3講冷熱加工組織變化

金屬塑性變形理論

Theoryofmetalplasticdeformation

第三講LessonThree張貴杰ZhangGuijieTel-Mail：zhguijie@河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan0630099/17/20231第三章塑性加工時(shí)組織性能的變化

主要內(nèi)容MainContent冷加工時(shí)組織性能的變化熱加工時(shí)組織性能的變化9/17/202323.1冷加工變形中組織性能的變化顯微組織的變化纖維組織亞結(jié)構(gòu)變形織構(gòu)

金屬性能的變化機(jī)械性能變化物理化學(xué)性能變化9/17/202333.1.1顯微組織的變化纖維組織

多晶體金屬經(jīng)冷變形后，用光學(xué)顯微鏡觀察拋光與浸蝕后的試樣，會(huì)發(fā)現(xiàn)原來等軸的晶粒沿著主變形的方向被拉長。變形量越大，拉長的越顯著。當(dāng)變形且很大時(shí)，各個(gè)晶粒已不能很清楚地辨別開來，呈現(xiàn)纖維狀，故稱纖維組織。

9/17/20234纖維組織的形成過程9/17/20235冷軋前后晶粒形狀變化(a)變形前的退火狀態(tài)組織(b)變形后的冷軋變形組織9/17/202363.1.1顯微組織的變化亞結(jié)構(gòu)在變形量大而且層錯(cuò)能較高的金屬中，位錯(cuò)的分布是很不均勻的。紛亂的位錯(cuò)糾結(jié)起來，形成位錯(cuò)纏結(jié)的高位錯(cuò)密度區(qū)(約比平均位錯(cuò)密度高五倍)，將位錯(cuò)密度低的部分分隔開來，好像在一個(gè)晶粒的內(nèi)部又出現(xiàn)許多“小晶?！彼频模皇撬鼈兊娜∠虿畈淮?幾度到幾分)，這種結(jié)構(gòu)稱為胞狀亞結(jié)構(gòu)。

9/17/20237多晶體Fe冷軋后的胞狀亞結(jié)構(gòu)，x6850(a)變形量16％；(b)變形量70％9/17/20238銅中的形變亞結(jié)構(gòu)圖中白色部分為低位錯(cuò)密度的亞晶，黑色區(qū)域?yàn)楦呶诲e(cuò)密度的亞晶界9/17/202393.1.1顯微組織的變化變形織構(gòu)多晶體塑性變形時(shí)，各個(gè)晶?；频耐瑫r(shí)，也伴隨有晶體取向相對(duì)于外力有規(guī)律的轉(zhuǎn)動(dòng)過程。盡管由于晶界的聯(lián)系，這種轉(zhuǎn)動(dòng)受到一定的約束，但當(dāng)變形量較大時(shí)，原來為任意取向的各個(gè)晶粒也會(huì)逐漸調(diào)整，引起多晶體中晶粒方位出現(xiàn)一定程度的有序化。這種多晶體由原來取向雜亂排列的晶粒，變成各晶粒取向大體趨于一致的過程叫做“擇優(yōu)取向”。具有擇優(yōu)取向的晶體組織稱為“變形織構(gòu)”。9/17/202310絲織構(gòu)絲織構(gòu)系在拉拔和擠壓加工中形成。這種加工都是在軸對(duì)稱情況下變形，其主變形圖為兩向壓縮，一向拉伸。變形后晶粒有一共同晶向趨向與最大主變形方向平行。以此晶向來表示絲織構(gòu)。9/17/202311試驗(yàn)表明，對(duì)于面心立方金屬如金、銀、銅、鋁、鎳等，經(jīng)較大變形程度的拉拔后，所獲得的絲織構(gòu)為<111>和<100>。對(duì)于面心立方金屬，絲織構(gòu)與金屬的堆垛層錯(cuò)能有關(guān)。層錯(cuò)能越高的金屬，[111]絲織構(gòu)越強(qiáng)烈。對(duì)于體心立方金屬，不論成分如何，其絲織構(gòu)是相同的。如經(jīng)過拉拔的α鐵、銅、鎢等金屬都具有[110]絲織構(gòu)。9/17/2023129/17/2023139/17/202314板織構(gòu)板織構(gòu)是在軋制或者寬展很小的矩形件鐓粗時(shí)形成。其特征是各個(gè)晶粒的某一晶向趨向于與軋向平行，某一晶面趨向于與軋制平面平行。因此板織構(gòu)用其晶面和晶向共同表示。9/17/202315軋制過程中擇優(yōu)取向的形成各晶粒中的“→”表示某晶向(a)、(b)、(c)分別表示軋制前、軋制時(shí)與軋制后的晶粒取向9/17/202316板織構(gòu)示意圖(a)軋制前(b)軋制后9/17/2023179/17/202318織構(gòu)不是描述晶粒的形狀，而是描述多晶體中的晶體取向的特征。應(yīng)當(dāng)指出，若使變形金屬中的每個(gè)晶粒都轉(zhuǎn)到上述所給出織構(gòu)的晶向和晶面，這只是一種理想情況。實(shí)際上變形金屬的晶粒取向只能是趨向于這種織構(gòu)，一般是隨著變形程度的增加，趨向于這種取向的晶粒越多，這種織構(gòu)就越完整。織構(gòu)可用x射線衍射的方法來測定。9/17/2023193.1.2金屬性能的變化機(jī)械性能的變化1）加工硬化2）各向異性物理化學(xué)性能的變化1）金屬密度的變化2）導(dǎo)電性的變化3）耐蝕性能的變化4）導(dǎo)熱性降低5）改變磁性

