金属在冷和热塑性加工过程中组织与性能变化规律的异同

1/492011-11-5金属塑性变形物理基础金属在冷和热塑性加工过程中组织与性能变化规律的异同“金属塑性变形的物理基础”课程2/492011-11-5金属塑性变形物理基础金属材料性能及其影响因素金属材料性能力学性能；物化性能在一定的使用条件下温度、加载速度、应力状态、环境介质等影响因素成分与组织结构材料设计与材料加工工艺设计3/492011-11-5金属塑性变形物理基础金属塑性变形形式定义冷变形是指在再结晶温度以下的变形。变形后具有明显的加工硬化现象(冷变形强化)。如冷挤压、冷轧、冷冲压等。热变形是指在再结晶温度以上的变形。在其变形过程中，其加工硬化随时被再结晶所消除。因而，在此过程中表现不出加工硬化现象。如热轧、热锻、热挤压等。温变形是指介于冷、热变形之间的变形，加工硬化和再结晶同时存在。如：温锻、温挤压等。4/492011-11-5金属塑性变形物理基础冷塑性变形机理（纯金属）1、晶内变形滑移孪生5/492011-11-5金属塑性变形物理基础2、晶间变形晶粒间的相对滑动和转动冷塑性变形机理（纯金属）6/492011-11-5金属塑性变形物理基础冷变形对组织与性能的影响组织变化：纤维组织亚结构变形织构晶内及晶间的破坏性能变化：力学性能残余应力物化性能7/49冷变形对组织的影响2011-11-5金属塑性变形物理基础组织变化：纤维组织亚结构变形织构晶体取向变化晶内及晶间的破坏晶粒形状变化8/492011-11-5金属塑性变形物理基础冷变形纤维组织金属发生塑性变形后,晶粒发生变形,沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时,晶粒变成细条状(拉伸时),金属中的夹杂物和第二相也被拉长,形成纤维组织。变形前的退火状态组织变形后的冷轧变形组织沿垂直变形方向截取试样则不能真实反映晶粒变形情况9/492011-11-5金属塑性变形物理基础冷变形亚结构的变化金属经大的塑性变形时，由于位错的密度增大并发生交互作用，大量位错堆积在局部地区，并相互缠结，形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块，从而在晶粒内产生亚结构（亚晶粒）。10/492011-11-5金属塑性变形物理基础冷变形形变织构在塑性变形中，随着变形大程度的增加，各个晶粒的滑移面和滑移方向都要向主形变方向转动，使各晶粒的位向呈现一定程度的规律性，这一现象称为择优取向，这种组织状态称为形变织构。典型织构11/492011-11-5金属塑性变形物理基础形变织构的影响与应用一般来说，不希望金属板材存在织构，尤其是用于深冲压成型的板材，由于织构会造成其沿各方向变形的不均匀性，使工件的边缘出现高低不不平，所谓的“制耳”。但是，变压器用硅钢片，由于α-Fe100方向最易磁化，生产中通过轧制可获得具有（110）[001]织构和磁化性能优异的硅钢片。制耳现象12/492011-11-5金属塑性变形物理基础冷变形晶内及晶间破坏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），孪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。13/492011-11-5金属塑性变形物理基础冷变形对组织与性能的影响组织变化：纤维组织亚结构变形织构晶内及晶间的破坏性能变化：力学性能残余应力物化性能14/492011-11-5金属塑性变形物理基础冷变形力学性能金属发生塑性变形时，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降，这种现象称为加工硬化，也叫形变强化或冷作硬化。Cu丝冷变形的力学性能变化常温变形对低碳钢力学性能的影响15/492011-11-5金属塑性变形物理基础加工硬化的本质原因：金属发生塑性变形时,位错密度增加,位错间的交互作用增强,相互缠结,造成位错运动阻力的增大,引起塑性变形抗力提高。晶粒破碎细化,使强度得以提高。