金屬塑性變形對組織和性能的影響

1、金屬塑性變形對組織和性能的影響（一）變形程度的影響 塑性變形程度的大小對金屬組織和性能有較大的影響。 變形程度過小， 不能起到細化晶粒提 高金屬力學性能的目的；變形程度過大，不僅不會使力學性能再增高，還會出現(xiàn)纖維組織， 增加金屬的各向異性，當超過金屬允許的變形極限時，將會出現(xiàn)開裂等缺陷。 對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=SO/S （ S0 S分別表示拔長前后金屬坯料的橫截面積）； 鐓粗：Y鍛=HO/H（ H0 H分別表示鐓粗前后金屬坯料的高度）。碳素結構鋼的鍛造比在 23 范圍選取， 合金結構

2、鋼的鍛造比在 34 范圍選取， 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化。 以鋼材為坯料鍛造時， 因材料軋制時組織和力學性能已經(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參數(shù)：相對彎曲半徑（ r/t ）、拉深系數(shù)（m）、翻邊系數(shù)（k）等。擠 壓成形時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。 當金屬再結晶時， 被壓碎的晶?；謴蜑榈容S細晶粒， 而夾雜物 無

3、再結晶能力， 仍然以纖維狀保留下來， 形成纖維組織。 纖維組織形成后， 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。纖維組織的存在對金屬的力學性能， 特別是沖擊韌度有一定影響， 在設計和制造零件時， 應 注意以下兩點：（1）零件工作時的正應力方向與纖維方向應一致，切應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相符合，而不被切斷。例如，鍛造齒輪毛坯，應對棒料鐓粗加工，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， 這樣曲軸工作時不易斷裂 （ 三）冷變形與熱變形通常將塑性變形分為冷

4、變形和熱變形。 冷變形：再結晶溫度以下的塑性變形。冷變形有加工硬化現(xiàn)象產(chǎn)生，但工件表面質(zhì)量好。熱變形： 再結晶溫度以上的塑性變形。 熱變形時加工硬化與再結晶過程同時存在， 而加工硬 化又幾乎同時被再結晶消除。 由于熱變形是在高溫下進行的， 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：冷塑性變形時金屬組織結構的變化及變形后的 性能變化；冷塑性變 形金屬加熱時組織與性能的變化；11.1 冷塑性變形對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

5、久變形舉例：反復彎折一根銅絲，其性能的變化。 目的：得到所需的形狀或尺寸（如冷拉，冷軋等）， 提高強度和硬度（加工硬化）。 晶體結構不同，塑變能力不同面心立方（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 ）亞結構細化：晶粒碎化 內(nèi)部亞結構細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轉到接近一致的位向。（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，強度，硬度上升，塑性，韌性下降的現(xiàn)象

6、。產(chǎn)生原因：隨變形量T-位錯密度T-位錯在運動中相遇、纏結-位錯運動阻力T-變形抗力T-強度、硬度T。作用： a. 難以繼續(xù)變形，需退火軟化b. 強化手段之一。（如形變鋁合金）c. 抵抗局部過載拉、冷軋）內(nèi)部的應力。均勻和晶格畸變所產(chǎn)生的 力對性能的影響：d. 許多冷成型加工的保證。 （如冷2）產(chǎn)生殘余應力定義：外力去處后，殘留且平衡于金屬產(chǎn)生原因：各部分及各晶粒之間變形不降低承載能 使工件在使用過程中發(fā)生變形或產(chǎn)生裂紋 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。例 1：力學性能：變形方向強度 高，垂直于變形方向強度低。例 2 ：磁性材料：沿著磁化方 向

7、變形，可增加導磁率等。11.2 冷塑性變形金屬在加熱時組織與性能的變化 冷塑性變形后金屬處于上述組織結構的種種不穩(wěn)定狀態(tài)， 加熱或溫度升高后會向 穩(wěn)定狀態(tài)轉變。一般經(jīng)歷三個階段。（見課件圖 3-15 ）1. 回復：溫度不高時 , 原子短程擴散回到平衡位置， 晶體缺陷減小，晶格畸變基本消除，殘余應力基本消除，理化性能恢復。2. 再結晶組織變化： 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（再結晶過程） 性能變化：強度、硬度J,塑韌性T,加工硬化消除； 組織與力學性能完全恢復。3. 晶粒長大 再結晶后繼續(xù)升溫, 晶粒長大、粗化（粗等軸晶）, 性能變壞。4 影響再結晶后晶粒

8、度的因素（1）加熱TT-晶粒越粗大 保溫時間晶粒越粗大（2）變形程度 （見 P47 圖 3.7 ）a. 變形很小時, 經(jīng)格畸變很小, 不引起再結晶, 晶粒保 持不變；b. 變形度2%-10%再結晶后晶粒特別粗大（臨界變 形度）；c. 變形度約 95%時：再結晶晶粒粗大金屬的塑性變形與再結晶一、實驗概述金屬塑性變形的基本方式有滑移和孿生兩種。在切應力作用下，晶體的一部分沿某一晶面相對于另一部分滑動， 這種變形方式稱為滑移； 在切應力作用下，晶體的一部分沿某一晶 面相對另一部分產(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稱關系，這種變形方式稱為孿生。（一）冷塑性變形對金屬組織與性能的影響

9、若金屬在再結晶溫度以下進行塑性變形，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， 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)?沿變形方向伸長的晶粒， 在晶粒內(nèi)部也出現(xiàn)了滑移帶或孿晶帶。當變形程度很大時， 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，隨著變形程度的加劇，原來位向不同的各個晶粒會逐漸取得近于一致的位向，而形成了形變織構，使金屬材料的性能呈現(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

