力学冶金课件7.ppt

5成品的性能：,5.1成品的组织性能及控制方法成品的性能:：力学，物理，化学性能；性能的分类：使用性能产品性能屈服强度工艺性能深加工性能可加工性控制：设备,工艺,结构,性能,5.1.1冷加工特点及产品性能,（1）产品组织结构：位错的密度要增加；位错胞状结构；空位增多；自由能较冷塑性变形前为高；晶粒顺着拉伸方向伸长；压缩时，晶粒被压成扁平状；第二相或者有夹杂物偏聚时，变形后会引起这些偏聚区域的伸长而形成带状组织；形成形变织构；变形后材料内部还有残余内应力存在；产生微裂纹，甚至宏观裂纹等。,（2）产品的性能,力学性能的变化体现在：冷加工后，金属材料的强度指标（比例极限、弹性极限、屈服极限、强度极限、硬度）增加，塑性指标（面缩率、延伸率等）降低，韧性也降低了。此外，随着变形程度的增加，还可能产生力学性能的方向性。物理、化学性能也发生明显变化：在晶间和晶内产生微观裂纹和空隙以及点阵缺陷，因而密度降低，导热、导电、导磁性能降低。同样原因，使金属材料的化学稳定性降低，耐腐蚀性能降低，溶解性增加。,(3)冷变形金属的回复阶段,回复过程中，金属会释放出冷塑性变形过程所贮能量的一部分。残余内应力会降低或消除，电阻率、硬度、强度会降低，密度、塑性、韧性等会提高。回复退火在生产中主要用作去内应力退火，使冷加工的金属件，在基本保持加工硬化的条件下降低其内应力，以避免变形和开裂，改善工件的耐蚀性。预先形变热处理工艺中，低温变形后进行的中间回火，也是一种回复性质的处理。其目的是为了得到比较稳定的位错（亚晶组织），在进行快速淬火加热和最后的回火处理后，仍能够保持良好的形变强化的效果。,5.1.2热变形过程中金属组织结构和性能的变化,热变形的特点：与其它加工方法相比，热加工所具有优点是：1）处于热变形时的金属，其变形抗力低，因此能量消耗少。2）金属在热加工变形时，在加工硬化的同时，也存在着回复或再结晶的软化过程，使塑性变形容易进行。一般情况下其塑性、韧性好，产生断裂的倾向性减少。同时，高温下原子的热激活能力提高，使金属中密闭的空洞、气泡、裂纹等缺陷易于在形变中焊合。3）与冷加工相比，热加工变形一般不易产生织构。这是由于在高温下发生滑移的系统比较多，使滑移面和滑移方向不断发生变化，因此，工件的择优取向性较小。4）生产过程中，不需要像冷加工那样的中间退火，从而可简化生产工序，提高生产率，降低成本。5）通过控制热加工过程，可以在很大程度上改变金属材料的组织结构以满足各种性能的要求。,不足之处主要是：,1）对过薄或过细的工件，由于散热较快，生产中保持热加工温度困难。因此，目前生产薄的或细的金属材料，一般仍采用冷加工（冷轧、冷拉）的方法。2）热加工后工件的表面不如冷加工生产的光洁，尺寸也不如冷加工生产的精确。3）由于在热加工结束时，产品内的温度难于均匀一致，温度偏高处晶粒尺寸要大一些，特别是大断面的情况下更为突出。因此，热加工后产品的组织、性能常常不如冷加工的均匀。4）热加工金属材料的强度比冷加工的低。5）某些金属材料不宜热加工。例如铜中含Bi时，它们的低熔点杂质分布在晶界上，热加工会引起晶间断裂。,（2）金属组织结构和性能的变化,金属组织结构和性能的变化改造铸态组织铸态金属组织中的缩孔、疏松、空隙、气泡等缺陷等得到压缩式焊合，铸态组织的物理、化学和结晶学方面的不均匀性会得到改造。