冷熱變形對(duì)金屬組織和性能的影響課件

4.1.1冷塑性變形機(jī)理

多晶體的塑性變形包括晶內(nèi)變形和晶界變形（晶間變形）兩種。在冷態(tài)條件下，由于晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)，多晶體的塑性變形主要是晶內(nèi)變形，晶間變形只起次要作用，而且需要有其它變形機(jī)制相協(xié)調(diào)。

§4-1金屬冷態(tài)下的塑性變形

晶內(nèi)變形方式有滑移和孿生。由于滑移所需臨界切應(yīng)力小于孿生所需臨界切應(yīng)力，故多晶體塑性變形的主要方式是滑移變形，孿生變形是次要的，一般僅起調(diào)節(jié)作用。對(duì)于密排六方金屬，孿生變形起著重要作用。

圖4-1晶體滑移時(shí)的應(yīng)力分析圖4-2刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成晶體滑移變形的示意圖4-3螺型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成晶體滑移變形的示意圖4-4面心立方晶體孿生變形示意4.1.2冷塑性變形特點(diǎn)（1）各晶粒變形的不同時(shí)性

塑性變形首先在位向有利的晶粒內(nèi)發(fā)生,位錯(cuò)源開動(dòng),但其中的位錯(cuò)卻無(wú)法移出此晶粒,而是在晶界處塞積。位錯(cuò)塞積產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)越過(guò)晶界作用到相鄰晶粒上,使其得到附加應(yīng)力。隨外加應(yīng)力的增大,最終使相鄰位向不利的晶粒中滑移系的剪應(yīng)力分量達(dá)到臨界值而開動(dòng)起來(lái),同時(shí)也使原來(lái)的位錯(cuò)塞積得到釋放,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)移出晶粒。如此持續(xù)運(yùn)作,使更多晶粒參與變形。（2）各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性

晶粒的變形需要相互協(xié)調(diào)配合，如此才能保持晶粒之間的連續(xù)性，即變形不是孤立和任意的。（3）變形的不均勻性

軟位向的晶粒先變形，硬位向的晶粒后變形，其結(jié)果必然是各晶粒變形量的差異，這是由多晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定的。4.1.3冷塑性變形對(duì)組織與性能的影響

1）對(duì)金屬組織的影響

（1）在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)滑移帶和孿生帶等組織

銅多晶試樣拉伸后形成的滑移帶,x173倍(采自C.Brady,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局)多晶銅拉伸后，各個(gè)晶粒滑移帶的光學(xué)顯微鏡照片。銅是FCC晶體，滑移系是{111}/<110>，有12種組合。由圖看出，每個(gè)晶粒有兩個(gè)以上的滑移面產(chǎn)生了滑移。由于晶粒取向不同，滑移帶的方向也不同。工業(yè)純鐵冷塑性變形后組織(150X)a)變形程度20%b)變形程度50%c)變形程度70%（3）變形織構(gòu)

多晶體塑性變形時(shí)伴隨著晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量很大時(shí)，多晶體中原為任意取向的各個(gè)晶粒，會(huì)逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致，這種由于塑性變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織，稱為“變形織構(gòu)”。

絲織構(gòu)示意圖a）拉拔前b）拉拔后因板織構(gòu)所造成的“制耳”a)無(wú)制耳b)有制耳（4）晶粒內(nèi)產(chǎn)生胞狀亞結(jié)構(gòu)

塑性變形主要是借位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的。經(jīng)大變形后，位錯(cuò)密度可從退火狀態(tài)的106～107cm-2增加到1011～1012cm-2。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及交互作用結(jié)果，其分布是不均勻的。它們先是比較紛亂地糾纏成群，形成“位錯(cuò)纏結(jié)”。如果變形量增大，就形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。

金屬經(jīng)變形后的亞結(jié)構(gòu)45號(hào)鋼力學(xué)性能與變形程度的關(guān)系曲線青銅的加工硬化青銅的加工硬化非常嚴(yán)重，在冷拉拔時(shí)需反復(fù)退火以改善其塑性。因加工硬化嚴(yán)重，塑性下降，青銅在拉拔時(shí)發(fā)生脆斷。（3）靜態(tài)回復(fù)

在較低的溫度下、或在較早階段發(fā)生轉(zhuǎn)變的過(guò)程成為靜態(tài)回復(fù)。它是變形后的金屬自發(fā)地向自由能降低的方向轉(zhuǎn)變的過(guò)程。（4）靜態(tài)再結(jié)晶

在再結(jié)晶溫度以上，金屬原子有更大的活動(dòng)能力，會(huì)在原變形金屬中重新形成新的無(wú)畸變等軸晶，并最終取代冷變形組織，此過(guò)程稱為金屬的靜態(tài)再結(jié)晶。冷變形金屬加熱時(shí)組織和性能的變化如圖（4－9）冷變形金屬加熱時(shí)組織和性能的變化4.2.2熱塑性變形機(jī)理

