金属热加工原理

金属热加工原理第一页，共三十一页，编辑于2023年，星期六2二、晶界对滑移的阻滞效应晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，且晶界两侧的晶粒取向不同，因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，即室温下晶界对滑移有阻滞效应。位错塞积示意图拉伸后晶界处呈竹节状第二页，共三十一页，编辑于2023年，星期六3一般来说，晶界可使金属强化，也可使金属软化，这主要依赖于温度和变形速率。当温度低于，且变形速率较大时，晶粒细化会使金属强度升高；但当温度高于上述界限及变形速率很慢时，晶界增多反而使金属强度降低。故高温合金一般希望获得粗晶组织。三、晶粒大小对变形抗力的影响对于大多数金属材料，其屈服强度与晶粒平均直经d的关系可用Hall-Petch方程式表示：

σ=σ+kyd

-1/2

式中——σ0,ky均为常数第三页，共三十一页，编辑于2023年，星期六4锌单晶和多晶的拉伸曲线通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。第四页，共三十一页，编辑于2023年，星期六5低碳钢的屈服强度与晶粒大小的关系铜和铝的屈服强度与其亚晶尺寸的关系细晶强化在提高材料强度的同时，也改善材料的塑性和韧性，这是其他强化方法所不具备的。第五页，共三十一页，编辑于2023年，星期六6

多晶体塑性变形的微观特点ⅰ.多方式：滑移和孪生（室温和低温下）晶界滑动和迁移（高温下）点缺陷的定向扩散（温度很高，外加应力很低）ⅱ.多滑移：每个晶粒至少要有五个滑移系统同时开动，以维持多晶体的完整性ⅲ.不均匀：晶界约束晶粒中心的滑移量>晶界附近晶体转动时，中心区的转角>边缘区第六页，共三十一页，编辑于2023年，星期六7§11-3影响金属塑性和形变抗力的因素一、合金元素的影响①合金元素使固溶体点阵畸变，晶面相对滑移阻力②钢中合金元素与C形成硬脆的碳化物相③合金元素改变钢中相的组成，造成组织的多相性④合金元素对钢的铸造组织及加热时晶粒长大倾向有影响⑤合金元素的碳化物、氧化物常以复化合物或硅酸盐等形态存于钢中，变形时割裂基体。第七页，共三十一页，编辑于2023年，星期六8二、形变温度的影响（T）①原子结合力减弱，原子动能增加，滑移抗力降低②可能出现新的滑移系，会发生相变（钢γ转变）③可能会发生晶界滑动，SPF时④原子不稳定，外力下容易从一个平衡位置到另一个，产生热塑性塑性，形变抗力第八页，共三十一页，编辑于2023年，星期六9三、形变速率的影响①形变速率对形变抗力的影响速率增加，抗力增大，增加的程度与形变温度有关。T越高，增加的程度越大。②形变速率对金属塑性的影响影响复杂。速率较低时，增加速率使塑性下降；速率较高时，增加速率使塑性增加。第九页，共三十一页，编辑于2023年，星期六10四、应力状态的影响①对塑性的影响三向应力下，三向受压>一向受拉>两向受拉>三向受拉压应力能提高塑性的主要原因：a.能阻止和减少晶间变形b.拉应力促使原子层彼此分离，扩大滑移产生的显微缺陷，加速晶间破坏；而压应力则使缺陷被压合封闭c.三向压应力能减轻或避免脆性夹杂物和液相对塑性的不良影响d.三向压应力能抵消由于不均匀变形所引起的附加拉应力②对形变抗力的影响第十页，共三十一页，编辑于2023年，星期六11五、其他因素的影响①变形程度冷变形，加工硬化，δσ，Δ<30%，形变抗力增加显著变形量增加，点阵畸变能增加，形变热效应产生的T，抗力增加缓慢②表面状态和周围介质表面吸附活性物质时，能促进变形，降低抗力表面光洁度越高，极限变形程度越大；越低，易应力集中③变形体形状与变形均匀性接触面愈大，摩擦引起的三向压应力愈大，塑性增加流动均匀，外摩擦作用不显著，塑性增加第十一页，共三十一页，编辑于2023年，星期六12§11-4金属塑性变形后的组织与性能一、塑性变形引起金属组织结构的变化1．亚结构

