第16章--金属塑性变形对组织性能的影响

本章主要内容16.1冷变形中组织性能变化16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶16.4热变形过程中金属组织性能的变化16.5温加工变形中组织性能的变化,第十六章金属塑性变形对组织性能的影响,材料成形原理,16.1冷变形中组织性能变化,多晶金属冷变形等轴晶粒沿主变形方向拉长大变形量晶粒呈纤维状称纤维组织,变形前,变形后,1.显微组织的变化晶粒形状的变化,在轧制时，随着变形量的增加，原来的等轴晶粒沿延伸方向逐渐伸长，晶粒由多边形变为扁平状或长条形。变形量越大，晶粒伸长的程度也越显著。当变形量很大时，晶界变得模糊不清，各晶粒难以分辨，呈现出一片纤维状的条纹，通常称为纤维组织。,16.1冷变形中组织性能变化,2.显微组织的变化亚结构,16.1冷变形中组织性能变化,变形位错密度增加位错缠结高位错密度区将位错密度低的区域隔开晶粒内部出现“小晶粒”，取向差不大胞状亚结构。变形量越大，胞块数量越多，尺寸越小，之间的位向差越大。其形状随着晶粒形状的改变而变化，沿着变形方向逐渐拉长。,16.1冷变形中组织性能变化,3.显微组织的变化变形织构,杂乱排列的晶粒,通过变形,各晶粒取向大体趋于一致,为“择优取向”。具有择优取向的组织称为“变形织构”。,丝织构：在拉拔时形成，各晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或近于平行。,板织构：在轧制时形成，各晶粒的某一晶面平行轧制平面，某一晶向平行于轧制方向。,16.1冷变形中组织性能变化,织构的概念,常见金属的织构,16.1冷变形中组织性能变化,2性能的变化,金属在变形过程中随着变形程度的增加，强度和硬度明显增加，塑性迅速下降。,金属密度：裂纹对于顺磁性金属，则降低其对磁化的敏感性。,16.1冷变形中组织性能变化,耐蚀性能：冷变形残余应力温度越高,变形量越大孕育期越短;在体积分数为0.5时速率最大，然后减慢。,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,1再结晶温度：经严重冷变形（变形量70%）的金属或合金，在1h内能够完成再结晶的（再结晶体积分数95%）最低温度。高纯金属：T再(0.25-0.35)Tm。2经验公式工业纯金属：T再(0.35-0.45)Tm。合金：T再(0.4-0.9)Tm。(注：再结晶退火温度一般比上述温度高100200。)3影响再结晶温度的因素变形量,纯度,加热速度。,2.5再结晶温度,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,1退火温度。温度越高，再结晶速度越大。2变形量。变形量越大，再结晶温度越低；随变形量增大，再结晶温度趋于稳定；变形量低于一定值，再结晶不能进行。,2.6影响再结晶的因素,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,3原始晶粒尺寸。晶粒越小，驱动力越大；晶界越多，有利于形核。4微量溶质元素。阻碍位错和晶界的运动，不利于再结晶。5第二分散相。间距和直径都较大时，提高畸变能，并可作为形核核心，促进再结晶；直径和间距很小时，提高畸变能，但阻碍晶界迁移，阻碍再结晶。,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,2.7研究再结晶的方法,硬度法金相法x射线法透射电镜观察,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,硬度法,回复,再结晶,晶粒长大,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,金相法,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,X射线法,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,TEM观察,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,再结晶退火将冷变形金属加热到规定温度，并保温一定时间，然后缓慢冷却到室温的一种热处理工艺。恢复变形能力改善显微组织消除各向异性提高组织稳定性,2.8再结晶的应用,主要作用,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,3晶粒长大,再结晶刚刚完成时，一般得到的是细小的等轴晶粒，当温度继续升高或者进一步延长保温时间时，晶粒仍然可以继续长大。,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,3.1晶粒的正常长大,1正常长大：再结晶后的晶粒均匀连续的长大。2驱动力：界面能差。界面能越大，曲率半径越小，驱动力越大。(长大方向是指向曲率中心，而再结晶晶核的长大方向相反。),16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,3.1.1晶粒长大的规律,大晶粒吞并小晶粒,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,弯曲晶界平直化；三叉晶界120；晶界趋向六边形。,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,(1)温度。温度越高，晶界易迁移，晶粒易粗化。(2)分散相粒子。阻碍晶界迁移，不利晶粒长大。(3)杂质与合金元素。“气团作”钉扎晶界,不利于晶界移动。(4)晶粒位向差。小角度晶界的界面能小于大角度晶界，因而前者的移动速率低于后者。,3.1.2影响晶粒长大的因素,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,1异常长大:少数再结晶晶粒的急剧长大现象。(二次再结晶）2基本条件:正常晶粒长大过程被(第二分散相微粒、织构）强烈阻碍。3驱动力：界面能变化。,3.2晶粒的异常长大,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,钉扎晶界的第二相溶于基体。位向差大的晶界迁移。对组织和性能的影响各向异性优化磁导率降低强度和塑韧性提高表面粗糙度,机制,织构明显,晶粒粗大,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,缺点：粗大晶粒降低材料的机械性能。优点：硅钢片生产中，二次再结晶可获得高斯织构110和立方织构100，还可以利用二次再结晶制取单晶体。,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,形成机理:(1)选择长大认为在形变基体内存在着所有的晶核，在再结晶时，几乎同时开始成长。