9/17/202320加工硬化金屬材料經(jīng)冷加工變形后，強(qiáng)度（硬度）顯著提高，而塑性則很快下降，即產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象。加工硬化是金屬材料的一項(xiàng)重要特性，可被用作強(qiáng)化金屬的途徑。特別是對(duì)那些不能通過熱處理強(qiáng)化的材料如純金屬，以及某些合金，如奧氏體不銹鋼等，主要是借冷加工實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的。9/17/202321單晶體的切應(yīng)力一應(yīng)變曲線顯示塑性變形的三個(gè)階段9/17/202322Ⅰ階段——易滑移階段：當(dāng)t達(dá)到晶體的

c后，應(yīng)力增加不多，便能產(chǎn)生相當(dāng)大的變形。此段接近于直線，其斜率

，即加工硬化率低，一般

為～10-4G數(shù)量級(jí)（G為材料的切變模量）。Ⅱ階段——線性硬化階段：隨著應(yīng)變量增加，應(yīng)力線性增長，此段也呈直線，且斜率較大，加工硬化十分顯著，

Ⅱ≈G/300，近乎常數(shù)。Ⅲ階段——拋物線型硬化階段：隨應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力上升緩慢，呈拋物線型，

Ⅲ逐漸下降。9/17/202323三種典型晶體結(jié)構(gòu)金屬單晶體的硬化曲線

其中面心立方和體心立方晶體顯示出典型的三階段，至于密排六方金屬單晶體的第Ⅰ階段通常很長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他結(jié)構(gòu)的晶體，以致于第Ⅱ階段還未充分發(fā)展時(shí)試樣就已經(jīng)斷裂了。9/17/202324單晶與多晶的應(yīng)力一應(yīng)變曲線比較（室溫）（a）Al（b）Cu9/17/202325多晶體的塑性變形由于晶界的阻礙作用和晶粒之間的協(xié)調(diào)配合要求，各晶粒不可能以單一滑移系動(dòng)作而必然有多組滑移系同時(shí)作用，因此多晶體的應(yīng)力一應(yīng)變曲線不會(huì)出現(xiàn)單晶曲線的第I階段，而且其硬化曲線通常更陡，細(xì)晶粒多晶體在變形開始階段尤為明顯9/17/202326從改善金屬材料性能的角度來看，加工硬化是主要的手段之一。特別是對(duì)那些用一般熱處理手段無法使其強(qiáng)化的無相變的金屬材料，形變硬化是更加重要的強(qiáng)化手段。加工硬化也有其不利的一面，如在冷軋、冷拔等冷加工過程中由于變形抗力的升高和塑性的下降，往往使繼續(xù)加工發(fā)生困難，需在工藝過程中增加退火工序。9/17/202327各向異性金屬材料經(jīng)塑性變形以后，不同加工方式，會(huì)出現(xiàn)不同類型的織構(gòu)。由于織構(gòu)的存在而導(dǎo)致制品在不同方向上性能的差異出現(xiàn)各向異性。9/17/202328具有各向同性的金屬板材，經(jīng)深沖后，沖杯邊緣通常是比較平整的。