金属热加工原理11-5.ppt

1 合金的塑性变形与纯金属的变形基本一致 只是由于合金元素的加入而使金属晶体结构发生了变化 从而改变了基体金属的变形拉力 使材料机械性能发生了显著变化 这对工程上的塑性加工和强化金属有重大意义 合金元素在金属基体中的存在形式有两种一是形成固溶体 二是形成第二相 与基体组成机械混合物 11 5合金的塑性变形 2 由于异类原子 溶质原子 的存在 使合金塑性变形抗力大大提高 表现为强度 硬度增加 塑性 韧性下降 这种现象称为固溶强化 3 b 溶质原子小于溶剂的置换固溶体溶质原子 a 溶质原子大于溶剂的置换固溶体原子 c 间隙固溶体原子在位错附近的分布 4 固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动 溶质原子与位错弹性交互作用的结果 使溶质原子趋于聚集在位错的周围 以减小畸变 使系统更加稳定 此即称为柯氏 cotrell 气团 柯氏气团对位错有 钉扎 作用 为了使位错挣脱气团而运动 必须施加更大的外力 因此 固溶体合金的塑性变形抗力要高于纯金属 5 利用位错与溶质原子的弹性交互作用 可以解释某些固溶体合金中的上 下屈服点现象和应变时效现象 在低碳钢的应力 应变曲线中出现了明显的屈服点 称为上屈服点 后 应力突然下降到一个较低的值 下屈服点 此后试样继续伸长 而应力保持不变 即发生屈服伸长 6 当第二相比基体硬 但塑性较好时 合金的变形行为和性能与两个相的体积分数有关 如H62黄铜的组织 如下图 多相合金的塑性变形 H62的铸态组织H62变形和退火后的组织 7 当第二相比较脆时 合金性能除与相的相对量有关外 主要还取决于脆性相的形状 分布等 如下图中灰口铸铁的组织 片状石墨 灰口铸铁 球状石墨 球墨铸铁 多相合金的塑性变形 8 又如钢中的渗碳体 当它呈连续网状分布在珠光体边界上时 使钢的脆性增大 若以片层状分布在珠光体中时 使钢的强度增大 含碳1 2 的钢缓冷后的组织珠光体组织形态 多相合金的塑性变形 9 当第二相颗粒非常细小 弥散地分布在基体相中时 合金的变形抗力很大 强度将显著提高 通常 当第二相粒子的尺寸达到某一临界值时 强化作用最大 而尺寸过大或过小 合金的强度均有所下降 强化机制有两种 位错绕过机制及位错切过机制 黄铜中围绕着Al2O3粒子的位错环 透射电镜像 在Ni Cr Al合金中位错切过Ni3Al粒子 透射电镜像 多相合金的塑性变形 10 11 6冷塑性变形金属加热时的组织变化与储藏能 塑性变形后的金属发生组织改变 产生了大量晶体缺陷 同时 变形金属中还储存了相当数量的弹性畸变能 因此冷加工金属的组织和性能处于亚稳定状态室温下 原子扩散能力低 这种亚稳状态可一直维持下去 如果把冷变形金属进行加热 就会发生组织结构和性能的变化储藏能是促使冷变形金属发生变化的驱动力根据冷变形金属加热时加热温度的不同 从储能释放及组织结构和性能的变化来分析 将发生回复 再结晶及晶粒长大过程经塑性变形后的金属再进行加热的过程称之为 退火 11 一 冷变形金属退火时的组织变化 再结晶阶段先出现新的无畸变的核心 然后长大 直到完全改组为新的 无畸变的细等轴晶粒 回复阶段组织几乎没有变化 晶粒仍是冷变形后的纤维状 晶粒长大阶段新晶粒互相吞并而长大 12 H68黄铜退火组织 冷轧后退火 组织完全恢复 120 x 6 9mm轧到1 0mm 83 轧制后晶粒拉长 破坏 出现大量滑移带 形成纤维组织 120 x 13 二 储藏能 金属在塑性变形时所消耗的大量能量 除绝大部分转化为热以外 尚有一小部分以储能的形式保留在金属之中储能的主要形式是弹性应变能和点缺陷 位错储能是回复和再结晶的驱动力 在回复和再结晶阶段全部释放出来按材料种类的不同 储能释放曲线A B C三种形式 14 冷变形材料退火时储能的释放 A 纯金属B 不纯的金属C 