金屬的塑性成形和再結(jié)晶

1、第五章 金屬的塑性成形和再結(jié)晶教學(xué)目的及要求通過本章學(xué)習(xí)，使學(xué)生們掌握金屬材料變形的過程，塑性變形對組織與性能的影響，變形金屬在加熱時轉(zhuǎn)變：回復(fù)與再結(jié)晶。主要內(nèi)容1塑性變形對金屬的組織和性能的影響2冷變形金屬加熱過程中組織和性能的變化回復(fù)與再結(jié)晶3金屬的熱加工冷加工的區(qū)別學(xué)時安排講課2學(xué)時。教學(xué)重點1 塑性變形對組織與性能的影響2 回復(fù)與再結(jié)晶教學(xué)難點1 塑性變形的機理2 回復(fù)與再結(jié)晶教學(xué)過程 一、基本概念 1 金屬的塑料成形，又稱壓力加工指金屬材料在外力作用下發(fā)生塑性變形的過程。在工業(yè)生產(chǎn)上，將鋼錠鍛造、擠壓、軋制、拉拔成各種型鋼、鋼板、鋼管或鋼絲等規(guī)定尺寸和形狀的零件和產(chǎn)品的過程都屬金屬的

2、塑性成形。 2目的（1）獲得規(guī)定形狀和尺寸的零件和產(chǎn)品；（2）改善金屬的組織和性能。 3金屬塑性變形的分類 按加工溫度是否高于再結(jié)晶溫度分為兩種：冷塑性變形（冷加工）：指在金屬再結(jié)晶溫度以上進行的塑性變形加工，T < T再；熱塑性變形（熱加工）：指在金屬再結(jié)晶溫度以上進行的塑性變形加工，T > T再。純金屬：T再（0.350.4）T熔（K）合 金：T再（0.50.7）T熔（K）一、金屬的塑性變形1單晶體的塑性變形 主要方式：滑移和孿生。一般以滑移為主，孿生通常是在滑移難以進行時發(fā)生，是為了進一步滑移。機理：由于晶體中位錯的存在降低了晶體的變形抗力。在外力作用下，通過位錯的傳遞，晶體

3、發(fā)生滑移和孿生，從而實現(xiàn)金屬的塑性變形。實質(zhì)：是由位錯的移動來實現(xiàn)的。金屬的晶格類型不同，塑性變形的難易程度不同：面心立方晶格金屬最易發(fā)生塑性變形，所以塑性較好；其次是體心立方多屬，密排六方晶格的金屬塑性相對較差。2多晶體的塑性變形實際金屬變形方式：滑移晶位的轉(zhuǎn)動影響因素：晶粒位向和晶界。（1）晶粒位向不一致，變形時各晶粒間要相互協(xié)調(diào)：（2）晶界的影響：一方面是阻礙位錯滑移，使變形抗力增大；另一方面是協(xié)調(diào)變形，晶界自身發(fā)生變形，使處于不同變形量的相鄰晶粒保持連續(xù)。所以，多晶體的塑性變形過程可以這樣描述：在外力作用下，變形首先發(fā)生在有利滑移的晶粒內(nèi)，處于不利滑移的晶粒逐漸向有利方向轉(zhuǎn)動，互相協(xié)調(diào)

4、，由少量晶粒的變形擴大到大量晶粒的變形，從而實現(xiàn)宏觀變形。3細(xì)晶強化Hall-Pitch公式：s=0+Kd-1/2 （d為晶粒直徑）。描述了晶粒大小與金屬強度之間的關(guān)系：晶粒直徑與金屬的強度成反比。晶粒越細(xì)小，金屬的強度越高。原因：（1）晶粒越細(xì)，單位體積中的晶界面積越大，對位錯的滑移起到阻礙作用，提高了變形抗力；（2）晶界的存在有利于晶粒的移動和轉(zhuǎn)動，推遲裂紋形成，阻礙裂紋擴展，在斷裂前承受較大的塑性變形。所以，細(xì)化晶粒既可提高材料的強度，又可提高材料的塑性韌性。通過細(xì)化晶粒來提高金屬的強度的方法稱為細(xì)晶強化，是一種很重要的金屬強韌化手段。二、冷塑性變形對金屬組織和和性能的影響 1形成纖維組

5、織，產(chǎn)生各向異性。隨著應(yīng)變量的增加，晶粒被拉長或者壓扁，呈細(xì)條狀或者纖維狀；使金屬沿變形方向的強度、塑性和韌性都比垂直于變形方向的高，產(chǎn)生了各向異性。 2晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞結(jié)構(gòu)，造成加工硬化。加工硬化：經(jīng)過冷塑性變形的金屬材料，隨變形度增加，強度硬度提高，塑性韌性下降的現(xiàn)象，稱為加工硬化。產(chǎn)生原因：塑性變形造成晶粒破碎，晶格扭曲，位錯密度急劇增加引起。意義：存在有利和不利兩個方面。有利方面：提高強度和硬度，是強化金屬材料的主要方法之一，尤其是對不能用熱處理方法強化的金屬。 不利方面：金屬的塑性降低，變形抗力提高，使進一步的冷變形困難，必須中間采用退火處理消除加工硬化現(xiàn)象；造成生產(chǎn)成本增加，生產(chǎn)率降低