具有織構(gòu)的板材沖杯的邊緣則出現(xiàn)高低下平的波浪形。把具有波浪形凸起的部份稱為“制耳”。把由于織構(gòu)而產(chǎn)生的制耳現(xiàn)象稱為“制耳效應(yīng)”。沖壓后制品如產(chǎn)生制耳，必須切除。這樣不僅增加了金屬的損耗和切邊工序，而且還會(huì)因各向異性使沖壓件產(chǎn)生壁厚不均，影響生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在生產(chǎn)上，必須設(shè)法避免“制耳效應(yīng)”的發(fā)生9/17/202329深沖件上的制耳9/17/202330金屬密度的變化冷變形后，在晶內(nèi)或晶間出現(xiàn)了顯微裂紋、裂口和空洞等缺陷，使金屬的密度降低，如圖所示，青銅退火后密度為8.915克／厘米3，經(jīng)80%冷變形后其密度降至8.886克／厘米3。相應(yīng)的銅的密度由8.905克／厘米3降至8.89克／厘米3。變形程度與密度的關(guān)系（1）青銅（2）銅9/17/202331導(dǎo)電性的變化一般來說，金屬隨著冷變形程度的增加位錯(cuò)密度增加，點(diǎn)陣發(fā)生畸變會(huì)使電阻增高。例如，冷變形量達(dá)到82％的銅絲，比電阻增加2％；冷變形99％的鎢絲，比電阻增加50％但有時(shí)隨著冷變形程度的增加，電阻不但不升高反而顯著降低。比如冷拔鋼絲。這是因?yàn)槠瑺钪楣怏w取向于鋼絲的軸向，這是由于有向性所引起的電阻降低超過基體冷加工所引起的電阻升高所致。冷變形還會(huì)使晶間物質(zhì)破壞，使晶粒彼此接觸也可減少電阻增加導(dǎo)電性。所以冷變形對(duì)導(dǎo)電性的影響應(yīng)綜合考慮。9/17/202332耐蝕性能的變化冷變形后，金屬的殘余應(yīng)力和內(nèi)能增加，從而使化學(xué)不穩(wěn)定性增加，耐蝕性能降低。例如，冷變形的純鐵在酸中的溶解速度要比退火狀態(tài)快；冷變形所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力是造成的金屬腐蝕(“應(yīng)力腐蝕”)的一個(gè)重要原因，在實(shí)際應(yīng)用中是相當(dāng)普遍而又嚴(yán)重的問題。例如，冷加工后的黃銅，由于存在內(nèi)應(yīng)力，在氨氣、銨鹽、汞蒸氣以及海水中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕破裂(又稱“季節(jié)病”)；高壓鍋爐、鉚釘發(fā)生的腐蝕破裂等等。應(yīng)力腐蝕的主要防止方法就是退火，消除內(nèi)應(yīng)力。9/17/202333導(dǎo)熱性和磁性的改變冷變形還會(huì)使金屬的導(dǎo)熱性降低。如銅冷變形后，其導(dǎo)熱性降低到78%。冷變形還可以改變磁性。如鋅和銅，冷變形后可減少其抗磁性。高度冷加工后，銅可以變?yōu)轫槾判缘慕饘佟?duì)順磁性金屬冷變形會(huì)降低磁化敏感性等等。9/17/2023343.2熱加工變形中組織性能的變化熱加工變形的特點(diǎn)

