5.6 金属的热加工

5.6金属的热加工

5.6金属的热加工1.金属的热加工与冷加工

压力加工是利用塑性变形的方法使金属成形并改性的工艺。由于常温下进行塑性变形会引起金属的加工硬化，使变形抗力增大，所以对尺寸较大或塑性低的金属，生产上往往采用在加热条件下进行塑性变形。从金属学角度来看，区分冷加工和热加工的界限是再结晶温度，在再结晶温度以下进行塑性变形称为冷加工；在再结晶温度以上进行塑性变形称为热加工。在热加工过程中，金属内部同时进行着加工硬化和回复、再结晶软化两个相反的过程。此时的回复、再结晶是边加工边发生的，因此称为动态回复和动态再结晶。

在变形中断或终止后保温过程中，或者在随后的冷却过程中所发生的回复与再结晶称为静态回复和静态再结晶。金属的塑性变形与再结晶与冷加工时的真应力－真应变曲线显著不同。变形开始时，应力先随应变而增大，但增加率越来越小，继而材料开始均匀塑性变形，即开始流变，并发生加工硬化，最后曲线转为水平，加工硬化率为零，达到稳定态，在应力的作用下，可以实现持续形变。在热加工温度发生动态回复时的真应力一真应变曲线的特征（铝及铝合金、工业纯铁，铁素体钢等）在热加工温度发生动态回复时的真应力－真应变曲线金属的塑性变形与再结晶发生动态回复时金属内部的显微组织变化

变形开始时，位错密度增加，均匀流变时，位错密度继续增加，此时出现位错缠结，形成胞状亚结构。由于位错密度的增大，导致了回复过程的发生，位错消失率也在不断增加，达到稳定状态时，位错的增殖率与消失率相等。此时的位错主要集中在胞壁上，形成亚晶粒。尽管晶粒的形状随材料外形的改变而改变，但亚晶粒形状始终保持着等轴状，即使形变量很大时也是如此。这类材料在热加工过程中只发生动态回复，没有发生动态再结晶。

亚晶尺寸的大小与变形温度和应变速率有关，变形温度越高，应变速率越慢，则亚晶的尺寸越大。相反，变形温度越低，应变速率越大，则形成的亚晶尺寸越小。因此，通过调整变形温度和应变速率，可以控制亚晶的大小。但是，如果加工过程停止，在保温或随后的缓慢冷却过程中即可发生静态再结晶。金属的塑性变形与再结晶发生动态再结晶时真应力一真应变曲线的特征（铜及铜合金、镍及镍合金、γ铁、奥氏体钢等）

在高应变速率的情况下，应力随应变不断增大，直至达到峰值后又随应变下降，最后达到稳定态。在低应变速率下，与其对应的稳定态阶段成波浪形变化，这是由于反复出现动态再结晶－变形－动态再结晶，及交替进行软化－硬化－软化而造成的。在热加工温度发生动态再结晶时的真应力－真应变曲线金属的塑性变形与再结晶发生动态再结晶时金属内部的显微组织变化与再结晶过程相似，动态再结晶也是形核和长大的过程，但是由于在形核和长大的同时还进行着形变，因而使动态再结晶的组织具有一些新的特点：首先，在稳定态阶段的动态再结晶晶粒呈等轴状，但在晶粒内部包含着被位错缠结所分割的亚晶粒。显然这比静态再结晶后晶粒中的位错密度要高。其次，动态再结晶时的晶界迁移速度较慢，这是由于边形变、边发生再结晶造成的。因此动态再结晶的晶粒比静态再结晶的晶粒要细些。金属的塑性变形与再结晶2.热加工对金属的组织与性能的影响改善铸锭和钢坯的组织热加工可使钢的组织缺陷明显改善。如气孔、疏松被焊合，材料的致密度增加；粗大的柱状晶和树枝晶被破碎，晶粒细化；大块初晶、共晶碳化物或粗大的夹杂物被打碎，分布均匀；在温度和压力的作用下合金元素扩散速度增快，偏析得到部分消除。形成纤维组织在热加工过程中铸态金属的偏析、夹杂物、第二相、晶界等沿变形方向延伸，在宏观试样上沿变形方向呈现一条条细线，此为热加工钢中的流线，这样的组织叫做纤维组织。纤维组织的形成使金属的机械性能呈现出各向异性，沿流线方向比垂直于流线方向具有较高的机械性能。金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶2.热加工对金属的组织与性能的影响变形-再结晶（热加工）机械加工形成带状组织复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布，这种组织称为带状组织。不同材料中产生带状组织的原因不同：一种是铸态组织中，无法消除的组织组成物在加工时直接形成。如高碳高合金钢存在较多共晶碳化物，热加工时形成带状，冷却后形成珠光体和碳化物的带状组织。常称为碳化物带。金属的塑性变形与再结晶2.热加工对金属的组织与性能的影响另一种是铸锭中的偏析和夹杂物形成纤维组织后成为固态相变中某一相的核心，使其成带状转变。（如含磷偏高的亚共析钢，铸态时树枝晶间富磷贫碳，磷在钢中的扩散速度比铁慢得多，热加工是难以消除，沿变形方向被拉长。磷使钢的A3↑，冷却时先共析铁素体优先在富磷贫碳带形成铁素体带，而两侧随后转变成珠光体带。再如钢中有较多MnS并被拉成带状，冷却时先共析铁素体也会依附于其上析出，形成带状组织。）

带状组织使金属材料的机械性能产生方向性，特别是横向的塑性和韧性明显降低，使材料的切削性能恶化。金属的塑性变形与再结晶2.热加工对金属的组织与性能的影响晶粒大小

正常的热加工可以使晶粒细化。热加工后的晶粒大小取决于变形量、热加工温度（尤其是终止温度）及冷却速度等因素。一般认为增大变形量，有利于晶粒细化，铸锭晶粒十分粗大时，只有足够大的变