熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響

1、 職業(yè)教育材料成型與控制技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)金屬材料與熱處理課程熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響主講教師：黨 杰西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響一、熱塑性變形的概念和變形機(jī)理1.熱塑性變形的概念 在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形加工是熱塑性變形，又稱為熱加工；在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形加工是冷塑性變形，又稱為冷加工。例如，鎢的最低再結(jié)晶溫度為1200，即使在稍低于1200的高溫下進(jìn)行變形加工仍屬于冷加工，鉛的最低再結(jié)晶溫度在室溫以下，因此，它在室溫的變形加工便屬于熱加工。生活中我們會(huì)遇到這樣的情況：將鐵絲反復(fù)的彎擰多次就會(huì)斷開，而對(duì)于錫紙反復(fù)揉搓都不會(huì)斷裂，這可以用熱加工和

2、冷加工來(lái)解釋。在再結(jié)晶溫度以上加工時(shí)，塑性變形造成的加工硬化會(huì)隨即被發(fā)生的回復(fù)、再結(jié)晶的軟化作用所抵消，因此金屬顯示不出加工硬化現(xiàn)象，始終保持穩(wěn)定的塑性狀態(tài)。在再結(jié)晶以下變形時(shí)尤其是室溫時(shí)的冷加工不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶過(guò)程 ，故必然導(dǎo)致加工硬化現(xiàn)象的存在，繼續(xù)變形金屬就會(huì)開裂。實(shí)際生產(chǎn)中的熱加工（鍛造、軋制），往往由于變形速度快，再結(jié)晶過(guò)程來(lái)不及消除加工硬化的影響，因而需要用提高加熱溫度的方法來(lái)加速再結(jié)晶過(guò)程，故生產(chǎn)中金屬的實(shí)際熱加工溫度總是高于再結(jié)晶溫度很多。金屬中含有少量雜質(zhì)或合金元素種類和含量較多時(shí)，熱加工溫度還應(yīng)高一些。2.熱塑性變形的變形機(jī)理 金屬的熱塑性變形機(jī)理有晶內(nèi)變形、晶間滑移和擴(kuò)散蠕

3、變?nèi)N。在通常情況下，由于高溫時(shí)原子間距加大，原子的熱振動(dòng)和擴(kuò)散速度增加，位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)比低溫時(shí)來(lái)得容易。且滑移系增多，滑移的靈便性提高，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用也減弱，所以熱塑性變形的主要機(jī)理仍然是晶內(nèi)滑移。其次，由于金屬熱態(tài)下晶界強(qiáng)度降低，使得晶界滑移易于進(jìn)行，因此與冷塑性變形相比晶界滑移的變形量要大得多。但在常規(guī)熱塑性變形條件下，晶界滑移相對(duì)于晶內(nèi)滑移變形量還是很小的。只有在微細(xì)晶粒的超塑性變形條件下，加之?dāng)U散蠕變的配合，晶界滑移才起主要作用。擴(kuò)散蠕變是在應(yīng)力作用下由空位的定向移動(dòng)引起的，直接為塑性變形做貢獻(xiàn)，也對(duì)晶界滑移其調(diào)節(jié)作用。變形溫度越高，晶粒越細(xì)，應(yīng)變速率越低，擴(kuò)散蠕變所起的作

4、用越大?？傊?，在晶內(nèi)滑移的主要作用、晶界滑移的輔助作用、擴(kuò)散蠕變的協(xié)調(diào)作用下，熱態(tài)下金屬的塑性變形能力比冷態(tài)下高，變形抗力明顯降低。二、熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響熱加工過(guò)程中的加工硬化雖然得到了消除，但使金屬的組織和性能發(fā)生如下變化：1.改善組織，細(xì)化晶粒 對(duì)于鑄態(tài)組織金屬（例如鑄錠），粗大的樹枝狀晶經(jīng)塑性變形及再結(jié)晶后會(huì)變成細(xì)小的等軸（細(xì)）晶粒；對(duì)于經(jīng)軋制或擠壓的鋼坯或型材，在以后的熱加工中通過(guò)塑性變形與再結(jié)晶，其晶粒組織一般也可得到改善，晶粒變得細(xì)小，力學(xué)性能得到提高。例如圖1所示為TC11鈦合金鑄錠開坯后，320mm大規(guī)格棒材的高、低倍組織。之后經(jīng)過(guò)三火加熱，8次反復(fù)鐓拔且鍛后水冷的改