细化晶粒和破碎夹杂物热变形中形成的纤维组织：形成带状组织；形成网状组织,（3）金属在热变形过程中的特点：,图13-13连续动态再结晶与间断动态再结晶应力应变曲线,（4）金属在热变形后特点：,图13-14奥氏体在热加工间隔时间内应力-应变曲线的变化,软化百分数:,图13-150.68%C钢在780热变形的应力-应变曲线,5.2材料的各向异性,5.2.1织构的基本概念及表示方法择优取向：这种某种晶面或晶向优先集中在某个方向上排列的现象织构：具有择优取向的金属多晶体组织。织构的表示方法：常用有极图和反极图，腐蚀坑法，此外还有取向分布函数。丝织构:晶向平行于拉力轴的织构板织构轧制织构:晶面平行于轧面,晶向平行于轧向的择优取向组织.,极射投影,高斯织构,5.2.2织构的应用及控制,(1)织构与机械性能各向异性(2)织构与磁晶各向异性,(1)织构与机械性能各向异性,体心立方晶体：强度最强次强最弱冲压成形性：垂直各向异性r值平面各向同性r值稳定延伸：n值,分别是沿轧制方向；沿板的宽度方向的值；沿与轧制方向成45角方向上的值。,111，111混合织构为好,(2)织构与磁晶各向异性,1）织构在变压器上的应用,利用磁晶各向异性在制造变压器铁心和电机的转子时，选用合适的织构来提高铁磁材料的性能，使生产出来的产品重量轻体积小、电耗少、效率高。,A高斯织构的应用,B立方织构的应用,高斯织构,高斯织构硅钢片具有110织构，即具有110晶面平行于轧面，晶向平行于轧向。用这种材料制作变压器时，使晶向（即轧制方向）顺磁路排列时，就可以在相同磁场强度下得到较大的磁感应强度，磁路的磁阻最小，磁通量最大。,2）织构在电机上的应用,冲制电机铁芯的硅钢片，要求板平面各向同性，电机转动才能平稳。而且在板平面上还要没有难磁化的晶向。一般选用两种织构：A100织构：在100平面内，与轧向平行的晶向是任意的，混乱的，材料的各向同性好；在100平面内不存在难磁化的晶向。所以可以满足电机铁芯的要求。B111织构：111晶面平行于板平面，晶向平行于轧向的择优取向组织。在111晶面内没有晶向，所以在板平面上不存在难磁化的晶向。在111晶面内，晶向与晶向间夹角只有30度，粗略的认为在111晶面上是各向同性的。,(3)织构形成的控制原则,1）高斯织构硅钢片实验证明高斯织构是在111形变织构的基体上发展起来的。获得具有高斯织构的硅钢片的标准生产工艺是:通过热轧得到厚度为2.5mm的薄板；然后冷轧到0.62-0.8mm；925980退火35min，使之脱碳及一次再结晶。冷轧至0.3-0.36mm；790845退火35min脱碳；再进行二次再结晶，然后在760820进行消除应力退火。,2）深冲低碳板的再结晶织构控制,为了保证深冲性能，需要r值2;最有利的织构是111，最不利的织构是100。铝脱氧的镇静钢是用于深冲成形的主要钢种之一。这种钢在冷轧后加热时，除了再结晶外还进行着过饱和固溶体的分解。08Al钢中析出铝的氮化物AlN，其过饱和固溶体的强烈的分解温度高于600。对于08Al钢板来说，为了阻止001组分发展，控制的工艺关键是再结晶退火时的加热速度要慢一些。在还未达到AlN强列析出温度时，111取向的再结晶核心在有利的条件下已经形成，并占有优势。就保证了111织构组分占有比001织构组分更大的比例，就得到了高的值。,轧制织构反极图,5.3应变时效,形变时效：为溶质原子的（C、N）重新钉扎作用的结果。变形停留一段时间后；在较高温度下加工，在变形过程中发生的-动态应变时效；对材料性能的影响：塑性降低，s强度增加。低碳钢在150350变形时，发生的蓝脆现象。,5.4残余应力,残余应力为外力去除后，存在以物体内的应力系。