（细晶效应）16/492011-11-5金属塑性变形物理基础加工硬化的意义-强化手段加工硬化是金属材料五大强化手段之一；在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。特别是对于纯金属和不能热处理强化的材料，冷变形加工是强化它们的主要手段；020040060080010001200硬度（HBS）抗拉强度（Mpa)变形前变形后Q345(16Mn)钢的自行车链条经五次轧制，总变形量为65%时性能对比65Mn弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可达2000~3000MPa,，比一般钢材的强度提高4~6倍。17/492011-11-5金属塑性变形物理基础加工硬化的意义-强化手段高锰钢（ZGMn13)属于奥氏体钢，热处理不能强化，它的主要强化手段就是加工硬化。当高锰钢受到激烈摩擦或剧烈冲击时，其表面部分就会产生微量塑性变形，随之产生强烈的加工硬化，使其硬度和强度快速提高，从而能够作为耐磨钢使用。18/492011-11-5金属塑性变形物理基础加工硬化的意义-金属的冷成型加工的保证金属的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性变形均匀地分布于整个工件上，而不致于集中在某些局部而导致最终断裂；19/492011-11-5金属塑性变形物理基础加工硬化的意义-提高了构件的安全性构件在使用过程中，往往不可避免地会某些部位出现应力集中和过载现象，在这种情况下，由于金属能加工硬化，使局部过载部位在产生少量塑性变形之后，提高了屈服强度并与所承受的应力达到平衡，变形就不会继续发展，从而在一定程度上提高了构件的安全性。20/492011-11-5金属塑性变形物理基础冷变形残余应力（储存能）塑性变形中外力所作的功除大部分转化成热外，还有一小部分以畸变能的形式存储在材料内部，这部分存储能的具体表现方式为：宏观残余应力、微观残余应力、点阵畸变。宏观表现0.1%晶粒获亚晶粒之间变形不均匀性空位、间隙原子、位错等80%-90%金属经塑性变形后的残余应力是不可避免的，这对工件的变形、开裂和应力腐蚀产生影响和危害。21/492011-11-5金属塑性变形物理基础残余内应力的消除与应用金属塑性变形后的残余应力，可以通过去应力退火来消除；经拉延成型的黄铜弹壳在280℃左右进行去应力退火，以避免变形和应力腐蚀。残余应力的应用：有意控制残余应力的分布，使其与工作应力方向相反，可以提高工件的力学性能，如车架承重板簧。22/492011-11-5金属塑性变形物理基础冷变形物化性能密度、导热、导电、导磁性下降晶间物质的破坏使晶粒直接接触、晶粒位向有序化、晶间出现了显微裂纹、裂口、空洞等缺陷致使金属的密度降低原子脱离其平衡位置，位错密度的增加化学活性增加，电极电位提高，耐腐蚀性下降结构缺陷多，自由焓升高，扩散速度快23/492011-11-5金属塑性变形物理基础冷变形金属在加热时的组织与性能变化相关基本概念：是否出现新无畸变晶粒而发生亚结构和性能变化回复再结晶晶粒长大动力学弛豫过程动力学孕育期正常长大影响因素回复机制低/中/高温再结晶过程形核/长大异常长大影响因素再结晶温度影响因素再结晶晶粒度电阻率降→空位/位错应变能内应力降→晶体内弹性变形硬度及强度保持→位错密度消除畸变能，控制晶粒大小，形态，均匀度界面能，表面能作为驱动力24/492011-11-5金属塑性变形物理基础冷变形金属在加热时的组织与性能变化金属冷变形使材料内部空位、位错等结构缺陷密度增加，畸变能升高，使其处于热力学不稳定的高自由能状态。因此材料具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势。当冷变形金属加热时会发生回复、再结晶和晶粒长大等过程。25/492011-11-5金属塑性变形物理基础冷变形金属加热时性能影响在回复阶段，各材料释放的存储能量均较小，再结晶晶粒出现的温度对应于储能释放曲线的高峰处。