5、鍛工藝處理，得到的細(xì)小晶粒組織如圖2所示，低倍為模糊晶，高倍為雙態(tài)組織。a） 原始相低倍組織 b） 原始相粗大的網(wǎng)籃組織圖1 TC11鈦合金鑄錠開坯后，320mm大規(guī)格棒材的高、低倍組織 a） 低倍模糊晶 b） 高倍雙倍組織圖2 GT25000艦用發(fā)動(dòng)機(jī)TC11盤餅坯的改鍛組織2.鍛合內(nèi)部缺陷 鑄態(tài)組織金屬經(jīng)過(guò)熱塑性變形后，其內(nèi)部的疏松、空隙和微裂紋等缺陷會(huì)被壓實(shí)，金屬的致密度得到提高，如圖3所示為熱軋對(duì)鑄態(tài)金屬晶粒組織的改善作用。通常鍛合缺陷經(jīng)歷兩個(gè)階段：缺陷區(qū)發(fā)生塑性變形，使空隙兩壁閉合。在壓應(yīng)力作用下，加上高溫，使金屬焊合成一體。但是沒有足夠大的變形，不能實(shí)現(xiàn)空隙閉合，且很難達(dá)到宏觀缺陷

6、焊合，足夠大三向壓應(yīng)力，能實(shí)現(xiàn)微觀缺陷鍛合。因此鍛造生產(chǎn)中，常要求有足夠大的變形量。金屬鑄態(tài)組織中的缺陷被鍛賀后，力學(xué)性能得到了提高。碳鋼（Wc=0.3%）鑄態(tài)與鍛態(tài)的力學(xué)性能比較，如表1所示。表1 碳鋼（Wc=0.3%）鑄態(tài)與鍛態(tài)的力學(xué)性能比較狀態(tài)b/MPab/MPa/%/%Ak/J鑄態(tài)500280152728鍛態(tài)530310204556圖3 熱軋對(duì)鑄態(tài)金屬晶粒組織的影響3.形成穩(wěn)定的流線 在熱變形過(guò)程中，隨變形程度增加，鋼錠內(nèi)粗大樹枝晶沿主變形方向伸長(zhǎng)，與此同時(shí)，晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向也逐漸與主變形方向一致，形成流線。由于再結(jié)晶的結(jié)果，被拉長(zhǎng)的晶粒變成細(xì)小的等軸晶，而流線卻很穩(wěn)

7、定地保留下來(lái)直至室溫，如4所示典型的熱加工流線。a） 低碳鋼熱加工后的流線 b） 航空某發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)盤970鍛后空冷的低倍流線圖4 典型的熱加工流線熱塑性變形形成的纖維組織也金屬的性能表現(xiàn)西戶各向異性，表2為45鋼(軋制空冷狀態(tài))的力學(xué)性能與流紋方向關(guān)系。1）縱向（平行纖維方向），韌、塑性增加；2）橫向（垂直于纖維方向），韌、塑性降低但抗剪切能力顯著增強(qiáng)。表2 45鋼(扎制空冷狀態(tài))的力學(xué)性能與流紋方向關(guān)系取樣方向b/MPab/MPa/%/%Ak/J平行流紋方向71547017.562.849.6垂直流紋方向675440103124因此，熱加工時(shí)應(yīng)力求工件的流線連續(xù)合理分布，盡量使流線方向與工件工

8、作時(shí)所承受的最大拉應(yīng)力方向一致，而與外加切應(yīng)力或沖擊力的方向相垂直。如圖5所示為吊鉤中的流線分布情況，其中圖（a）中的流線沿吊鉤外形輪廓連續(xù)分布，所以較為合理，承載能力大，而圖（b）所示的是直接采用型材切削加工制成的零件，其流線被切斷，使零件的輪廓與流線方向不符，力學(xué)性能降低。必須指出，僅僅通過(guò)熱處理的方法是不能改變或消除工件中的流線分布的，而只能通過(guò)熱塑性變形來(lái)改善流線的分布情況。a） 合理 b） 不合理圖5 吊鉤中的流線分布4.破碎和改善碳化物分布 高速鋼、高鉻鋼、高碳工具鋼等，其內(nèi)部含有大量的碳化物。通過(guò)鍛造或軋制，可使這些碳化物被打碎、并均勻分布，從而改善了它們對(duì)金屬基體的削弱作用。圖6為高速鋼W18Cr4V的鍛前和鍛后組織對(duì)比，從圖中可以看出鍛前粗大的魚骨狀碳化物被打碎，均勻地分布在金屬基體上。細(xì)小均勻分布的碳化物會(huì)使金屬的使用性能大大改善。a） W18Cr4V鑄態(tài)組織´420 b） W18Cr4V鍛造組織 ´210圖6 高速鋼W18Cr4V的鍛前和鍛后組織對(duì)比由以上可知，通過(guò)熱加工可是鑄態(tài)金屬的組織和性能得到明顯改