残余应力是由不均匀变形而产生的，一切引起不均匀变形的原因都会导致残余应力。,厚板轧制时的残于应力,残余应力的特点,残余应力是一种弹性应力。残余应力的最大值可以达到材料的屈服应力。为了解析的需要，可以把残余应力视同为普通的作用应力。因此，一个压缩的残余应力等效于减去作用的拉伸应力，一个拉伸的残余应力是叠加一个作用的拉伸应力。,残余应力的特点,方向：一般情况下，残余应力的符号与产生此应力的塑性变形的符号相反。存在于物体内的残余应力系统必须保持静态平衡，因此，作用于物体内任一平面上的合力和任意平面上的合力矩必须等于零。残余应力为三维的复杂的应力状态。,加热可以消除残余应力,金属含有残余应力可以通过加热金属到一定的温度使应力释放。在这个温度下，材料的屈服强度等于或小于残余应力的数值，因此，材料能够变形并释放应力。（蠕变变形就是重要的热应力释放）。,释放微量应变消除残余应力,不均匀的加热和冷却造成的不均匀膨胀或收缩也能产生残余应力。产生残余应力的应变也能通过室温下的塑性变形而显著减少。如冷拔棒、管材的残余应力可通过辊动矫直而释放，（即释放微量应变）。残余应力计算困难，通常用实验来确定。,残余应力的测定方法,解析方法的精确计算残余应力是困难的通常采用各种实验技术来确定它们。破坏性的：去除材料的一部分以便引起剩余部分应力的重新分布。通过切削圆柱体的一层或挖一个小孔以便放置应变仪测量应变的重新分布。,残余应力的测定方法,非破坏性的为x-射线法，确定应变材料内某一特定结晶平面的原子间距，通过比较有残余应力和应力释放的样品原子间距算出。,锻件的残余应力,由于不均匀变形导致锻件内产生的残余应力通常是十分小的，因为在热加工范围内的变形通常进行得充分。但是，锻钢件在热处理中进行淬火时会产生明显的残余应力和歪扭。,锻件的残余应力,大型锻钢件从热加工温度冷却时要特殊小心观察，大锻件容易产生小裂纹和截面中心处形成白点，白点与钢锭中通常有高含量的氢有关，它同残余应力的存在结合在一起。大锻件从热加工温度下冷却时必须十分缓慢，这些可通过把锻件埋在灰粉里几个星期进行控制冷却处理来实现。,5.5表面效应及疲劳,所有的疲劳破坏均开始于表面，对于许多普通的加载类型，如弯曲和扭转，其最大应力产生于表面上，因此，疲劳开始于表面。有充分的证明，疲劳性能对表面条件是十分敏感的。,影响疲劳试样的表面状态的因素大体上可分为三类：,1）表面粗糙度，或者表面应力集中2）表面金属的疲劳强度的变化3）表面金属的残余应力的变化,1）表面粗糙度,由于不同的机加工工艺而产生的不同的表面光洁度能够明显地影响到疲劳性能。经过光滑抛光的试样，其精细的痕迹（反应了应力集中状况）的位向平行于主拉伸应力的方向，在疲劳试验中给出最高的数值。,2）表面性能的改变,由于疲劳破坏是如此依赖于表面条件，因此，改变表面材料的疲劳强度的任何因素都将极大地改变这些疲劳性能。通过渗碳和渗氮使钢零件表面形成较硬和较强的表层将导致疲劳性能的明显改善。由于这些工艺、过程（渗碳、渗氮）使零件表面形成了有利的压缩残余应力。,2）表面性能的改变,不能够认为其疲劳性能的改善是唯一地由于表面形成高强度材料所致。渗碳和渗氮改善疲劳性的效果在弯曲和扭转而产生高度的应力梯度。对于缺口的疲劳试样。渗氮将会有最佳的疲劳性能的改善。强化的数量取决于零件的直径和表面硬化层的深度。,2）表面性能的改变,通过火焰硬化和诱导硬化也能产生渗碳和渗氮致使疲劳性能得到改善。表面硬化零件的疲劳的一般特征是，疲劳起源于硬层和软层的交界面上，而不是在表面上。