塑性成型原理2.ppt

第二章金属塑性变形的物理基础 思考 1 热加工对金属组织 性能影响 2 冷 热加工的区别 3 冷加工流线与热加工流线区别 4 板材经热加工后均为各向同性 5 叙述晶粒随着温度的升高而长大是一种必然现象 2 2金属在热态下的塑性变形 2 2冷变形金属在加热时组织和性能变化 塑性变形产生 金属经冷塑性变形其组织 结构和性能的变化 处于高自由能状态外加动力学条件 加热升温 金属就会自发地向着自由能降低的方向转变进行这种转变的过程称为回复和再结晶 变化结果 转变过程中金属的组织和性能都会发生不同程度的变化 直至恢复到冷变形前的原始状态 即变形金属的软化过程 回复 在加热温度较低时 因金属中点缺陷和位错的迁移而引起的某些晶内变化 称为回复 此时原子的活动能力不大 只能在微晶进行短程扩散 使得点缺陷和位错发生运动 从而改变它们的数量和分布 而金属晶粒的形状和大小并未发生明显的变化 回复温度 T 0 25 0 3T熔式中T T熔均以绝对温度表示 特征 通过回复虽然金属中晶格畸变降低 但晶粒外形并未发生改变 组织仍处于不稳定状态 因此经一定的塑性变形后 金属在强度 硬度和塑性等机械性能方面变化不大 而内应力 电阻率等理化性能降低 耐腐蚀性高 应用 生产中常利用回复消除加工硬化后工件的残余内应力 静态再结晶 进一步提高温度 晶粒的外形将发生变化 从变形的晶粒中通过形核 长大过程重新形成等轴细晶粒 这些细晶粒不断向周围变形金属中扩展 直到金属中变形晶粒完全消失 这个过程称为金属的再结晶过程 一般再结晶温度与金属的变形程度 金属的纯度和保温时间等因素有关 一般经验公式为 纯金属 T再 0 35 0 4T熔式中T再 T熔均以绝对温度表示 通过再结晶金属的微观组织发生了根本性变化 金属的强度 硬度显著下降 塑性及韧性显著提高 内应力和加工硬化得以消除 应用 例如 在冷轧 冷挤 冷拉 冷冲的过程中穿插再结晶退火 消除加工硬化 恢复金属材料的良好塑性 以利于后续的冷变形加工 再结晶的影响因素再结晶后的晶粒度对金属的性能由很大的影响 不仅影响到金属的强度和塑性 而且还影响金属的冲击韧性 影响金属晶粒度的主要因素有两个 加热温度 加热温度愈高 金属的晶粒便愈粗大 保温时间 延长加热时间 也会使晶粒粗大 原始晶粒 晶粒越细小 新晶粒越细小 金属变形度 变形度越大 再结晶后的晶粒愈细小 GH37镍基高温合金的动态再结晶图 再结晶全图 将加热温度 变形度两个因素对再结晶后晶粒度的影响绘制在一个坐标系中 称为再结晶全图 这对制订金属的加工变形与退火工艺起重要的参考作用 临界变形量2 10 晶粒长大变形金属在刚刚结束再结晶晶粒是比较细小 如果再结晶后不控制其加热温度 继续升温 晶粒便会长大 将降低金属的机械性能 二次再结晶 原来金属变形不均匀 经过再结晶后得到大小不均匀的晶粒 大小晶粒能量相差悬殊 容易发生大晶粒吞并小晶粒而愈长愈大的现象 得到异常粗大的晶粒 降低金属性能 这种不均匀急剧长大的现象 为帮助大家更好地理解和掌握加工硬化 回复 再结晶对金属组织和性能的影响 下面举例说明 例1 已知铅的熔点为327 钨的熔点为3380 问 铅在20 钨在1000 时变形各属哪种加工 为什么 解 T铅再 0 4T熔 0 4 327 273 240 K 33 20 故铅在20 属于热加工 T钨再 0 4T熔 0 4 3380 273 1461K 