程的组织性能变化§3.1塑性加工中金属的组织与性能§3.2金属塑性变形的温度——速度效应§3.3形变热处理§3.1塑性加工中金属的组织与性能3.1.1冷变形3.1.2热变形3.1.3塑性变形对固态相变的影响3.1.1冷变形1．冷变形的概念2．冷变形时金属显微组织的变化3．冷变形时金属性能的变化1.冷变形的概念变形温度低于回复温度，在变形中只有加工硬化作用而无回复与再结晶现象，通常把这种变形称为冷变形或冷加工。冷变形时金属的变形抗力较高，且随着所承受的变形程度的增加而持续上升，金属的塑性则随着变形程度的增加而逐渐下降，表现出明显的硬化现象。抗力抗力塑性塑性冷加工率退火温度变形抗力与塑性2.冷变形时金属显微组织的变化（1）纤维组织多晶体金属经冷变形后，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。当变形量很大时，各个晶粒已不能很清楚地辨别开来，呈现纤维状，故称纤维组织。被拉长的程度取决于主变形图和变形程度。问题：为什么锻件质量优于铸件质量？消除加工硬化，提高塑性。在结晶速度取决于加热温度和变形程度。再结晶是一个形核、长大过程。保持加工硬化，消除内应力。如冷卷弹簧进行去应力退火。（2）亚结构随着冷变形的进行，位错密度迅速提高。经强烈冷变形后，可由原来退火状态的106~107/cm2增至1011~1012/cm2。经透射电子显微镜观察，这些位错在变形晶粒中的分布是很不均匀的。只有在变形量比较小或者在层错能低的金属中，由于位错难以产生交滑移和攀移，在位错可动性差的情况下，位错的分布才是比较分散和比较均匀的。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，形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，好像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），这种结构称为亚结构。（3）变形织构多晶体塑性变形时，各个晶粒滑移的同时，也伴随着晶体取向相对于外力有规律的转动，使取向大体趋于一致叫做“择优取向”。具有择优取向的物体，其组织称为“变形织构”。金属及合金经过挤压、拉拔、锻造和轧制以后，都会产生变形织构。塑性加工方式不同，可出现不同类型的织构。通常，变形织构可分为丝织构和板织构。（4）晶内及晶间的破坏在冷变形过程中不发生软化过程的愈合作用，因滑移（位错的运动及其受阻、双滑移、交叉滑移等），双晶等过程的复杂作用以及各晶粒所产生的相对转动与移动，造成了在晶粒内部及晶粒间界处出现一些显微裂纹、空洞等缺陷使金属密度减少，是造成金属显微裂纹的根源。3.冷变形时金属性能的变化（1）物化性能a.密度金属经冷变形后，晶内及晶冷变形后密度降至8.886克/厘米3。相应的铜的密度是由8.905克/厘米3，降至8.89克/厘米3。8.928.918.908.898.888.872040608010012密度，克/厘米3b.电阻晶间物质的破坏使晶粒直接接触、晶粒位向有序化、间出现了显微裂纹、裂口、空洞等缺陷致使金属的密度降低，电阻增大。c.化学稳定性冷变形后，金属的残余应力和内能增加，从而使化学不稳定性增加，耐蚀性能降低。除此之外，冷变形还可能改变磁性。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。（2）力学性能由于发生了晶内及晶间破坏，晶格产生了畸变以及出现第二、三类残余应力等，故经受冷变形后的金属及合金，其塑性指标随所承受的变形程度的增加而下降，在极限情况下可达到接近于完全脆性的状态。另外，由于晶格畸变、出现应力、晶粒的长大、细化以及出现亚结构等，金属的抗力指标则随变形程度的增加而提高。金属力学性能与变形程度的曲线称硬化曲线。（3）织构与各向异性金属材料经塑性变形以后，在不同加工方式下，会出现不同类型的织构。由于织构的存在而使金属呈现各向异性。