材料成型金属学ch07-1金属在塑性加工中组织与性能变化的基本规律

1、Chapter 7 Basic laws of microstructure and mechanical property variation in plastic working金属在塑性加工中组织与性能 变化的基本规律 7.1 金属在塑性加工中组织与性能金属在塑性加工中组织与性能变化的规律变化的规律Change of structure and property in cold forming7.1.1 金属在冷塑性加工中组织与性能的变化 v多晶金属冷变形等轴晶粒沿主变形方向拉长 v 大变形量晶粒呈纤维状称纤维组织 1. fiber structure 纤维组织 If we observ

2、e the sample after deformation, we can find that original equiaxial grains are elongated along the principle deformation direction. When the deformation is very large, the grains cannot be distinguished clearly. It looks like fiber, so it is called fiber tissue.2. Substructure 亚结构 deformation 变形 dis

3、location density 位错密度增加 dislocation tangles 位错缠结 高位错密度区将位错密度低的区域隔开 small grain 晶粒内部出现“小晶粒” ，取向差不大 cellular substructure胞状亚结构胞状亚结构.vdsub vsubgrain strengthening 亚晶强化 v 变形达到一定程度,变化减小。 3. deformation texture 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” （preferred orientation distribution）。 具有择优取的组织称为 “变形织构” （

4、deformation texture )。 Deformation texture appears in extrusion挤压, draw拉拔，forging锻造，rolling轧制。 Generally, deformation texture included fiber texture(丝织构)and plate texture(板织 构)。 丝织构丝织构 fiber texture 挤压drawing,拉拔extrusion 轴对称axisymmetric deformation 特定晶向/最大主变形方向.v板织构 plate texture v 轧制rolling 或者宽展很小的

5、矩形件镦粗 upsettingv 平面变形plane strainv 某一晶向/轧向某一晶面/轧面Preferred OrientationvAlso called crystallographic anisotropyvSlip planes tend to align themselves with the direction of deformationvmethod for measuring texture: x-ray diffraction x射线衍射 pole figures极图v random distribution of orientation无择优取向 v cube t

6、exture立方织构7.1.2. 力学性能的变化力学性能的变化change of mechanical properties 一. 加工硬化加工硬化 work hardening 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,塑性迅速下降的现象称为 单晶体 single crystal 加工硬化曲线曲线斜率=d/d,加工硬化率hardening ratio 剪切力c 塑性变形阶段 塑性变形阶段的曲线可分为三阶段： 易滑移阶段 线性硬化阶段 抛物线硬化阶段 .线性硬化阶段多系滑移multiple slip system 多系滑移位错反应位错塞积缠结胞状亚结构 必须加大外加切应力变形抗力

7、硬化率.抛物线硬化阶段交滑移cross slip 交滑移异号位错抵消位错密度硬化率 .易滑移阶段单系滑移singular slip 滑移线相互平行,一组滑移系开动,硬化率很小 .易滑移阶段单系滑移singular slip 滑移线相互平行,一组滑移系开动,硬化率很小lInfluencing factors: (1)晶体结构 h.c.p(如镁)一组滑移面 单系滑移硬化率 易滑移阶段 b.c.c. f.c.c滑移系较多 硬化率 对于多晶体polycrystal,多系滑移,无阶段,加工硬化率比较高.(2)层错能Q Q高(Al)扩展位错窄交滑移容易 短出现早 Q低(Cu) 与此相反(3) 晶粒尺寸 d

8、硬化-晶界阻碍变形(4)变形温度和变形速率 硬化hardening 软化 softening 此消彼长 室温：变形硬化 高温：温度变形硬化二.各向异性anisotropy 加工方式不同不同织构 不同方向上 性能的差异负面影响负面影响 negative effect 深冲 deep drawing “制耳效应”earing(a) Schematic illustration of a crack in sheet metal that has been subjected to bulging (caused by, for example, pushing a steel ball again

9、st the sheet). Note the orientation of the crack with respect to the rolling direction of the sheet; this sheet is anisotropic. (b) Aluminum sheet with a crack (vertical dark line at the center) developed in a bulge test; the rolling direction of the sheet was vertical. Source: J.S. Kallend, Illinoi

10、s Institute of Technology.(b)裂裂 纹纹 crackcrackv正面影响正面影响 positive effectv 磁性材料magnetic material 例:变压器用硅钢片 (110) 001 高斯取向v 100易磁化方向 沿轧制方向磁导率v 铁损 l控制织构 电解电容器铝箔 电容器容量 铝箔表面积容量 体积 选择浸蚀铝箔表面积 立方织构表面结构均匀整齐 浸蚀深度大 90% 强化作用强化作用 h.c.p. Ti (0001)织构 平面应力下强度高,可作抗压容器7.1.3 储存能储存能 stored energy 冷变形结束后，约10%能量以点缺陷位错层错的形式

11、储存在金属的内部,称为储存能Es。 (2) technological conditions工艺条件 加工硬化 Es 变形温度变形速度变形程度不均匀变形 储存能thermodynamically unstable factors: (1)intrinsic factor材料的内在因素 熔点 Tm Es 溶质原子/d Es 第二相/基体性质差异大 Es7.1.4. Changes of other mechanical properties一.Density金属密度 crack 裂纹&cavity 空洞density二. Electric conductivity 导电性 General