26/49热变形主要机理晶内滑移晶内孪生晶界滑移扩散蠕变2011-11-5金属塑性变形物理基础27/49热变形主要机理发生条件28/492011-11-5金属塑性变形物理基础σσσa)b)c)a)空位和原子的移动方向b)晶内扩散c)晶界扩散热塑性变形机理——扩散蠕变温度高（能量大），晶粒细（路程短），应变速率低（时间多）扩散蠕变作用大29/492011-11-5金属塑性变形物理基础热变形软化机制与相关概念热塑性变形过程中加工硬化和软化过程并存1.外力和温度的共同作用下发生动态回复----高层错能（Al/Mo/W/a-Fe）易交滑移/攀移动态再结晶----底层错能（Cu/Ni/SS/γFe）扩展位错宽2.去除外力后亚动态再结晶静态回复静态再结晶与冷变形相似30/492011-11-5金属塑性变形物理基础回复热态变形及随后过程中金属内所发生的大角度晶界移动之前的一切位错运动过程。静态回复与动态回复的区别动态回复发生在变形之时静态回复发生在变形之后回复过程31/492011-11-5金属塑性变形物理基础•点缺陷运动和结合•位错重新组合与抵消•位错攀移与交滑移•亚晶形成与合并•多边形化回复过程中的位错运动回复机制：主要通过位错攀移和交滑移位错运动：32/492011-11-5金属塑性变形物理基础组织变化不大位错密度减小内应力减小强度、硬度略有减小，塑性略有上升电阻率明显下降回复过程对金属组织性能的影响：33/49大角度晶界扫过变形组织，以新生无畸变晶粒取代变形晶粒的过程。再结晶过程2011-11-5金属塑性变形物理基础静态再结晶动态再结晶亚动态再结晶再结晶过程34/492011-11-5金属塑性变形物理基础指冷变形后的金属在足够高的温度下，通过新晶核的形成及长大，以无畸变的新晶粒逐步取代变形晶粒的过程．条件：变形+温度特点：发生在变形结束后静态再结晶35/492011-11-5金属塑性变形物理基础在塑性变形过程的同时发生的再结晶过程．条件：变形+温度特点：与变形同时发生动态再结晶36/492011-11-5金属塑性变形物理基础在塑性变形过程中形成但来不及长大的再结晶晶核，在随后的高温滞留阶段长大成再结晶晶粒的过程．特点：变形后发生、迅速、无孕育期与动态再结晶的区别：变形后发生与静态再结晶的区别：无孕育期亚动态再结晶37/492011-11-5金属塑性变形物理基础层错能低集束成特征位错困难不易于攀移和交滑移回复作用不显著，并形成高位错密度差晶界迁移能力强大角度晶界向高位错密度区域迁移容易再结晶再结晶条件层错能+晶界迁移难易程度38/492011-11-5金属塑性变形物理基础回复再结晶晶粒长大性质密度电阻率空位密度加热温度位错密度硬度和强度伸长率结晶晶粒大小回复和再结晶对组织性能的影响：39/492011-11-5金属塑性变形物理基础轧制静态回复动态回复动态回复静态再结晶静态再结晶热挤动态再结晶亚动态再结晶a)b)c)d)变形率50%变形率99%热塑性变形中的软化过程冷加工热加工40/492011-11-5金属塑性变形物理基础热变形对金属组织的影响加工流线---热加工能使金属中残存的枝晶偏析、可变形夹杂物和第二相沿金属流动方向被拉长，形成纤维组织(或称“流线”)，使金属的力学性能特别是塑性和韧性具有方向性，纵向上的性能显著大于横向上的。因此热加工时应力求工件流线分布合理。锻造曲轴的合理流线分布，可保证曲轴工作时所受的最大拉应力与流线一致，而外加剪切应力或冲击力与流线垂直，使曲轴不易断裂。41/492011-11-5金属塑性变形物理基础热变形对金属组织的影响带状组织---复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替呈带状分布的组织。往往是由于枝晶偏析或夹杂物在压力加工过程中被拉长所造成的。钢中的铁素体或渗碳体以伸长的杂质为核心形核，形成带状组织。缺点：导致材料的各向异性避免在两相区变形；减少夹杂元素含量；采用高温扩散退火或正火可以消除带状组织。42/492011-11-5金属塑性变形物理基础热变形对金属组织的影响网状组织---钢材内部缺陷之一，表现为热加工的钢材冷却后沿奥氏体晶界析出的过剩碳化物(指过