合金 15 冷变形材料退火时储能的释放 纯金属 不纯的金属和合金共同特点是每一曲线都出现一高峰 这个高峰出现的位置对应于再结晶开始的温度 在此之前 只发生回复在回复阶段 A 纯金属 型曲线储能释放少 C型曲线储能释放多 B型曲线则介乎二者之间这种差别是由于杂质原子和合金元素阻碍再结晶的形核和长大 推迟再结晶过程 从而使不纯金属和合金中的储能在再结晶开始以前能通过回复而较多地释放出来 16 影响储藏能大小的因素 纯度 杂质增加 杂质原子阻碍位错运动 促进位错增殖 固溶强化 2 晶粒尺寸 尺寸大 晶界面积大 使晶界位错的交互作用大 位错密度增加3 形变 形变量和形变速度越大 畸变大4 温度 温度低 位错可动性小 且不利于能量的释放 储藏能E 17 冷变形金属退火时某些性能的变化 电阻率在回复阶段已有明显下降 到再结晶开始时下降更快 最后恢复到变形前的电阻强度与硬度在回复阶段下降不多 到再结晶开始后 硬度一般急剧下降 材料的密度随退火温度升高而逐渐增加内应力在回复阶段也明显降低 18 一 回复过程的特征 1 回复过程中组织不发生变化 2 宏观一类应力全部消除 微观二类应力部分消除 3 力学性能变化很小 电阻率显著降低 密度增加 4 变形储存的能量部分释放 二 回复过程机制 低温回复 0 1 0 3 Tm 低温回复阶段主要是空位浓度明显降低 原因 1 空位迁移到金属表面或晶界而消失 2 空位与间隙原子结合而消失 3 空位与位错交互作用而消失 4 空位聚集成片 晶体崩塌而转变成位错环 11 7回复 19 中温回复 此阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消 位错密度有所降低 但降幅不大 所以力学性能只有很少恢复 高温回复 高温回复的主要机制为多边化 由于同号刃位错的塞积而导致晶体点阵弯曲 在退火过程中通过刃型位错的攀移和滑移 使同号刃型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亚晶界 此过程称为多边 形 化 0 3 0 5 Tm 0 5 Tm 20 21 三 回复动力学 回复是指冷变形金属加热时 在新的无畸变晶粒出现之前 所产生的亚结构与性能变化的过程 回复动力学主要研究冷变形结束后 材料的性能向变形前回复的速率问题 回复动力学特点 1 回复过程没有孕育期 2 在一定温度下 初期的回复速率很大 以后逐渐变慢 直到最后回复速率为零 3 每一温度的回复程度都有一极限值 退火温度愈高 这个极限值也愈高 而达到此极限值所需时间则愈短 4 回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平 22 回复动力学特征可以用一方程式来描述设P为冷变形后在回复阶段发生变化的某种性能 P0为变形前该性能的值 P为冷变形产生缺陷所引起的该性能的增量则在回复前有 P P0 P设这个增量与晶体中晶体缺陷 空位 位错等 的体积浓度Cd成正比P P0 P P0 B Cd 23 在某一温度进行等温回复过程中 晶体缺陷的体积浓度将发生变化 伴随着性能P也发生变化 它们随时间的变化率为d P P0 dt BdCd dt 缺陷的运动 变化 是一个热激活的过程 假定其激活能为Q 按照化学动力学的方法dCd dt ACde Q RT 则d P P0 dt BACde Q RT 24 将式 代入得d P P0 P P0 ACde Q RT dt 积分得ln P P0 ACde Q RT t 式中A C为常数 此式表示回复阶段性能随时间而衰减 并遵从指数规律 25 同一变形程度的多晶体铁在不同温度退火时 屈服应力的回复动力学曲线 26 假若在不同温度下回复退火 让性能都达到同一P值时 所需时间显然是不同的测量出几个温度下回复到相同P值所需的时间 利用式 并取对