《金属在塑性加工中组织与性能变化的基本规律》课件

《金属在塑性加工中组织与性能变化的基本规律》材料成形形状/尺寸/表面质量组织性能工艺因素---组织演变---力学性能/物理性能/化学性能联系/规律PropertiesProcessingMicrostructure7.1金属在冷塑性加工中组织与性能变化的规律

Changeofmicrostructuresandmechanicalpropertiesincoldworking1.纤维组织多晶金属冷变形→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

7.1.1显微组织的变化ab钢材冷拔后纤维组织示意图a-拔制变形前的组织；b-拔制变形后的纤维组织2.Substructure亚结构deformation变形→dislocationdensity↑位错密度增加→dislocationtangles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

cellularsubstructure晶界与亚晶界ε↑→dsub↓→σ↑

subgrainstrengthening

亚晶强化变形达到一定程度,变化减小。3.变形织构deformationtexture

变形量较大时，各晶粒取向大体趋于一致,－“择优取向”preferredorientation

具有择优取向的组织称为“变形织构”deformationtextureDeformationtextureappearsinextrusion挤压/drawing拉拔/forging锻造/rolling轧制

织构-描述多晶体中晶体取向的特征。理想情况:变形金属中的每个晶粒都转到所给出织构的晶向和晶面。实际情况:变形金属的晶粒取向只是趋向于这种织构.随着变形程度的增加,趋向于这种取向的晶粒越多,这种织构越完整。Generally,deformationtextureincludesfibertexture(丝织构)andplatetexture(板织构)。

丝织构fibertexture挤压drawing/拉拔extrusion

轴对称axisymmetric特定晶向//最大主变形方向.丝织构fibertexture拉拔方向

丝织构示意图板织构platetexture

轧制rolling/宽展很小的矩形件-镦粗upsetting

平面变形planestrain

某一晶向//轧向 某一晶面//轧面methodformeasuringtexture:

x射线衍射x-raydiffraction

极图polefigures/取向分布函数ODF(orientationdistributionfunction)

无择优取向

randomdistributionoforientationShearTextures:

idealizedtexturecomponents织构

背散射电子衍射

超细晶粒钢ultra-finegrainedsteelElectronbackscatteddiffraction,EBSD普通碳钢lowcarbonsteel7.1.2.力学性能的变化

Changeofmechanicalproperties

1.加工硬化

workhardening

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singlecrystal加工硬化曲线曲线斜率θ=dτ/d

,加工硬化率Work/strainhardeningrate

剪切应力

τ<τc弹性阶段τ>τc塑性变形阶段塑性变形阶段的曲线：

易滑移阶段线性硬化阶段抛物线硬化阶段

Ⅰ.易滑移阶段—单系滑移singularslip一组滑移系开动,硬化率很小。

滑移线相互平行铜的单滑移Ⅱ.线性硬化阶段—多系滑移multipleslipsystem

多系滑移→位错交割/反应→位错缠结→胞状亚结构必须加大外加切应力→变形抗力↑→硬化率↑▲Cross-Slip:

交滑移bbbPrimaryslipplaneCrossslipplaneedgeⅢ.抛物线硬化阶段—交滑移crossslip

交滑移→位错绕过障碍→硬化率↓

多晶体polycrystal：多系滑移,无Ⅰ阶段,加工硬化率比较高。

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↑

影响因素(1)晶体结构(2)层错能stackingfaultenergy(SFE)

层错能高(Al)→扩展位错宽度窄→交滑移容易→Ⅱ阶段短/Ⅲ阶段出现早层错能低(Cu)与此相反(3)晶粒尺寸grainsize

d↓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↑硬化↓2.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

negativeeffect

深冲deepdrawing“制耳效应”earing.(b)