1188 1000 故钨在1000 属于冷加工 T钨回 0 25 0 3 T熔 913 1096 K 640 823 1000 故钨在1000 属于温变形 温变形 T回 T变 T再 冷变形 T变 T回 热变形 T变 T再 金属塑性变形过程 金属塑性变形后 晶粒的形状 尺寸将发生变化 晶粒间产生碎晶 晶格发生扭曲 增加了滑移阻力 从而产生所谓 加工硬化 现象 其标志是强度和硬度上升 而塑性和韧性下降 然而当继续经受加热时 原子运动加剧 金属内部错位的原子恢复正常排列 消除晶格扭曲 可使加工硬化部分消除 这一过程称之为 回复 绝对回复温度为金属绝对熔化温度的0 25 0 30倍 当金属温度继续升高到绝对熔化温度的0 4倍时 金属原子获得更高的热能 则开始以某些碎晶或杂质为核心生长成新的晶粒 进而消除了全部加工硬化现象 这个过程称为再结晶 当金属在高温下受力变形时 加工硬化过程和回复及再结晶过程是同时存在的 变形过程中的加工硬化会随时被再结晶所消除 塑性变形与内能变化影响 塑性变形与内能 晶粒大小 性能的关系 去应力退火将冷变形金属加热到再结晶温度以下的回复阶段 基本上消除内应力而保留加工硬化的热处理方法 例如 冷拉钢丝绕制弹簧 绕成后应在280 300 消除应力退火 使其定形 再结晶退火 将冷变形金属加热到再结晶温度以上 完成再结晶的过程 完全消除加工硬化的热处理方法 动态回复热加工变形温度在0 75 0 95T熔 即金属在高温塑性加工过程中进行的回复 动态回复主要是通过位错的攀移 交滑移等来实现的 动态回复是高层错能金属热变形过程中唯一的软化机制 例如铝及铝合金由于它们的层错能高 位错容易在滑移面间转移 而使异号位错相互抵消 结果使位错密度下降 畸变能降低 不足以达到动态再结晶所需的能量水平 因此这类金属在热塑性变形过程中 即使变形程度很大 变形温度远高于静态再结晶的温度 也只发生动态回复 而不发生动态再结晶 高温形变热处理当高温变形金属只发生动态回复时 其组织仍为亚晶组织 金属中的位错密度还相当高 若此时进行热处理 则能获得变形强化和热处理强化的双重效果 使工件具有更为良好的综合力学性能 例如 钢的高温形变淬火 动态再结晶 动态再结晶容易发生在层错能较低的金属发生较大变形量时 由于金属的层错能低 位错的交滑移和攀移不容易进行 材料局部区域将产生较高的位错密度差 容易发生动态再结晶 动态再结晶后的晶粒度与变形温度 应变速率和变形程度等因素有关 降低变形温度 提高应变速率和变形程度 会使动态再结晶后的晶粒变小 通过控制热加工变形时的温度 速度和变形量 就可以调整成形件的晶粒组织和力学性能 金属材料动 静态回复和再结晶示意图 热加工对金属组织和性能的影响 使金属组织晶粒细化 机械性能提高 再结晶并不是简单恢复到变形前组织的过程 通过控制变形与再结晶条件可以控制再结晶晶粒的大小和再结晶的体积分数 以达到改善 控制金属组织和性能的目的 提高金属组织致密度 铸态金属中疏松 空隙以及微裂纹等缺陷被压实 锻合 提高金属致密度 破碎碳化物与非金属夹杂物 碳化物破碎 均匀分布基体金属中 改善碳化物偏析 夹杂物变形 破碎 降低其有害作用 热加工产生纤维组织 金属中存在杂质 夹杂物 沿主变形方向形成纤维组织 热加工与冷加工的区别 两者加工温度不同热加工是再结晶温度以上 冷加工是再结晶温度以下进行 组织结构不同冷加工晶粒压扁拉长 位错密度