105MPa轧向冷轧横向0.80.81.61.20.40.41.21.6再结晶（a）（b）冷轧和再结晶铜片的弹性模量值深冲件上的制耳冷变形强化（加工硬化）金属材料在冷塑性变形时，其强度、硬度升高，而塑性、韧性下降的现象——冷变形强化.加工硬化的应用原因？提高强度使变形均匀提高安全性产生原因：滑移面上产生了微小碎晶，晶格畸变。（内应力）=An硬化指数n是冷变形硬化参数，反映材料的变形抗力。n3.1.2热变形1．热变形的概念2．热变形对金属组织性能的影响3．热变形过程中的回复与再结晶1.热变形的概念所谓热变形（又称热加工）是指变形金属在完全再结晶条件下进行的塑性变形。一般在热变形时金属所处温度范围是其熔点绝对温度的0.75~0.95倍，在变形过程中，同时产生软化与硬化，且软化进行的很充分，变形后的产品无硬化的痕迹。与其它加工方法相比，如冷加工，具有自己一系列的优点，诸如：（1）金属在热加工变形时，变形抗力较低，消耗能量较少。（2）金属在热加工变形时，其塑性升高，产生断裂的倾向性减小。（3）与冷加工相比较，热加工变形一般不易产生织构。（4）在生产过程中，不需要像冷加工那样的中间退火，从而可使生产工序简化，生产效率提高。（5）热加工变形可引起组织性能的变化，以满足对产品某些组织与性能的要求。同其他加工方法相比也有如下的不足：（1）对薄或细的轧件，由于散热较快，在生产中保持热加工的温度条件比较困难。因此，目前对生产薄的或细的金属材料来讲，一般仍采用冷加工（如冷轧、冷拉）的方法。（2）热加工后轧件的表面不如冷加工生产的尺寸精确和光洁。因为在加热时，由于轧件表面生成氧化皮和冷却时收缩的不均匀。（3）热加工后产品的组织及性能不如冷加工时均匀。因为热加工结束时，工件各处的温度难于均匀一致。（4）不依赖热加工提高材料强度。（5）有些金属具有热脆的不进行热加工。确定热变形的温度范围，最少需要该合金的相图、塑性图（图6-12）及变形抗力随温度而变化的图形（图6-13）等资料。根据合金相图及塑性图，可这样来选择热变形温度范围：（1）温度的上限，大致取该合金熔点绝对温度（Tm）的0.95倍，即应比液相线低50℃左右。（2）温度的下限，是要求保证在变形的过程中再结晶能充分迅速地进行，并且整个变形过程是在单相系统内完成。T熔0.95T0.75T熔10030050070090097531冲击韧性，公斤/毫米2图6-12确定热变形温度的必需资料（a）相图；（b）塑性图（HPb59-1）605550454035302520151050100200300400500600700800900100012345678910121314温度，℃强度极限，×10MPa图6-13各种有色金属、合金加热温度对强度极限的影响铜镍合金；2—镍；3—锡青铜QSn7—0.4；4—LY11；5—铜；6—锰铜；7—锌；8—铅；9—H68；10—H62；11—H59；12—LY12；13—MB5；14—铝2.热变形对金属组织性能的影响（1）热变形对铸态组织的改造一般来说，金属在高温下塑性高、抗力小，加之原子扩散过程加剧，伴随有完全再结晶时，更有利于组织的改善。故热变形多作为铸态组织初次加工的方法。热变形能最有效地改变金属和合金的铸锭组织，可以使铸态组织发生下述有利变化。a.一般热变形是通过多道次的反复变形来完成。b.由于应力状态中静水压力分量的作用，可使锭中存在的气泡焊合，缩孔压实，疏松压密，变为较致密的结构。c.由于高温下原子热运动能力加强，在应力作用下，借助原子的自扩散和互扩散，可使铸锭中化学成分的不均匀性相对减少。上述三方面综合作用的结果，可使铸态组织改造成变形组织（或加工组织），它比铸锭有较高的密度、均匀细小的等轴晶粒及比较均匀的化学成分，因而塑性和抗力的指标都明显提高。（2）热变形制品晶粒度的控制在热变形过程中，为了保证产品性能及使用条件对热加工制品晶粒尺寸的要求，控制热变形产品的晶粒度是很重要的。热变形后制品晶粒度的大小，取决于变形程度和变形温度（主要是加工终了温度）。第二类再结晶全图，是描述晶粒大小与变形程度及变形温度之间关系的。