裂纹crack正面影响

positiveeffect磁性材料magneticmaterial

例:变压器用硅钢片(110)[001]高斯取向〈100〉易磁化方向沿轧制方向磁导率↑铁损↓

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

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

storedenergy

Es

冷变形结束后，约10%能量以点缺陷、位错、层错的形式储存在金属的内部,称为储存能Es。

影响因素factors: (1)材料的内在因素intrinsicfactor

熔点Tm↓Es↓

溶质原子↑/d↓Es↑

－畸变distortion

第二相/基体性质差异大Es↑位错交割dislocationintersection位错增殖dislocationmultiplication

(2)工艺条件processingschedules

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↑thermodynamicallyunstable

7.1.4其他性能的变化

Changesofotherproperties1.金属密度Density

crack裂纹&cavity空洞→density↓2.导电性Electricconductivitydislocationdensity↑→latticedistortion点阵畸变→electricresistance电阻↑

internalstress内应力

stresscorrosion应力腐蚀

3.耐蚀性能

corrosionresistance

Colddeformation冷变形→residualstress残余应力&internalenergy↑→chemicalinstability化学不稳定性↑→corrosionresistance耐蚀性能↓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corrosionfracture。

冷拉黄铜管裂纹措施：退火annealing，消除内应力

stressrelief

7.2冷塑性加工金属加热时

组织性能变化退火annealing的作用：

1.中间退火intermediateannealing

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,塑性冷变形金属内能较高---热力学不稳定冷变形赋予金属的储存能---转变驱动力金属不能自发完成转变实现转变的条件:加热---热激活克服势垒

---完成向稳定态的过渡thermodynamicallyunstabledrivingforcethermalactivation

回复与再结晶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

recoveryrecrystallization graingrowtht0t1t2t3回复再结晶晶粒长大

（1）组织变化t0～t1为第1阶段，称为回复：显微组织几乎不发生变化，晶粒仍保持变形后的形态t1～t2为第Ⅱ阶段，称为再结晶:变形晶粒通过形核和长大，变为新的等轴晶粒（但不是相变）；t2～t3为第Ⅲ阶段，称为晶粒长大:晶粒通过晶界移动，发生长大，直至达到一种相对稳定的尺寸。t0t1t2t3回复再结晶晶粒长大冷变形金属组织随加热温度及时间的变化示意图Schematicrepresentationoftherecovery-recrystallization-graingrowthsequencenucleateGrowquicklyTerminalgrainsizeElongategrainsGrowi)Recovery回复ii)Recrystallization再结晶iii)Graingrowth

晶粒长大Newequiaxedandstrain-freegrains组织性能变化7.2.1回复Recovery低于再结晶温度

belowrecrystallizationtemperatureofthemetal力学性能无明显变化noobviouschangeinmechanicalproperties(strengthandhardness)

塑性略有回升

smallincreaseinductility

Reasons:

原子短程扩散

short-rangediffusion

点缺陷pointdefects0.1～0.3Tm空位运动、空位与其它缺陷结合→电阻、内应力

electricresistance/internalstressdecrease

vacancy空位Interstitial间隙原子0.3～0.5Tm

dislocationmovements位错运动→redistribution→subgrain亚晶

Formationtypesofsubgrain：

1)multipleslip多系滑移→dislocationtangles位错缠结→subgrain2)polygonization多边化/正负位错抵消DislocationglideDislocationclimbPolygonization多边形化edgedislocations刃型位错回复中的性能变化

propertychanges－hardness硬度基本不变？？位错变化不大

－电阻大大下降？点缺陷

sensitive－密度density升高？

点缺陷

回复动力学

Kineticsofrecovery

Occurringexponentiallywithtime

(a)Theshearstress-strainrelationshipfortheZnsinglecrystals;(b)Time-temperaturevariationofyieldstressduringrecovery无孕育期温度

回复速度7.2.2Recrystallization

再结晶再结晶温度recrystallizationtemperature0.4～0.5Tm(Tm=meltingpoint)位错密度

dislocationdensity

强度strength

塑性