随着变形量的增大，晶体中的位错密度迅速提高。当形变量较小时，形成位错缠结结构；当变形量继续增加时，大量位错发生聚集，形成胞状亚结构，称为形变亚晶或形变胞。胞壁由位错构成，胞内位错密度较低，相邻胞间存在微小取向差；随着形变量的增加，这种胞的尺寸减小，数量增加；如果变形量非常大时，如强烈冷变形或拉丝，则会构成大量排列紧密的细长条状形变胞。变形亚晶对滑移过程有巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著升高，是产生加工硬化的主要原因之一。第十二页，共三十一页，编辑于2023年，星期六13

50%压缩率（30000×）铜经不同程度冷轧后的透射电镜图像30%压缩率（30000×）

99%压缩率（30000×）第十三页，共三十一页，编辑于2023年，星期六142．纤维组织晶粒的形状会发生相应的变化：如在轧制过程中，随着变形量的增加，原来的等轴晶粒沿延伸方向逐渐伸长，当变形量很大时，晶界变得模糊不清，各晶粒难以分辨，呈现出纤维状的条纹，通常称之为纤维组织。纤维的分布方向就是金属流变伸展的方向。纤维组织使金属的性能具有明显的方向性，其纵向的强度和塑性高于横向。金属中有夹杂物存在时，塑性杂质沿变形方向被拉长为细条状，脆性杂质破碎，沿变形方向呈断续状分布。第十四页，共三十一页，编辑于2023年，星期六15

99%压缩率铜经不同程度冷轧后的光学显微组织30%压缩率 50%压缩率第十五页，共三十一页，编辑于2023年，星期六16FigureThefibrousgrainstructureofalowcarbonsteelproducedbycoldworking:(a)10%coldwork,(b)30%coldwork,(c)60%coldwork,and(d)90%coldwork(250).(Source:FromASMHandbookVol.9,MetallographyandMicrostructure,(1985)ASMInternational,MaterialsPark,OH44073.第十六页，共三十一页，编辑于2023年，星期六173．变形织构（择优取向）当塑性变形量不断增加时，多晶体中原本取向随机的各个晶粒，会逐渐调整到其取向趋于一致，这一现象称为晶粒的择优取向(变形织构)。丝织构其特征是各晶粒的某一晶向趋向平行于拉拔方向。如铝拉丝为<111>织构，冷拉铁丝为<110>织构；板织构特征为各晶粒的某一晶面和晶向趋向平行于轧面和轧向。如冷轧黄铜的{110},<112>织构。变形织构造成材料的各向异性，多数情况下是有害的。所谓的“制耳”现象。但有时，织构的存在却是有利的，例如，采用具有((100)[001])织构的硅钢片制作电动机或变压器的铁心时，将可以提高导磁率，减少损耗。第十七页，共三十一页，编辑于2023年，星期六18