如图6-14所示。根据这种图即可确定为了获得均匀的组织和一定尺寸晶粒时，所需要保持的加工终了温度及应施加的变形程度。0102090807060504020030035040045050002030908070504010602002503504004505003003002001003002001000晶粒直径，微米晶粒直径，微米变形程度，%变形程度，%变形温度，℃变形温度，℃302500（a）（b）图6-14第二类再结晶全图（LY2）（a）在压力机上压缩（b）在锻锤下压缩0（3）热变形时的纤维组织金属内部所含有的杂质、第二相和各种缺陷，在热变形过程中，将沿着最大主变形方向被拉长、拉细而形成纤维组织或带状结构。这些带状结构是一系列平行的条纹，也称为流线。纤维组织一般只能在变形时通过不断地改变变形的方向来避免，很难用退火的方法去消除。当夹杂物（或晶间夹杂层）数量不多时，可用长时高温退火的方法，依靠成分地均匀化，和组织不均匀处的消失以去除。在个别情况下，当这些晶间夹杂物能溶解或凝聚时，纤维组织也可以被消除。金属中的空穴（包括凝固时的缩孔和气眼等），在变形时也会被拉长，当变形量很大、温度足够高时，这些孔穴可能被压紧、焊合，如果变形量不够大，这些孔穴就形成了头发状的裂纹称为“发裂”。显著的纤维组织也能引起分层，使变形金属得到层状或板状的断口，例如HPb59-1，QA10-3-1.5的层状断口，消除的方法是铸造时细化晶粒，改善铅、Al2O3分布状况，防止氧化吸气以减少Al2O3的生成。3.热变形过程中的回复与再结晶一般将热变形过程中，在应力状态作用下所发生的回复与再结晶过程称为动态的，以区别冷变形后退火过程中、热变形的各道次之间以及热变形后在空气中冷却时所发生的、属于静态的回复与再结晶过程。（a）图为高层错能金属在热轧加工率比较小时（50%），只发生动态回复；（b）图表示低层错能金属，由于热轧变形程度小（50%），热轧时，只发生动态回复，随后发生静态回复和静态再结晶；（c）图表示高层错能金属在挤压变形程度大（99%）时，在挤压中发生动态回复，出模孔后，发生静态回复和静态再结晶；（d）图表示低层错能金属，在挤压变形程度大（99%）时，在挤压中发生动态回复与动态再结晶。出模孔后，发生静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶。静态再结晶（1）动态回复金属在热变形时，若只发生动态回复的软化过程，其应力-应变曲线，如图6-17a所示。曲线明显地分为三个阶段。第一阶段为微变形阶段。此时，试样中的应变速率从零增加到试验所要求的应变速率，其应力-应变曲线呈直线，当达到屈服应力以后，变形进入了第二阶段，加工硬化率逐渐降低。最后进入第三阶段，为稳定变形阶段。此时，加工硬化被动态回复所引起的软化过程所抵消。即由变形所引起的位错增加的速率与动态回复所引起的位错消失的速率几乎相等,达到了动态平衡。σσSεSεεεSεmσSσmσ（a）（b）图6-17动态流变曲线实验研究表明：1）发生动态回复有一个临界变形程度，只有达到此值才能形成亚晶。2）当变形达到平稳态后，亚晶也保持一个平衡形状。在低的变形温度（0.3~0.6Tm）下，即使变形量很小，亚晶形状是长条的；而在高的变形温度（0.6~0.7Tm）下，即使变形量很大，亚晶也能构成等轴的形状。3）热变形达到平稳态后，亚晶的平均尺寸有一个平衡值，它又随变形温度的增加或变形速度的增加而下降。给定一个平稳态屈服应力，对应有一个平均的亚晶尺寸。（2）动态再结晶发生动态再结晶的金属，在热加工温度范围内应力应变曲线如图6-18所示。它不像只发生动态回复时的应力应变曲线那样简单。该曲线在高应变速度下，曲线迅速升到一峰值，随后由于动态再结晶发生而引起软化，最后接近于平稳态。此时硬化过程和软化过程达到平衡即处于稳定变形阶段。10090807060504030201000.51.01.52.02.50.0011s-10.0037s-10.065s