6、。3大變形量形成的織構(gòu)帶來各向異性。各晶粒內(nèi)原子排列位向趨于一致稱為織構(gòu)或者擇優(yōu)取向，導(dǎo)致金屬材料的各向異性。有利的影響：變壓器鐵心硅鋼片的導(dǎo)磁性能沿扎制方向顯著提高，提高變壓器的效率。不利的影響：在深沖杯形工件時，容易出現(xiàn)制耳現(xiàn)象，導(dǎo)致杯口邊沿不齊，造成廢品。4產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力 。在金屬內(nèi)部塑性變形是不均勻的，當(dāng)外力去除后，各部分的彈性恢復(fù)也不會完全一樣，這就使金屬內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互平衡的內(nèi)應(yīng)力。影響：降低零件的尺寸穩(wěn)定性；殘余壓應(yīng)力可提高疲勞強度，殘余拉應(yīng)力降低耐腐蝕性能。消除方法：采用去應(yīng)力退火。三、冷變形金屬在加熱時組織和性能的變化隨著加熱溫度的升高，冷變形的金屬經(jīng)歷三個階段：回復(fù)、再

7、結(jié)晶、晶粒長大。1 回復(fù)階段：加熱溫度較低，基本上保持加工硬化效果 。（1）顯微組織：形貌保持不變；原子排列畸變程度減輕，空位劇烈減少。（2）強度硬度略有降低， 內(nèi)應(yīng)力明顯下降；（3）此階段稱為“去應(yīng)力退火”。生產(chǎn)中利用回復(fù)進行去應(yīng)力退火，降低殘余應(yīng)力，保留加工硬化效果。如冷卷彈簧在卷制后進行一次2503000C的去應(yīng)力退火，穩(wěn)定尺寸。2再結(jié)晶階段：溫度較高，加工硬化效果消除，恢復(fù)材料的塑性變形能力。再結(jié)晶 指經(jīng)過冷變形的金屬，在較高溫度下加熱并保持一定的時間，形成新的晶核并成長為新的等軸晶粒的過程。組織性能的變化： （1）組織：碎的、拉長的晶粒轉(zhuǎn)變成細(xì)小的等軸晶粒。（2）加工硬化、殘余應(yīng)力等

8、完全消除。（3）性能：恢復(fù)塑性韌性，強度硬度降低；（4）此階段又稱再結(jié)晶退火。應(yīng) 用 實際生產(chǎn)中，常利用再結(jié)晶退火來消除加工硬化。目的是恢復(fù)金屬的塑性便于進一步冷加工。 3晶粒長大：再結(jié)晶結(jié)束后，加熱溫度繼續(xù)升高或延長時間，晶粒之間便會相互吞并而長大，這一階段稱為晶粒長大。晶粒粗大后，材料的力學(xué)性能會變差，必須控制。其后果是強度、塑性和韌性下降。四、影響再結(jié)晶晶粒大小的因素（1）加熱溫度與保溫時間。不宜過高，也不能太低。工業(yè)中常用的再結(jié)晶溫度為： （2）預(yù)變形程度的影響。變形度越大，再結(jié)晶退火后晶粒尺寸越小，要大于臨界變形度。臨界變形度: 金屬冷變形后再結(jié)晶時晶粒極易長得粗大，這時所對應(yīng)的應(yīng)變

9、量，稱為臨界變形度。 金屬材料的臨界變形度一般為（28）。 五、金屬的熱塑性變形 1 熱塑性變形與冷塑性變形的區(qū)別（1）再結(jié)晶溫度以上進行的塑性加工和變形；（2）不引起加工硬化，如果冷卻緩慢，也不出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力。2熱加工對金屬組織和性能的影響（1）改善鑄錠組織，消除鑄態(tài)組織缺陷 （2）形成鍛造流線熱加工纖維組織當(dāng)金屬在加工時，由于發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒的取向會不同程度地偏離變形方向，但脆性夾雜物被打碎拉長形成的纖維方向不變，這樣由一條條熱加工中的流線勾劃出來的組織，叫做纖維組織。流線使金屬仍有各向異性，拉伸時沿流線方向的力學(xué)性能好，垂直流線的方向力學(xué)性能較差。在制定熱加工工藝時，應(yīng)盡量使流線與工件所受的最大拉應(yīng)力方向一致，而與外剪切應(yīng)力或沖擊應(yīng)力的方向垂直。如圖56中，圖（a）所示曲軸鍛坯流線分布合理，圖（b）