變形機(jī)理主要有：晶內(nèi)滑移與孿生、晶界滑移和擴(kuò)散蠕變。高溫時(shí)原子間距加大，熱振動(dòng)和擴(kuò)散速度增加，位錯(cuò)滑移、攀移、交滑移及節(jié)點(diǎn)脫錨比低溫容易；滑移系增多，滑移靈便性提高，各晶粒之間變形更加協(xié)調(diào)；晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙作用減弱。因此，其主要機(jī)理仍然是晶內(nèi)滑移。

熱塑性變形時(shí)，由于晶界強(qiáng)度降低，使得晶界滑動(dòng)易于進(jìn)行；溫度越高，原子動(dòng)能和擴(kuò)散能力就越大，擴(kuò)散蠕變既直接為塑性變形作貢獻(xiàn)，也對(duì)晶界滑移其調(diào)節(jié)作用。

熱塑性變形的主要機(jī)理仍然是晶內(nèi)滑移；由于晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散蠕變作用的增加，再加之變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶。因此，熱態(tài)下金屬塑性變形能力比冷態(tài)下高，變形抗力較低。

圖4-11擴(kuò)散蠕變示意a）空位和原子的移動(dòng)方向b）晶內(nèi)擴(kuò)散c）晶界擴(kuò)散4.2.3熱塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響

1）對(duì)組織的影響

（1）改善晶粒組織，細(xì)化晶粒

對(duì)于鑄態(tài)金屬，粗大的樹枝狀晶經(jīng)塑性變形及再結(jié)晶而變成等軸（細(xì)）晶粒組織；對(duì)于經(jīng)軋制、鍛造或擠壓的鋼坯或型材，在以后的熱加工中通過(guò)塑性變形與再結(jié)晶，其晶粒組織一般也可得到改善。

擠壓+軋制對(duì)Nb棒組織影響1-2T1-3T1-3W1-6W1-6T1-2T1-31-6200mm600mm擠壓后下料示意圖3800mm5.5級(jí)8-10級(jí)7-9級(jí)8-10級(jí)7-9級(jí)

※下圖為TC11鈦合金鑄錠開坯后，320mm大規(guī)格棒材的高低倍組織。TC11合金φ320毫米棒材低倍照片（原始β粗大的網(wǎng)籃組織）

※后經(jīng)過(guò)三火加熱，8鐓8拔，鍛后水冷的改鍛工藝，低倍為模糊晶，高倍為雙態(tài)組織。GT25000艦用發(fā)動(dòng)機(jī)盤餅坯（直徑之半）低倍照片GT25000艦用發(fā)動(dòng)機(jī)盤高倍照片（雙態(tài)組織）（2）鍛合內(nèi)部缺陷

鑄態(tài)金屬中疏松、空隙和微裂紋等缺陷被壓實(shí)，提高金屬致密度。鍛合經(jīng)歷兩個(gè)階段：缺陷區(qū)發(fā)生塑性變形，使空隙兩壁閉合；在壓應(yīng)力作用下，加上高溫，使金屬焊合成一體。沒有足夠大的變形，不能實(shí)現(xiàn)空隙閉合，很難達(dá)到宏觀缺陷焊合。足夠大三向壓應(yīng)力，能實(shí)現(xiàn)微觀缺陷鍛合。

（3）形成纖維組織

在熱變形過(guò)程中，隨變形程度增加，鋼錠內(nèi)粗大樹枝晶沿主變形方向伸長(zhǎng)，與此同時(shí)，晶間富集的雜質(zhì)和非金屬夾雜物的走向也逐漸與主變形方向一致，形成流線。由于再結(jié)晶的結(jié)果，被拉長(zhǎng)的晶粒變成細(xì)小的等軸晶，而流線卻很穩(wěn)定地保留下來(lái)直至室溫。

性能特點(diǎn)：具有各向異性

a）縱向（平行纖維方向），韌、塑性增加

b）橫向（垂直于纖維方向），韌、塑性降低但抗剪切能力顯著增強(qiáng)

熱軋對(duì)晶粒組織的影響圖4-12鋼錠鍛造過(guò)程中纖維組織形成的示意低碳鋼熱加工后的流線吊鉤中的流線分布（左）正確（右）不正確FWP-7甲發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅴ級(jí)盤970℃(常規(guī))鍛后空冷的低倍流線（4）破碎改善碳化物和非金屬夾雜在鋼中分布

高速鋼、高鉻鋼、高碳工具鋼等，其內(nèi)部含有大量的碳化物。通過(guò)鍛造或軋制，可使這些碳化物被打碎、并均勻分布，從而改善了它們對(duì)金屬基體的削弱作用。

2）對(duì)性能的影響

細(xì)化晶粒、鍛合內(nèi)部缺陷、破碎并改善碳化物和非金屬夾雜在鋼中分布可提高材料的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。

纖維組織形成，使金屬力學(xué)性能呈各向異性，沿流線方向比垂直流線方向具有較高的力學(xué)性能，其中尤以塑性、韌性指標(biāo)最為顯著。

變形類型工藝方法組織變化性能變化冷變形冷軋、拉拔、冷擠壓、冷沖壓、冷鐓晶粒沿變形方向伸長(zhǎng)，形成冷加工纖維組織；晶粒破碎，形成亞結(jié)構(gòu)；位錯(cuò)密度增加；晶粒位向趨于一致