塑性加工过程的组织性能变化

第6章塑性加工过程的组织性能变化和温度----速度条件§6.1塑性加工中金属的组织与性能§6.2金属塑性变形的温度-速度效应§6.3形变热处理§6.1塑性加工中金属的组织与性能6.1.1冷变形6.1.2热变形6.1.3塑性变形对固态相变的影响6.1.1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金属的冷变形一般要进行几次。每次只能根据金属本身的性质与具体的工艺条件，完成一定数值的总变形量。在各道次冷变形中间，要将硬化的、不能继续变形的坯料进行退火处理以恢复塑性，这种冷变形后退火，退火后又重复进行冷变形的作业，称为冷变形－退火循环。可见，恰当地利用冷变形－退火循环可以将金属加工到任意形状和大小，以及任意程度的硬化或软化状态的制品。冷变形的优点是制品表面光洁、尺寸精确、形状规整；可以得出具有任意硬化程度和软化程度的产品，以满足工业对材料的不同要求，而这是热变形很难实现的。顺便指出，用退火工作来进行对硬化材料的部分软化制取半硬、3/4硬等制品时，因为再结晶过程进行很快，受炉温的波动很敏感，不如用冷变形以控制变形程度严格(特别是那些不可热处理强化的金属和合金)。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。（2）亚结构随着冷变形的进行，位错密度迅速提高。只有在变形量比较小或者在层错能低的金属中，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，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。当材料含有杂质和第二相时，在变形量大和变形温度低的情况下，所形成的亚晶小，亚晶间的取向差大。亚晶的完整性差(即亚晶内晶格的畸变大)。相反的情况下所产生的亚晶的完整性好且尺度较大。冷变形过程中形成弧结构是许多金属(例如铜、铁、钼、钨、钽、铌等)普遍存在的现象。一般认为亚结构对金属的加工硬化起重要作用，由于各晶块的方位不同，其边界叉为大量位错缠结，对晶内的进一步滑移起阻碍作用。因此，亚结构可提高金属和台金的强度。利用亚晶来强化金届材料是强化措施之一。对于低层错能金属，如不锈钢和黄铜等，由于扩展位错很宽，位错灵活性差，这些材料中易观察到位错的塞积群，不易形成胞状亚结构。（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。丝织构系在拉拔和挤压加工中形成，这种加工都是在轴对称情况下变形，其主变形图为两向压缩一向拉伸。变形后晶粒有一共同晶向趋向与最大主变形方向平行，以此晶向来表示丝织构。丝织构经较大变形程度的拉拔后：面心立方金属:111和100体心立方金属：110板织构是某一特定晶面平行于板面，某一特定晶向平行于轧制方向，因此，板织构用其晶面和晶向共同表示。例如体心立方金属，当其(100)晶面平行于轧面，[011]晶向平行于轧向时，此板织构可用(100)[0l1]来表示。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。冷变形时金属显微组织的变化（1）纤维组织（2）亚结构（3）变形织构（4）晶内及晶间的破坏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，晶内及间晶出现了显微裂纹、裂口、空洞等缺陷致使金属的密度降低。b.电阻冷变形一般使金属材料的电阻增加。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。（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。金属在冷变形时所消耗的能量，大部分转变成热能而散失了．其中一小部分(不超过总能量的10％)，当外力去除后，仍保留在金属的内部，被称为金属的储存能(或残留能)。金属中的储存能是以原予偏离其点阵平衡位置的位能形式存在的。即储存能以点缺陷、位锗和层错的形式存在于金属晶体中。金属的储存能随着熔点的减低而减少；随晶粒度的减小而增加；随第二相与基体变形的不协调的增加而增加；凡是能引起加工硬化的因素，均能使储存能增加；随变形程度的增加而增加；随不均匀变形程度增大而增大。（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。6.1.2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。同其它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。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回忆：铸态组织有何特点？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（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，依靠成分的均匀化，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。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）亚晶间的取向一般分散在10~70的宽广范围内，而且和变形量、变形温度关系不大。4）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a)流变特征在变形开始阶段，存在明显的加工硬化，而应力随应变的增加而急剧增大到某一峰值。流变应力很快越过峰值并随应变的增加而下降，结果在整体上呈现应变软化。进一步增大应变，流变应力基本不随应变的增大而发生变化或下降很少，即进入所谓的稳态流动阶段。变形温度和应变速度均对热加工硬化有很大影响。在其它条件相同时，降低变形温度或增大应变速度均可使加工硬化加剧，同时峰值应力以及峰值应力所对应的应变增大。图6-19发生动态再结晶的应力应变曲线（2）动态再结晶b