10、）變形程度70%金屬經(jīng)冷塑性變形后，會使其強度、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)生殘余應力。一般情況下，殘余應力不僅降低了金屬的承載能力，而且還會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)部亞結構細化、晶格畸變等原因，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具有自發(fā)地恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢。 但在室溫下，由于原子活動能力不足， 恢復過程不易進行。 若對其加熱，因原子活動能力增強，就會使組織與性能發(fā)生一系列的變化。1 回復 當加熱溫度較低時，原子活動能力尚低，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，

11、因晶格畸變已減輕，使殘余應力顯著下降。但造成加工當加熱溫度較高時，將首先在變形晶粒的晶界或滑移帶、孿晶帶等晶格畸 通過形核與長大方式進行再結晶，圖6-2反映了冷塑性變形工業(yè)純鐵的再結因而消除了冷加工纖維組硬化的主要原因未消除，故其機械性能變化不大。2 再結晶 變嚴重的地帶， 晶過程的顯微組織。冷變形金屬在再結晶后獲得了新的等軸晶粒， 織、加工硬化和殘余應力，使金屬又重新恢復到冷塑性變形前的狀態(tài)。甘二一；舟 V丄-:哪込朋1慮7 八嚴二:弄 運汕J圖6-2工業(yè)純鐵再結晶過程的顯微組織（150X）a）550C再結晶b）600C再結晶 c） 850 C再結晶金屬的再結晶過程是在一定溫度范圍內(nèi)進行的。

12、通常把變形程度在70%以上的冷變形金屬經(jīng)1h加熱能完全再結晶的最低溫度，定為再結晶渡。實驗證明，金屬的熔點愈高，在 其他條件相同時，其再結晶溫度也愈高。金屬的再結晶溫度（T 再）與其熔點（T熔）間的關系，大致可用下式表示：T再=0.4 T熔式中各溫度值，應為絕對溫度。3 晶粒長大 冷變形金屬再結晶后，一般都得到細小均勻的等軸晶粒。但繼續(xù)升高加 熱溫度或延長保溫時間，再結晶后的晶粒又會逐漸長大，使晶粒粗化。（三）變形程度對金屬再結晶后晶粒度的影響 冷變形金屬再結晶后晶粒度除與加熱溫度、保溫時間有關外，還與金屬的預先變形程度有關。圖6-3表示金屬再結晶后的晶粒度與其預先變形程度 間的關系。由圖可見

13、，當變形程度很小時，金屬不 發(fā)生再結晶，因而晶粒大小不變。當達到某一變形 程度后，金屬開始發(fā)生再結晶，而且再結晶后獲得 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，再結晶時形核率愈大，因而使再 結晶后的晶粒逐漸變細。圖6-4純鋁在不同程度拉伸變形時，經(jīng)550 C再結晶退火30min后的晶粒度比較。圖6-3變形程度對金屬再結 晶后晶粒度的影響變形程度：a）1% b）2.5% c）3% d）6% e）9% f）12% g）15% 浸蝕劑:HF 15ml, HCI 45ml, HNO 3 15ml, H 2SO4 25 ml引起冷變形金屬開始再結晶，并在再結晶后獲得異常粗大晶粒的變

14、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械性能，故應避免金屬材料在臨界變形程度的范圍內(nèi)進行壓力加工。一、實驗目的1了解冷塑性變形對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了解變形程度對金屬再結晶晶粒度的影響。二、實驗設備、用品及試樣（一）實驗設備1 拉力試驗機和洛氏硬度計（或布氏硬度計）。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、預磨機、拋光機、吹風機。（二）實驗用品1 測量試樣尺寸用的游標尺。2.不同粗細的金相砂紙一套、拋光磨料、浸蝕劑、無水酒精。（三）

15、實驗試樣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)再結晶后具有不同晶粒度的純鋁片試樣一套。三、實驗方法及步驟1 以若干人為一小組，每組領取退火狀態(tài)低碳鋼拉力試樣一根。2在拉力試樣的總標距內(nèi)每隔 10mm,用劃線儀劃出分段標距的印記，女口 圖6-5所示。3用游標尺測量出分段標距的長度，并記下測量數(shù)據(jù)。4將度樣在拉力試驗機上進行拉伸，直至試樣產(chǎn)生頸縮”并在斷裂前的瞬間，把試樣自試驗機上取下，然后再用游標尺測量和記錄變形后各分段印記間的長度，并計算出各分段標距內(nèi)的延伸率。5在分段標距的印記處用手鋸或砂輪切割等方法，把試樣分段切開。6 把分段試樣沿軸向制備成金相試樣，然后在金

16、相顯微鏡下觀察其顯微組織，再根據(jù) 其組織特征，繪出顯微組織示意圖，并記錄觀察試樣所用的放大倍數(shù)和浸蝕劑。7.在已觀察過的試樣磨面上，測定其洛氏硬度值HRB，并記下測量數(shù)據(jù)。&分析變形程度對金屬組織和硬度的影響規(guī)律。9在各組試樣中選取五個變形程度較大且變形程度值相近的分段試樣，分別放入溫度為100CC、300C、500C、650C、800C的加熱爐中保溫 30min后出爐空冷（可將學生分 組，分別完成一個數(shù)據(jù)）。10 把冷卻后的分段試樣沿軸向制備成金相試樣，然后在金相顯微鏡下觀察其顯微組織，再根據(jù)其組織特征，繪出顯微組織示意圖，并記錄觀察試樣所用的放大倍數(shù)及浸蝕劑。11. 在已觀察過的試樣磨面上，測定其洛氏硬度值HRB，并記下測量數(shù)據(jù)。12. 分析冷變形金屬在加熱時組織與硬度的變化規(guī)律。13. 觀察由實驗室制備好的純鋁片試樣一套，了解不同變形程度對再結