金屬組織的變化

金屬性能的變化

9/17/202335熱加工變形的特點(diǎn)金屬的熱加工與冷加工相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：熱加工時(shí)金屬的塑性好，斷裂傾向小，可采用較大的變形量；因?yàn)樽冃螠囟壬吆?，由于完全再結(jié)晶使加工硬化消除，在斷裂與愈合的過程中使愈合加速以及為具有擴(kuò)散性質(zhì)的塑性機(jī)制的同時(shí)作用創(chuàng)造了條件。熱加工時(shí)，變形抗力低，塑性高，變形達(dá)到需要尺寸時(shí)，所消耗的能量少。因?yàn)樵诟邷貢r(shí)，原子的運(yùn)動(dòng)及熱振動(dòng)增強(qiáng)，擴(kuò)散過程和溶解過程加速，使金屬的臨界切應(yīng)力降低；許多金屬的滑移系統(tǒng)數(shù)目增多，使變形更為協(xié)調(diào)；加工硬化現(xiàn)象因再結(jié)晶完全而被消除。熱加工變形量大且不需要像冷加工那樣要輔以中間退火，因而流程短，效率高。9/17/202336熱加工可使室溫下不能進(jìn)行塑性加工的金屬(如鈦、鎂、鉬及鎳基超合金等)進(jìn)行加工；熱加工作為開坯，可以改善粗大的鑄造組織，使疏松和微小裂紋愈合；熱加工的金屬組織與性能，可以通過不同熱加工溫度、變形程度、變形速度、冷卻速度和道次間隙時(shí)間等加以控制。與冷加工相比較，熱加工變形一般不易產(chǎn)生織構(gòu)。這是由于在高溫下發(fā)生滑移的系統(tǒng)較多，使滑移面和滑移方向不斷發(fā)生變化。因此，在熱加工工件中的擇優(yōu)取向或方向性小。9/17/202337熱加工在實(shí)際生產(chǎn)上，尚有如下不足：熱加工需要加熱，不如冷加工簡單易行；熱加工制品的組織與性能不如冷加工均勻和易于控制；溫度的均勻性控制差。熱加工制品不如冷加工制品尺寸精確、表面光潔；有氧化鐵皮和冷卻收縮。薄或細(xì)的加工制品，由于溫降快，尺寸精度差，不易采用熱加工。9/17/202338從提高鋼材的強(qiáng)度來看，熱加工不及冷加工。因?yàn)闊峒庸r(shí)由于溫度的作用使金屬軟化。有些金屬不宜進(jìn)行熱加工。例如，在一般的鋼中含有較多的FeS，或在銅中含有Bi時(shí)，在熱加工中由于晶界上由這些雜質(zhì)所組成的低熔點(diǎn)共晶體發(fā)生熔化，使晶間的結(jié)合遭到破壞，而引起金屬斷裂。9/17/202339熱加工與冷加工的主要區(qū)別金屬在熱加工時(shí)，硬化(加工硬化)和軟化(回復(fù)與再結(jié)晶)兩種對(duì)抗過程同時(shí)出現(xiàn)。在熱加工中，由于軟化作用可以抵消和超過硬化作用，故無加工硬化效應(yīng)，而冷加工則與此相反，有明顯的加工硬化效應(yīng)。9/17/202340金屬組織及性能的變化熱加工雖然不能引起加工硬化，但它能使金屬的組織和性能發(fā)生顯著的變化。熱加工變形可認(rèn)為是加工硬化和再結(jié)晶兩個(gè)過程的相互重疊。在此過程中由于再結(jié)晶能充分進(jìn)行和在變形時(shí)靠三向壓應(yīng)力狀態(tài)等因素的作用，可以使金屬產(chǎn)生如下的變化：9/17/202341(1)鑄態(tài)金屬組織中的縮孔、疏松、空隙、氣泡等缺陷得到壓密或焊合。金屬在變形中由于加工硬化所造成的不致密現(xiàn)象，也隨著再結(jié)晶的進(jìn)行而恢復(fù)。(2)在熱加工變形中可使晶粒細(xì)化和夾雜物破碎。9/17/202342(3)形成纖維組織也是熱加工變形的一個(gè)重要特征。鑄態(tài)金屬在熱加工變形中所形成的纖維組織與金屬在冷加工變形中由于晶粒被拉長所形成的纖維組織不同。前者是由于鑄態(tài)組織中晶界上的非溶物質(zhì)的拉長所造成。9/17/202343由于纖維組織的出現(xiàn)，使變形金屬在縱向和橫向具有不同的力學(xué)性能。在生產(chǎn)實(shí)際中為利用纖維組織使金屬具有方向性這一特點(diǎn)，可設(shè)法使纖維組織所形成的流線在工件內(nèi)有更為適宜的分布。如圖（a）所示。（a）（b）