,3）表面金属的残余应力,在表面形成一个有利的压缩的残余应力模型，也许是增加疲劳性能的最有效的方法。残余应力是作用在零件上的外力去除之后而残留下来的应力，在这里，仅讨论宏观的残余应力，它作用的区域比晶粒尺寸大。,3）表面金属的残余应力,讨论一个金属试样，由于受弯曲其表面产生拉伸的变形，产生拉伸塑性变形的部分，在卸载之后将有压缩的残余应力，而产生压缩边变形的部分，在外力去除之后将有拉伸的残余应力。可能产生的残余应力的最大值等于材料的弹性极限。,3）表面金属的残余应力,3）表面金属的残余应力,拉伸力的峰值由原来的表面移到试样的内部，峰值的大小取决于外力和残余应力分布的梯度，因此，在这种条件下，疲劳在次表面开始是可能的。,表面辊轧和喷丸,在表面上导入有利的压缩残余应力的主要工艺方法是进行表面辊轧和喷丸。虽然由于应变硬化产生在这个过程中而使金属的强度有某些变化，但是疲劳性能的改善主要是由于形成了表面压缩的残余应力。,表面辊轧和喷丸,表面辊轧：特别适合于大的零件，它经常使用在关键部位上，如曲轴和火车轴的轴承表面。,表面辊轧和喷丸,喷丸：是将细小的钢珠或铸铁球以高的速度喷射到零件的表面上，这种特别适用于大批生产的小尺寸的零件。喷丸产生的应力强度常常是通过测量喷丸束(称为AlmenStrips)的残余变形来控制；喷丸工艺的基本变量是喷丸的速度，丸的尺寸、形状及其硬度，通过小心的操作以保证在处理区域上有均匀的喷丸覆盖。通过小心地抛光喷丸的表面以减小表面粗糙度从而能增加疲劳性能的改善。,引入表面的压缩残余应力的其它方法：,渗碳、渗氮和诱发硬化导致冶金变化而伴随的体积变化所产生的应力。,5.6锻造缺陷,在锻造时:如果变形局限于表层，如同使用轻锻，快速锤锻;锻件内部的枝状铸锭组织,偏析，未能破坏;由于在太低的温度下表面过分变形的结果或者是热脆性的原因,产生的表面裂纹。在炉气中高含量的硫浓缩可在钢和镍中产生热脆。,锻造缺陷,在闭合模锻造时的飞边（flash）处的裂纹是另一种表面缺陷。因为这种裂纹在修整飞边之后通常渗透到锻件内部；冷闭合或折迭；在锻造时能产生附加拉伸应力，因此能产生裂纹。如锻造圆形件时，能产生内部裂纹，这是由于周向拉伸应力所致。,锻造流线,由锻造产生的变形，导致了显微组织在某种程度上的方向性，第二相和夹杂的取向为平行于最大变性的方向，在低倍下观察时，这种取向称为流线或纤维组织。纤维组织的存在是所有锻件的特征。,锻造流线,这种纤维组织不能称为缺陷；但是：这种纤维组织将导致较低的拉伸塑性和横方向的疲劳性能，为了达到锻件在轴向和横向塑性之间最佳的平衡，常、常需要把截面上的面缩率限制在5070%。,5.7、变形组织不均匀性,典型粱拄焊接T型结构的拘束应力导致钢板的层状撕裂,带状组织的消除,混晶组织的危害,CSP短流程生产X60（Nb）管线钢易出现的混晶组织,EffectofdeformationamountonDRXbehavior,Microstructuralevolutionofrecrystallizedausteniteat1000,0.1s-1,(a)=0.20(b)=0.38(c)=0.43(d)=0.93,MicrostructuresafterdeformedundertheconditionsofF1-F4(deformedto70%inF3,F4)（a）F1；（b）F2；（c）F3；（d）F4,17,轧制过程组织演变,Therewerelittleprecipitatesduringhotdeformation.AfterF1:minutequantityo