12、ly，dislocation density lattice distortion点阵畸变 electric resistance电阻 Internal stress(内应力) is the prime reason of corrosion ，so it is also called “stress corrosion”(应力腐蚀). 三. corrosion resistance耐蚀性能 Cold deformation冷变形 residual stress残余应力&Internal energy chemical stability化学不稳定性 corrosion resista

13、nce 实例：冷加工过的黄铜由于内应力的存在，在氨气/铵盐/汞蒸气及海水中会发生严重的腐蚀破裂（季节病）；高压锅炉，铆钉发生的腐蚀破裂corrosion fracture；措施：退火annealing，消除内应力stress relief此外,冷变形会降低金属导热性,减少Zn和Cu的抗磁性，高度冷加工可使铜变为顺磁性金属，对顺磁性金属降低磁化敏感系数。 7.2 冷塑性加工金属加热时冷塑性加工金属加热时 组织性能变化组织性能变化l退火annealing的作用； 1.中间退火intermediate annealing 恢复塑性,便于加工 2.成品退火 , 成品的热处理 控制成品性能,强度,塑性l

14、冷变形金属加热时的软化过程分三个阶段: 回复 再结晶 晶粒长大 recovery recrystallization grain growth Recovery, Recrystallization and Grain Growthi) Recovery ii) Recrystallizationiii) Grain growthSchematic illustration of the effects of recovery, recrystallization, and grain growth on mechanical properties and on the shape and s

15、ize of grains. Note the formation of small new grains during recrystallization. Source: G. Sachs.New equiaxed and strain-free grains7.2.1 Recovery 回复lBelow recrystallization temperature of the metal低于再结晶温度lNo obvious change in mechanical properties (strength and hardness) 力学性能无明显变化lSmall increase in

16、 ductility lSubgrain boundaries begin to form (polygonization) 多边形化Reasons: Atoms diffuse only in short- range 原子短程扩散 Point defects dislocation moving during annealing change there number and distribution. vacancy moves or vacancy +other defects (such as interstitial间隙原子)submerge around grain bounda

17、ry and dislocationdefects density decreaseelectric resistance and internal stress decrease空位运动、空位与其它缺陷结合 0.10.3Tm0.30.5Tm dislocation moves 位错运动 redistributionsubgrain亚晶 lFormation types of subgrain： 1)multiple slip dislocation tanglesubgrain 2) polygonization 多边化 正负位错抵消7.2.2 Recrystallization 再结晶再结

18、晶lRecrystallization temperature defines as a temperature at which complete recrystallization occurs within 1 hour 再结晶温度lTemperature range： 0.5Tm (Tm=Melting point)lDecrease density of dislocationlDecrease strength/ Increase ductility 强度下降、塑性提高lQ：Lead, tin, cadmium and zinc recrystallize at room temp

19、erature. 再结晶温度为室温 1) hot working /cold working? 热加工、冷加工？ 2) do they have work-hardening? 是否发生加工硬化？金属再结晶是通过金属再结晶是通过形核形核和和长大长大 的方式来完成的的方式来完成的l 再结晶形核nucleation 在局部高能区域优先形成. 晶界grain boundary. 变形带deformation bands. 夹杂物 inclusion. 挛晶界 twin boundary. 自由表面 free surface.l变形大，层错能高的金属 亚晶聚合coalescence 伴随着亚晶长大低层

20、错能金属中，高位错密度晶界低层错能金属中，高位错密度晶界迁移，亚晶接长大成大角晶界，成迁移，亚晶接长大成大角晶界，成为再结晶的晶核为再结晶的晶核.l变形程度较小时，大角度晶界上有一小段弓出，晶界扫过的区域储存能释放，可以作为再结晶晶核而长大。Discussionl在原始晶界两边，一侧亚晶尺寸小，另一侧亚晶尺寸大。若该晶界在再结晶初期发生弓出，其弓出方向为何？Nucleation and GrowthWill follow standard incubation/growth laws:l再结晶晶核的长大再结晶晶核的长大 晶界迁移 boundary migration 驱动力 driving f

21、orce： 再结晶晶粒与变形基体之间的应变能之差. 表面能应变能 铝在350C时的再结晶动力学曲线，再结晶存在孕育期(形核过程),有一个最大值,晶粒接触后再结晶速度减慢,直到终了。7.2.3 Grain growth 晶粒长大从界面能的角度,再结晶结束后继续加热 晶粒还要长大.细晶粗晶表面积界面能稳定 正常晶粒长大正常晶粒长大均匀长大 大晶粒吞并小晶粒 弯曲晶界平直化 三叉晶界120 晶界趋向六边形返回Grain GrowthlBoundary moves toward center of curvature lThe more curved the grain boundary: lhigh

22、er the energy of the grain surface atoms lless energy is required to move those atoms away from the grainlGrain size increases with time if temperature produces atom movements 返回返回Grain growth typesGrain growth in a single phase materialSpheroidisation in a two phase materialParticle coarsening in a two phase material异常晶粒长大异常晶粒长大 二次再结晶 secondary recrystallization 再结晶后继续加热，某些晶粒吞并周 围晶粒长大，出现异常粗大晶粒，称 原因：原因：第二相、杂质溶入基体金属中,晶界迁移长大；或者再结晶织构中，个别晶粒位向差