形变织构的示意图（a）丝织构（b）板织构变形织构造成的“制耳”现象第十八页，共三十一页，编辑于2023年，星期六19第十九页，共三十一页，编辑于2023年，星期六20二、冷塑性变形对金属物理、化学性能的影响①密度降低，电阻增大材料经塑性变形后，由于点阵畸变、位错与空位等晶体缺陷的增加，其物理性能和化学性能会发生一定的变化。如电阻率增加，电阻温度系数降低，磁滞与矫顽力略有增加，磁导率、热导率下降。②导热性和抗蚀性降低由于原子活动能力增大，还会使扩散加速。塑性变形提高了材料的内能，使化学活性提高，抗腐蚀性能下降。③出现各向异性冷变形后，出现织构而呈现各向异性。第二十页，共三十一页，编辑于2023年，星期六21第一类内应力（宏观残余应力）。它是由于工件各部分间的宏观变形不均匀而引起的，其作用范围是整个工件。易产生变形、开裂。一般不希望工件内部存在宏观内应力。第二类内应力（微观残余应力）。它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀而产生的。其作用范围为几个晶粒或几个亚晶粒。虽然这种内应力所占的比例不大(约占全部内应力的1%—2％)，但在某些局部区域，有时微观残余应力很大，致使工件在不大的外力作用下即产生显微裂纹，并进而导致工件的断裂。三、冷塑性变形后出现内应力第二十一页，共三十一页，编辑于2023年，星期六22第三类内应力（点阵畸变）。它是由于材料在塑性变形中，产生大量点阵缺陷，而造成的晶格畸变。其作用范围更小，在几十至几百纳米范围内，它使金属的硬度、强度升高，而塑性和抗腐蚀性能下降。一般残余应力的存在对材料的性能是有害的，它导致材料及工件的变形、开裂和产生应力腐蚀。残余应力可以通过适当方式的热处理加以消除。但是，工件表面残留一层压应力时，对提高使用寿命有利。例如，采用喷九和化学热处理方法使工件表面产生一层压应力，可以有效地提高工件（如弹簧和齿轮等）的疲劳抗力。第二十二页，共三十一页，编辑于2023年，星期六23合金的塑性变形与纯金属的变形基本一致，只是由于合金元素的加入而使金属晶体结构发生了变化,从而改变了基体金属的变形拉力，使材料机械性能发生了显著变化。这对工程上的塑性加工和强化金属有重大意义。合金元素在金属基体中的存在形式有两种一是形成固溶体；二是形成第二相，与基体组成机械混合物。§11-5合金的塑性变形第二十三页，共三十一页，编辑于2023年，星期六24由于异类原子（溶质原子）的存在，使合金塑性变形抗力大大提高，表现为强度、硬度增加，塑性、韧性下降，这种现象称为固溶强化。第二十四页，共三十一页，编辑于2023年，星期六25(b)溶质原子小于溶剂的置换固溶体溶质原子(a)溶质原子大于溶剂的置换固溶体原子(c)间隙固溶体原子在位错附近的分布第二十五页，共三十一页，编辑于2023年，星期六26固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用阻碍了位错的运动。溶质原子与位错弹性交互作用的结果，使溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小畸变，使系统更加稳定，此即称为柯氏(cotrell)气团。柯氏气团对位错有“钉扎”作用。为了使位错挣脱气团而运动，必须施加更大的外力。因此，固溶体合金的塑性变形抗力要高于纯金属。第二十六页，共三十一页，编辑于2023年，星期六27利用位错与溶质原子的弹性交互作用，可以解释某些固溶体合金中的上、下屈服点现象和应变时效现象。在低碳钢的应力－应变曲线中出现了明显的屈服点（称为上屈服点）后，应力突然下降到一个较低的值（下屈服点），此后试样继续伸长，而应力保持不变，即发生屈服伸长。第二十七页，共三十一页，编辑于2023年，星期六28当第二相比基体硬，但塑性较好时，合金的变形行为和性能与两个相的体积分数有关。如H62黄铜的组织。如下图。多相合金的塑性变形H62的铸态组织H62变形和退火后的组织第二十八页，共三十一页，编辑于2023年，星期六29当第二相比较脆时，合金性能除与相的相对量有关外，主要还取决于脆性相的形状、分布等。如下图中灰口铸铁的组织。片状石墨（灰口铸铁）球状石墨（球墨铸铁）多相合金的塑性变形第二十九页，共三十一页，编辑于2023年，星期六30又如钢中的渗碳体，当它呈连续网状分布在珠光体边界上时，使钢的脆性增大，若以片层状分布在珠光体中时，使钢的强度增大。含碳1.2％的钢缓冷后的组织

珠光体组织形态多相合金的