只有那些对于基体取向具有最大晶界迁移速度的晶核成长得快，而那些移动较慢的晶核，在再结晶时将被吞掉。最后形成以成长最快的晶核为择优取向的再结晶织构。(2)定向形核认为再结晶的核心同形变织构之间存在一定的晶体取向关系。这种具有特定取向的核心依靠吞并形变基体而成长，就形成了再结晶织构。,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,定向形核机制,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,332,111,111,选择长大机制,111,111,112,001,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,3.4再结晶退火后金属组织性能的控制,再结晶退火：将冷变形金属加热到规定温度，并保温一定时间，然后缓慢冷却到室温的一种热处理工艺。采用冷塑性变形和再结晶退火是获得细小晶粒的一个重要手段。退火后晶粒大小d取决于：冷变形量和退火温度T,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,再结晶晶粒细化的途径,降低金属纯度(杂质/合金元素）细化原始晶粒增加变形程度降低退火温度提高加热速度缩短加热时间,16.2冷变形金属在加热时的组织性能变化,16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶,热变形加工与冷变形加工的区别这两种变形加工的分界线是再结晶温度。冷变形加工：在再结晶温度之下进行的变形加工，变形的同时没有再结晶发生。热变形加工：在再结晶温度之上进行的变形加工。在变形的同时也进行着动态的再结晶，在变形后的冷却过程中，也继续发生再结晶。,冷变形加工：可以达到较高精度和较低的表面粗糙度，并有加工硬化的效果。但是，变形抗力大，一次变形量有限。冷变形加工多用于截面尺寸较小，要求表面粗糙度值低的零件和坯料。热变形加工：产品力学性能高；无加工硬化现象；产品尺寸精度有所下降。热变形加工多用于形状较复杂的零件毛坯及大件毛坯的锻造和热轧钢锭成钢材等。,冷变形加工和热变形加工的优缺点,16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶,热加工时，硬化过程与软化过程是同时进行的，按其特征不同，可分为下述五种形式：(1)动态回复(2)动态再结晶（1）、（2）在温度和负荷联合作用下发生。(3)亚动态再结晶(4)静态再结晶(5)静态回复（3）、（4）、（5）是在变形停止之后，即在无负荷作用下发生的。,16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶,动态回复：是指在热变形过程中，光学显微组织发生改变前(即在再结晶晶粒形成前)所产生的某些亚结构和性能的变化过程。动态再结晶：是指在再结晶温度以上的变形过程中，随着变形所产生的储存能的释放，应变能逐渐下降，新的无畸变的等轴晶粒的形成和长大过程。亚动态再结晶：除去变形外力后已发生动态再结晶的晶体不必经过任何孕育期可继续长大推移的现象.静态再结晶：只发生动态回复的形变晶体在变形后经过一定时间(道次间隔时间)重新形核长大.,16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶,16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶,1、动态回复,I,II,III,（1）真应力真应变曲线I微应变阶段II动态回复的初始阶段III稳态变形阶段,16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶,（2）组织结构变化,热加工后的晶粒沿变形方向伸长，同时，晶粒内部出现动态回复所形成的等轴亚晶粒。亚晶尺寸与稳态流变应力成反比，并随变形温度升高和变形速度降低而增大。,16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶,（3）动态回复的机制,动态回复的机制是位错的攀移和交滑移，攀移在动态回复中起主要的作用。层错能的高低是决定动态回复进行充分与否的关键因素。动态回复易在层错能高的金属，如铝及铝合金中发生。,16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶,（4）影响动态回复的因素,金属的点阵类型应变速率和温度溶质元素第二相原始亚结构,16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶,2动态再结晶,I,II,III,（1）真应力真应变曲线I加工硬化阶段（0c)II动态再结晶的初始阶段（cT再静态再结晶无畸变等轴晶粒,16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶,亚动态再结晶热变形过程中已形成但未长大的动态再结晶晶核变形后长大，引起软化，此过程称为亚动态再结晶。特点:无孕育期,影响因素:变形温度再结晶速度再结晶速度变形速率孕育期再结晶速度合金元素和杂质原子阻碍晶界迁移，延迟再结晶时间，细化晶粒。,16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶,热加工后的晶粒组织变化,I,II,III,IV,(b),(a),热加工,动态再结晶,静态回复,未再结晶,静态再结晶,亚动态再结晶,晶粒长大,晶粒长大,如果不发生动态再结晶，晶粒伸长（加工硬化），产生回复（II-a），则经过一定孕育期后，发生静态再结晶（III-a），再结晶结束后，晶粒长大。其特点是在晶粒长大过程中，晶粒都是均等长大，所以得到均匀的组织（IV-a），没有形成混晶组织。,16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶,静态再结晶,热加工过程静态再结晶过程模式图,在加热状态下，奥氏体晶粒粗大（a）；变形时，随着变形量增大，晶粒伸长（b），在各个伸长的晶粒内部因蓄积了由位错而引起的应变能；以此为形核驱动力，发生静态再结晶（C）；随晶核的长大，最后全部成为再结晶组织（d）；再结晶结束后，晶粒借助热能长大,16.3金属在热变形过程中的回复及再结晶,16.4热变形过程中金属组织性能的变化,（1）改善铸锭组织。气泡焊合、破碎碳化物、细化晶粒、降低偏析。提高强度、塑性、韧性。（2）在热加工变形中可使晶粒细化和夹杂物破碎（3）形成纤维组织（流线）。组织：枝晶、偏析、夹杂物沿变形方向呈纤维状分布。性能：各向异性。沿流线方向塑性和韧性提高明显（4）形成带状组织形成：两相合金变形或带状偏析被拉长。影响：各向异性。类似于流线组织。消除：